DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Mit Funkenerosion zum kalibrierten ZfP-Testfehler

Roland Sickert, Andreas Knöppchen
Bundesanstalt für Materialforschung- und Prüfung, Berlin

Kontakt: Dr.-Ing. Roland Sickert

Einleitung

Alle ZfP-Verfahren benötigen zur Empfindlichkeitsbestimmung Testkörper mit genau definierten Referenzfehlern. Neben mechanischen Verfahren lassen sich Nuten und Flachbodenbohrungen besonders bei Abmessungen unter 0,5 mm mit sehr hoher Präzision durch Funkenerosion herstellen. Außerdem lässt sich das Verfahren auch in schwer zugänglichen oder abgedeckten Bereichen, wie im Innern dünner Rohre anwenden. Die BAM nutzt dieses Verfahren bereits seit vielen Jahren. Auf der Grundlage der gewonnenen Erfahrungen ist eine Mikrofunkenerosionsanlage entstanden, die Testfehler mit unterschiedlichen Abmessungen, Geometrien und Tiefenprofilen in leitende Werkstoffe einbringen kann.

Anlagenkonzept


Bild 1:
Verschiedene Elektrodenhalterungen

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. Im Normalfall lassen sich Bauteile mit einem Gewicht bis etwa 50kg und einer Höhe bis 80cm bearbeiten. Allerdings kann der Arbeitsbereich durch Entfernen von Haltevorrichtungen fast beliebig erweitert werden.

Wegen der geringen Krafteinwirkung auf die Werkzeugelektrode lassen sich konstruktiv sehr leichte, filigrane Elektrodenhalterungen verwenden, mit denen auch schwer zugängliche Stellen erreichbar sind.

Ablaufsteuerung


Bild 2:
Steuersoftware

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.

Erosionsprozess

Die Funkenstrecke wird von einer einfachen RC-Schaltung versorgt und hat damit eine stochastisch verteilte Funkenenergie und Häufigkeit zur Folge. Als Spül- und Trennflüssigkeit wird ein dünnflüssiges Mineralöl verwendet, welches über einen geschlossenen Kreislauf gepumpt und gleichzeitig gereinigt wird.

Für jeden Fehler muss eine eigene, den geforderten Nutenmaßen angepasste Elektrode hergestellt werden. Die verwendete Tantalfolie wird entsprechend der Nutenbreite ausgewählt, in die entsprechende Größe geschnitten und anschließend an allen Kanten geglättet. Bild 3 zeigt das Beispiel einer 50µm dicken Elektrode für eine gerade Nut.


Bild 3: Aufnahme einer Elektrode mit den Abmessungen: Länge: 0,95mm, Breite: 50µm

Die Elektroden können aber auch halbrunde oder mehrfach abgewinkelte Formen aufweisen. Ebenso ist es möglich, das Tiefenprofil zu modifizieren oder an die Oberflächenkrümmung der Werkstücke so anzupassen, dass in jedem Fall eine nahezu konstante Tiefe erreicht wird.

Da noch keine laterale Bewegung zwischen Elektrode und Werkstück möglich ist, kann der tatsächlich erstellte Normfehler nur noch über den Prozessparameter Funkenspannung geringfügig verändert werden. Die Auswirkungen der Spannung auf die Oberflächenbeschaffenheit im Spalt lässt sich durch die Größe des Ladekondensators ausgleichen. In der Regel wird man bei hoher Spannung mit relativ kleinen Kondensatorwerten oder umgekehrt arbeiten. Der Ladewiderstand wird anschließend so weit vergrößert, bis ein Dauerlichtbogen sicher verhindert wird. Werte zwischen 300 bis 3000 Ohm bei 40 bis 160 Volt und 250 pF...1 nF haben sich für die meisten Anwendungsfälle als optimal herausgestellt. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit von 3...15 µm/min hängt sehr wesentlich vom Schmelzverhalten des Werkstoffs und der Spaltbreite zwischen Elektrode und Nutenrand ab. Damit ergeben hohe Brennspannungen die höchste Geschwindigkeit. Offensichtlich ist der Abtransport des abgeschmolzenen und sich im Nutengrund absetzenden Materials das größte Problem. Darauf deutet auch hin, dass bei sehr tiefen Nuten die Kurzschlussgefahr erheblich zunimmt und mehrfaches herauf und herunterfahren der Elektrode erforderlich wird.

Ergebnisse und Genauigkeiten

Verfahrensbedingt hängen die sich ergebenden Nutenmaße von vielen Parametern ab. Daher ist es erforderlich, für jede Material Nutenkombination einige Testläufe an Probekörpern oder nicht relevanten Bauteilbereichen durchzuführen. Die Ergebnisse werden zur Bestimmung des zu erwartenden Elektrodenabbrands, der Nutenbreite und -länge herangezogen und dienen der Optimierung der Prozessparameter zur Einhaltung der geforderten Maße. Da während der Bearbeitung keine weiteren Korrekturen möglich sind, wird eine Treffsicherheit von ca. 5% erreicht. Die Randzone des Werkstoffs der erodierten Flächen kann durch die thermische Belastung seine elektrischen und magnetischen Eigenschaften verändern, wodurch eine zusätzliche Unsicherheit bei Wirbelstromkalibrierungen auftreten würde. Der in der Anlage eingesetzte Energieeintrag ist so gering dimensioniert, dass ein messbarer Einfluss auf das Wirbelstromsignal nicht nachweisbar ist. Die herstellbaren Nutenabmessungen für typische Nuten oder Bohrungen sind:

Breite: 20 µm bis ca. 0,5 mm
Länge: 0,5 mm bis ca. 15 mm
Tiefe: bis ca. 3 mm
Durchm.: 0,2 mm bis ca. 3 mm

Vermessung und Zertifizierung

Bisher blieben alle Bemühungen erfolglos, ein genaues und für alle Nutenmaße einsetzbares Messsystem zu finden. Neben den steilen Nutenrändern und der geringen Nutenbreite stellen schlechte Reflexionsbedingungen auf dem Nutengrund erhebliche Einschränkungen dar. In Folge scheiden die meisten Triangulationsverfahren aus, da ein schräg einfallender Strahl nicht den Grund erreichen kann oder von dort nur unzureichend reflektiert wird. Lasersysteme mit einem nur geringen Öffnungswinkel haben bei sehr breiten Nuten sehr gute Ergebnisse geliefert, scheitern aber bei schmalen Nuten. Als universelle Methode müssen wir weiterhin auf ein optisches Messmikroskop zurückgreifen, welches als Standgerät technisch ausgereift ist und mehrere Automatikfunktionen ermöglicht. Für den transportablen Einsatz steht aber weiterhin eine manuell bedienbare Variante zur Verfügung. Die Tiefeninformation wird 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 unter Einsatz eines zusätzlichen Beleuchtungsrings aus mehreren stark gebündelten LEDs in vielen Fällen möglich ist. 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 zu vernachlässigenden Messunsicherheit erfolgen kann, muss bei der Tiefenmessung mit Messfehlern um 2%, mindestens jedoch 10 µm gerechnet werden. Zur Verringerung individueller Einflüsse wird eine Autofokusfunktion genutzt. Zusätzlich kann am Ende der Bearbeitung rein mechanisch eine Tiefenmessung erfolgen. Hierzu wird die Bauteiloberfläche neben der Nut nochmals kurz angefahren und der Elektrodenhub ausgewertet. Allerdings kann dieser Vorgang nur einmal am Bearbeitungsende ausgeführt werden, da es nahezu unmöglich ist, die Elektrode nach einer Dejustage wieder in die Nut einzuführen.

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 zuzuordnendes Zertifikat mit Angabe der Nutenmaße, einer Skizze oder Photografie des Prüfkörpers und Angabe der verwendeten Messmittel erstellt.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net