Erodieren
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Erodieren
Die funkenerosiven Verfahren gehören nach DIN 8580 zu den abtragenden Bearbeitungsverfahren und damit zur Hauptgruppe Trennen. Es können alle elektrisch leitenden Werkstoffe, auch gehärteter Stahl und Hartmetall, bearbeitet werden. Von den verschiedenen Funkenerosionsverfahren werden überwiegend funkenerosives Senken und funkenerosives Schneiden angewandt.
Verfahrensmerkmale
Beim Funkenerosiven Abtragen, werden Werkstück und Werkzeug über ein Kabel an eine Gleichstromquelle angeschlossen. In einer Leitung ist ein Schalter eingebaut. Wird der Schalter geschlossen, entsteht zwischen Werkstück und Werkzeug eine elektrische Spannung. Die Werkzeug- und Werkstückelektrode werden so positioniert, dass sich zwischen ihnen ein Spalt befindet. Dieser wird während des Erodiervorganges mit einer nicht leitenden Flüssigkeit, dem Dielektrikum gefüllt. Diese Flüssigkeit isoliert Elektrode und Werkstück und führt zu einer Verengung des Entladekanales und damit zu hoher Energiedicht an der Wirkstelle. Wird der Zwischenraum verkleinert, schlägt bei einem bestimmten, sehr geringen Abstand ein Funke über. Bei diesem, auch als Entladung bezeichneten Vorgang wird Strom in Wärme umgesetzt. Die Materialoberfläche erhitzt sich im Bereich des Entladekanals sehr stark. Unterbricht man nun den Stromzufluss, fällt der Entladekanal sehr schnell zusammen. Dadurch verdampft die Metallschmelze an der Materialoberfläche explosionsartig und reißt bis zu einer gewissen Tiefe flüssiges Material mit. Es bildet sich ein kleiner Krater. Folgt nun Entladung auf Entladung, so entstehen Krater neben Krater und eine stetige Abtragung an der Werkstückoberfläche.
Aufbau der Erodieranlage
Die Erodiermaschine besteht aus einer NC gesteuerter Vorschub – und Lageregelung, einem Generator zur Erzeugung des Entladestromes und einem Behälter mit Pumpe, Filter und Spühlung für das Dielektrikum. Der Arbeitsraum ist mit einer wasserdichten Wanne umgeben und wird während des Erodiervorganges mit Dielektrikum geflutet.
Abtragvorgänge
Zur Erzeugung eines Funkens in der Zündphase wird durch den Generator eine pulsierende Spannung (20V … 150V) zwischen den Elektroden angelegt.
(1) In dem mit Dielektrikum gefüllten Funkenspalt bildet sich an der Stelle mit dem geringsten Abstand ein starkes elektrisches Feld aus. (2) Stoffteilchen im Dielektrikum bilden eine leitende Brücke (3) es entsteht ein Entladekanal. Ein Funke springt über. (4) In der Entladephase herrscht im Entladekanal hoher Druck und es fließt ein großer Strom bis 100 A. Dies bewirkt hohe Temperaturen von 8000°C…12000°C und verursacht ein sofortiges Schmelzen und Verdampfen von Werkstoffteilchen. Es bildet sich eine Dampfblase. (5) Wird der Strom abgeschaltet fällt der Druck sowie der Entladekanal zusammen. Die überhitzte Schmelze verdampft explosionsartig und reißt geschmolzenes Material mit. Die im Dielektrikum entstandene Dampfblase schrumpft und wird mit dem erstarrten Werkstoff weggespült. (6) Die durch Erodieren entstandene Oberfläche kann man sich Kraterartig vorstellen. Die Rauhigkeit hängt von verschiedenen Einstellmöglichkeiten ab.
Elektrische Kenngrößen
Elektrische Kenngrößen
Der Generator mit den Einstellmöglichkeiten
Der Generator formt den vom Netz kommenden Wechselstrom in Gleichstrom um. Er generiert einen rechteckförmigen Spannungsimpuls. Durch eine Regeleinrichtung werden die elektrischen Größen an die technologischen Erfordernisse angepasst.
Am Generator können Stromstufe, d.h. Impulsstrom ii, Impulsdauer und Pausendauer unabhängig voneinander eingestellt werden. Den größten Einfluss auf die Vorgänge im Funkenspalt hat die Entladeenergie.
Die Impulsdauer wird mit dem millionsten Teil einer Sekunde in Mikrosekunden gemessen. Der Impulsabstand steht im Verhältnis zur Impulsdauer als Prozentzahl.
Bsp.: Ist zum Beispiel der Abstand 25 Mikrosekunden bei einer Impulsdauer von 100 Mikrosekunden, so beträgt Tau 80 Prozent. Das heißt, dass der Impuls 80 Prozent, die Pause 20 Prozent eines Schaltspiels dauert.
Elektrodenverschleiß Bei Erodieren bewirkt ein geringer Strom eine geringe Abtragsleistung. Im Umkehrschluss bewirkt hoher Strom eine große Abtragsleitung, was aber zu einem in Volumenprozent gemessenen Anstieg des Verschleißes an der Werkzeugelektrode mit sich bringt (Werkstoffpaarung: Kupferelektrode/Stahlwerkstoff). Bei Verwendung von Graphitelektroden nimmt der Verscheiß bis zu einer bestimmten Stromwert ab und bleibt dann weitgehend konstant.
Auswirkung Pausendauer: Die Pause zwischen zwei Impulsen hat einen wesentlichen Einfluss auf den Verschleiß und die Abtragsleistung. Bei kleinen Pausen(großes Tastverhältnis) ist ein großer Abtrag und ein geringer Verscheiß an der Werkzeugelektrode festzustellen. Wird die Pausendauer zu klein gewählt kommt es zu Prozessstörungen, was örtliche Überhitzung und die Bildung von Lichtbögen mit Kurzschlusseffekten und daraus ergebend einen geringeren Abtrag und einen höheren Verschleiß mit sich bringt. Da Impulsdauer und Pausendauer im Verhältnis zueinander Stehen, wird dieser kritische Wert auch als Grenztastverhältnis bezeichnet. Auswirkung Stromimpuls(Dauer& Stärke):
Den Verlauf von Spannung und Strom an der Entladestelle zeigt Bild 1. Es ist eine sinnbildliche Darstellung der sich wiederholenden Impulse mit Impulsdauer ti, Periodendauer tp, Entladedauer te, Pausendauer to und Zeitverzögerungszeit td.
Erodierkenngrößen
Am linken Bild zeigt einen Schnitt einer Erodierten Oberfläche. Es sind Veränderungen im Werkstoffgefüge sowie die Rautiefe zu entnehmen. Mit steigender Entladeenergie nehmen die Rauheitswerde und Veränderungen des Werkstoffgefüges zu. Da die Einstellgrößen beim Erodieren von den Rauheitsmessgrößen abhängen, sollte darauf geachtet werden, dass die geforderte Maßhaltigkeit und Oberflächengüte durch den Schlichtgang noch erreicht werden.
Unter dem Funkenspalt oder Arbeitsspalt S versteht man den Zwischenraum zwischen Werkstück und Elektrode. Um ein maßgenaues Werkstück erodieren zu können, muss der Funkspalt berücksichtigt werden. Dabei unterscheidet man den frontalen Arbeitsspalt SF und den lateralen Arbeitsspalt SL. Der Arbeitsspalt Sα wird durch den Neigungswinkel zur Vorschubrichtung definiert.
Der frontrale Arbeitsspalt wird durch die Regelung der Maschine bestimmt, der laterale Spalt dagegen durch den Elektrodenwerkstoff (Materialpaarung), die Entladungsimpulse (Dauer und Höhe), die Spülungsart und das Dielektrikum.
Die Wirtschaftlichkeit des Funkenerosionsverfahrens beschreiben folgende Kenngrößen:
Abtragsrate VW in mm3/min (beim erosiven Senken) Schneidrate in mm2/min (beim erosiven Schneiden) Verschleißrate VE in mm3/min (an der Werkzeugelektrode) VE relativer Verschleiß v = ------ 100% in Prozent VW
Längenverschleiß VL in mm.
Funkenerosives Senken
Durch das funkenerosive Senken können Bohrungen, Durchgangslöcher, Einsenkungen und Gravuren bei weichen, gehärteten und naturharten Werkstoffen gefertigt werden.
Ziele des funkenerosiven Senken
- Kurze Bearbeitungszeit durch große Abtragsrate - Hohe Oberflächengüte - Hohe Maßgenauigkeit
Dieses wird durch Schruppen und anschließend zum Teil mehrfaches Schlichten erreicht.
Einstellgrößen
- Generator o Entladestrom ie o Impulsdauer ti o Pausendauer to o Zündspannung ue - Polarität Werkstück & Elektrode - Einstellung Spülbedingung
Verhalten der Einstellgrößen
Stromstärke ie
(Impulsdauer ti & Pausendauer t0 konstant)
Je größer die Stromstärke (Entladestrom ie) ist, desto größer sind Abtragsrate und Rauheit. Gleichzeitig steigt der relative Elektrodenverschleiß und die Abbildgenauigkeit nimmt ab.
Impulsdauer ti
(Stromstärke ie & Pausendauer t0 konstant)
- Entladestrom wirkt stärker - Abtragsrate steigt - Geringer relativer Elektrodenverschleiß - Zunahme der Oberflächenrauheit
Für das Schruppen (Graphit- u. Kupferelektrode) in Stahl wählt man die Impulsdauer zwischen Abtragsmaximum und Verschleißminimum.
Pausendauer t0
Verkleinerung führt zu vielen Entladungen was wiederum zu einer hohen Abtragsrate führt. Zu klein gewählte pausen führt zu : - Prozessstöhrungen - Örtlichen Überhitzungen - Lichtbogenbildung mit Kurzschlusseffekt
Schruppen ti / t0 >= 10:1 Schlichten ti/to 4:1 bis 10:1 Feinschlichten 0,4
Zusammenhänge und Einstellungen können dem Kurvenblatt der Elektrodenhersteller entnommen werden.
