DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Funkenerosionsanlage zur Kalibrierfehlerherstellung

Roland Sickert, Andreas Knöppchen
Bundesanstalt für Materialforschung- und Prüfung, Berlin
Kontakt: Sickert Roland Dr.-Ing.

Einleitung

Alle ZfP- Verfahren benötigen zur Empfindlichkeitsbestimmung Testkörper mit genau definierten Referenzfehlern. Neben mechanischen Verfahren zu deren Herstellung lassen sich Nuten und Flachbodenbohrungen besonders bei Abmessungen unter 0,5 mm mit sehr hoher Präzision durch Funkenerosion herstellen. Die BAM nutzt dieses Verfahren bereits seit vielen Jahren. Auf der Grundlage der gewonnenen Erfahrungen wurde eine Mikrofunkenerosionsanlage konstruiert und aufgebaut, die Testfehler mit unterschiedlichen Abmessungen, Geometrien und Tiefenprofilen in leitende Werkstoffe einbringen kann.

Anlagenkonzept

Am Grundkörper einer ausgedienten Fräsmaschine, deren manueller Antrieb zur Positionierung der Prüfkörper dient, sind alle für den Erodierprozess erforderlichen Komponenten montiert. Besonderes Augenmerk wurde bei der Mechanik und der Elektronik auf die Bedürfnisse kleinster herzustellender Objektabmessungen, einer hohen Oberflächengüte und Maßhaltigkeit gelegt. Die Erodiergeschwindigkeit sollte sich diesen Forderungen unterordnen.


Fig 1:
Ansicht der Erosionsanlage.

  1. Ölkreislauf
  2. Der erforderliche Luftabschluss der Funkenstrecke und der Abtransport entfernten Materials erfolgt über eine Ölpumpe, Filter und Absetz- bzw. Vorratsbehälter. Wegen der nur geringfügigen Fließgeschwindigkeit, kann auf Abschirmungen im Werkstückbereich verzichtet werden. Dadurch besteht jederzeit freier Sichtkontakt zur Funkenstrecke. Eine Abzugvorrichtung saugt verdunstendes Öl ab.

  3. Elektrodenhalter
  4. Der Elektrodenvorschub erfolgt über einen hochpräzisen Lineartisch in Z- Richtung. Die erreichte Tiefenposition wird über einen Heidenhain- Messwertgeber ermittelt. Zur Spülung der Funkenstrecke wird außerdem ständig eine Vibration der Elektrode aufrecht erhalten. Die Spaltgröße wird derzeit nur über die Elektrodenmaße und Brennspannung gesteuert. Eine Bewegung der Elektrode quer zum Testkörper ist noch nicht vorgesehen.

  5. Elektronik
  6. Die Funkenstrecke wird über eine einfache Kondensatorentladung und Konstantstromquelle versorgt. Die Erodierparameter (Kapazität, Ladestrom, Maximalspannung) sind besonders an die Bedingungen kleinster Bearbeitungsmaße im Bereich weniger zig- mm angepasst und verhindern gleichzeitig Materialumwandlungen durch die lokale Energieeinwirkung. Alle Brennparameter sind in einem weiten Bereich variierbar und müssen an die jeweilige Aufgabenstellung angepasst werden.

Ablaufsteuerung

Die, unter LabView, programmierte Ablaufsteuerung gestattet die Einstellung sämtlicher Parameter und regelt in Abhängigkeit vom Funkenbild die Vorschubgeschwindigkeit. Hierzu wird die Spannung der Funkenstrecke über eine AD- Karte ständig überwacht, und nach Funken, Kurzschlüssen oder charakteristischen Merkmalen einer festsitzenden Elektrode durchsucht. Besonders bei schmalen, tiefen Nuten kommt es häufiger vor, dass die Elektrode zum Freibrennen wieder angehoben werden muss. Zahlreiche Überwachungsfunktionen verhindern eine Zerstörung der empfindlichen Mechanik und bieten einen höchstmöglichen Schutz für den Prüfkörper. Während der Erodierung werden minutenweise alle wichtigen Erodierparameter protokolliert und in einer Datenbank abgelegt. Auf dieser Grundlage ist es möglich, auch zu einem späteren Zeitpunkt nahezu identische Prüfkörper nachzufertigen.

Ergebnisse

Die Nuten sind im einfachsten Fall geradlinig, können aber auch halbrunde oder mehrfach abgewinkelte Formen aufweisen. Ebenso ist es möglich, das Tiefenprofil zu modifizieren und sogar an die Oberflächenkrümmung der Werkstücke so anzupassen, dass über die Nutenlänge eine nahezu konstante Tiefe erreicht wird. Die erreichbaren Nutenabmessungen und Bearbeitungszeiten sind besonders vom Werkstoff und der Nutenlänge abhängig. Die Vorschubgeschwindigkeit liegt im Bereich von 3 ... 10 mm/min, wodurch Bearbeitungszeiten von mehreren Stunden oder sogar Tagen erforderlich sind. Bei einer sehr guten Oberflächengüte im Spalt, lassen sich Nutenbreiten bis unter 30 mm realisieren. Besonders bei diesen geringen Breiten, zwischen Elektrode und Nutenrand sind nur weniger als 10 mm Platz auf jeder Seite, reduziert der schwierige Abtransport abgetragenen Materials, die erreichbare Maximaltiefe auf etwa den zehnfachen Wert der Nutenbreite. Werden Breiten über 100 mm gewünscht, sind Tiefen bis etwa 3 mm erreichbar.


Fig 2:

Fig 3:

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zweier Nuten

Messung und Zertifizierung

Die Vermessung der Nuten erfolgt mit einem optischen Messmikroskop in allen 3 Dimensionen. Die, von zerstörungsfreien Prüfverfahren in der Vielzahl der Fälle geforderten Maße, mit einem Tiefen/Breiten Verhältnis von maximal 20, lassen sich mit ausreichender Genauigkeit erfassen. Während die Längen- und Breitenmessung keine Probleme bereitet und mit einer verschwindenden Messunsicherheit erfolgen kann, muss bei der Tiefenmessung mit Messfehlern um 10 mm gerechnet werden.Zur Zeit wird die Tiefeninformation aus der Fokuslage der Bildwiedergabe an der Bauteiloberfläche und dem Nutengrund gewonnen. Das Verfahren setzt voraus, dass ein hochfokussierendes Objektiv auch in der Lage ist, den Nutengrund bildlich darzustellen, was besonders bei engen, tiefen Nuten wegen der unzureichenden Ausleuchtung und der Abschattung der schrägen Beobachtungsstrahlen nicht mehr gelingt, und den optischen Messvorgang unmöglich macht. Auf mechanischen Weg lässt sich das Tiefenmaß durch Einführen einer Elektrode abschätzen. Zum Abschluss des Erodiervorganges, kann auch der Rückweg der Elektrode bis zum Aussetzen der Funken, bei leicht seitlich verschobener Elektrode-Werkstück-Anordnung, herangezogen werden.

In einigen Fällen verhindert auch die Bauteilgeometrie eine optische Vermessung. Nuten im Innern dünner Rohre oder im Grund konkaver Oberflächenkrümmungen können nicht mit den relativ großen Objektiven angefahren werden. Es wird dann erforderlich, den Erodierverlauf zusätzlicher Testläufe unter identischen, aber messbaren Bedingungen zu protokollieren. Bei einem ähnlichen Verlauf weichen die Nutenmaße erfahrungsgemäß nur um maximal 2% voneinander ab.

Für jeden Prüfkörper wird zum Abschluss der Arbeiten ein eindeutig zuordenbares Zertifikat mit Angabe der Nutenmaße, einer Skizze oder Photografie des Prüfkörpers und Angabe der verwendeten Messmittel erstellt.

Geplante Weiterentwicklung

Die bereits begonnene Erneuerung des optischen Messplatzes, wird durch Einsatz spezieller Objektive mit großen Objektabstand, das Vermessen, auch bei stark konkav gekrümmten Oberflächen, ermöglichen. Ein autofokussierendes System reduziert bisher nicht auszuschließende subjektive Messfehler und wird bei langen Nuten auch die Erstellung eines groben Tiefenprofils zulassen, was ein anvisiertes laseroptisches Messverfahren besonders bei Standardnutenabmessungen weiter verfeinern soll.

Bisher werden Nutenlänge und Breite über die Elektrodenabmessung und die Erodierparameter eingestellt. Das erfordert ein großes Elektrodensortiment. Zusätzliche Antriebe in X und Y sollen zukünftig in den Erodiervorgang eingebunden werden, um flexibler auf Änderungen der Fehlerabmessungen und der Fehlerform reagieren zu können. Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit werden durch diese Erweiterung ebenfalls positiv beeinflusst. Zusätzlich ergibt sich auf einfache Weise die Möglichkeit, zum Abschluss der Erosion die Nutentiefe unter Auswertung des Funkenbildes, mechanisch zu vermessen. Die Elektrode wird dabei geringfügig seitlich versetzt und soweit herausgefahren, bis kein Kontakt mehr zum Werkstück besteht.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net