Thermisches Abtragen - Erodieren

ELEKTROEROSIVE VERFAHREN (ELEKTROEROSION, ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING)

Alle elektrisch leitenden Werkstoffe lassen sich elektroerosiv bearbeiten.

Legt man an zwei Elektroden eine Gleichspannung (80 ... 250 V) an und tupft sie auf, so entsteht ein Lichtbogen, der an beiden Elektroden Werkstoff abschmilzt.
Wenn der Abstand zu groß wird, erlischt der Lichtbogen. Das ist erwünscht, um zu starke örtliche Erwärmung zu vermeiden. Darum wird der Lichtbogen durch Auftupfen und Abheben (Schwingkopf oder Querrillen in einer Scheibenelektrode) etwa 100 ... 1000 mal pro Sekunde gezündet und unterbrochen, das sind 0,1 ... 1 kHz. Meist wird mit Wasser gekühlt.

1.1 KENNZEICHEN DES VERFAHRENS

wenig elektrotechnischer Aufwand geringe Arbeitsgenauigkeit grobe, thermisch stark beanspruchte Randschicht mit großen, unregelmäßigen Kratern wird nur noch selten benutzt, z. B. zum Entfernen abgebrochener Werkzeuge

Die Funkenerosion ist gekennzeichnet durch einzelne elektrische Entladungen (Funken, Impulse) zwischen zwei Elektroden innerhalb eines Dielektrikums.

1.2 DIELEKTRIKUM

1.2.1 AUFGABEN

es dient als Isolator zwischen Werkstück und Elektrode Der Funkenspalt wird verkürzt (die Abbildungsgenauigkeit der Elektrode steigt) der Entladekanal wird eingeschnürt (dadurch größere Energiedichte und größere Wirkkraft) Implodieren der Gasblase und das Sublimieren des Metalldampfes wären ohne Dielektrikum nicht möglich Bei Impulsende muss sich der Entladekanal schnell entionisieren

1.2.2 KRITERIEN

Gesundheitsunschädlich, geringe Viskosität, hohe Verdunstungszahl, hoher Flammpunkt, hoher Wärmeleitwert, niedriger (konstanter) elektrischer Leitwert.

Das Dielektrikum muss gefiltert und gekühlt werden.

1.3 SPüLUNG

1.3.1 AUFGABEN

ständige Erneuerung des Dielektrikums an der Wirkstelle, Entfernung der Zersetzprodukte des Dielektrikums (z. B. Kohlenstoff bei der Senkerosion und Knallgas bei der Drahterosion) und die abgetragenen Partikel rasch aus dem Spalt entfernt und dadurch anomale Entladungen (Lichtbögen und Kurzschlüsse) vermieden.

1.3.2 VERFAHREN

Längs des Drahtes bei der Drahterosion, Überflutung (häufigste Methode), Druckspülung, Saugspülung, Intervallspülung, Bewegungsspülung durch Relativbewegungen zwischen Werkstück und Elektrode.

1.3.3 KRITERIEN

Von entscheidender Bedeutung für die Abtragrate und den Elektrodenabbrand beim Senkerodieren ist die Durchflußmenge in l/min. Sie wird durch die Fließverhältnisse im Spalt und durch den Flüssigkeitsdruck bestimmt. Dabei muss bei langen oder instabilen Elektroden bzw. Werkstücken die aus dem Druck resulierende Kraft berücksichtigt werden, die sogar Schwingungen hervorrufen kann. Richtwerte geben die Maschinenhersteller an.

1.4 FUNKENZüNDUNG

1.4.1 ABHäNGIGES ODER UNGESTEUERTES VERFAHREN

Bei abhängigen oder ungesteuerten Verfahren wird in einem Schwingkreisgenerator ein Kondensator aufgeladen, der sich entlädt, sobald die Verhältnisse im Funkenspalt es zulassen. Bei ungesteuerten Verfahren erfolgt der Funkenüberschlag abhängig von der Länge der Funkenwirkstrecke und vom Leitwert des Dielektrikums. Durch die schwingende Entladung ergeben sich keine Rechteckimpulse; Stromstärken wechselnder Polarität verursachen großen Elektrodenverschleiß. Das Verfahren wird nur noch selten und dann zum Feinschlichten eingesetzt.

1.4.2 UNABHäNGIGES ODER GESTEUERTES VERFAHREN

Bei den heute üblichen unabhängigen oder gesteuerten Verfahren wird der Stromkreis durch einen Schalter (Transistor) geschlossen und wieder geöffnet. Bei gesteuerten Verfahren erfolgt der Funkenüberschlag, wenn und solange der Schalter geschlossen ist und die physikalischen Verhältnisse im Funkenspalt ihn zulassen. Da die Zündverzögerungszeit von den Spaltverhältnissen abhängt, ist die aktive Impulsdauer bei fest eingestellter Impulsdauer von Funke zu Funke veränderlich. Durch Generatorregelung werden die aktive Impulsdauer und der Entladestrom jeweils konstantgehalten (Impulse gleicher Energie). Anomale Entladungen werden unterdrückt.

Durch Impulse gleicher Energie werden die Abtragrate, die Rauheit und der Elektrodenverschleiß vorherbestimmbar und gleichmäßig.
Die Funkenwirkstrecke wird - über die Entladespannung geregelt - konstantgehalten.

1.5 ELEKTRODENABBRAND

Je länger die aktive Impulsdauer ist, desto mehr positiv geladene Teilchen werden bewegt. Sie haben größere Masse als Anionen und erzeugen deshalb beim Auftreffen mehr Wärme. Bei größerer aktiver Impulsdauer bleibt aber auch mehr Zeit für Wärmeableitung in das Werkstück. Das bedeutet Energieverlust für den Abtragvorgang und absinkende Abtragrate.

Mit zunehmender aktiver Impulsdauer nimmt der Abbrand an der negativen Elektrode bis zu einem Maximum zu, an der positiven Elektrode dagegen kontinuierlich ab.

Der Abbrand ist - auch abhängig von den Strömungslinien des Dielektrikums - an den Ecken stärker als an den Kanten und dort stärker als an Flächen, an der Stirnfläche mehr als am Umfang der Elektrode. Deshalb werden Schrupp - , Schlicht - und Feinschlichtelektroden nacheinander eingesetzt, auch in einem Stück hintereinander angeordnet als Stufenelektrode.

1.6 ELEKTRODENWERKSTOFF

Am besten geeignet sind diejenigen Werkstotfe, die den höchsten Schmelzpunkt und die höchste elektrische Leitfähigkeit besitzen. Außerdem sollen sie sich leicht in die erforderliche Form bringen lassen (Bearbeitbarkeit). Werkstoffe sind Graphit, Elektrolytkupfer, Tellar - und Chromkupfer, Wolframkupfer, Wolframsilber, Messing.
Seit der Einführung der Impulsgeneratoren hat Graphit gegenüber Kupfer sehr aufgeholt, in den USA bereits weit überholt.

1.7 WERKSTüCKOBERFLäCHE

Das Oberflächenbild ist verfahrenstypisch kraterig. Die Rauhtiefe wird mit zunehmender Impulsfrequenz und abnehmender Entladeenergie kleiner bis zu einem Minimalwert von etwa Ra=0,1...0,2μm. Je länger die einzelnen Entladungen dauern, desto mehr und tiefer wird das Werkstoffgefüge verändert. Bei Stahl ergibt sich eine dünne Randzone mit Kohlenstoff (aus Dielektrikum) und Kupfer (falls Cu - Elektrode). Darunter folgt eine Gefügeumwandlungszone (Martensit). Darum muss die beim Schruppen entstandene Umwandlungszone entfernt werden

1.8 ABTRAGRATE

Sie wird beim Senkerodieren in der Einheit mm3/min, beim Drahterodieren in mm2/min (hier auch "Schnittrate" genannt) angegeben. Sie ist abhängig vom Werkstoff (Wärmeverhalten, Wärmeleitfähigkeit, Schmelzpunkt) und von der Impulsfrequenz sowie dem Entladestrom. Beim Erodieren von Stahl mit Kupferelektrode werden maximal 1000mm3/min erreicht. Beim Drahterodieren von Stahl beträgt die Abtragrate je nach Draht, Generatorart und Werkstückdicke - etwa 30 mm2/min (... 200 mm2/min).

1.9 FUNKENERODIERMASCHINE

Die Erodiermaschinen sind kräftig gebaut. Wärmeeinflüsse müssen konstruktiv ferngehalten sein; separater Behälter für das Dielektrikum. Die Einheit besteht außer der eigentlichen Maschine noch aus einem Schrank mit Generator und Steuerung, dem Behälter für das Dielektrikum, die Filtersysteme und die automatische Löschanlage. Hinzu kommt oft noch ein automatischer Elektrodenwechsler.

ERODIERVERFAHREN

Senkerodieren umfaßt Bohren und Gravieren. Funkenerosives Bohren: Die Elektrode hat gleichbleibenden Querschnitt, sie wird axial zugeführt, bis eine Formbohrung entstanden ist.
Bei NC - gesteuerten Senkerodiermaschinen kann man dem Z - Vorschub einen bahngesteuerten Quervorschub in der XY - Ebene zuordnen. Da die Bahn in einer Ebene ("plan") liegt, heißt das Verfahren Planetärerodieren.
Unter Planetärerodieren versteht man das Aufweiten einer Bohrung durch relative Bahnsteuerung der nichtrotierenden Senkelektrode. Die Vorschubgeschwindigkeit wird über die Entladespannung geregelt.

1.10.1 VORTEILE DES PLANETäRERODIERENS GEGENüBER REINEM SENKERODIEREN SIND

Verbesserte Spülverhältnisse durch Bewegungsspülung, der unvermeidliche Elektrodenabbrand verteilt sich gleichmäßig auf dem Umfang, das Werkstück kann mit weniger Einzelelektroden gefertigt werden, dadurch Kosteneinsparungen, ebenso entfällt deren Positionierung in der Senkerodiermaschine, das Werkstück ist rascher gefertigt, weil am Anfang der Planetärbewegung (Schruppen) eine hohe Energiestufe gewählt wird, die dann durch die Steuerung auf Schlichtleistung verringert wird, deshalb bessere Oberflächengüte am Werkstück, durch Bahnkorrektur sind Maßänderungen am Werkstück sowie Verschleiß - und Untermaßausgleich möglich.

Funkenerosives Gravieren: Die Elektrode ist stirnseitig profiliert, z. B. für Schmiedegesenke, Spritzgußformen, Preßmatrizen.

Funkenerosives Schleifen: Die Elektrode hat die Form einer Schleifscheibe oder eines Schleifstiftes und läuft während der Entladungen wie eine Schleifscheibe um. Dadurch verteilt sich der Abbrand auf den Umfang, die Form bleibt länger erhalten. Einsatz z.B. für geteilte Schneidplatten, Schneidwerkzeuge.

Funkenerosives Schneiden: Die Elektrode hat Plattenform und wird messerartig zugeführt, z. B. zum Ablängen von Hartmetallprofilstangen.

Beim Drahterodieren hat die Elektrode Drahtform. Dabei wird ein fortlaufender, kalibrierter Draht (meist Messingdraht) eingesetzt. Die Werkstückform wird durch Steuerung (CNC) der Drahtführungen in X - und Y - Richtung erzeugt.

2 LASERSTRAHLSCHNEIDEN MIT CO2 - GASLASER

Die Vorteile der Laserstrahlschneidtechnik mit der hochwertigen Schnittgüte, der geringen Rauhtiefe und der hohen Schneidgeschwindigkeit sind so groß, dass trotz der hohen Investitions - und Betriebskosten die Anzahl der eingesetzten CO₂ - Laser ständig zunimmt.

Die Energieverteilung im Laserstrahl entscheidet über seine Anwendung. Ein scharf gebündelter, punktsymmetrischer Strahl mit [1]TEMoo - Mode - Struktur ist für Trennen und Schweißen günstig, während eine Multi - Mode - Struktur des Strahls durch die flächige Strahlwirkung für Erwärmungsaufgaben (z. B. Härten, Anlassen, Löten) geeigneter ist.



Der Resonatoraufbau wird bezüglich der Strahlführung nach den Gesetzen der Optik ausgelegt. Dabei müssen in Abhängigkeit von der Arbeitsaufgabe Spiegel mit unterschiedlichen Oberflächen - und Spiegelstrukturen berücksichtigt werden.

Je nach angewendetem Schneidgas werden unterschieden

Laserschmelzschneiden Lasersublimierschneiden Laserbrennschneiden

Beim Lasersublimierschneiden ist die Energiedichte höher als beim Laserschmelzschneiden. Der Werkstoff wird hierbei unter Überspringen der Flüssigphase im Kern des Laserstrahls verdampft. Beim Laserbrennschneiden wird Sauerstoff zugeführt.

Die exotherme Reaktion des Sauerstoffs mit Metall erhöht die Schneidleistung wesentlich, 80% der Schneidleistung bei Stahl ist auf thermische Reaktion zurückzuführen.

Verfahrensprinzip
Beim CO₂ - Laser werden durch Hochfrequenz Stickstoffmoleküle zu schnellen Schwingungen angeregt. Diese Schwingungsenergie wird durch Zusammenstöße auf die Kohlenstoffdioxidmoleküle übertragen. Beim Zurückfallen der Kohlenstoffdioxidmoleküle in den Grundzustand wird elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 μm abgegeben (Strahlung im Infrarotbereich). Das Lasergas, ein He - N₂ - C0₂ - Gemisch, ist in einem rückgekoppelten Lichtverstärker (Resonator) längsströmend eingeschlossen. Spiegel an den beiden Enden des Resonators refiektieren die zufällig in Richtung der Resonatormittenachse emittierte Infrarotstrahlung immerwieder in sich selbst zurück, wobei immer mehr Kohlenstoffdioxidmoleküle zu Emission ihrer Schwingungsenergie angeregt werden, bis ein Gleichgewichtszustand zwischen Verlust und Verstärkung erreicht ist. Im Resonator bildet sich so eine stehende Energiewelle, die durch einen teildurchlässigen Spiegel einseitig abgegeben wird.



Gleichstrorn - Laser zeigen Nachteile, da beide Elektroden zur Erzeugung der Schwingungsenergie im Gasstrom liegen und durch Abbrand der Elektroden Verschmutzung im Gasraum, höherer Gasverbrauch und verstärkter Wartungsaufwand entstehen.

Bei HF - angeregten Lasern wird die Energie kapazitiv durch die Wand der Entladungsrohre eingekoppelt. Für diese Queranregung ist als Anregungsspannung 1 kV ausreichend, während ein Gleichstrom - Laser 10 kV benötigt. Der Hauptvorteil der HF - Entladung ist jedoch die extrem hohe Stabilität und Homogenität des Laserstrahls auch im niedrigen Leistungsbereich.

Die Energiedichte des den Resonator vorlassenden Strahlenbündels (je nach Leistung mit Strahldurchmessern von 10 bis 25 mm) ist zur Materialverarbeitung noch nicht ausreichend. Der Laserstrahl wird außerhalb des Resonators über gekühlte Spiegel umgelenkt und rechtwinklig mit Hilfe einer optischen Lirise auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert (gebündelt). Im Brennfleck mit der Größe von 0,1 bis 0,5 mm²erreicht man dadurch am Werkstück Leistungsdichten von 5 bis 10 x 10 W/mm².



Diese Strahlenenergie schmilzt den Werkstoff in einigen Millisekunden und erzeugt bei Metallen eine Metalldampf - kapillare; Kunststoffe, Textilien usw. verdampfen im Laserstrahlbereich. Der am Rande der Schnittfuge verflüssigte Werkstoff wird ausgeblasen. Die Brennweiten der Linsen werden den individuellen Schneidaufgaben angepaßt.

Die Laserleistung kann den Schneidanforderungen entsprechend verändert werden. Möglich sind die Dauerstrichleistung sowie über Pulseinrichtungen eine gepulste Leistung oder zunächst ansteigende, später abfallende Leistung (Rampe). Uber Steuerprogramme können alle Leistungsprogramme miteinander verknüpft werden. Pulslänge und Pulsfrequenz sind zur Optimierung des Schneidvorgangs dabei variabel.

Durch Hochfrequenz angeregte CO₂ - Laser werden heute mit einer Strichleistung bis 5 kW mit regelbarem Leistungsbereich eingesetzt. Mit HF - Oszillator sind dabei im Superpulsbetrieb Leistungsüberhöhungen um das Vier - bis Fünffache möglich.

Die Schnittfugen sind parallel, mit Rauhtiefen R_Z von 10 bis 15 μm bei Werkstückdicken :53 mm, bei 8 mm Dicke mit einer Rauhtiefe R_Z von 80 μm. Hervorzuheben sind - gute Strahlqualität vorausgesetzt die erreichbare Schnittfugenbreite von 0,1 bis 0,3 mm, die schmale Wärmeeinflußzone und der extrem geringe Wärmeverzug von Werkstücken.

Unbedingt erforderlich ist eine Rauchgasabsaugung der Metalldämpfe, bei Kunststoffen muss mit der Bildung toxischer Gase gerechnet werden. Bis auf die Maschinengeräusche ist der Lärmpegel des Schneidvorgangs sehr gering.

Anwendung
Das Laserschneiden ist vom Absorptionsverhalten der Metalle, der Werkstückoberfläche, der Wellenlänge des Lasers und der Brennflecktemperatur abhängig. Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Gold und Messing, lassen sich nur sehr schlecht, Silber und Kupfer gar nicht schneiden.

Das Laserschmelzschneiden und das Lasersublimierschneiden haben sich bei Nichtmetallen bewährt. Holz, Leder, Gummi, Wolle und Textilien, sogar Papier, spröd - harte und weiche Kunststoffe werden unter Verwendung von Stickstoff als Schneidgas geschnitten. Zur Herstellung von Feinstbohrungen sind die Verfahren ebenfalls geeignet, wie z. B. von Feinstbohrungen mit 0,12 mm Durchmesser in Kerarnikplatten, mit einer Toleranz von ± 0,01 mm.

Das Laserbrennschneiden findet bei einer Vieizahl von Metallen Anwendung: Aluminium bis 3 mm, Chrom - Nickelstähle bis 6 mm, unlegierte und niedriglegierte Stähle von 0,2 bis etwa 12 mm, verzinkte oder mit Kunststoff beschichtete Stahlbleche u. a.

Bei Werkstückdicken von 0,1 mm und darüber können Schneidgeschwindigkeit und Laserleistung durch Pulseinrichtungen reduziert werden, so dass anspruchsvolle und maßgenaue Konturen möglich sind.

3 CHEMISCHES ABTRAGEN (CM)

Beim chemischen Abtragen setzt sich der Werkstoff unter direkter Reaktion mit dem Wirkmedium in eine Verbindung um, die flüchtig oder mindestens leicht entfernbar ist. Dafür ist oft die Zuführung einer Reaktionswärme erforderlich. Dann können die Verfahren auch unter "Thermisch - chemisch" eingeordnet werden. Werkstück oder/und Medium sind elektrisch nicht leitend. Verfahrensbeispiel: Glasätzen.

3.1 ABBRENNEN (THERMISCH - CHEMISCHES VERFAHREN; TCM)

Vorgang
Das Werkstück wird einer kurzzeitig vorhandenen Temperaturspitze von bis zu 3500°C ausgesetzt (⇒TCM). Partien mit großer Oberfläche bei kleinem Volumen, z.B. Grate oder Späne, verbrennen bei dieser Entzündungstemperatur im Sauerstoffüberschuß (⇒TCM). Die kompakten Werkstückanteile werden nicht beeinflußt, weil die Wärme so kurzzeitig auftritt, dass sie nur wenig in das Teil eindringen kann und dann rasch in das Volumen abfließt.

Wegen der faktischen Begrenzung auf Entgraten wird das Verfahren im deutschsprachigem Raum auch "Thermische Entgratmethode" (TEM) oder "Explosionsentgraten" genannt.

Technik
Die Werkstücke werden auf einen sogenannten Schließteller gebracht, welcher meist hydraulisch innerhalb einer Maschine gegen eine zylindrische Entgratkammer hochgedrückt wird und dadurch gasdicht abschließt.

Über einen Mischblock wird hydraulisch ein Sauerstoff - Brenngasgemisch in die Kammer gedrückt und dann gezündet. Als Brenngase fungieren Wasserstoff, Methan oder Erdgas.

Dieser Vorgang läuft solange ab, wie Sauerstoff vorhanden ist und keine Abkühlung durch zu große Querschnitte stattfindet. Gewindespitzen werden deshalb nicht angegriffen. Die entstandenen Oxide schlagen sich auf der Werkstückoberfläche nieder (bei Eisenwerkstoffen eine korrosionsschützende Phosphatschicht).

Anwendung
Mit TEM zu behandelnde Werkstoffe sind üblicherweise Stahl, Grauguß, Zink, Aluminium und Kupfer - Zink - Legierungen. Grate werden entfernt, Kanten werden verrundet (bei massivem Stahl r ≤ 0,5mm). Bei Druckguß werden Formteilungsgrate mit dickem Fuß stark abgeflacht.

Da dieses Verfahren auch an verdeckten Stellen sicher arbeitet und keine Späne übriglässt, ist es bei funktions - und sicherheitsrelevanten Werkstücken gefordert.

Elektrochemisches Abtragen (ECM)

Beim elektrochemischen Abtragen wird Werkstoff unter Einwirkung eines Elektrolyten und von Strom anodisch aufgelöst. Das Werkstück muss demnach elektrisch leitend sein. Der Stromfluß entsteht entweder durch eine äußere Stromquelle (Elysieren) oder durch örtliche Elementbildung (elektrochemisch Ätzen).


Vorgang
Das Verfahren beruht auf dem Prinzip der elektrochemischen Auflösung an der Anode.
Bei einer Elektrolyse wandert das im Elektrolyten enthaltene Metall (Ion) an die Kathode, der Säurerest an die Anode.





An der Kathode entsteht: 2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂ ↑
An der Anode entsteht: 2 Cl + Fe → FeCl₂
Daraus wird: 2 NaOH + FeCl₂ → 2 NaCl + Fe(OH)₂ ↓
Weitere Elektrolyte sind NaNO₃, KCl, NaOH


Erkenntnisse

Wasserstoff wird frei (explosionsgefahr) erreichbare Rauhtiefe 0,5mm bis 5μm Anodenschlamm enthält giftige Bestandteile - Vorschriften beachten!

Anwendung
Entsprechend der Elektroerosion unterscheidet man in Anlehnung an die mechanische Fertigungsverfahren: elektrochemisches, elektrolytisches oder Elysiersenken, - gravieren, - schleifen, - honen, - drehen, - entgraten usw. Meistens ist nur der Serieneinsatz wirtschaftlich. Elysiermaschinen sind teurer als normale Werkzeugmaschinen.




Beim elektrochemischen Senken wird das Werkzeug mit einer Vorschubgeschwindigkeit v_f in das Werkstück zugeführt. Die Abtragrate beträgt für Stahl etwa 2 mm³/ (A x min), die Vorschubgeschwindigkeit ist von der Stromdichte A/cm³(<250) abhängig. Je größer sie ist, desto größer kann auch v_f sein, oder je größer die Bearbeitungsfläche, desto kleiner muss v_f sein.
Praktische Werte liegen bei 1 bis 10 mm/min je nach Stromdichte, z.B. Stromdichte ≈ 180 A/cm²→ v_f = 2,5 mm/min.

Bei großer Bearbeitungsfläche müssen auftretende Kräfte berücksichtigt werden!

[1] TEMoo ... Transversal Elektromagnetischer Mode

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