DE3203605A1 - Verfahren und vorrichtung zum elektroerosiven bearbeiten eines profils in einem werkstueck - Google Patents

Description

Inoue-Japax Research Incorporated Yokohamashi, Kanagawaken Japan

Verfahren und Vorrichtung zum elektroerosiven Bearbeiten eines Profils in einem Werkstück

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bearbeitungsverfahren und eine Bearbeitungsvorrichtung, insbesondere auf ein neues und verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung zum elektroerosiven Bear-, beiten eines zwei- oder dreidimensionalen Profils in einem Werkstück mit einer drehbaren Werkzeugelektrode.

Ein zwei- oder dreidimensionales Profil wurde bisher in einem Werkstück durch eine derart geformte. Werkzeugelektrode elektroerosiv bearbeitet, daß sie komplementär zum gewünschten Profil war, und diese Werkzeugelektrode wurde in einer gegebenen Richtung nach und nach in.das Werkstück vorgerückt oder

"abgesenkt", während man einen Elektroerosionsbearbeitungsstrom zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück fließen ließ»

Ein kompliziertes Profil kann elektroerosiv in einem Werkstück auch mit einer einfachen kompakten Elektrode bearbeitet werden, indem man den Bearbeitungsvorschub zur Verschiebung der Werkzeugelektrode relativ zum Werkstück längs einer Folge von Verschiebungsbahnen steuert. Bei diesem letzteren Verfahren braucht die Werkzeugelektrode nicht komplementär zum gewünschten zwei- oder dreidimensionalen Profil geformt zu sein, und das Werkstück wird auf einem beweglichen Werkstücktisch so abgestützt und gehalten, daß es in einer horizontalen oder X-Y-Ebene liegt. Während des Bearbeitungsvorganges wird der Werkstücktisch horizontal angetrieben, um das Werkstück längs X- und Y-Koordinatenachsen zu verschieben, oder außerdem vertikal angetrieben, um das Werkstück zusätzlich längs einer . zur X-Y-Ebene senkrechten Z-Koordinatenachse relativ zu der in fester Lage gehaltenen Werkzeugelektrode zu verschieben, so daß das erwünschte zwei- oder dreieimensionale, durch die jeweiligen Bahnen der Relativverschiebung bestimmte Profil im Werkstück gebildet wird. Obwohl dieses Verfahren durch Beseitigung der Notwendigkeif der umständlichen, zeitaufwendigen und kostspieligen Arbeit der Formung' einer zu jedem einzelnen Profil komplementären besonderen Werkzeugelektrode größere Vorteile gegenüber dem Absenk-

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typverfahren bietet, wurde gefunden, daß es häufig Mängel hinsichtlich der Erzielung des gewünschten Profils mit erforderlicher Genauigkeit und Endgüte, besonders an Ecken- oder Winkelteilen des Profils, aufweist, so daß ein weiterer Endbearbeitungsvorgang mit einer ausgewechselten .Werkzeugelektrode erforderlich wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum elektroerosiven Bearbeiten eines Profils mit vieldimensional erfolgendem Bearbeitungsvorschub zu entwickeln, d.as die Bearbeitung des gewünschten Profils mit der erforderlichen Genauigkeit und Endgüte, jedoch mit einem erhöhten Wirkungsgrad gegenüber dem bekannten Verfahren ermöglicht, und eine verbesserte Elektroerosionsbearbeitungsvorrichtung zu entwickeln, die sich zur Durchführung des verbesserten Verfahrens eignet.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist zunächst ein Verfahren zum elektroerosiven Bearbeiten eines Profils in einem Werkstück, bei dem man das Werkstück auf einem, beweglichen Werkzeugtisch zum Liegen in einer X-Y-Ebene abstützt und eine Werkzeugelektrode mit einem Werkzeugträger senkrecht zur X-Y-Ebene beweglich hält, mit dem Kennzeichen, daß man

a) die Werkzeugelektrode an ihrer Seitenoberfläche mit einer Mehrzahl von unterteilten Bearbeitungs-

elektrodenflachen derart, daß sich jede der unterteilten Bearbeitungsflächen, senkrecht zur X-Y-Ebene erstreckt, und um eine" zu den Bearbeitungselektrodenflächen parallele Achse drehbar ausbildet,

b) die Werkzeugelektrode durch Drehen des Werkzeugträgers um die Achse zum Erreichen einer vorbestimmten Winkelausrichtung der Werkzeugelektrode relativ zu einer vorbestimmten Winkelstellung positioniert und dadurch wenigstens einen Teil der Elektrodenflächen in Bearbeitungslage zum Werkstück bringt, .

c) elektroeroslv Material von wenigstens einem Teil des Werkstücks abträgt, der dem Teil der Elektrodenflächen gegenüberliegt, während man den

• Werkstücktisch zur Verschiebung des Werkstücks in der X-Y-Ebene bewegt,so daß sich der Teil der Elektrodenflachen längs eines Teils des Profils im Werkstück bewegt,

d)' die Werkzeugelektrode durch Drehung des Werkzeugträgers um die Achse zur Änderung der Winkelausrichtung der Werkzeugelektrode winkelmäßig umpositioniert, wodurch man wenigstens einen anderen Teil der Elektrodenflächen in Bearbeitungslage zum Werkstück bringt, und den Schritt c) so durchführt, daß sich der andere Teil der Elektrodenflächen längs eines folgenden Teils des Profils im Werkstück bewegt, und

e) den Schritt d) zur Bearbeitung aufeinanderfolgender Teile des Profils im Werkstück nacheinander wiederholt.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur elektroerosiven Bearbeitung entsprechend diesem Verfahren, mit einem beweglichen Werkstücktisch zur festen Montage des Werkstücks darauf in einer X-Y-Ebene, ersten, mit dem Werkstücktisch antriebsmäßig verbundenen Motoren zum Verschieben des Werkstücks in der X-Y-Ebene, einer mitpinem Werkzeugträger senkrecht zur X-Y-Ebene beweglich gehaltenen Werkzeugelektrode und einer Stromquelle zum Leiten eines Elektroero.sionsbearbeitungsStroms zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück, mit dem Kennzeichen,

daß die Werkzeugelektrode auf ihrem Seitenumfang eine Mehrzahl von unterteilten Bearbeitungsflächen aufweist,

daß der Werkzeugträger mit der Werkzeugelektrode um eine zur X-Y-Ebene senkrechte Achse drehbar ist, zu der sich jede der unterteilten Bearbeitungsflächen parallel erstreckt, und .

daß ein weiterer Motor zum Drehen der Werkzeugelektrode um die Drehachse und eine AntriebsSteuereinheit für die ersten Motoren und den weiteren Motor vorgesehen sind.

a c

Insbesondere liefert die Antriebssteuereinheit eine Folge von DrehantriebsSignalen, deren jedes dem weiteren Motor zwecks Drehung des Werkzeugträgers um die genannte Achse zugeführt wird, um eine vorbestimmte winkelmäßige Ausrichtung der Werkzeugelektrode von einer vorbestimmten Winkelstellung derselben um die genannte Achse zu erreichen, wodurch wenigstens ein Teil der Elektrodenflächen in eine Bearbeitungszuordnungslage zum Werkstück gebracht wird. Die Antriebssteuereinheit liefert eine Folge von Translationsantriebssignalen, deren jedes den beiden ersten Motoren zur Verschiebung des Werkstücks in der X-Y-Ebene zugeführt wird, während Material elektroerosiv von einem Teil des Werkstücks abgetragen wird, der dem Teil der Elektrodenflächen gegenübersteht, wobei der Bearbeitungsstrom von der Stromquelle fließt, so daß sich der Teil der Bearbeitungsflächen längs eines Teils des Profils im Werkstück bewegt, wobei die Antriebssteuereinheit so ausgelegt ist,daß jedes der Drehantriebssignale und·jedes der Translationsantriebssignale dem weiteren Motor bzw. den ersten beiden Motoren so augeführt werden, daß nacheinander aufeinanderfolgende Teile des Profils im Werkstück bearbeitet werden.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht, zum Teil im Schnitt und zum Teil als Blockdiagramm, zur Veranschaulichung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt einer Werkzeugelektrode mit einer Mehrzahl von unterteilten Bearbeitungselektrodenflächen an ihrem Seitenumfang zur Verwendung mit der Vorrichtung nach Fig. 1 und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie A-A

in Fig. 1 und von oben gesehen, der schematisch die Werkzeugelektrode nach Fig. 2 in verschiedenen Stellungen mit zugehörigen Winkelausrichtungen zur Bearbeitung eines Profils in einem Werkstück veranschaulicht; und

Fig.4 und 5 Schnitte zur Veranschaulichung

weiterer Formen der Werkzeugelektrode gemäß der Erfindung zur Verwendung in der Vorrichtung nach Fig. 1.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 wird eine Werkzeugelektrode. 1 fest von einem Werkzeugträger 2 gehalten, der seinerseits fest von einer Drehwelle 3 getragen wird, so daß die Werkzeugelektrode 1 und die Welle miteinander koaxial sind. Die Welle 3 ist in einem

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Lager 4 drehbar gehalten, das durch die Wand eines Gehäuses 5 hindurch vorgesehen ist, das fest an einer Welle 6 einer elektrischen Entladungsbearbeitungs (EDM)-Anlage gehalten ist. Die Werkzeugelektrode 1 und die Welle 6 sind koaxial miteinander angeordnet. Die Welle 6 wird von einem Motor 7, z. B. Schrittmotor, so angetrieben, daß sie vertikal oder längs einer Z-Achse beweglich ist, um die Vertikallage der Werkzeugelektrode 1 einzustellen und zu steuern.

Im Gehäuse 5 hat die Welle 3 ein Schneckenrad 8, das daran im Eingriff mit einem Schneckengetriebe befestigt ist, das fest an der Antriebswelle eines Motors 10, z. B. Schrittmotors, montiert ist. Der Motor 10 ist zusammen mit dem Schneckenrad 8 und dem Schneckengetriebe 9 im Gehäuse 5 aufgenommen, um eine drehbare Einheit 11 für die Welle.3 und die Werkzeugelektrode 1 zu bilden.

Die Werkzeugelektrode 1 ist in einer Lage zur Bearbeitung eines Werkstücks 12 dargestellt,das fest auf einer Werkstücktischanordnung gehalten ist, die ein Paar beweglicher Tische 13 und 14 in Kreuzsehlittenanordnung auf einem Maschinenfundament aufweist. Die Tische 13 und 14 haben Motoren 16 und 17, z. B. Schrittmotoren, die mit ihnen antriebsmäßig zur Verschiebung des Werkstücks 12 längs einer X-Ächse bzw. einer Y-Achse verbunden sind, die

und
zueinander/zur Z-Achse senkrecht sind. Das Werk- ' stück 12 ist so in der zur Achse der Werkzeugelektrode 1 und der Welle 6 senkrechten, horizontalen X-Y-Ebene verschiebbar angeordnet.

Die Elektroerosionsbearbeitungs-Stromquelle kann eine Gleichstromquelle 18 aufweisen, die elektrisch einerseits über den elektrisch leitenden · Werkzeugträger 2 mit der Werkzeugelektrode 1 und andererseits mit dem Werkstück 12 in Reihe mit . · einem Schalttransistor 19 verbunden dargestellt ist. Der letztere wird durch eine Folge von Signalimpulsen gespeist, die von einem Signalimpulsgenerator 20 geliefert werden, um den Gleichströmausgang der Stromquelle 18 pulsierend zu machen und dadurch eine Folge von Bearbeitungsimpulsen zwischen der Werkzeugelektrode 1 und dem Werkstück 12 anzulegen. Ein Elektroerosionsbearbeitungs-Flüssigkei tsmedium, z. B. destilliertes Wasser, ' wird nach der Darstellung in den Bearbeitungsspalt zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück 12 mittels einer Düse 21 eingeführt, kann jedoch auch durch eine Innenbohrung in der Werkzeugelektrode 1 oder durch Eintauchen des Bearbeitungsbereichs in das Flüssigkeitsmedium zugeführt werden,wie an sich bekannt ist.

Die Motoren 7, 10, 16 und 17 werden durch zugehörige. Steuerkreise 22, 23, 24 und 25 in Gang gesetzt, die mit zugehörigen Steuersignalen von einer Antriebs-

Steuereinheit, ζ. B. einer numerischen Steuer(NC)-Einheit 26, beliefert werden,die diese vorprogrammierten Signale speichert.

Fig. 2 zeigt eine beispielsweise Form der Werkzeugelektrode 1 zur Verwendung in der Vorrichtung .nach' Fig. 1 bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die dargestellte Werkzeugelektrode 1 hat eine Mehrzahl von unterteilten Bearbeitungselektrodenflächen la., 1b und 1c auf ihrem seitlichen Umfang und ist um ihre Achse 0 durch die drehbare Einheit 11 drehbar. Diese Flächen sind so ange-.ordnet, daß sie zur X-Y-Ebene, in der das Werkstück liegt, senkrecht sind. Man sieht, daß die Fläche 1a spitzwinkelig oder zugespitzt ist, die Fläche 1b rund ist und die Fläche 1c eben ist.

Fig. 3 veranschaulicht ein Bearbeitungsbeispiel, in dem ein Profil, das durch eine Mehrzahl von Abschnitten AB, BC, CD, DE und EF definiert ist, im Werkstück 12 mit der Werkzeugelektrode 1 in Fig. 2 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bilden ist. Es ist gezeigt,daß die Elektrode 1 besondere Ausrichtungen in Abhängigkeit von den besonderen Teilen, nämlich Ecke B, Ebene BC, Ecke C, bogenförmiger Bereich EF und Ebene FA, des gesamten im Werkstück 12 zu bearbeitenden Profils einnimmt. So wird beim Bearbeiten der ebenen Abschnitte FA, BC, CD und DE des Profils die Werkzeugelektrode 1 geareht, um Winkelausrichtungen zu bewirken, in denen

die Bearbeitungsfläche 1c zur Bewegung längs diester Ebene*) unter Beibehaltung dieser besonderen Winkelausrichtungen geführt wird. Die Bewegung wird durch Verschieben des Werkstücks 12 relativ zur Achse der in ihrer Lage befestigten" Werkzeugelektrode 1 bewirkt. Bei der Bearbeitung des bogenförmigen Teils EF wird die Werkzeugelektrode 1 so.gedreht, daß die Bearbeitungsfläche 1b in Bewegung längs des Bogens EF geführt wird. Dann wird evtl. die Winkelstellung der Werkzeugelektrode 1 so gesteuert, daß sie stets senkrecht zur Tangente am Bogen EF liegt, wie dargestellt ist. Beim Bearbeiten von Winkel- oder Eckenteilen A, B, C und D wird die Werkzeugelektrode 1 so gedreht, daß die Bearbeitungsfläche 1a unter Bewegung längs eines Profils um jeden dieser Teile herumgeführt wird. In dieser Weise werden bestimmte Bearbeitungsflächen, die für bestimmte Ausbildungen aufeinanderfolgender Teile des Profils optimal sind, die nacheinander zu entwickeln sind, durch Drehungen der Werkzeugelektrode in Bearbeitungslage zum Werkstück geführt, um einen gegebenen Profilbearbeitungsvorgang mit einem äußerst hohen Wirkungsgrad zu vollenden. Die Vorsehung der Fläche 1c relativ großer Ausdehnung zum Bearbeiten eines geraden Abschnitts des Profils ermöglicht die Verwendung eines starken Bearbeitungsstroms und damit eine schnelle Materialabtragung. Die Verwendung einer spitzwinkligen oder zugespitzten Fläche 1a zum Bearbeiten eines Ecken- oder Winkelteils des Profils ermöglicht eine äußerst genaue Formgebung. Der

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Bearbeitungswirkungsgrad wird weiter durch die Tatsache verbessert, daß kein Auswechseln der Werkzeugelektrode erforderlich ist.

Im einzelnen sei beispielsweise angenommen, daß die Bearbeitung im Abschnitt FA beginnt. Die Antriebs-, Steuereinheit 26 liefert dem Steuerkreis 23 für den Motor 9 ein Steuersignal zur Drehung der Werkzeugelektrode 1, bis eine vorbestimmte Winkelausrichtung entsprechend der Darstellung erreicht ist. Die Steuereinheit 26 liefert auch den Steuerkreisen und 25 für die Motoren 16 und 17 Steuersignale zur Positionierung des Werkstücks 12 in der X-Y-Ebene und dem Steuerkreis 22 für den Motor 7 ein Steuersignal zum vertikalen Vorschub der Werkzeugelektrode Der vertikale Vorschub der Werkzeugelektrode 1 kann andauern, während der Elektroerosionsbearbeitungsstrom zwischen der Werkzeugelektrode 1 und dem Werkstück 12 fließt, bis die Werkzeugelektrode 1 eine bestimmte Bearbeitungstiefe erreicht. Die Steuereinheit 26 liefert dann den Steuerkreisen 24 und 25 · für die Motoren 16 und 17 Steuersignale zur Verschiebung des Werkstücks 12 derart, daß sich die Bearbeutungsflache 1c der Werkzeugelektrode 1 längs der geraden Bahn FA bewegt. Diese Bewegung wird fortgesetzt, bis sich die Werkzeugelektrode 1 der Ecke A nähert. Die Steuereinheit 26 kann dann dem Steuerkreis 23 für den Motor 10 ein Drehantriebssignal zur Drehung der Werkzeugelektrode 1 und den Steuerkreisen 24 und 25 für die Motoren 16 und 17 Trans-

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lationssteuersignale liefern, so daß die Werkzeugelektrode 1 in der Nähe der Ecke A schwenkt und sich der zugespitzte Teil 1a um die Ecke A herum beweg.t. Wenn die Materialabtragung um die Ecke A beendet ist, muß die Werkzeugelektrode 1 winkelmäßig umpositioniert werden. Die Steuereinheit 26 liefert dann dem Steuerkreis 23 für den Motor 10 ein Drehsteuersignal zur Änderung der Winkelausrichtung der Werkzeugelektrode 1 und den Steuerkreisen 24 und 25 für die Motoren 16 und 17 solche Antriebssignale, daß die Bearbeitungsfläche 1c näher in Ausrichtung zur nächsten Bahn AB kommt. Das Werkstück 12 wird weiter so verschoben, daß sich die Fläche 1c längs der Bahn AB bewegt, bis sich die Werkzeugelektrode der Ecke B nähert. In dieser Weise werden aufeinanderfolgende Teile des Profils, Bahn PA, Ecke A, Bahn AB, Ecke B, Bahn BC... nacheinander bearbeitet..

Ein dreidimensionales Profil kann bearbeitet werden, indem man die Tiefe der Werkzeugelektrode 1 im Werkstück 12 aufeinanderfolgend steigert. So. wird nach Abschluß jedes zweidimensionalen. Profilbearbeitungsvorganges zur Bildung eines zweidimensionalen, bisher beschriebenen Puofils die Werkzeugelektrode in das Werkstück 12 um eine bestimmte Tiefe oder einen bestimmten Tiefenzuwachs vorgerückt, und ein weiterer zweidimensionaler Profilbearbeitungsvorgang kann folgen, um ein weiteres zweidimensionalea Profil zu. bilden; diese Arbeitsweise wird fortgesetzt, bis ein gewünschtes dreidimensionales Profil im Werkstück

gebildet ist. "Die Steuereinheit 26 ist mit den einzelnen Steuersignalen für die Motoren 7, 10, 16, und 17 vorprogrammiert, um die Horizontalbewegungen des Werkstücks 12 und die Dreh- und Vertikalbewegungen der Werkzeugelektrode 1 zu bewirken.

Fig. 4 und 5 zeigen verschiedene Formen der Werkzeugelektrode, die mit der Vorrichtung nach Fig·. 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden können. Jede der dargestellten Elektroden 1' und 1" ist mit einer Zentralbohrung 1'd bzw. 1"d ausgebildet, die einen Kanal für das Bearbeitungsflüssigkeitsmedium bildet. Die in Fig. 4 gezeigte Werkzeugelektrode 1' hat einen dreieckigen Querschnitt mit Scheitelpunktteilen 1'a, die sich zur Bearbeitung eines Eckenteils eignen, und ebenen Teilen 1'c zur Bewegung längs eines geraden Abschnitts des im Werkstück zu bildenden Profils. Wenn ein Scheitelpunktteil 1'a verschlissen ist, kann ein anderer Scheitelpunktteil vorteilhaft durch Drehung der Werkzeugelektrode in Gegenüberstellung iait einem folgenden Eckenteil des Profils geführt werden.. Die in Fig.5 gezeigte Werkzeugelektrode 1" weist einen Scheitelpunktteil 1"a und zwei den Scheitelpunkt 1"a bildende ebene Teile 1"c auf und ist außerdem mit einer bogenförmigen Bearbeitungsfläohe 1"b ausgebildet.

Claims (1)

1. Ansprüche

   a) die Werkzeugelektrode an ihrer Seitenoberfläche mit einer Mehrzahl von unterteilten Bearbeitungselektrodenflächen derart, daß sich jede der unterteilten Bearbeitungsflächen senkrecht zur X-Y-Ebene erstreckt, und um eine zu den Bearbeitungselektrodenflächen parallele Achse drehbar ausbildet,

   b). die Werkzeugelektrode durch Drehen des Werkzeugträgers um die Achse zum Erreichen einer vorbestimmten Winkelausrichtung der Werkzeugelektrode relativ zu einer vorbestimmten Winkelstellung positioniert und dadurch wenigstens einen Teil der Elektrodenflächen in Bearbeitungslage zum Werkstück bringt,

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   c) elektroerosiv Material von wenigstens einem Teil des Werkstücks abträgt, der. dem Teil der Elektrodenflächen gegenüberliegt, während man den Werkstücktisch zur Verschiebung des Werkstücks in der X-Y-Ebene bewegt, so daß sich der Teil der Elektrodenflächen längs eines Teils des Profils im Werkstück bewegt,

   d) die Werkzeugelektrode durch Drehung des Werkzeugträgers um die Achse zur Änderung der Winkelausrichtung der Werkzeugelektrode winkelmäßig umpositioniert, wodurch man wenigstens einen anderen Teil der Elektrodenflächen in Bearbeitungslage zum Werkstück bringt, und den Schritt c) so durchführt, daß sich der andere Teil der Elektrodenflächen längs eines folgenden Teils des Profils im Werkstück bewegt, und

   e) den Schritt.d) zur Bearbeitung aufeinanderfolgender • Teile des Profils im Werkstück nacheinander wiederholt.

   2. Vorrichtung zur elektroerosiven Bearbeitung nach Anspruch 1, mit einem beweglichen Werkstücktisch (13,

   14) zur festen Montage des Werkstücks (12) darauf in einer X-Y-Ebene, ersten, mit dem Werkstücktisch (.13,

   14) antriebsmäßig verbundenen Motoren (16, 17) zum Verschieben des Werkstücks (12) in der X-Y-Ebene, einer mit einem Werkzeugträger (2) senkrecht zur X-Y-Ebene beweglich gehaltenen Werkzeugelektrode (1) und einer Stromquelle (18) zum Leiten eines

   Elektroerosionsbearbeitungsstroms zwischen der Werkzeuge le.k tr ode (1) und dem Werkstück (12),

   dadurch gekennzeichnet,

   daß die Werkzeugelektrode (1) auf ihrem Seitenumfang eine Mehrzahl von unterteilten Bearbeitungsflächen (1a, 1b, 1c) aufweist,

   daß der Werkzeugträger (2) mit der Werkzeugelektrode (1) um eine zur X-Y-Ebene senkrechte Achse drehbar ist, zu der sich jede der unterteilten Bearbeitungsflächen (1a, 1b, 1c) parallel erstreckt, und

   daß ein weiterer Motor (10) zum Drehen der Werkzeugelektrode (1) um die Drehachse und

   eine Antriebssteuereinheit (26) für die ersten Motoren (16, 17) und den weiteren Motor (10) vorgesehen sind.