Elektroerosionsbearbeitung (EDM):Mechanik, Arbeitsprinzipien und Schaltungen (mit Diagramm)

In diesem Artikel werden wir über die Elektroerosionsbearbeitung (EDM) diskutieren:- 1. Einführung in die Elektroerosionsbearbeitung (EDM) 2. Mechanik der Elektroerosion 3. EDM-Schaltkreise und Arbeitsprinzipien (mit Diagramm) 4. Oberflächenfinish und Bearbeitungsgenauigkeit 5. Rolle von Werkzeugelektroden und dielektrischen Flüssigkeiten beim Erodieren 6. Auswirkungen von EDM auf Metalloberflächen 7. Eigenschaften.

Inhalt:

1. Einführung in die elektroerosive Bearbeitung (EDM)
2. Mechanik von EDM
3. EDM-Schaltkreise und Arbeitsprinzipien (mit Diagramm)
4. Oberflächenfinish und Bearbeitungsgenauigkeit von EDM
5. Rolle von Werkzeugelektroden und dielektrischen Flüssigkeiten in der EDM
6. Auswirkungen von EDM auf Metalloberflächen
7. Eigenschaften von EDM

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1. Einführung in die Elektroerosionsbearbeitung (EDM) :

Die Verwendung einer thermoelektrischen Energiequelle bei der Entwicklung der nicht-traditionellen Techniken hat sehr geholfen, eine wirtschaftliche Bearbeitung der Materialien mit extrem geringer Bearbeitbarkeit und schwieriger Arbeiten zu erreichen. Der Prozess des Materialabtrags durch kontrollierte Erosion durch eine Reihe von elektrischen Funken, allgemein bekannt als Funkenerosion, wurde erstmals um 1943 in der UdSSR begonnen. Danach haben Forschung und Entwicklung diesen Prozess auf den heutigen Stand gebracht.

Wenn zwischen zwei Punkten der Anode und der Kathode eine Entladung stattfindet, schmilzt die starke Hitze, die in der Nähe der Zone erzeugt wird, und verdampft die Materialien in der Funkenzone. Zur Verbesserung der Effektivität werden Werkstück und Werkzeug in ein Dielektrikum (Kohlenwasserstoff oder Mineralöle) getaucht. Es wurde beobachtet, dass, wenn beide Elektroden aus dem gleichen Material bestehen, die mit dem Pluspol verbundene Elektrode im Allgemeinen schneller erodiert. Aus diesem Grund wird das Werkstück normalerweise zur Anode. Zwischen dem Werkzeug und den Werkstückoberflächen wird ein geeigneter Spalt, die sogenannte Funkenstrecke, eingehalten.

Die Funken werden mit einer geeigneten Quelle mit hoher Frequenz entladen. Da der Funke an der Stelle auftritt, an der Werkzeug und Werkstückoberfläche am nächsten sind, und da sich die Stelle nach jedem Funken ändert (aufgrund des Materialabtrags nach jedem Funken), breiten sich die Funken über die gesamte Oberfläche aus. Dies führt zu einem gleichmäßigen Materialabtrag über die gesamte Oberfläche und schließlich passt sich die Arbeitsfläche der Werkzeugoberfläche an. Damit erzeugt das Werkzeug den gewünschten Eindruck im Werkstück.

Zur Einhaltung der vorgegebenen Funkenstrecke wird im Allgemeinen eine Servosteuereinheit verwendet. Die Lücke wird durch die durchschnittliche Spannung daran gemessen und diese Spannung wird mit einem voreingestellten Wert verglichen. Die Differenz wird zur Steuerung des Servomotors verwendet. Manchmal wird anstelle eines Servomotors ein Schrittmotor verwendet. Für sehr einfache Vorgänge ist natürlich auch eine Magnetsteuerung möglich, wodurch die Maschine äußerst kostengünstig und einfach zu bauen wird.

Die Funkenfrequenz liegt normalerweise im Bereich von 200-500.000 Hz, wobei die Funkenstrecke in der Größenordnung von 0,025-0,05 mm liegt. Die Spitzenspannung über der Lücke wird im Bereich von 30-250 Volt gehalten. Ein mrr bis zu 300 mm ³ / min kann mit diesem Verfahren erreicht werden, die spezifische Leistung liegt in der Größenordnung von 10 W / mm ³ / Mindest. Es hat sich herausgestellt, dass der Wirkungsgrad und die Leistungsgenauigkeit verbessert werden, wenn eine Zwangsumwälzung des dielektrischen Fluids bereitgestellt wird. Die am häufigsten verwendete dielektrische Flüssigkeit ist Kerosin. Das Werkzeug besteht im Allgemeinen aus Messing oder einer Kupferlegierung.

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2. Mechanik von EDM:

Abbildung 6.52 zeigt die Details der Elektrodenoberflächen. Obwohl die Oberflächen glatt erscheinen mögen, sind Unebenheiten und Unregelmäßigkeiten immer vorhanden, wie angegeben (natürlich übertrieben). Als Ergebnis variiert die lokale Lücke, und zu einem gegebenen Zeitpunkt ist sie an einem Punkt (zB A) minimal. Wenn eine geeignete Spannung über dem Werkzeug und dem Werkstück (der Kathode bzw. der Anode) aufgebaut wird, wird ein elektrostatisches Feld ausreichender Stärke aufgebaut, das eine kalte Emission von Elektronen von der Kathode bei A verursacht.

Diese freigesetzten Elektronen beschleunigen in Richtung der Anode. Nachdem sie eine ausreichende Geschwindigkeit erreicht haben, kollidieren die Elektronen mit den Molekülen der dielektrischen Flüssigkeit und brechen sie in Elektronen und positive Ionen auf. Die so erzeugten Elektronen beschleunigen auch und können schließlich die anderen Elektronen aus den Molekülen des dielektrischen Fluids verdrängen. Letztendlich wird eine schmale Säule ionisierter dielektrischer Flüssigkeitsmoleküle bei A gebildet, die die beiden Elektroden verbindet (was eine Elektronenlawine verursacht, da die Leitfähigkeit der ionisierten Säule sehr groß ist, was normalerweise als Funke gesehen wird).

Als Ergebnis dieses Funkens wird eine Druckstoßwelle erzeugt und an den Elektroden eine sehr hohe Temperatur entwickelt (10.000-12.000 °C). So hoch Temperatur bewirkt das Schmelzen und Verdampfen des Elektrodenmaterials, und die geschmolzenen Metalle werden durch eine mechanische Explosion evakuiert, was zu kleinen Kratern an beiden Elektroden bei A führt. Sobald dies geschieht, vergrößert sich der Abstand zwischen den Elektroden bei A und der nächsten Der Ort der kürzesten Lücke ist woanders (zB B).

Bei der Wiederholung des Zyklus erfolgt daher der nächste Funke bei B. Auf diese Weise wandern die Funken über die gesamte Elektrodenoberfläche und der Prozess führt schließlich zu einem gleichmäßigen Spalt. So entsteht je nach negativer Elektrodenform ein Abdruck auf der anderen Elektrode.

Im Allgemeinen ist die Materialabtragsrate von der Kathode aus folgenden Gründen vergleichsweise geringer als die von der Anode:

(i) Der Impuls, mit dem der Elektronenstrom auf die Anode trifft, ist viel größer als der aufgrund des Stroms der positiven Ionen, die auf die Kathode auftreffen, obwohl die Masse eines einzelnen Elektrons geringer ist als die der positiven Ionen.

(ii) Die Pyrolyse des dielektrischen Fluids (normalerweise ein Kohlenwasserstoff) erzeugt einen dünnen Kohlenstofffilm auf der Kathode.

(iii) Auf der Kathodenoberfläche wird eine Druckkraft entwickelt. Daher wird das Werkzeug normalerweise an den Minuspol der Gleichstromquelle angeschlossen.

Steht das Werkzeug relativ zum Werkstück, vergrößert sich der Spalt mit fortschreitendem Materialabtrag, wodurch eine erhöhte Spannung zur Zündung der Funken erforderlich wird. Um dieses Problem zu vermeiden, wird das Werkzeug mit Hilfe eines Servoantriebs vorgeschoben, der die Größe des mittleren Spalts erfasst und konstant hält.

Im Folgenden soll eine theoretische Bestimmung des Zeitspanvolumens bei der Funkenerosion versucht werden. Dabei werden zwar die quantitativen Ergebnisse nicht erhalten, aber viele wichtige Merkmale werden deutlich. Fürs Erste würde es ausreichen, die Wirkung nur eines Funkens zu verstehen.

Die Menge des Materialabtrags durch eine einzelne Entladung kann unter Berücksichtigung des Durchmessers des Kraters und der Tiefe, bis zu der die Schmelztemperatur erreicht wird, bestimmt werden.

Dafür machen wir folgende Annahmen:

(i) Der Funke ist eine gleichmäßige kreisförmige Wärmequelle auf der Elektrodenoberfläche und der Durchmesser (=2a) dieser kreisförmigen Quelle bleibt konstant.

(ii) Die Elektrodenoberfläche ist ein halb-unendlicher Bereich.

(iii) Mit Ausnahme des Teils der Wärmequelle ist die Elektrodenoberfläche isoliert.

(iv) Die Wärmezufuhrrate bleibt während der gesamten Entladungsdauer konstant.

(v) Die Eigenschaften des Elektrodenmaterials ändern sich nicht mit der Temperatur.

(vi) Die Verdampfung des Elektrodenmaterials wird vernachlässigt.

Abbildung 6.53 zeigt die Details der idealisierten Wärmequelle. In unserer Analyse H- Wärmemenge (cal), θ =Temperatur (°C), t =Zeit (sec), k=Wärmeleitfähigkeit (cal/cm-sec-°C), α =Wärmeleitfähigkeit (cm ² /sec), t_d =Entladungsdauer (Sek.) und θ_m =Schmelztemperatur (°C).

Wegen der Kreissymmetrie hängt die Temperatur an jedem Punkt von r und z ab. Die Gleichung für die Wärmeleitung lautet –

Da intuitiv zu erkennen ist, dass die Tiefe, bis zu der die Schmelztemperatur im Zentrum erreicht wird, maximal ist, liegt unser Interesse an der Lösung bei r =0. Die Temperatur an einem Punkt auf der Achse am Ende der Entladung ( unter der Annahme, dass die maximale Temperatur bei t =t_d . erreicht wird da die Wärmezufuhr zu diesem Zeitpunkt stoppt) ist gegeben durch –

Es ist also klar, dass Z einen Hinweis auf das Materialvolumen gibt, das von jedem Funken entfernt wird. Abbildung 6.54a zeigt die theoretischen Werte von Z bei gegebener Funkenenergie und konstantem Funkendurchmesser für Cu, Al und Zn als Elektrodenmaterialien. Abbildung 6.54b zeigt die tatsächliche Art der Variation des Kratervolumens mit t_d für unterschiedliche Funkenenergien. Die Trends sind ziemlich ähnlich.

Ein wichtiges Merkmal, das aus diesen Ergebnissen ersichtlich wird, ist, dass der Materialabtrag für eine kleine Entladezeit sehr gering ist und mit t_d . zunimmt . Bei Erreichen eines Spitzenwertes sinkt er dann plötzlich auf Null. Außerdem wurde festgestellt, dass der Materialabtrag pro Entladung stark vom Schmelzpunkt des Materials abhängt.

Wichtig ist auch der Effekt der Kavitation beim mechanischen Abtrag. Die mrr während eines einzelnen Funkens über der Zeit aufgetragen ist wie in Abb. 6.55 dargestellt. Der mrr ist eindeutig maximal, wenn der Druck unter dem Atmosphärendruck liegt, was die Bedeutung der Kavitation zeigt.

Zur groben Abschätzung wurden empirische Zusammenhänge für das Zeitspanvolumen beim Erodieren entwickelt. Da die Größe des Kraters von der Funkenenergie abhängt (unter der Annahme, dass alle anderen Bedingungen unverändert bleiben), sind Tiefe und Durchmesser des Kraters gegeben durch –

In dieser Beziehung haben wir einen durchschnittlichen Funkenbildungszustand angenommen.

Der mrr hängt auch stark von der Zirkulation des Dielektrikums ab. Ohne Zwangsumwälzung schmelzen die Verschleißpartikel immer wieder auf und vereinigen sich wieder mit der Elektrode. Abbildung 6.56 zeigt die Natur der mrr-Kennlinien ohne und mit Zwangsumlauf des Dielektrikums.

Nachdem die Entladung abgeschlossen ist, sollte dem dielektrischen Medium um den letzten Funken ermöglicht werden, sich zu entionisieren. Dazu muss die Spannung über der Lücke unterhalb der Entladungsspannung gehalten werden, bis die Entionisierung abgeschlossen ist; andernfalls beginnt der Strom wieder an der Stelle der vorhergehenden Entladung durch den Spalt zu fließen. Die für eine vollständige Entionisierung benötigte Zeit hängt von der Energie ab, die durch die vorangegangene Entladung freigesetzt wurde. Eine größere Energiefreisetzung führt zu einer längeren Entionisierungszeit.

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3. EDM-Schaltkreise und Arbeitsprinzipien (mit Diagramm):

Es stehen mehrere grundsätzlich unterschiedliche elektrische Schaltungen zur Verfügung, um den pulsierenden Gleichstrom über den Arbeitswerkzeugspalt bereitzustellen. Obwohl die Betriebseigenschaften unterschiedlich sind, wird in fast allen derartigen Schaltungen ein Kondensator zum Speichern der elektrischen Ladung verwendet, bevor die Entladung über den Spalt stattfindet. Die Eignung einer Schaltung hängt von den Bearbeitungsbedingungen und Anforderungen ab.

Die allgemein verwendeten Prinzipien zur Bereitstellung des pulsierenden Gleichstroms können in die folgenden drei Gruppen eingeteilt werden:

(i) Widerstands-Kapazitäts-Relaxationsschaltung mit einer konstanten Gleichstromquelle.

(ii) Drehimpulsgenerator.

(iii) Gesteuerte Impulsschaltung.

(i) Widerstand-Kapazitäts-Relaxationskreislauf:

Die Widerstands-Kapazitäts-Relaxationsschaltung wurde verwendet, als die ersten Elektroerosionsmaschinen entwickelt wurden. Abbildung 6.57a zeigt eine einfache RC-Schaltung. Wie aus dieser Figur deutlich wird, wird der Kondensator C (der variiert werden kann) über einen variablen Widerstand R von der Gleichspannungsquelle V₀ . geladen .

Die Spannung über der Lücke (die fast dieselbe ist wie die über dem Kondensator) V ändert sich mit der Zeit gemäß der Beziehung, wobei t die Zeit bezeichnet, die zum Zeitpunkt V₀ . beginnt wird angewandt.

V nähert sich also V₀ asymptotisch, wie in Abb. 6.57b gezeigt, wenn dies erlaubt ist. Wenn der Werkzeugarbeitsspalt und das Dielektrikum so beschaffen sind, dass ein Funke entstehen kann, wenn die Spannung über dem Spalt einen Wert V_d . erreicht (allgemein als Entladespannung bekannt) entsteht ein Funke, der den Kondensator vollständig entlädt, wenn die Spannung über dem Werkzeug-Arbeitsspalt (V) V_d . erreicht .

Die Entladezeit ist viel kleiner (ca. 10%) als die Ladezeit und die Funkenfrequenz (v) wird ungefähr durch die folgende Gleichung angegeben (da die für die Entionisierung benötigte Zeit auch unter normalen Umständen sehr gering ist) –

Für eine maximale Leistungsabgabe sollte die Entladespannung also 72 % der Versorgungsspannung V₀ . betragen .

Wenn wir annehmen, dass das pro Funke entfernte Material proportional zur pro Funke freigesetzten Energie ist, dann kann der mrr ausgedrückt werden als –

(ii) Drehimpulsgenerator:

Die Relaxationsschaltung zur Funkenerzeugung hat, obwohl sie einfach ist, gewisse Nachteile. Von diesen besteht ein wichtiger Nachteil darin, dass der mrr nicht hoch ist. Zur Erhöhung der Abtragsleistung wird ein Impulsgenerator zur Funkenerzeugung verwendet. Abbildung 6.59 zeigt die schematische Darstellung eines solchen Systems. Der Kondensator wird während der ersten Halbwelle über die Diode geladen. Während der folgenden Halbwelle wird die Summe der vom Generator erzeugten Spannungen und des geladenen Kondensators an den Werkzeugspalt angelegt.

Die Betriebsfrequenz ist die von der Motordrehzahl abhängige Frequenz der Sinuswellenerzeugung. Obwohl der mrr höher ist, erzeugt ein solches System keine gute Oberflächengüte.

(iii) Gesteuerte Impulskreise:

Bei den beiden besprochenen Systemen ist eine automatische Verhinderung des Stromflusses bei Entstehung eines Kurzschlusses nicht vorgesehen. Um eine solche automatische Steuerung zu erreichen, wird als Schaltgerät eine Vakuumröhre (oder ein Transistor) verwendet. Dieses System ist als gesteuerte Impulsschaltung bekannt. Abbildung 6.60 zeigt schematisch ein solches System. Während der Funkenbildung kommt der Strom, der durch die Lücke fließt, vom Kondensator.

Wenn der Strom durch die Lücke fließt, wird die Ventilröhre (VT) zum Abschalten vorgespannt und verhält sich wie ein unendlicher Widerstand. Die Bias-Steuerung erfolgt durch eine elektronische Steuerung (EC). Sobald der Strom in der Lücke aufhört, erhöht sich die Leitfähigkeit der Röhre, wodurch der Stromfluss den Kondensator für den nächsten Zyklus aufladen kann.

Die Schaltung kann vereinfacht und die Betriebsstabilität verbessert werden, wenn der Stromfluss zyklisch mit einer vorgegebenen Frequenz zugelassen wird. Dies kann durch Steuern der Vorspannung mit Hilfe eines Oszillators erfolgen. In diesem Fall wird der Kondensator nicht benötigt. Abbildung 6.61 zeigt eine solche Schaltung mit einem Transistor.

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4. Oberflächengüte und Bearbeitungsgenauigkeit von EDM:

Da der Materialabtrag beim EDM durch die Bildung von Kratern durch die Funken erreicht wird, liegt es auf der Hand, dass große Kratergrößen (insbesondere die Tiefe) zu einer rauen Oberfläche führen. Die Kratergröße, die hauptsächlich von der Energie / dem Funken abhängt, steuert also die Qualität der Oberfläche. Abbildung 6.62 zeigt, wie H_rms (quadratischer Mittelwert der Oberflächenunebenheit) hängt von C und V₀ ab .

Die Kratertiefe (h_c ) kann ungefähr als pro Funke freigesetzte Energie (E) ausgedrückt werden als –

Die Abhängigkeit der Oberflächengüte von der Pulsenergie E und der Vergleich der Oberflächengüte mit der nach konventionellen Verfahren erhaltenen ist in Abb. 6.63 dargestellt. Es wurde viel Aufwand betrieben, um einen geeigneten Zusammenhang zwischen der Abtragsrate und der Oberflächengüte zu ermitteln. Aber ein sehr verlässliches Verhältnis allgemeiner Anwendbarkeit steht noch aus. Der mrr und die Oberflächenunebenheit stehen jedoch bei der Bearbeitung von Stahl unter normalen Bedingungen ungefähr in Beziehung zu –

Wobei H_rms ist der quadratische Mittelwert der Oberflächenunebenheit in Mikrometer und Q ist die Materialabtragsrate in mm ³ / Mindest.

Es hat sich herausgestellt, dass die Zwangsumwälzung des Dielektrikums im Allgemeinen die Oberflächenbeschaffenheit verbessert. Die Querschnitte der durch EDM erzeugten Messingelektrodenoberfläche mit und ohne Zwangsumlauf (Spannung 40 V, Strom 0,2 A, Frequenz 1,12 kHz) sind in Abb. 6.64 dargestellt. Es ist klar, dass die Zwangsumwälzung zu einer deutlichen Verbesserung der Oberflächengüte führt.

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5. Rolle von Werkzeugelektroden und dielektrischen Flüssigkeiten beim EDM:

Die Elektroden spielen beim Erodieren eine äußerst wichtige Rolle, daher sollten bestimmte Aspekte der Werkzeugelektrode beachtet werden, um bessere Ergebnisse zu erzielen.

a. Werkzeugelektrodenverschleiß:

Während des Erodiervorgangs wird, wie bereits erwähnt, auch die Elektrode (also das Werkzeug) durch die Funkenbildung erodiert. Die Materialien mit guten Elektrodenverschleißeigenschaften sind dieselben wie die, die im Allgemeinen schwer zu bearbeiten sind. Einer der Hauptwerkstoffe für das Werkzeug ist Graphit, der ohne Schmelzen direkt in die Dampfphase übergeht. Das Verschleißverhältnis (r_Q ), definiert durch das Verhältnis des vom Werkstück abgetragenen Materials zum vom Werkzeug abgetragenen Material, steht in Beziehung zu r_θ (=Schmelzpunkt des Werkstücks / Schmelzpunkt des Werkzeugs) als –

b. Elektrodenmaterial:

Die Auswahl des Elektrodenmaterials hängt ab von:

(i) Materialabtragsrate,

(ii) Verschleißverhältnis,

(iii) Einfache Formgebung der Elektrode,

(iv) Kosten.

Die am häufigsten verwendeten Elektrodenmaterialien sind Messing, Kupfer, Graphit, Al-Legierungen, Kupfer-Wolfram-Legierungen und Silber-Wolfram-Legierungen.

Die Methoden zur Herstellung der Elektroden sind:

(i) Konventionelle Bearbeitung (verwendet für Kupfer, Messing, Cu-W-Legierungen, Ag-W-Legierungen und Graphit),

(ii) Gießen (verwendet für Druckgusslegierungen auf Zn-Basis, Zn-Sn-Legierungen und Al-Legierungen),

(iii) Metallspritzen,

(iv) Pressformen.

Für die Zirkulation des Dielektrikums sind normalerweise Fließlöcher vorgesehen, die für grobe Schnitte möglichst groß sein sollten, um große Fließgeschwindigkeiten bei niedrigem Druck zu ermöglichen.

c. Dielektrische Flüssigkeiten:

Die Grundvoraussetzungen für ein ideales Dielektrikum sind:

(i) Niedrige Viskosität,

(ii) Abwesenheit von giftigen Dämpfen,

(iii) Chemische Neutralität,

(iv) Fehlen einer Entzündungsneigung,

(v) Niedrige Kosten.

Das gewöhnliche Wasser besitzt fast alle diese Eigenschaften, aber da es Rost in der Arbeit und der Maschine verursacht, wird es nicht verwendet. Ein weiterer Grund, warum Wasser nicht empfohlen wird, ist folgender. Die Elektroden stehen ständig unter einer Potentialdifferenz und aufgrund der guten Leitfähigkeit des Wassers beginnt der ECM-Prozess, das Werkstück zu verformen. Außerdem wird Strom verschwendet. In einigen Fällen wird jedoch entionisiertes Wasser verwendet.

Die am häufigsten verwendete Art von Flüssigkeit ist Kohlenwasserstofföl (Erdöl). Als dielektrische Flüssigkeiten werden auch Kerosin, Paraffinöl und Silikonöle verwendet.

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6. Auswirkungen von EDM auf Metalloberflächen:

Die durch die Funken erzeugte hohe Temperatur verursacht das Schmelzen und Verdampfen des Metalls und diese hohe Temperatur beeinflusst offensichtlich die Eigenschaften der flachen Schichten (2,5-150 μm) der bearbeiteten Oberfläche.

Die äußerste Schicht wird schnell abgekühlt und ist daher sehr hart. Die Schicht direkt darunter befindet sich in einem etwas getemperten Zustand. Abbildung 6.67 zeigt die Variation der Härte mit der Tiefe sowohl für die Schrupp- als auch für die Schlichterodierbearbeitung von Stahl. Es ist klar, dass bei der Fertigbearbeitung eine solche Härtung nicht im Vordergrund steht. Allerdings ist die äußere Schicht angelassen und die Härte ist gering.

Das Härten der Randschicht während des Erodiervorgangs verleiht eine bessere Verschleißfestigkeit. Durch die Mikrorisse, die beim Abkühlen in der Randschicht entstehen, verringert sich jedoch die Dauerfestigkeit. Bild 6.68 zeigt den Vergleich der Dauerfestigkeit von konventionell gefrästen und erodierten Gleichteilen. Die Eigenschaften der dünnen Deckschichten haben keinen großen Einfluss auf die Zugfestigkeit. Ihre Struktur verändert sich und durch die Funken verändert sich teilweise ihre chemische Zusammensetzung. Diese verringern im Allgemeinen die Erosionsbeständigkeit.

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7. Eigenschaften von EDM:

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