Wie funktioniert die EDM-Bearbeitung? Funkenstrecken-, Dielektrizitäts- und Entladungsphysik

Eine Innenecke von 0,3 mm an der Unterseite eines 58 HRC H13-Matrizeneinsatzes ist der Punkt, an dem Fräsen keine Option mehr ist. Der Eckenradius ist kleiner als bei jedem praktischen Fräser, das Material zerstört eine Hartmetallspitze in einem einzigen Durchgang und das Merkmal sitzt zu tief, als dass ein Werkzeughalter es erreichen könnte. Für diesen Zweck wurde die Funkenerosionsbearbeitung entwickelt.

Die kurze Antwort auf die Funktionsweise der Erodierbearbeitung: Metall wird mit kontrollierten elektrischen Funken statt mit Schnittkraft abgetragen. Eine geformte Elektrode wird durch ein Bad aus dielektrischer Flüssigkeit zum Werkstück geführt, eine gepulste Spannung zerlegt die Flüssigkeit über einen Spalt von einigen Hundertstel Millimetern und jede Entladung schmilzt und verdampft einen mikroskopisch kleinen Krater aus Metall. Die Elektrode berührt niemals das Teil.

Da der Materialabtrag thermisch statt mechanisch erfolgt, spielt die Härte des Werkstücks keine Rolle mehr und die elektrische Leitfähigkeit wird zur Voraussetzung. Was folgt, ist der Mechanismus im Detail, die Systeme, die ihn stabil halten, und die praktischen Zahlen, die darüber entscheiden, ob EDM das richtige Verfahren für eine bestimmte Funktion ist.

Was tatsächlich in der Funkenstrecke passiert

Die Lücke ist der gesamte Prozess. Bei der Endbearbeitung beträgt der Durchmesser typischerweise 0,01 bis 0,05 mm. Bei starker Schruppbearbeitung kann es sich um ca. 0,1 mm öffnen. Dieser Raum ist mit dielektrischer Flüssigkeit gefüllt, die die Elektrode vom Werkstück isoliert, bis der Generator eine andere Entscheidung trifft.

Wenn ein Impuls angelegt wird, steigt die Spannung an, bis die Flüssigkeit sie nicht mehr halten kann. An der engsten Stelle des Spalts bildet sich ein Plasmakanal, Strom fließt und die lokale Temperatur erreicht etwa 8.000 bis 12.000 Grad Celsius, heiß genug, um die Werkstückoberfläche zu schmelzen und teilweise zu verdampfen. Der Impuls dauert Mikrosekunden. Beim Abschalten kollabiert der Kanal, das Schmelzbad implodiert und schleudert den größten Teil seines Materials in die Flüssigkeit, und das Dielektrikum trägt die Trümmer mit.

Dann passiert es wieder. Je nach Generator kann eine Maschine einige Tausend bis mehrere Hunderttausend Entladungen pro Sekunde erzeugen, wobei jede einzelne einen Krater mit einer Tiefe von einigen Mikrometern erzeugt. Das Servosystem schiebt die Elektrode nach vorne, um den Elektrodenabstand konstant zu halten: zu nah und die Entladung verwandelt sich in einen schädlichen Lichtbogen, zu weit und es bildet sich überhaupt kein Funke.

Ein Detail überrascht die Leute. Bei einer Senkerodiermaschine ist die Elektrode ein geformter Block aus Kupfer oder Graphit; Bei einer Drahtmaschine handelt es sich um einen beweglichen Messingdraht. Die Physik ist gleich, die Werkzeuge und Anwendungen jedoch nicht, und es lohnt sich, den Unterschied zu klären, bevor man eine Maschine spezifiziert. Ein Vergleich von Senkerodieren vs. Drahterodieren deckt ab, wo jeder seinen Lebensunterhalt verdient.

Die Systeme, die eine Entladung stabil halten

Jede Erodiermaschine, von der manuellen ZNC bis zur voll programmierbaren Senkerodiermaschine, wird aus denselben Bausteinen zusammengebaut. Wenn einer von ihnen unterlegen ist, können die anderen dies nicht kompensieren.

Ein Entladezyklus, Schritt für Schritt

Das Verfolgen eines einzelnen Impulses erleichtert das Ablesen des Verhaltens auf dem Kontrollbildschirm.

1. Der Servo schiebt die Elektrode vor, bis der Spalt etwa die Breite eines menschlichen Haares hat.
2. Der Generator erhöht die Spannung über der Lücke; Das Dielektrikum hält es bis zum Zusammenbruch zurück.
3. Es bildet sich ein Plasmakanal und der Strom steigt in Mikrosekunden auf den programmierten Spitzenwert an.
4. Die Oberfläche unter dem Kanal schmilzt und verdampft teilweise, wodurch ein Krater entsteht.
5. Der Impuls endet, der Kanal kollabiert und der Krater implodiert, wobei geschmolzenes Metall in die Flüssigkeit geschleudert wird.
6. Durch das Spülen werden die Rückstände herausgetragen und frisches Dielektrikum fließt ein.
7. Die Schritte zwei bis sechs werden tausende Male pro Sekunde wiederholt, während die CNC die Elektrode umkreist, um den Hohlraum zu reinigen.

Die Härte ist irrelevant, die Leitfähigkeit nicht

Ohne Schneidkraft bearbeitet EDM einen 62-HRC-Gesenkstahl, Hartmetall und Inconel mit derselben Elektrode und derselben Vorrichtung. Es gibt keine Werkzeugablenkung, keine Kaltverfestigung, kein Rattern und dünne Rippen biegen sich nicht vom Schnitt weg. Die einzige zwingende Voraussetzung ist, dass das Werkstück Strom leitet.

Elektrodenmaterial folgt der entgegengesetzten Logik. Kupfer hält feine Details fest und nutzt sich bei niedrigen Strömen langsam ab, weshalb es die Endbearbeitung detaillierter Hohlräume dominiert. Graphit trägt bei hohem Strom pro Minute mehr Material ab und lässt sich viel einfacher in große, komplexe Formen bearbeiten, hinterlässt jedoch eine gröbere Oberfläche und nutzt sich an den scharfen Kanten, die einen Hohlraum definieren, schneller ab.

Eckenabnutzung ist das Detail, das in aller Stille Geld kostet. Eine Elektrode verschleißt an ihren Ecken um ein Vielfaches schneller als an ihren flachen Flächen, sodass ein Hohlraum, der beim ersten Durchgang korrekt misst, beim Abrunden der Elektrode aus der Toleranz gerät. Aus diesem Grund werden Elektroden auf ein kleineres Maß zugeschnitten, um die Funkenstrecke und die Verschleißzugabe zu berücksichtigen, und eine zweite Endbearbeitungselektrode ist oft günstiger als eine ausrangierte Form.

Von rau zu spiegelnd: Wie jeder Durchgang das Finish verändert

Es wird keine Kavität in einem Durchgang bearbeitet. Die erste Elektrode übernimmt den starken Abtrag mit hohem Strom und langen Entladezeiten und hinterlässt eine matte, narbige Oberfläche. Bei späteren Durchläufen wird die gleiche Elektrode bei zunehmend geringerem Strom und kürzerer Einschaltzeit verwendet, sodass jeder Funke einen flacheren Krater über dem vorherigen erzeugt und die Rauheit schrittweise abnimmt.

Daraus ergeben sich zwei Konsequenzen. Erstens sinkt die Abtragsrate mit zunehmender Oberflächengüte, so dass die Hochglanzbearbeitung einer großen Kavität Stunden statt Minuten dauert und dementsprechend teuer ist. Zweitens müssen die letzten Durchgänge die beschädigte Schicht entfernen, die von den vorherigen Durchgängen zurückgeblieben ist: Die neu gegossene oder weiße Schicht ist typischerweise einige Mikrometer bis einige zehn Mikrometer dick, und auf einem Stumpf, der poliert werden soll, muss sie sich ablösen, anstatt herumgeschoben zu werden.

Die in den meisten Werkzeugbaubetrieben verwendete Reihenfolge besteht aus drei bis fünf Durchgängen mit abnehmendem Strom und endet um eine Körnung feiner als die Zeichnung erfordert, wenn die Kavität anschließend von Hand poliert wird.

Wo EDM gewinnt und wo es verliert

EDM ist bei der Massenentfernung langsam und bei der Detailgenauigkeit unschlagbar. Bei der Prozessauswahl kommt es in der Regel auf eine kurze Liste von Kriterien an.

Die Regel, die die meisten Werkzeugmacher befolgen, ist einfach: Fräsen Sie alles, was ein Fräser erreichen kann, und brennen Sie dann, was übrig bleibt, Ecken, tiefe Rippen, scharfe Innenkanten und alle Merkmale in gehärtetem Stahl.

ZNC, PNC und CNC: Was Ihnen die Steuerungsstufe bietet

Der Preisunterschied zwischen Erodiermaschinen liegt im Steuerungssystem, nicht im Tank. Eine ZNC-Maschine verfügt nur über eine Servosteuerung auf der Z-Achse: X und Y werden von Hand positioniert und jeder Durchgang ist ein einfacher Abwärtsvorschub mit Rückzug. Es ist preiswert, robust und dennoch die richtige Lösung für Einzelkavitätenarbeiten mit Formelektrode.

Eine PNC-Maschine bietet programmierbare Z-Achsen-Zyklen, mehrstufigen Rückzug und gespeicherte Tiefen, was die Einrichtung verkürzt und das Spülen bei tieferen Arbeiten verbessert. Die vollständige CNC bietet Servosteuerung für X, Y und oft auch C, sodass die Elektrode kreisen, schwenken und spiralen kann. Die gleiche Elektrode schneidet durch Änderung des Umlaufradius unterschiedliche Größen, die Spülung kann automatisch neu positioniert werden und mehrere Kavitäten laufen unbeaufsichtigt.

Im gesamten Sortiment sind diese drei Steuerungsebenen sowohl nach der Größe des Arbeitstisches als auch nach der Elektronik unterteilt Senkerodiermaschinen sind genau nach diesen Linien gruppiert.

Ein kompaktes Beispiel für das voll programmierbare Ende ist die CNC-450, eine Maschine mit kleinem Tisch, die immer noch über Orbiting- und Multi-Pass-Finishing-Funktionen verfügt, was normalerweise für Einlegearbeiten und kleine Formen mit mehreren Kavitäten ausreicht.

CNC 450 EDM Senkerodiermaschine Kompakte CNC-gesteuerte Senkerodiermaschine mit optionalem Panasonic-Servo-Elektrokasten, präsentiert für Einlegearbeiten und kleine Formen mit mehreren Kavitäten. Produkt anzeigen →

Die Maschine an die Arbeit anpassen, nicht umgekehrt

Drei Zahlen entscheiden darüber, ob ein angebotener Auftrag tatsächlich passt: Arbeitstischweg, Arbeitstankabmessungen und maximales Elektrodengewicht. Der Hub legt den größten Hohlraum fest, den Sie positionieren können, der Tank legt das größte Werkstück fest, das Sie eintauchen können, und das Elektrodengewicht legt fest, wie schwer ein Graphitrohling der Kopf tragen kann, ohne die Spaltkontrolle zu verlieren.

Der Schruppstrom ist die zweite Falle. Ein großer Generator an einer kleinen Maschine ist kein Vorteil. Schweres Schruppen mit einer großen Elektrode erfordert ein Spülvolumen, das ein kompakter Tank nicht liefern kann, sodass die Maschine am Ende weit unter ihrem Nennstrom läuft, um Lichtbogenbildung zu vermeiden, was bedeutet, dass Sie für die Leistung bezahlt haben, die Sie nicht nutzen können.

In der Praxis deckt eine mittelgroße Maschine die meisten Formplattenarbeiten ab: Die CNC-650 beispielsweise kombiniert einen größeren Tisch und Tank mit einem entsprechend dimensionierten Generator. Dies ist die Konfiguration, die Schruppstrom, Spülung und Servoreaktion im Gleichgewicht hält.

CNC 650 EDM Senkerodiermaschine Mittelgroße CNC-Senk-Erodiermaschine mit optionalem Panasonic-Servo-Elektrokasten, Ausgleich von Schruppstrom, Spülung und Servo-Antwort für die Formplattenbearbeitung. Produkt anzeigen →

Tiefe Hohlräume und große Formen: Die wahre Grenze

Tiefe Hohlräume legen die eigentliche Grenze der Funkenerosion offen, nämlich die Entfernung von Trümmern. Mit zunehmender Tiefe schrumpft die Spülfläche im Verhältnis zum Spaltvolumen, Kohlenstoffpartikel bleiben eingeschlossen und die Entladung wird unabhängig von der Einstellung des Generators instabil. Standard-Gegenmaßnahmen sind das Spülen durch die Elektrode, das periodische Zurückziehen der Elektrode und die Verwendung von weniger Strom, als die Maschine theoretisch liefern kann.

Bei großen Werkstücken wie Formbasen, Matrizenblöcken und tiefen Rippen wird die praktische Obergrenze eher durch den Z-Weg, die Tankgröße und die Maschinensteifigkeit als durch den Spitzenstrom bestimmt, sodass Maschinen dieser Klasse nach Struktur und Spüllogistik spezifiziert werden. Für genau diese Arbeitsklasse gibt es ein Modell wie die CNC-1260 mit wesentlich größerem Tisch und Tank.

CNC 1260 EDM Senkerodiermaschine Große CNC-Senk-Erodiermaschine für Formbasen, Gesenkblöcke und tiefe Rippen, bei der der Z-Weg, die Tankgröße und die Steifigkeit die Arbeitsdecke bestimmen. Produkt anzeigen →

Erodierbearbeitung: Häufig gestellte Fragen