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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Funkenerosionsbohrvorrichtung zum Herstellen einer relativ
kleinen Bohrung in einem Werkstück bei hohen
Bearbeitungsgeschwindigkeiten.
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Zum Bohren einer relativ kleinen Bohrung in einem Werkstück
durch Funkenerosion bei hoher Geschwindigkeit wird meist
eine relativ lange rohrförmige Elektrode von einigen
Millimetern im Durchmesser oder weniger verwendet. Ein
Bearbeitungsstrom mit extrem hoher Stromdichte
(beispielsweise 1000 A/cm² oder mehr) wird am
Bearbeitungsspalt angelegt, während ein Arbeitsfluid von
innerhalb der rohrförmigen Elektrode unter Druck
(beispielsweise 20 kg/cm² oder mehr) herausgespritzt wird.
Bei dieser Art Funkenerosionsbohrvorrichtung kann das
Werkstück bei einer um einige Male bis zu mehr als zehn mal
größeren Vorschubrate (beispielsweise 20 mm/min oder mehr)
als bei einer gewöhnlichen Funkenerosions-Gesenkfräsmaschine
mit einer geringen Elektroden-Abnutzungsrate bearbeitet
werden. Aufgrund der Verfügbarkeit derartiger
Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsleistung wird das
Hochgeschwindigkeitsfunkenerosionsbohren weit verbreitet
angewendet, sogar zum Bearbeiten von abmessungskleinen
Teilen anstatt beispielsweise durch Bohren.
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Die JP-A-60-172423 offenbart eine
Funkenerosionsbohrvorrichtung zum Anbringen an einer
Drahtschneideelektroerosionsmaschine unter Verwendung einer
rohrförmigen Elektrode, durch die ein Arbeitsfluid in einen
Bearbeitungsspalt fließt, um eine sogenannte Anfangsbohrung
zum Einfädeln einer Drahtelektrode in ein Werkstück zu
erzeugen.
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Die JP-A-61-164731 offenbart eine Vorrichtung zum Bearbeiten
einer kleinen Bohrung unter Verwendung einer Drahtelektrode.
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Bei einem Funkenerosionsbohrvorgang wird das
Werkstückmaterial als Bearbeitungsspäne durch Funkenerosion
schmelzend entfernt. Diese Späne haften an der Umfangskante
der Öffnung einer bearbeiteten Bohrung und bilden eine
geschmolzene anhaftende Substanz, wie Spritzer, was zu einer
Verschlechterung der Qualität des Werkstücks führt. Sie
müssen von Hand entfernt werden. Dies ist insbesondere bei
der Bearbeitung von Kleinteilen lästig.
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Es ist bekannt, daß der Aufbau der geschmolzenen anhaftenden
Substanz von den Funkenerosionsparametern abhängig ist. Beim
Bohren einer kleinen Bohrung bei größerer Vorschubrate mit
höherer Bearbeitungsenergie wird eine größere Menge der
geschmolzenen anhaftenden Substanz aufgebaut. Wenn die
Funkenerosionsbearbeitungsenergie verringert wird, um diesen
Aufbau zu verhindern, wird die Hochgeschwindigkeitsleistung
reduziert, die der größte Vorteil dieser Art
Funkenerosionsbohrungsvorrichtung ist.
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Bisher war es erforderlich, die geschmolzene anhaftende
Substanz durch andere Prozesse nach der Fertigstellung der
Hochgeschwindigkeitsfunkenerosionsbohrung durch weitere
Prozesse zu entfernen, was in einer Verringerung der
Bearbeitungseffizienz und Erhöhung der Kosten resultiert.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine
Funkenerosionsbohrvorrichtung zum Bohren kleiner Löcher in
ein Werkstück vorgesehen, mit einer Vorrichtung zum
wiederholten Anlegen eines Bearbeitungsimpulses an einem
Bearbeitungsspalt zwischen dem Werkstück und einer
rohrförmigen Bearbeitungselektrode über die hohle Elektrode,
mit einer Vorrichtung zum Zuführen eines Arbeitsfluids in
den Bearbeitungsspalt und mit einer Vorrichtung zum Ausüben
einer vorbestimmten relativen Vorschubbewegung auf die
rohrförmige Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Arbeitsfluid-Einspritzdüsenvorrichtung vorgesehen ist, mit
der das Arbeitsfluid zur Umfangskante der einlaßseitigen
Öffnung des bearbeiteten Lochs, das durch die rohrförmige
Elektrode gebildet ist, spritzbar ist, daß die Arbeitsfluid-
Einspritzdüsenvorrichtung ein Gehäuse aufweist, das als
rohrförmiges Element ausgebildet ist und radiale Kanäle
besitzt, die sich von der zylindrischen Umfangsfläche des
rohrförmigen Elements zu dessen Bodenfläche hin erstrecken,
wobei die Kanäle sich an der Bodenfläche öffnen und Düsen
bilden und an ihren anderen Enden mit der Arbeitsfluid-
Zuführvorrichtung in Verbindung stehen, und daß die
Arbeitsfluid-Zuführvorrichtung das Arbeitsfluid der
Einspritzdüsenvorrichtung unter einem ausreichenden Druck
derart zuführt, daß der Fluiddruck an den Düsen mindestens
20 kg/cm² beträgt.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun
beispielhaft in bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, bei denen:
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Figur 1 eine schematische Ansicht ist, die eine Anordnung
eines Ausführungsbeispiels einer
Funkenerosionsbohrvorrichtung entsprechend der
Erfindung zeigt;
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Figur 2 ein vergrößerter, teilweise abgebrochener Schnitt
ist, der einen Hauptteil der in Figur 1 gezeigten
Funkenerosionsbohrvorrichtung zeigt;
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Figur 3 ein Querschnitt längs A-A in Figur 2 ist, der
die Arbeitsfluid-Einspritzdüsenvorrichtung zeigt;
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Figur 4 ein Querschnitt ist, der ein Beispiel der bei der
Funkenerosionsbohrvorrichtung gemäß der Erfindung
verwendeten Arbeitsfluid-Einspritzdüsenvorrichtung
zeigt; und
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Figur 5 ein Querschnitt ist, der ein weiteres Beispiel der
bei der Funkenerosionsbohrvorrichtung gemäß der
Erfindung verwendeten Arbeitsfluid-
Einspritzdüsenvorrichtung zeigt.
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Es wird nun detailliert auf eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung Bezug genommen, wovon ein Beispiel in den
beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist.
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Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer
Funkenerosionsbohrvorrichtung entsprechend der Erfindung.
Eine Funkenerosionsbohrvorrichtung 10 ist mit einem Kopf 13
versehen, der an einem Hauptrahmen 12 durch einen Haltearm
11 fest angeordnet ist.
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Der Kopf 13 weist einen L-förmigen, an dem Haltearm 11
befestigten Führungsrahmen 14 auf, und eine konventionelle
Elektrodenführung 16 zum Führen einer rohrförmigen
Bearbeitungselektrode 15 ist an einem Ende des
Führungsrahmens 14 durch eine geeignete Vorrichtung über
eine Führungshalterung 17 befestigt. Ein Basisende 15a der
rohrförmigen Elektrode 15 wird durch eine
Einspannvorrichtung 21 gehalten, die am unteren Ende einer
hohlen Spindel 20 angeordnet ist, die von in einem
beweglichen Arm 18 angeordneten Lagern 19 drehbar gehalten
ist. Der bewegliche Arm 18 wird vom Führungsrahmen 14, 30
geführt, so daß er sich entlang der Z-Achse, d.h. in axialer
Richtung der rohrförmigen Elektrode 15 bewegen kann.
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Um die durch die Einspannvorrichtung 21 gehalterte
rohrförmige Elektrode 15 zu drehen, ist ein Stirnzahnrad 24,
das mit einem an einer Ausgangswelle 22a eines Motors 22
befestigten Zahnritzel 23 kämmt, auf eine hohle Welle 20
montiert. Die hohle Spindel 20 wird vom Motor 22 verzögert
und gedreht.
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Um ein Arbeitsfluid in einen Hohlraum 20a der rotierenden
hohlen Spindel 20 einzubringen, ist am oberen Teil der
hohlen Spindel 20 eine Drehverbindung 25 befestigt. Ein
Arbeitsfluid 28 in einem Versorgungstank 27 wird durch eine
Hubpumpe 26 unter Druck gesetzt und durch die
Versorgungsleitung 29 in die Drehverbindung 25 gefördert. In
der Einspannvorrichtung 21 sind die hohle Spindel 20 und die
rohrförmige Elektrode 15 miteinander verbunden, so daß das
unter Druck gesetzte Arbeitsfluid, das in den Hohlraum der
hohlen Spindel 20 zugeführt wurde, in den Hohlraum der
rohrförmigen Elektrode 15 gespeist wird und das unter Druck
gesetzte Arbeitsfluid von der unteren Öffnung der
rohrförmigen Elektrode 15 gegen ein Werkstück 31 spritzt.
Ein Überdruckventil 30 ist zum Schutz der das Arbeitsfluid
zuführenden Systeme einschließlich der Hubpumpe 26
vorgesehen.
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Das zu bearbeitende Werkstück 31 ist durch ein geeignetes
Mittel an einem nicht dargestellten Werktisch fixiert. Über
einem Bearbeitungsspalt zwischen dem Werkstück 31 und der
rohrförmigen Elektrode 15 wird von einer
Bearbeitungspulsstromversorgung 32 ein Bearbeitungsspannungspuls angelegt.
Eine Elektrodenvorschubvorrichtung 35 weist eine
Servosteuereinheit 33 auf, und ein Vorschubmotor 34 ist
angeordnet, um eine Funkenerosionsbearbeitung in dem
Bearbeitungsspalt durch die Bearbeitungsspannungspulse zu
erzeugen.
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Der Vorschubmotor 34 ist mit einer Vorschubgewindestange 36,
die mit dem beweglichen Arm 18 zusammenarbeitet, verbunden
und bildet so eine Elektrodenvorschubvorrichtung 35. Der
Vorschubmotor 34 arbeitet entsprechend einem
Servosteuersignal SC, das von der Servosteuereinheit 33
basierend auf einem von der Bearbeitungspulsstromversorgung
32 zugeführten Signal Sg versorgt wird, das für einen
Bearbeitungsspaltstatus repräsentativ ist. Eine Vorschubrate
der rohrförmigen Elektrode 15 wird dann gesteuert und der
Bearbeitungsspalt wird während der Bearbeitungsoperation
immer in einem geeigneten Abstand gehalten.
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Ferner ist die Funkenerosionsbohrvorrichtung 10 gemäß der
Erfindung mit einer Arbeitsfluid-Einspritzdüsenvorrichtung
40 versehen, damit der Aufbau einer geschmolzenen
anhaftenden Substanz von Bearbeitungsspänen an einer
Umfangskante 31b der Öffnung einer bearbeiteten Bohrung 31a,
die in dem Werkstück ausgebildet ist, verhindert wird. In
diesem Ausführungsbeispiel ist die Arbeitsfluid-
Einspritzdüsenvorrichtung 40 an einer um die
Elektrodenführung 16 angeordneten Führungshalterung 17 durch
geeignete Mittel, beispielsweise durch Festschrauben,
befestigt und mit einer ersten und zweiten Düse 41 und 42
versehen.
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In den Figuren 2 und 3 ist die Arbeitsfluid-
Einspritzdüsenvorrichtung 40 durch Unterteilung in Schnitte
detailliert dargestellt. Wie aus den Figuren 2 und 3
ersichtlich ist, besitzt die Arbeitsfluid-
Einspritzdüsenvorrichtung 40 einen als dickwandiges
rohrförmiges Bauteil ausgebildetes Gehäuse 43 mit einer
Bohrung 40a, in der die Elektrodenführung 16 an ihrer
zentralen Stelle eingeführt ist. Die erste und zweite Düse
41 und 42, die in dem Gehäuse 43 ausgebildet sind, sind
einschließlich der Kanäle 41a bzw. 42a um 180º zueinander
versetzt ausgebildet. Deshalb werden durch die Arbeitsfluid-
Einspritzdüsenvorrichtung 40 auf die rohrförmige Elektrode
15 ausgeübte Fluiddrücke von zwei Richtungen scheinbar
aufgehoben und somit wird eine Kraft, die die rohrförmige
Elektrode 15 verformen könnte, nicht auf die rohrförmige
Elektrode 15 gebracht.
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Der Kanal 41a der ersten Düse 41 ist an seinem Ende mit
einer Vorrichtung 50 verbunden, so daß ein Arbeitsfluid
unter Druck gesetzt und über eine Zuführleitung 53 zugeführt
wird, während das andere Ende 41b des Kanals 41a als eine
Arbeitsfluid-Einspritzdüse wirkt. Ebenso ist der Kanal 42a
der zweiten Düse 42 an seinem einen Ende mit der Vorrichtung
50 über die Versorgungsleitung 53 verbunden, während das
andere Ende 42b des Kanals 42a als eine Arbeitsfluid-
Einspritzdüse fungiert. Der Durchmesser jeder
Düsenendöffnung kann vorzugsweise gleich oder geringfügig
größer als der Durchmesser der rohrförmigen Elektrode sein,
so daß das eingespritzte Arbeitsfluid die Umfangskante der
Öffnung der Bearbeitungsbohrung 31a abdecken kann. Da das
Arbeitsfluid, das von dem Düsenende eingespritzt wird, eine
Tendenz zur Verteilung hat, gibt es, sogar mit einem
geringfügig kleineren Durchmesser als dieser, keine
Behinderung.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen
Enden 41b und 42b der ersten und der zweiten Düse 41 und 42
derart ausgebildet, daß sie einen
Arbeitsfluideinspritzwinkel von 45º haben. Jedoch ist dieser
Arbeitsfluid-Einspritzwinkel nicht auf 45º beschränkt, und
er kann von Fall zu Fall auf einen geeigneten Wert
festgesetzt werden.
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Um die Verformung der rohrförmigen Elektrode 15 durch
Aufheben des Arbeitsfluiddruckes, der, wie beispielsweise in
Figur 4 gezeigt, auf die rohrförmige Elektrode 15 angewendet
wird, zu verhindern, kann, anstatt der Arbeitsfluid-
Einspritzdüsenvorrichtung 40, eine Arbeitsfluid-
Einspritzdüsenvorrichtung 60 mit drei Düsen 61, 62 und 63
derselben Anordnung wie die Düsen 41 und 42 in Abständen von
120º verwendet werden. Ebenso kann, wie in Figur 5 gezeigt,
eine Arbeitsfluid-Einspritzdüsenvorrichtung 70, die mit vier
Düsen 71, 72, 73 und 74 in Abständen von 90º versehen ist,
verwendet werden.
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Wendet man sich nun wieder der Figur 1 zu, weist die
Vorrichtung 50 zum unter Druck setzen und Bereitstellen des
Arbeitsfluid eine Hubpumpe 51 zum unter Druck setzen des
Arbeitsfluid 28 und ein Überdruckventil 52 auf, das parallel
zur Druckpumpe 51 angeordnet ist, und sie ist so angeordnet,
daß das Arbeitsfluid bei einem Druck von mindestens 20 kg/cm²
gegen die Umfangskante 31b der Öffnung der
Bearbeitungsbohrung 31a von den einzelnen Düsen durch die
Hubpumpe 51 gespritzt werden kann.
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Entsprechend der in Figur 1 gezeigten Anordnung, wird das
unter Druck gesetzte Arbeitsfluid durch die Hubpumpe 26 vom
unteren Ende der rohrförmigen Elektrode 15 in den
Bearbeitungsspalt bei dem erforderlichen Druck zugeführt,
und dann wird die Funkenerosionsbearbeitung unter den
Bedingungen ausgeführt, bei denen die Arbeitsfluide in dem
Bearbeitsspalt vorhanden sind und der dazwischen befindliche
Abstand durch die Elektrodenzuführungsvorrichtung auf einem
geeigneten Wert gehalten wird.
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Die aus der Funkenerosionsbohrung resultierenden
Bearbeitungsspäne werden durch das von der rohrförmigen
Elektrode 15 zugeführte Arbeitsfluid vom Bearbeitungsspalt
abgeführt. Jedoch ist es im Fall hoher Geschwindigkeiten,
was auch die Größe der Bearbeitungsspäne erhöht, unmöglich,
sie nur mit Hilfe eines Einspritzens des Arbeitsfluid von
der rohrförmigen Elektrode 14 vollständig zu entfernen. Das
ausschließlich von der rohrförmigen Elektrode 15
eingespritzten Arbeitsfluid kann die entstehenden Späne von
der bearbeiteten Oberfläche aufwirbeln. Jedoch wird der
Einfluß des Arbeitsfluid, d.h. der Druck und die
Geschwindigkeit abnehmen, wenn es durch den Spalt zwischen
der zu bearbeiteten Bohrung 31a und der Rohrelektrode 15
abfließt, so daß die Leistung, mit der die Bearbeitungsspäne
abgeführt werden, abnimmt, und es dann wahrscheinlicher
wird, daß die Späne an dem Werkstück an der Öffnung oder
darum herum haften. Es ist bekannt, daß diese Späne
magnetisch sind. Wenn das Werkstück aus magnetischem
Material wie Eisen ist, wird deshalb die magnetische Kraft
auch zum Anhaften der Späne an dem Werkstück führen. Dies
ist der Mechanismus des Aufbaus der geschmolzenen
anhaftenden Substanz. Bei der Funkenerosionsbohrvorrichtung
10 der vorliegenden Erfindung ist die Arbeitsfluid-
Einspritzdüsenvorrichtung 40 zur Anwendung des
Hochdruckarbeitsfluids an der Umfangskante 31b der Öffnung
der zu bearbeitenden Bohrung 31a vorgesehen, so daß das
Anhaften der vom Bearbeitungsspalt zur Kante um die Öffnung
abgeführten Späne verhindert wird, und nebenbei werden sie,
wie in Figur 1 gezeigt, sogar wenn eine geschmolzene
anhaftende Substanz C an der Umfangskante 31b der Öffnung
der zu bearbeitenden Bohrung 31a ausgebildet ist, vom
Werkstück durch ein Einspritzen eines unter Druck stehenden
Arbeitsfluids zwangsweise entfernt.
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Wenn ein Arbeitsfluiddruck an Düsenpunkten der
Düsenvorrichtung 40 bei 20 kg/cm² lag, wurde bei Experimenten
ein Verhinderungseffekt der Anhaftung der Späne erkannt und
beispielsweise bei einem Druck von 40 kg/cm² war meist eine
vollständige Verhinderung des Anhaftens der Späne erkennbar.
Deshalb wurde erkannt, daß ein Arbeitsfluiddruck von
wenigstens 20 kg/cm² an den Düsenpunkten der Düsenvorrichtung
40 erforderlich ist, um den Aufbau einer geschmolzenen
anhaftenden Substanz zu verhindern.
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In den Ausführungsbeispielen der Erfindung wird der Aufbau
der geschmolzenen anhaftenden Substanz, die beim Bohren
ziemlich kleiner Bohrungen durch
Hochgeschwindigkeitsfunkenerosionsbohren entsteht, durch
Vorsehen eines Einspritzens eines unter Druck stehenden
Arbeitsfluids verhindert. Deshalb kann eine bearbeitete
Bohrung ohne geschmolzene anhaftende Substanz am Werkstück
ohne Reduzierung der Bearbeitungsgeschwindigkeit erhalten
werden. Desweiteren ist, nachdem der
Funkenerosionsbohrprozeß abgeschlossen ist, zum Entfernen
der geschmolzenen anhaftenden von der Umfangskante der
Öffnung der bearbeiteten Bohrung kein anderer Prozeß
erforderlich. Speziell beim Bearbeiten von Kleinteilen kann
eine drastische Kostenreduzierung erwartet werden.