Funkenerosion (EDM): Mechanik, Prinzipien und Schaltungsdesign erklärt

In diesem Artikel besprechen wir die Funkenerosion (EDM): 1. Einführung in die Funkenerosion (EDM) 2. Mechanik der EDM 3. EDM-Schaltungen und Arbeitsprinzipien (mit Diagramm) 4. Oberflächengüte und Bearbeitungsgenauigkeit 5. Rolle von Werkzeugelektrode und Dielektrikumflüssigkeiten 6. Auswirkungen der EDM auf Metalloberflächen 7. Eigenschaften.

Inhalt:

1. Einführung in die Funkenerosion (EDM)
2. Mechanik der EDM
3. EDM-Schaltungen und Arbeitsprinzipien (mit Diagramm)
4. Oberflächengüte und Bearbeitungsgenauigkeit der EDM
5. Rolle von Werkzeugelektrode und Dielektrikumflüssigkeiten in der EDM
6. Auswirkungen der EDM auf Metalloberflächen
7. Eigenschaften der EDM

1. Einführung in die Funkenerosion (EDM)

Der Einsatz einer thermoelektrischen Energiequelle bei der Entwicklung unkonventioneller Verfahren hat maßgeblich zur wirtschaftlichen Bearbeitung extrem schlecht zerspanbarer Materialien und schwieriger Aufgaben beigetragen. Der Prozess der Materialabtragung durch kontrollierte Erosion mittels einer Reihe von Elektrischen Funken – allgemein als Funkenerosion bekannt – begann in der UdSSR um 1943. Seither haben Forschung und Entwicklung diesen Prozess auf sein heutiges Niveau gebracht.

Wenn eine Entladung zwischen zwei Punkten von Anode und Kathode stattfindet, schmilzt und verdampft die intensive Hitze im Entladungsbereich die Materialien in der Funkenzone. Zur Effektivitätssteigerung werden Werkstück und Werkzeug in ein Dielektrikum (Kohlenwasserstoff- oder Mineralöle) getaucht. Es wurde beobachtet, dass bei identischem Elektrodenmaterial die an den Pluspol angeschlossene Elektrode generell schneller erodiert. Daher wird das Werkstück normalerweise als Anode ausgeführt. Ein geeigneter Abstand, der sogenannte Funkenspalt, wird zwischen Werkzeug- und Werkstückoberfläche gehalten.

Die Funken werden mit hoher Frequenz und einer geeigneten Quelle gezündet. Da der Funke an der Stelle entsteht, an der Werkzeug- und Werkstückoberfläche sich am nächsten sind, und sich dieser Ort nach jedem Funken ändert (wegen Materialabtrag), wandern die Funken über die gesamte Oberfläche. Dies führt zu gleichmäßigem Materialabtrag über die ganze Fläche, und schließlich passt sich die Werkstückoberfläche der Werkzeugoberfläche an. So erzeugt das Werkzeug den erforderlichen Eindruck im Werkstück.

Zur Aufrechterhaltung des vorgegebenen Funkenspalts wird allgemein eine Servosteuerung verwendet. Der Spalt wird über die Durchschnittsspannung erfasst und mit einem Sollwert verglichen. Die Differenz steuert den Servomotor. Manchmal wird statt eines Servomotors ein Schrittmotor verwendet. Für sehr primitive Operationen ist auch eine Magnetsteuerung möglich, was die Maschine extrem kostengünstig und einfach zu bauen macht.

Die Funkfrequenz liegt normalerweise bei 200–500.000 Hz, der Funkenspalt in der Größenordnung von 0,025–0,05 mm. Die Spitzen-Spannung über dem Spalt wird auf 30–250 Volt gehalten. Ein mrr bis zu 300 mm³/min ist erreichbar, die spezifische Leistung in der Größenordnung von 10 W/(mm³/min). Effizienz und Genauigkeit verbessern sich bei Zwangsumwälzung des Dielektrikums. Das gängigste Dielektrikum ist Petroleum. Das Werkzeug besteht meist aus Messing oder Kupferlegierung.

2. Mechanik der EDM

Abb. 6.52 zeigt Details der Elektrodenoberflächen. Zwar wirken die Oberflächen glatt, doch Rauheiten und Unregelmäßigkeiten sind stets vorhanden (in übertriebener Darstellung). Dadurch variiert der lokale Spalt, und zu einem gegebenen Zeitpunkt ist er an einem Punkt (sagen wir A) minimal. Wenn eine geeignete Spannung zwischen Werkzeug und Werkstück (Kathode bzw. Anode) aufgebaut wird, entsteht ein elektrostatisches Feld ausreichender Stärke, das kalte Elektronenemission an der Kathode an Punkt A verursacht.

Diese freien Elektronen beschleunigen zur Anode. Nach Erreichen ausreichender Geschwindigkeit kollidieren sie mit den Molekülen des Dielektrikums und spalten diese in Elektronen und positive Ionen. Die so erzeugten Elektronen beschleunigen ebenfalls und können letztlich weitere Elektronen aus den Dielektrikummolekülen lösen. Schließlich bildet sich eine schmale Säule ionisierter Dielektrikummoleküle an A, die die beiden Elektroden verbindet (Lawine von Elektronen, da die Leitfähigkeit der ionisierten Säule sehr groß ist – normalerweise als Funke sichtbar).

Durch diesen Funken wird eine Kompressionsschockwelle erzeugt und eine sehr hohe Temperatur an den Elektroden entwickelt (10.000–12.000 °C). Diese hohe Temperatur verursacht Schmelzen und Verdampfen der Elektrodenmaterialien, und die geschmolzenen Metalle werden durch einen mechanischen Blast abgetragen, was kleine Krater auf beiden Elektroden an A erzeugt. Sobald dies geschieht, vergrößert sich der Spalt an A, und der nächste Ort des kürzesten Spalts liegt woanders (sagen wir B).

Wird der Zyklus wiederholt, findet der nächste Funke an B statt. So wandern die Funken über die gesamte Elektrodenfläche und ergeben schließlich einen gleichmäßigen Spalt. Je nach Form der negativen Elektrode wird ein Eindruck in der anderen Elektrode erzeugt.

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

• (i) Der Impuls, mit dem der Elektronenstrom die Anode trifft, ist weit größer als der durch den Strom positiver Ionen, der auf die Kathode trifft, obwohl die Masse eines einzelnen Elektrons geringer ist als die der positiven Ionen.
• (ii) Die Pyrolyse des Dielektrikums (normalerweise ein Kohlenwasserstoff) erzeugt einen dünnen Kohlenstofffilm auf der Kathode.
• (iii) Auf der Kathodenoberfläche entsteht eine Druckkraft. Daher wird das Werkzeug normalerweise an den Minuspol der Gleichstromquelle angeschlossen.

Wenn das Werkzeug relativ zum Werkstück stationär ist, vergrößert sich der Spalt mit fortschreitendem Materialabtrag, was eine erhöhte Spannung zum Zünden der Funken erfordert. Um dies zu vermeiden, wird das Werkzeug mit Hilfe eines Servoantriebs vorgeschoben, der die Größe des durchschnittlichen Spalts erfasst und konstant hält.

Im Folgenden versuchen wir eine theoretische Bestimmung der Materialabtragsrate bei der Funkenerosion. Zwar werden keine quantitativen Ergebnisse erzielt, doch viele wichtige Merkmale werden evident. Zunächst genügt es, den Effekt eines einzelnen Funkens zu verstehen.

Die Materialmenge, die durch eine einzelne Entladung abgetragen wird, lässt sich über den Kraterdurchmesser und die Tiefe bestimmen, bis zu der die Schmelztemperatur erreicht wird.

Dazu treffen wir folgende Annahmen:

• (i) Der Funke ist eine gleichmäßige kreisförmige Wärmequelle auf der Elektrodenoberfläche, der Durchmesser (=2a) bleibt konstant.
• (ii) Die Elektrodenoberfläche ist ein halbindendlicher Bereich.
• (iii) Außer dem Wärmequellenbereich ist die Elektrodenoberfläche isoliert.
• (iv) Die Wärmezufuhrrate bleibt während der Entladungsdauer konstant.
• (v) Die Eigenschaften des Elektrodenmaterials ändern sich nicht mit der Temperatur.
• (vi) Die Verdampfung des Elektrodenmaterials wird vernachlässigt.

Abb. 6.53 zeigt Details der idealisierten Wärmequelle. In unserer Analyse: H = Wärmezufuhrmenge (cal), θ = Temperatur (°C), t = Zeit (s), k = Wärmeleitfähigkeit (cal/cm·s·°C), α = Temperaturlaufzeit (cm²/s), t_d = Entladungsdauer (s), θ_m = Schmelztemperatur (°C).

Wegen Kreissymmetrie hängt die Temperatur an jedem Punkt von r und z ab. Die Wärmeleitungsgleichung lautet –

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

Es ist klar, dass Z einen Hinweis auf das Volumen des pro Funken abgetragenen Materials gibt. Abb. 6.54a zeigt theoretische Werte von Z für eine gegebene Funkenenergie und konstanten Funkendurchmesser für Cu, Al und Zn als Elektrodenmaterialien. Abb. 6.54b zeigt die tatsächliche Variationsnatur des Kratervolumens mit t_d für verschiedene Funkenenergien. Die Trends sind sehr ähnlich.

Ein wichtiges Merkmal wird evident: Der Materialabtrag ist bei kurzer Entladungszeit sehr gering und steigt mit t_d. Nach Erreichen eines Spitzenwerts fällt er plötzlich auf null. Auch wurde festgestellt, dass der pro Entladung abgetragene Werkstoff stark vom Schmelzpunkt des Materials abhängt.

Der Effekt der Kavitation im mechanischen Entfernungsprozess ist ebenfalls wichtig. Der mrr während eines einzelnen Funkens in Abhängigkeit von der Zeit ist in Abb. 6.55 dargestellt. Deutlich ist der mrr maximal, wenn der Druck unter atmosphärisch liegt – was die Bedeutung der Kavitation zeigt.

Für eine grobe Abschätzung wurden empirische Beziehungen für die Materialabtragsrate bei EDM entwickelt. Da die Kratergröße von der Funkenenergie abhängt (bei sonst unveränderten Bedingungen), sind Krater-Tiefe und -Durchmesser gegeben durch –

In dieser Relation haben wir durchschnittliche Funkenbedingungen angenommen.

Der mrr hängt auch stark von der Zirkulation des Dielektrikums ab. Ohne Zwangsumwälzung schmelzen Verschleißpartikel wiederholt und vereinigen sich wieder mit der Elektrode. Abb. 6.56 zeigt die mrr-Charakteristik ohne und mit Zwangsumwälzung des Dielektrikums.

Nach Ende der Entladung muss das Dielektrikum um den letzten Funken herum deionisieren. Dazu muss die Spannung über dem Spalt unter der Entladespannung gehalten werden, bis die Deionisierung abgeschlossen ist; andernfalls fließt der Strom wieder durch den Spalt an der Stelle der vorangegangenen Entladung. Die für vollständige Deionisierung benötigte Zeit hängt von der Energie der vorangegangenen Entladung ab. Größere Energiefreisetzung führt zu längerer Deionisierungszeit.

3. EDM-Schaltungen und Arbeitsprinzipien (mit Diagramm)

Es stehen mehrere grundlegend verschiedene elektrische Schaltungen zur Bereitstellung des pulsierenden Gleichstroms über den Werkzeug-Werkstück-Spalt zur Verfügung. Obwohl die Betriebsmerkmale unterschiedlich sind, verwendet fast jede dieser Schaltungen einen Kondensator zum Speichern der elektrischen Ladung vor der Entladung über den Spalt. Die Eignung einer Schaltung hängt von den Bearbeitungsbedingungen und -anforderungen ab.

Die gängigen Prinzipien zur Bereitstellung des pulsierenden Gleichstroms lassen sich in drei Gruppen einteilen:

• (i) Widerstands-Kondensator-Entspannungsschaltung mit konstanter Gleichstromquelle
• (ii) Drehimpulsgenerator
• (iii) Gesteuerte Pulsschaltung

(i) RC-Entspannungsschaltung:

Die RC-Entspannungsschaltung wurde verwendet, als die Funkenerosionsmaschinen erstmals entwickelt wurden. Abb. 6.57a zeigt eine einfache RC-Schaltung. Der Kondensator C (variabel) wird über einen variablen Widerstand R von der Gleichstromquelle V₀ geladen.

Die Spannung über dem Spalt (fast identisch mit der über dem Kondensator) V variiert mit der Zeit gemäß der Relation, wobei t die Zeit ab dem Anlegen von V₀ bezeichnet.

V nähert sich also V₀ asymptotisch an, wie in Abb. 6.57b gezeigt, wenn man es zulässt. Wenn Werkzeug-Werkstück-Spalt und Dielektrikum so beschaffen sind, dass ein Funke zünden kann, sobald die Spannung über dem Spalt einen Wert V_d (Entladespannung) erreicht, entlädt sich der Kondensator vollständig, wann immer die Spannung über dem Werkzeug-Werkstück-Spalt (V) V_d erreicht.

Die Entladezeit ist viel kleiner (ca. 10 %) als die Ladezeit, und die Funkfrequenz (v) ist annähernd gegeben durch folgende Gleichung (da die für Deionisierung benötigte Zeit unter normalen Umständen ebenfalls sehr klein ist) –

Damit beträgt die Entladespannung für maximale Leistungsabgabe 72 % der Versorgungsspannung V₀.

Nimmt man an, der pro Funke abgetragene Werkstoff sei proportional zur pro Funke freigesetzten Energie, so lässt sich der mrr ausdrücken als –

(ii) Drehimpulsgenerator:

Die Entspannungsschaltung zur Funkenerzeugung, obwohl einfach, hat gewisse Nachteile. Ein wichtiger: der mrr ist nicht hoch. Zur Erhöhung der Abtragsrate wird ein Impulsgenerator zur Funkenerzeugung eingesetzt. Abb. 6.59 zeigt das schematische Diagramm eines solchen Systems. Der Kondensator wird während der ersten Halbwelle durch die Diode geladen. Während der folgenden Halbwelle wird die Summe der vom Generator erzeugten Spannung und der geladenen Kondensatorspannung an den Werkzeug-Werkstück-Spalt angelegt.

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

(iii) Gesteuerte Pulsschaltungen:

In den beiden besprochenen Systemen gibt es keine automatische Verhinderung des Stromflusses bei Kurzschluss. Um eine solche automatische Steuerung zu erreichen, wird eine Elektronenröhre (oder ein Transistor) als Schaltbaustein verwendet. Dieses System nennt man gesteuerte Pulsschaltung. Abb. 6.60 zeigt schematisch ein solches System. Während des Funkens fließt der Strom durch den Spalt vom Kondensator.

Wenn Strom durch den Spalt fließt, wird die Ventilröhre (VT) auf Sperrung vorgespannt und verhält sich wie ein unendlicher Widerstand. Die Vorspannsteuerung erfolgt durch eine Elektronische Steuerung (EC). Sobald der Strom im Spalt aufhört, steigt die Leitfähigkeit der Röhre, sodass Strom zum Laden des Kondensators für den nächsten Zyklus fließen kann.

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

4. Oberflächengüte und Bearbeitungsgenauigkeit der EDM

Da der Materialabtrag bei EDM durch Kraterbildung durch Funken erfolgt, ist offensichtlich, dass große Kratergrößen (insbesondere die Tiefe) zu rauer Oberfläche führen. Die Kratergröße, die hauptsächlich von der Energie/Funken abhängt, steuert die Oberflächenqualität. Abb. 6.62 zeigt, wie H_rms (RMS-Wert der Oberflächenunebenheit) von C und V₀ abhängt.

Die Kratertiefe (h_c) lässt sich approximativ in Abhängigkeit von der pro Funke freigesetzten Energie (E) ausdrücken als –

Die Abhängigkeit der Oberflächengüte von der Pulsenenergie E und der Vergleich mit konventionellen Verfahren sind in Abb. 6.63 dargestellt. Viel Aufwand wurde betrieben, um eine geeignete Beziehung zwischen Materialabtragsrate und Oberflächenqualität zu finden. Eine sehr zuverlässige, allgemein anwendbare Relation ist noch nicht entstanden. Allerdings sind mrr und Oberflächenunebenheit beim Zerspanen von Stahl unter normalen Bedingungen annähernd verknüpft als –

Wobei H_rms der RMS-Wert der Oberflächenunebenheit in µm und Q die Materialabtragsrate in mm³/min ist.

Die Zwangsumwälzung des Dielektrikums verbessert allgemein die Oberflächengüte. Die Querschnitte der Messingelektrodenoberfläche, erzeugt durch EDM mit und ohne Zwangsumwälzung (Spannung 40 V, Strom 0,2 A, Frequenz 1,12 kHz), sind in Abb. 6.64 gezeigt. Deutlich führt die Zwangsumwälzung zu signifikanter Verbesserung der Oberflächengüte.

5. Rolle von Werkzeugelektrode und Dielektrikumflüssigkeiten in der EDM

Die Elektroden spielen eine extrem wichtige Rolle im EDM-Prozess, daher sollten bestimmte Aspekte der Werkzeugelektrode beachtet werden, um bessere Ergebnisse zu erzielen.

a. Werkzeugelektrodenverschleiß:

Während des EDM-Prozesses erodiert die Elektrode (das Werkzeug) ebenfalls durch die Funkwirkung. Materialien mit guten Elektrodenverschleißeigenschaften sind dieselben, die allgemein schwer zerspanbar sind. Ein Hauptmaterial für das Werkzeug ist Graphit, das direkt in die Dampfphase übergeht, ohne zu schmelzen. Das Verschleißverhältnis (r_Q), definiert als Verhältnis des vom Werkstück abgetragenen Materials zum vom Werkzeug abgetragenen Material, hängt mit r_θ (= Schmelzpunkt Werkstück / Schmelzpunkt Werkzeug) zusammen als –

b. Elektrodenmaterial:

Die Auswahl des Elektrodenmaterials hängt ab von:

• (i) Materialabtragsrate
• (ii) Verschleißverhältnis
• (iii) Bearbeitbarkeit der Elektrode
• (iv) Kosten

Die gängigsten Elektrodenmaterialien sind Messing, Kupfer, Graphit, Al-Legierungen, Kupfer-Wolfram-Legierungen und Silber-Wolfram-Legierungen.

Methoden zur Elektrodenherstellung:

• (i) Konventionelle Zerspanung (für Kupfer, Messing, Cu-W, Ag-W, Graphit)
• (ii) Gießen (für Zn-Druckgusslegierungen, Zn-Sn-Legierungen, Al-Legierungen)
• (iii) Metallspritzen
• (iv) Pressformen

Durchflussbohrungen werden normalerweise für die Dielektrikumszirkulation vorgesehen und sollten für Schruppschnitte so groß wie möglich sein, um große Durchflussraten bei niedrigem Druck zu ermöglichen.

c. Dielektrikumflüssigkeiten:

Grundanforderungen an ein ideales Dielektrikum:

• (i) Niedrige Viskosität
• (ii) Fehlen toxischer Dämpfe
• (iii) Chemische Neutralität
• (iv) Keine Entzündungsneigung
• (v) Niedrige Kosten

Normales Wasser besitzt fast all diese Eigenschaften, wird aber nicht verwendet, da es Rost an Werkstück und Maschine verursacht. Ein weiterer Grund: Die Elektroden stehen ständig unter einer Potentialdifferenz, und wegen der guten Leitfähigkeit von Wasser beginnt der ECM-Prozess, das Werkstück zu verzerren. Auch wird Leistung verschwendet. In manchen Fällen wird jedoch deionisiertes Wasser verwendet.

Die am häufigsten verwendete Flüssigkeitsart ist Kohlenwasserstofföl (Petroleum). Petroleum, flüssiges Paraffin und Silikonöle werden ebenfalls als Dielektrikum verwendet.

6. Auswirkungen der EDM auf Metalloberflächen

Die durch die Funken erzeugte hohe Temperatur verursacht Schmelzen und Verdampfen des Metalls und beeinflusst offensichtlich die Eigenschaften der flachen Oberflächenschichten (2,5–150 µm) der bearbeiteten Fläche.

Die äußerste Schicht wird rasant abgeschreckt und ist daher sehr hart. Die direkt darunterliegende Schicht befindet sich in einem etwas angelassenen Zustand. Abb. 6.67 zeigt die Härteverteilung mit der Tiefe für Schrupp- und Schlicht-EDM-Operationen an Stahl. Deutlich ist beim Schlichten eine solche Härtung nicht prominent. Die Außenschicht ist jedoch angelassen und die Härte niedrig.

Die Oberflächenhärtung während der EDM-Operation verleiht eine bessere Verschleißfestigkeit. Die Ermüdungsfestigkeit nimmt jedoch ab durch Mikrorisse, die beim Abschrecken in der Oberflächenschicht entstehen. Abb. 6.68 zeigt den Vergleich der Ermüdungsfestigkeit identischer Teile, hergestellt durch konventionelles Fräsen und EDM. Die Eigenschaften der dünnen Oberflächenschichten haben wenig Einfluss auf die Zugfestigkeit. Ihre Struktur wird transformiert, und durch die Funken ändert sich ihre chemische Zusammensetzung etwas. Dies verringert allgemein die Erosionsbeständigkeit.

7. Eigenschaften der EDM