Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels Drahtfunkenerosion

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels Drahtfunkenerosion sowie eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels Drahtfunkenerosion.

Elektroerosive Verfahren finden insbesondere zur hochpräzisen Materialbearbeitung Verwendung. Dabei wird ein zu bearbeitendes, elektrisch leitendes Werkstück in einer nicht leitenden Flüssigkeit (Dielektrikum) bearbeitet. Ein ebenfalls elektrisch leitendes Werkzeug wird in die Nähe des Werkstücks gebracht, welches gegenüber dem Werkstück eine in der Regel entgegengesetzt gepolte elektrische Spannung aufweist. Es kommt zu zahlreichen kleinen elektrischen Entladungen zwischen Werkzeug und Werkstück, also zur Bildung von Funken, die vom Werkstück Material abtragen. Zu den bekannten elektroerosiven Verfahren zählen insbesondere:

• Das Drahterodieren; hierbei wird als Werkzeug ein dünner Metalldraht verwendet. Mit Hilfe des Drahterodierens können auch in schwer oder nicht spanbare Werkstoffe großer Dicke sehr feine Schnitte eingebracht werden.

• Das Senk- bzw. Bohrerodieren; hier werden Röhrchen oder Negativformen als Werkzeug verwendet. Damit lassen sich sowohl Sack- und Durchgangslöcher als auch Formen unterschiedlichster Geomet- rien erzeugen. Wenn beim Drahterodieren nicht am Rand eines Werkstücks gestartet werden kann, so kann man mit Hilfe des Start- locherodierens eine Startbohrung schaffen. Bei der nicht leitenden Flüssigkeit, in der die Bearbeitung des Werkstücks erfolgt, handelt es sich klassisch meist um deionisiertes Wasser oder um ein öl. Insbesondere bei der Drahterosion hat sich allerdings der Einsatz von ölen und anderen Kohlenwasserstoffen als Dielektrikum als nicht immer sehr geeignet erwiesen. Der physikalische Erosionspro- zess funktioniert zwar, jedoch ist die Abtraggeschwindigkeit gering und damit das Verfahren unwirtschaftlich. Die Ursache liegt vermutlich an der geringen Wärmeleitfähigkeit des Öls bzw. anderer Kohlenwasserstoffe sowie daran, dass der Funkenspalt sehr klein ist und es in der Folge zu Prozessentartungen wegen mangelndem Flüssigkeitsaustausch (und damit verbunden insbesondere mangelndem Wärmeabtransport) und mangelndem Abtransport der Abtragsprodukte aus dem Arbeitsspalt kommt.

Auch mit den bisher verwendeten wässrigen Dielektrika für die Drahterosion sind diverse Nachteile verbunden, so z.B. die unvermeidbare Korrosion der bearbeiteten Werkstoffe, insbesondere Stahlwerkstoffe. Bei der Bearbeitung sollten deshalb nichtionische Korrosionsinhibitoren eingesetzt werden. Diese schützen aber nur bedingt vor Korrosion. Ein weiteres Problem beim Drahterodieren von Hartmetallen mit deionisiertem Wasser als Dielektrikum resultiert aus Kobalt-Auswaschungen (Co- balt-Leaching) beim Erosionsprozess, was sich sehr negativ auf die Qualität der bearbeiteten Teile auswirken kann, insbesondere, wenn es sich beispielsweise um Matrizen und Stempel für Hochleistungs- Schnittwerkzeuge handelt. Bei der Bearbeitung von schwermetall-, beispielsweise chromhaltigen Werkstücken, lässt sich darüber hinaus die Bildung von giftigen Schadstoffen nicht vermeiden, was ggf. problematische Entsorgungsmaßnahmen der Abtragprodukte notwendig macht.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine neue, alternative Vorgehensweise zur Werkstoffbearbeitung mittels Funkenerosion bereitzustellen, bei der die genannten Probleme nicht oder nur in verringertem Maß auftreten. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens fin- den sich in den Ansprüchen 2 bis 9. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bearbeitung eines Werk- Stücks mittels Drahtfunkenerosion wird, wie es bei solchen Verfahren üblich ist, ein Draht als Werkzeug durch das zu bearbeitende Werkstück gezogen. Der Kontaktbereich zwischen Draht und Werkstück (der Bereich, in dem es zu elektrischen Entladungen zwischen dem Draht und dem Werkstück kommt) wird dabei mit einem nichtwässrigen Dielektri- kum gespült. Der Erodiervorgang beginnt entweder an einem Startpunkt am Werkstückrand oder in einer Startlochbohrung. Diese wird vorher durch Bohren oder Senkerodieren in das Werkstück eingebracht. Durch diese muss der Draht ggf. eingefädelt werden.

Besonders zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass der Draht bereits vor Eintritt in das Werkstück, also bevor er mit dem eigentlichen Dielektrikum in Kontakt kommt, mit einer organischen Flüssigkeit benetzt wird. Diese unterscheidet sich vorzugsweise in ihrer Zusammensetzung von dem Dielektrikum. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass sich dadurch u.a. eine zum Teil deutliche Erhöhung der Geschwindigkeit erzielen lässt, mit der der Draht durch das Werkstück schneidet.

Der Effekt wurde vor allem in Kombination mit nichtwässrigen Dielektrika beobachtet, also insbesondere, wenn der Draht anschließend in ein kohlenwasserstoffbasierendes Dielektrikum eintauchte. Die verwendete organische Flüssigkeit sollte idealerweise mit dem verwendeten Dielektri- kum unbegrenzt mischbar sein, ohne dass sich ein Mehrphasensystem ausbildet.

Bei der organischen Flüssigkeit handelt es sich in bevorzugten Ausfüh- rungsformen um einen Kohlenwasserstoff oder um ein Kohlenwasserstoffgemisch. So kann sie z.B. vorzugsweise aus gesättigten, aliphati- schen, acyclischen Kohlenwasserstoffen bestehen. In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist sie im Wesentlichen frei von aromatischen Kohlenwasserstoffen. Darunter soll insbesondere verstanden werden, dass der Anteil an aromatischen Kohlenwasserstoffen unter 1 Gew.-% liegt. In einigen bevorzugten Ausführungsformen können dem Kohlenwasserstoffgemisch aber auch gezielt aromatische Kohlenwasserstoffe zugesetzt sein. In diesem Fall wird darauf geachtet, dass die zugesetzten Kohlenwasserstoffe keine cancerogene Wirkung haben. Als beson- ders geeignet haben sich Diisopropylnaphtalin bzw. entsprechende Isomerengemische erwiesen.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann es sich bei der organischen Flüssigkeit um einen Ester oder eine Estermischung, insbeson- dere aus einem oder mehreren vorzugsweise gesättigten Fettsäureestern handeln. Bei den Fettsäureester kann es sich um Triglycerid-Ester handeln, die Fettsäuren können aber auch mit einwertigen Alkoholen verestert sein. Die Fettsäureester weisen dabei bevorzugt zwischen 5 und 81 , besonders bevorzugt zwischen 16 bis 33 Kohlenstoffatome auf.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen handelt es sich bei der organischen Flüssigkeit um einen Alkohol. Insbesondere kommen einwertige Alkohole in Frage, besonders lineare oder verzweigte mit 12 bis 24 Kohlenstoffatomen. Alternativ kann auch ein Polyol verwendet werden. Besonders gute Ergebnisse wurden mit Ethylenglykol erzielt.

Besonders bevorzugt wird eine organische Flüssigkeit verwendet, die einen leitfähigkeitsverbessernden Zusatz enthält. Dieser ist in der orga- nischen Flüssigkeit vorzugsweise in einem Anteil zwischen 0,00001 Gew.-% und 10 Gew.%, insbesondere in einem Anteil zwischen 0,0001 Gew.-% und 5 Gew.%, enthalten.

Ein leitfähigkeitsverbessernder Zusatz im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Komponente, die in der Lage ist, die elektrische Leitfähigkeit des verwendeten nichtwässrigen Dielektrikums zu erhöhen. Der leit- fähigkeitsverbessernde Zusatz kann eine einzige chemische Verbindung oder bevorzugt auch eine Mischung mehrerer Verbindungen umfassen.

Insbesondere wenn einer der genannten Kohlenwasserstoffe oder ein entsprechendes Kohlenwasserstoffgemisch oder einer der erwähnten Ester als organische Flüssigkeit verwendet wird, ist ein solcher Zusatz bevorzugt. Wird ein Alkohol wie Ethylenglykol verwendet, so lässt sich dieser auch ohne Zusätze einsetzen. Der Alkohol wirkt in der Regel per se bereits leitfähigkeitsverbessernd.

Bevorzugt handelt es sich bei dem leitfähigkeitsverbessernden Zusatz um mindestens eine Verbindung mit mindestens einer funktionellen Gruppe ausgewählt aus -OH, -COOH, -NH ₂ , -NHR, -SH, -SO ₂ OH und - SO ₃ H oder ein oder mehrere Derivate davon, wobei R Alkyl-, Aryl-, Alky- laryl oder Arylalkylrest bedeutet und wobei ein oder mehrere Kohlenstoffatome auch durch Heteroatome substituiert sein können. Unter einem Derivat soll dabei insbesondere ein Salz einer der in Frage kom- menden Verbindungen verstanden werden. Beispielsweise haben sich Calzium-Sulfonate als besonders geeignet erwiesen.

Neben den genannten funktionellen Gruppen kann die mindestens eine Verbindung ggf. auch weitere funktionelle Gruppen aufweisen, die kei- nen Wasserstoff tragen, wie z.B. -OR, -COOR, -SO ₃ R, -SiO ₂ R, -NRR ¹ , - CHO und -CO-R, wobei R und R ¹ unabhängig voneinander Alkyl-, Aryl-, Alkylaryl oder Arylalkylreste bedeuten und wobei ein oder mehrere Kohlenstoffatome auch durch Heteroatome substituiert sein können. Besonders bevorzugt kann der leitfähigkeitsverbessernde Zusatz mehrwertige Alkohole und deren Ether wie beispielsweise Sorbit, Polyalkoho- Ie ₁ Polyalkoholether, Polyvinylalkohole, Polyethylenglykole und ihre E- ther, Carbonsäuren, Fettsäureseifen von Alkali- oder Erdalkalimetallen, Salze von Alkylsulfaten höherer primärer oder sekundärer Alkohole der allgemeinen Formel ROSO ₃ M (M=Alkali-, Erdalkalimetall, R=Alkyl, Aryl, Arylalkyl oder Alkylaryl) oder (RR ¹ JCHOSO ₃ M ₁ C ₁₂ bis C ₂₂ Sulfonsäuren, Alkylarylsulfonsäuren oder deren Salze wie z.B. Dodecylbenzolsulfon- säure umfassen oder aus einer dieser Verbindungen bestehen.

Weitere als leitfähigkeitsverbessernde Zusätze besonders geeignete Verbindungen sind nicht-flüchtige stickstoffhaltige Verbindungen wie beispielsweise Amine oder Amide oder deren Salze, insbesondere oli- gomere oder polymere Amine und Amide. Als Beispiel seien Polyethoxy- alkylamine bzw. -amide der allgemeinen Formel R ¹ N[(R ² O) _m R][(R ³ O) _n H] oder R'CON[(R ² O) _m R][(R ³ O) _n H] genannt, wobei R ¹ bis R ³ Alkylreste, bei R' bevorzugt solche mit mindestens 8 C-Atomen, bevorzugt mindestens 12 C-Atomen sind und n, m gleich 1 oder größer sind, wie in DE 31 088 43 beschrieben. Daneben kommen insbesondere auch Polyamine bzw. Polyamincopolymere oder Gemische derartiger Verbindungen mit weiteren, insbesondere polymeren Verbindungen, in Frage. Neben einfachen Polyaminen wie z.B. Polyvinylamin werden geeignete nicht-flüchtige Polyamine vorteilhaft aus der Reaktion von aliphatischen primären Mono- aminen wie beispielsweise n-Octylamin oder n-Dodecylamin oder N- alkylsubstituierten aliphatischen Diaminen wie bspw. N-n-hexadecyl-1 ,3- propandiamin und Epichlorhydrin erhalten. Diese Polyaminopolyole verfügen neben Aminogruppen auch über Hydroxylgruppen. Eine Übersicht über derartige Polyamincopolymere ist in der US 3,917,466 enthalten.

Zur gemeinsamen Anwendung mit Polyaminen oder Polyamincopolyme- ren besonders geeignete Polymere sind Polysulfoncopolymere. Bevorzugt sind die Polysulfoncopolymere weitgehend unverzweigt und sind im molaren Verhältnis 1 :1 aus Olefinen und SO ₂ Einheiten aufgebaut. Eine Übersicht über geeignete Polysulfoncopolymere ist auch in US 3,917,466 enthalten. Beispielsweise sei 1-Decenpolysulfon genannt. Mischungen enthaltend Polysulfoncopolymere, ein Polyamin und eine langkettige Sulfonsäure sind in der US 5,026,795 und US 4,182,810 beschrieben.

Besonders bevorzugt enthält die organische Flüssigkeit als leitfähig- keitsverbessernden Zusatz ein Polysulfoncopolymer und/oder ein poly- meres Polyamin und/oder eine öllösliche Sulfonsäure und/oder ein Derivat davon, insbesondere eine Kombination aus einem Polysulfoncopolymer, einem polymeren Polyamin und einer öllöslichen Sulfonsäure (bzw. einem Derivat davon). Mischungen dieser Art sind beispielsweise in der WO 00/68274 oder WO 02/040554 beschrieben, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird. Bevorzugte Sulfonsäuren sind mono- oder disubstituierte Phenyl- oder Naphthylsulfonsäuren. Mit einer solchen Kombination wurden besonders gute Ergebnisse beim Drahterodieren erzielt, worauf im Beispiel noch näher eingegangen wird.

Weiterhin kann es bevorzugt sein, der organischen Flüssigkeit ein Alkyl- polysulfid zuzusetzen, insbesondere als leitfähigkeitsverbessernden Zusatz.

Bevorzugt weist die organische Flüssigkeit mit dem leitfähigkeitsverbes- sernden Zusatz eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich zwischen 5 pS/m und 500000 pS/m, vorzugsweise zwischen 5 pS/m und 50000 pS/m, weiterhin bevorzugt zwischen 50 pS/m und 5000 pS/m, besonders bevorzugt von ca. 2000 pS/m, auf.

Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffgemische lassen sich im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens auch ohne Zusatz von leitfähigkeitsverbessernden Komponenten einsetzen, allerdings weisen sie in diesem Fall bevorzugt eine bestimmte Mindestviskosität auf. Besonders bevorzugt weist eine in einem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbare organische Flüssigkeit, insbesondere wenn es sich dabei um einen Kohlenwasserstoff oder um ein Kohlenwasserstoffgemisch handelt, eine kinematische Viskosität von mindestens 1 ,8 mm ² s ^"1 bei 40 ⁰ C auf.

Vorzugsweise weist eine in einem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbare organische Flüssigkeit, insbesondere wenn es sich dabei um einen Kohlenwasserstoff oder um ein Kohlenwasserstoffgemisch handelt, einen Siedepunkt > 160 ⁰ C ₁ insbesondere > 200 ⁰ C, auf. In Weiterbildung kann es bevorzugt sein, dass der Siedepunkt der organischen Flüssigkeit unter 300 ⁰ C liegt. Damit ergibt sich ein besonders bevorzugter Bereich zwischen 300 ⁰ C und 300 ⁰ C.

In einigen Ausführungsformen kann der leitfähigkeitsverbessernde Zusatz metallorganische Verbindungen aufweisen. Vorzugsweise sind sowohl das nichtwässrige Dielektrikum als auch die organische Flüssigkeit jedoch im Wesentlichen frei von metallorganischen Verbindungen, ins- besondere von schwermetallorganischen Verbindungen.

Die organische Flüssigkeit kann neben dem leitfähigkeitsverbessernden Zusatz ggf. noch ein oder mehrere Additive enthalten, welche zugesetzt werden können, um gezielt Eigenschaften wie z.B. die Viskosität des Dielektrikums einzustellen oder seine chemische Beständigkeit zu verbessern. In Frage kommen insbesondere Additive für ölbasierte Dielektrika. Derartige Additive sind dem Fachmann bekannt und müssen im Rahmen der vorliegenden Anmeldung nicht näher beschrieben werden.

Das Aufbringen der organischen Flüssigkeit auf den Draht erfolgt vorzugsweise unmittelbar vor dem Eintreten des Drahtes in das Werkstück. Der Draht kann mit der organischen Flüssigkeit beispielsweise besprüht oder in die organische Flüssigkeit eingetaucht werden. Die Art des Auf- bringens ist wie das Material des Drahtes grundsätzlich frei wählbar. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass alle Seiten des Drahtes möglichst gleichmäßig mit der organischen Flüssigkeit benetzt werden. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Draht durch ein mit der organi- sehen Flüssigkeit befülltes Reservoir zu führen, in das der Draht dabei vorzugsweise voll eintaucht. Der Draht kann beispielsweise durch eine Öffnung, deren Durchmesser im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Drahtes entspricht, wieder aus dem Reservoir herausgeführt werden.

Das beschriebene Verfahren lässt sich grundsätzlich mit allen bekannten Erodierdrähten durchführen. Besonders bevorzugt sind Messingdrähte sowie Drähte mit beschichteten Oberflächen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels Drahtfunkenerosion, mit der sich ein solches Verfahren durchführen lässt, umfasst eine Halterung für das zu bearbeitende Werkstück, Mittel zum Führen und Ziehen des Drahtes durch das Werkstück, ein Bad für ein Dielektrikum, mit dem der Kontaktbereich zwischen Draht und Werkstück gespült werden kann sowie eine Dosiereinrichtung, mit der die beschriebene organische Flüssigkeit auf den Draht aufgebracht werden kann, bevor er in das Werkstück eintritt. Bevorzugt ist das Bad mit einem nichtwässrigen Dielektrikum befüllt. Die Dosiereinrichtung enthält bevorzugt eine der oben beschriebenen organischen Flüssigkei- ten.

Bei den Mitteln zum Führen und Ziehen des Drahtes handelt es sich insbesondere um geeignete Spulen, Antriebs- und Umlenkrollen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Vorzugsweise sind Drahtfüh- rungen insbesondere ober- und unterhalb der Halterung für das Werkstück angeordnet, die den Draht stützen, Schwingungen unterdrücken und so einen geraden Schnitt garantieren können. Der Draht ist, vorzugsweise im oberen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, auf einer Spule aufgewickelt und kann von dort über mehrere Umlenkrollen zur oberen Drahtführung geführt werden. Von dort kann er mit einer definierten Spannung durch das Werkstück und die untere Drahtführung gezogen werden. Die Zugrichtung ist vorzugsweise senkrecht, so kann anfal- lender Erodierabfall besonders gut aus dem Schnittspalt gespült werden.

Wie oben beschrieben, erfolgt das Aufbringen der leitfähigkeitsverbes- sernden Komponente bevorzugt unmittelbar vor Eintritt des Drahtes in das Werkstück. Die Dosiereinrichtung ist entsprechend in bevorzugten Ausführungsformen derart angeordnet, dass der Draht damit unmittelbar vor Eintritt in das Werkstück benetzt werden kann. Bei senkrechter Drahtführung bevorzugt unmittelbar über dem Bad oder direkt oberhalb der oberen Drahtführung.

Bei der Dosiervorrichtung kann es sich z.B. um das oben beschriebene Reservoir mit der Öffnung handeln, es sind jedoch auch vielfältige andere technische Lösungen denkbar, beispielsweise Sprüheinrichtungen oder Mittel zum Aufstreichen der organischen Flüssigkeit auf den Draht.

Das erfindungsgemäße Verfahren erwies sich gegenüber den eingangs erwähnten klassischen Verfahren im Hinblick auf diverse Aspekte als überlegen:

- Vergleichsweise geringere Korrosion an Werkstück und Maschine - Überlegene Schnittgeschwindigkeit

- Konstante Abtragsverhältnisse ermöglichen Mikroschnitte

- Nahezu keine Kobaltauswaschungen bei Hartmetallen und PKD

- Durch die geringere Wärmeleitung (gegenüber wässrigen Dielektrika) entstehen keine Mikrorisse durch Thermoschocks - Bessere Oberflächenqualität

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgenden Beispiel in Verbindung mit den Unteransprüchen. Die einzelnen Merk- male können dabei jeweils für sich oder zu mehreren in Kombination miteinander bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein.

Das Beispiel dient lediglich zur Erläuterung und zum besseren Ver- ständnis der vorliegenden Erfindung und ist in keiner Weise einschränkend zu verstehen.

Beispiel

Ein 0,25 mm dicker beschichteter Messingdraht wurde ausgehend von einer Spule im oberen Teil einer Erodiermaschine über mehrere Umlenkrollen zu einer oberen und einer unteren Drahtführung geführt, zwi- sehen denen ein zu bearbeitendes Werkstück aus Stahl angeordnet war. Durch Antriebsrollen wurde der Draht mit einer definierten Drahtspannung durch das Werkstück gezogen und danach entsorgt. Das Werkstück wurde in einem flüssigen Dielektrikum geschnitten. Dieses bestand im wesentlichen aus synthetischen aliphatischen Kohlenwasser- Stoffen. Durch permanente Spülung entsorgte das Dielektrikum den anfallenden Erodierabfall aus dem Schnittspalt.

Unmittelbar bevor der Draht in die obere Drahtführung oberhalb des zu bearbeitenden Werkstücks eintrat, wurde er durch ein in einer Dosiervor- richtung enthaltenes Kohlenwasserstoffgemisch enthaltend einen leitfä- higkeitsverbessernden Zusatz geführt, in die er dabei voll eintauchte. Als Dosiervorrichtung kam ein trichterförmiges Flüssigkeitsreservoir zum Einsatz, an dessen unterem Ende der mit dem Kohlenwasserstoffgemisch benetzte Draht durch eine Öffnung austrat, deren Durchmesser im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Drahtes entsprach. Bei dem Kohlenwasserstoffgemisch mit dem leitfähigkeitsverbessernden Zusatz handelte es sich um das kommerziell verfügbare Antistatikum Costelan AS 100 (Fa. H. Costenoble GmbH & Co. KG, Eschborn, Deutschland), eine Zusammensetzung enthaltend eine Kombination aus polymeren Stickstoff- und Schwefelverbindungen (wie sie vorstehend als bevorzugt einsetzbarer leitfähigkeitsverbessernder Zusatz beschrieben wurden) in Kerosin als Kohlenwasserstoffgemisch.

Der mit dem Antistatikum benetzte Draht trat anschließend in das Werkstück ein und schnitt dieses mit hoher Abbildungsgenauigkeit. Es wurden weder das oben erwähnte Cobalt-Leaching noch eine Korrosion des Werkstücks beobachtet.

Die Bearbeitungsgeschwindigkeit lag um ca. 20 % über der in einer vergleichbaren Erodiermaschine ohne Dosiervorrichtung für die organische Flüssigkeit mit dem leitfähigkeitsverbessernden Zusatz.