DE4231652C2 - Schmelzkontaktierverfahren und -vorrichtung zur Herstellung von Elektrodeneinheiten und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schmelzkontaktierverfahren und eine Schmelzkontaktier­ vorrichtung zur Herstellung von Elektrodeneinheiten, bestehend aus Graphitelektrode und Elektrodenhalter, sowie deren Verwendung zum Senkerodieren.

Ein wesentlicher Arbeitsgang bei der Herstellung von Preßwerkzeugen ist das Senk­ erodieren. Dazu werden Elektroden benötigt, deren Form ein Abbild der Profilkontur ist, in welche das Werkzeug eingearbeitet werden soll. Meist werden Kupferelektroden ver­ wendet. Alternativ zum Werkstoff Kupfer wird auch Graphit als Elektrodenmaterial ein­ gesetzt. Graphit erlaubt beim Hochgeschwindigkeitsfräsen beträchtlich höhere Vorschub­ geschwindigkeiten (ca. 10 : 1); die Bearbeitungszeit, speziell beim Konturenfräsen, kann drastisch reduziert werden. Dem stehen jedoch Verfahrensprobleme beim Fräsen und beim Erodieren gegenüber. Zum einen ist Graphit schlecht zu spannen, da es recht spröde ist, zum anderen ist der elektrische Kontakt zwischen Elektrodenhalter und Elektrode nur schwer herzustellen, da Graphit nicht lötbar ist.

Bekannt sind kombinierte Steck- und Klebeverbindungen zwischen Elektrodenhalter und Graphitelektrode (G. A. Carter: Elektroden für die Funkenerosion in "Werkstatt u. Betrieb" 113 (1980) S. 313-316). Bei den Steckverbindungen werden die Elektroden mit Bohrungen ver­ sehen und auf Metallstifte aufgesteckt. Der Bearbeitungsaufwand ist jedoch recht hoch und speziell bei dünnwandigen Elektroden stößt dieses Verfahren an seine Grenzen. Auch das Verkleben der Elektroden ist sehr aufwendig. Der elektrische Kontakt muß über kost­ spielige Leitpasten oder Leitkleber hergestellt werden, während die mechanische Befesti­ gung über nicht leitende Klebstoffe erfolgt. Diese Klebungen zeigen eine hohe elektrische Leitfähigkeit in Kombination mit einer geringen mechanischen Festigkeit oder umgekehrt. Außerdem erweist sich die Handhabung der Klebstoffe als wenig praktikabel.

Desweiteren ist aus der Gebrauchsmusterschrift DE 89 10 889 U1 bekannt, Elektroden durch Löten oder Einpressen an Elektrodenhaltern zu befestigen. Eine derartige Preßverbindung ist nur anwendbar für einfache Elektrodenkonturen und für metallische Elektrodenmaterialien, die einen Reibschluß beim Einpressen zulassen. Zur Befestigung von Graphitelektroden mit zum Teil filigranen Elektrodenkonturen ist diese Befestigungsmöglichkeit nicht geeignet. Auch eine Lötverbindung scheidet bei der Anwendung von Graphitelektroden aus, da diese nicht lötbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Befestigung von Graphitelektroden jegli­ cher Elektrodenkontur zu entwickeln, welches einen sicheren elektrischen Kontakt und eine mechanisch stabile Verbindung zwischen Elektrode und Elektrodenhalterung gewährleistet.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Schmelzkontaktierverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Bei diesem Verfahren wird die Graphitelektrode in einen Metalltiegel, vorzugsweise einen Stahltiegel, mit geschmolzenem Metall getaucht. Als Schmelze eignen sich alle niedrigschmelzenden Metalle, z. B. Woodsches Metall oder Zink-Blei-Lote, welche durch Wärmezuführung, z. B. durch eine elektrische Heizung, vorher zum Schmelzen gebracht werden. Die Schmelztemperatur des niedrigschmelzenden Metalls sollte die in der Folge auftretenden Bearbeitungstemperaturen um ca. 30°C überschreiten; durch geeignete Legierungswahl können Schmelzpunkte ab ca. 40°C eingestellt werden.

Günstig ist es, die Elektrode in einer bestimmten Lage in den Tiegel einzutauchen, so daß sie dann in definierter Position zur Elektrodenhalterungsplatte befestigt werden kann. Diese Elektrodenposition ist durch eine Zeichnung, z. B. eine CAD-Zeichnung, vorgegeben. Wenn es gelingt, die Elektrode zeichnungsgemäß im Tiegel und damit auf der Trägerplatte zu positionieren, können zeitraubende Einrichtarbeiten an der Fräse und am Erodier­ automaten entfallen. Eine Möglichkeit wäre, wie allgemein bekannt, zur Lagepositionierung Schablonen zu verwenden. Eine andere Realisierungsmöglichkeit besteht darin, Graphit­ elektrodenrohlinge in den Tiegel einzuschmelzen, die dann an der Fräse aus dem Vollen geschnitten werden, d. h. erst dort vollständig bearbeitet werden, um danach direkt für das Senkerodieren zur Verfügung zu stehen. Letztere Variante ist jedoch auf Elektroden­ konturen beschränkt, die durch Fräsen hergestellt werden können, d. h. wo keine scharfen Kanten erzeugt werden müssen.

Nach Eintauchen der Graphitelektrode in ihrer fertigen Kontur bzw. als Rohling in die Metallschmelze wird die Wärmezuführung gestoppt, so daß die Metallschmelze erstarrt. Dieses erstarrende Metall umschließt die Elektrode formschlüssig und sorgt für eine mechanisch stabile und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Elektrode und Tiegel. Der Metalltiegel dient als Verbindungselement zwischen Elektrode und dem Elektrodenhalter. Letzterer kann an der Tiegelunterseite befestigt werden. Der so hergestellte Verbund zwischen Elektrode und Elektrodenhalterung hat zudem den Vorteil, daß er sowohl in der Fräse, z. B. zur Erzeugung einer Feinkontur an der Graphitelektrode bzw. dem Elektrodenrohling, als auch im Erodierautomaten befestigt werden kann.

Das Befestigungsverfahren ist für alle denkbaren Elektrodenkonturen anwendbar. Mit dem Schmelzkontaktierverfahren sind auch mehrere Elektroden gleichzeitig zur Herstellung von Mehrfachelektrodeneinheiten einsetzbar.

Nach Beendigung aller Arbeiten kann die Elektrode durch Aufschmelzen des Metalls im Tiegel entfernt werden. Der metallgefüllte Tiegel steht dann für das Schmelzkontaktieren weiterer Elektroden zur Verfügung.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Einheit aus Metalltiegel und Elektrode,

Fig. 2 die Verbindungsherstellung zwischen Elektrode und Elektrodenhalter und

Fig. 3 eine Einschmelzvorrichtung.

Bei dem Schmelzkontaktierverfahren wird, wie in Fig. 1 zu sehen, die Graphitelektrode 1 in einen Tiegel 2 mit geschmolzenem Metall 3 getaucht. In diesem Beispiel handelt es sich bei dem niedrig schmelzenden Metall 3 um Zinn-Blei-Lot. Nach dem Abkühlen umschließt das erstarrende Metall 3 die Elektrode 1 formschlüssig und sorgt für eine starre Verbindung zwischen Elektrode 1 und Tiegel 2. Zur Fixierung der erstarrenden Schmelze 3 ist der Tiegel 2 mit Verankerungen 4 versehen, die als Querbohrungen oder in die Tiegelkammer hineinragende Schraubenköpfe ausgebildet sein können. Die Elektrode 1 wird zusätzlich fixiert, indem sie tiegelseitig mit Schlitzen oder Kerben 6 versehen wird, die zu einer Verklammerung mit dem erstarrenden Metall 3 führen.

Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Tiegel 2 als Verbindungselement zwischen der Graphitelektrode 1 und dem Elektrodenhalter 7 dient. Auf der Tiegelunterseite sind Bohrungen 5 mit Gewinde zur Befestigung des Elektrodenhalters 7 angeordnet. Damit läßt sich der Tiegel 2 mit der Elektrode 1 über Befestigungsmittel 8, z. B. Schrauben, mit dem Elektrodenhalter 7 verbinden.

Zum Schmelzkontaktieren wird eine Einschmelzvorrichtung benötigt, die schematisch in Fig. 3 angedeutet wird. Der Schmelztiegel 2 mit dem Metall 3 wird auf einer gut wärme­ leitenden Bodenplatte 13 angeordnet. Dazu dienen auf der Bodenplatte 13 vorgesehene Positionierstifte 15, die in auf der Tiegelunterseite vorhandene Bohrungen 5 eingreifen. Auf der Bodenplatte 13 sind mehrere Stützen 9 mit thermischer Isolierung angebracht. Diese thermische Isolierung der Stützen 9 soll eine starke Erwärmung des oberhalb der Stützen 9 angeordneten Schablonen 10 und der an den Stützen 9 befestigten Transportgriffe 12 unterbinden. Die Schablonen 10a, 10b zur Positionierung der Elektrode 1 sind auf Paßstifte 11 aufgesetzt, die mit den Stützen 9 verbunden sind. Die Einzelschablonen 10a, 10b werden dabei durch Distanzhülsen 14 in einen definierten Abstand zueinander gebracht.

Zum Schmelzkontaktieren der Elektrode 1 bzw. des Elektrodenrohlings wird die gesamte Einschmelzvorrichtung auf eine Heizplatte gestellt und bis zum Aufschmelzen der Tiegel­ füllung 3 erhitzt. Die Elektrode 1 wird dann durch den Schablonensatz 10 geführt und in die Metallschmelze 3 getaucht. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, die Elektrode 1 mit geeigneten Mitteln zu beschweren, um dem Auftrieb in der Schmelze entgegenzuwirken. Die Heizplatte wird dann ausgeschaltet, und nach dem Erstarren der Schmelze wird der Schablonensatz 10 entfernt. Die Elektrode 1 ist nun fest mit dem Tiegel 2 verbunden. Nach dem Abkühlen wird der Tiegel 2 der Einschmelzvorrichtung entnommen und am Elektrodenhalter 7 befestigt.

Eine auf diese Weise hergestellte Elektrodeneinheit ist mechanisch äußerst stabil. Bei Zerstörungsversuchen trat immer ein Elektrodenbruch außerhalb der Verbindungszone auf. Darüberhinaus konnte kein elektrischer Übergangswiderstand gemessen werden. Das Verfahren ist für jede Elektrodenkontur anwendbar.

Durch die Positionierung ist eine durchgängige CNC-Bearbeitung anhand der CAD-Daten möglich. Die Einrichtzeiten an der Fräse und am Senkerodierautomaten werden auf ein Minimum reduziert. Die durchgängige Bearbeitung läßt eine erhöhte Prozeßsicherheit bei der Werkzeugbearbeitung zu und führt zu einer Verringerung der Fertigungstoleranzen.

Durch die Wiederverwertbarkeit der metallgefüllten Tiegel fallen keine nennenswerten Kosten für Verbrauchsmaterial, etwa Klebstoffe oder Leitpasten, an. Das Verfahren ist daher umweltfreundlich.

Bei Verwendung einer leistungsstarken Tiegelaufheizung und geeigneter Wahl des Legierungsschmelzpunktes beträgt der Zeitaufwand für das Schmelzkontaktieren ca. 10 min und ist somit deutlich schneller als ein Klebeverfahren, wo die Klebstoffaushärtung die Verfahrenszeit bestimmt.

Claims (10)

1. Schmelzkontaktierverfahren zur Herstellung von Elektrodeneinheiten, bestehend aus Graphitelektrode (1) und einem fest mit dieser verbundenen Elektrodenhalter (7), mit folgenden Schritten:

• - ein Metalltiegel (2), an dessen Unterseite der Elektrodenhalter (7) befestigt werden kann, wird mit niedrigschmelzendem Metall (3) gefüllt,
• - das niedrigschmelzende Metall (3) wird durch Erwärmen zum Schmelzen gebracht,
• - die Graphitelektrode bzw. der Elektrodenrohling (1) wird über dem Metalltiegel (2) positioniert und in das geschmolzene Metall (3) getaucht,
• - durch Erstarren des Metalls (3) beim Abkühlen wird eine feste Verbindung zwischen Elektrode bzw. Elektrodenrohling (1) und Metalltiegel (2) sowie Elektrodenhalter (7) erzielt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metalltiegel (2) aus Stahl verwendet wird, an dessen Unterseite Bohrungen (5) einschließlich Gewinde zur Befestigung des Elektrodenhalters (7) angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall­ tiegel (2) mit Verankerungen (4) versehen ist, vorzugsweise Verklammerungs­ bohrungen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein niedrig­ schmelzendes Metall (3) mit anwendungsbezogenem Legierungsschmelzpunkt verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als niedrig­ schmelzendes Metall (3) Zinn-Blei-Lot verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Positionierung der Elektrode (1) Schablonen (10) Verwendung finden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1) tiegelseitig mit Schlitzen oder Kerben (6) zur Verklammerung des erstarrenden Metalles (3) versehen ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Elektroden (1) gleichzeitig in einen Metalltiegel (2) getaucht werden.

9. Schmelzkontaktiervorrichtung zur Herstellung von Elektrodeneinheiten aus Graphitelektrode (1) und einem fest mit dieser verbundenen Elektrodenhalter (7), welche besteht aus

• - einer gut wärmeleitenden Bodenplatte (13) auf der der mit niedrig­ schmelzendem Metall (3) gefüllte Metalltiegel (2) angeordnet ist und
• - thermisch isolierenden Stützen (9), die auf dem äußeren Rand der Bodenplatte (13) befestigt sind und die einerseits mit nach außen weisenden Transportgriffen (12) verbunden sind und andererseits über Paßstifte (11) den Schablonensatz (10) aufnehmen.

10. Verwendung einer nach Anspruch 1-8 hergestellten Elektrodeneinheit aus Graphitelektrode (1) und einem fest mit dieser Elektrode verbundenen Elektrodenhalter (7) zum Senkerodieren.