Funkenerosive Mikrostrukturierung rotationssymmetrischer Bauteile aus hochharten Werkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zielsetzung der durchgeführten Untersuchungen war die Entwicklung und Bereitstellung anwendungsorientierter Bearbeitungstechnologien und -Strategien für die Fertigung von zylindrischen Mikrobauteilen und mikrostrukturierten Rotationsteilen mittels des CEDG- (Cylindrical Electrical Discharge Grinding) und des WEDG-Verfahrens (Wire Electrical Discharge Grinding). Diese wurden hinsichtlich einer Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit, einer Verbesserung der Oberflächengüte und einer Reduzierung der Bauteilstrukturabmessungen optimiert. Ausgangspunkt war die Erforschung der grundlegenden Zusammenhänge zwischen der Kinematik der Verfahrensvarianten, den energetischen und werkstoffspezifischen Prozesseinflussgrößen, dem thermischen Abtragverhalten sowie den erreichbaren Arbeitsergebnissen. Hierzu wurden im Wesentlichen vier verschiedene Effekte, die sich aus der Rotationsbewegung von Werkzeugund/oder Werkstückelektrode ergaben, identifiziert und charakterisiert: 1.) Strom-/Spannungsverlauf der impulselektrischen Entladungssignale, 2.) Wärme leitungsverhalten bzw. thermische Vorgänge, 3.) strömungsdynamisches Verhalten der Dielektrikumsströmungen im Arbeitsspalt sowie 4.) maschinenspezifisches Verhalten des Spaltweiten- und Vorschubregelungssystems. Zur Analyse der bewegungs- und geschwindigkeitsabhängigen Beeinflussung der impulselektrischen Entladungssignale wurden die Strom-/Spannungsverläufe sowohl von Einzelentladungen als auch von Folgeentladungen messtechnisch erfasst und ausgewertet. Es konnte festgestellt werden, dass der Entladungsvorgang bei sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten bezüglich des maximalen Energieumsatzes und der Kontinuität gestört wird. Die Auswertung zeigte weiterhin, dass mit Zunahme der Umfangsgeschwindigkeit Vu die durchschnittlichen Werte der Entladeenergie We, des maximalen Entladestroms ie sowie der Entladedauer te nahezu linear abnehmen. Im Geschwindigkeitsbereich zwischen Vu = 0,5m s^-1 und Vu = 2m s^-1 führt die Rotationsbewegung zu einer Herabsetzung des Fehl- und Kurzschlussentladungsanteils, so dass die Abtragrate Vw gegenüber der stationären Bearbeitung ansteigt. Der Einfluss der Umfangsgeschwindigukeit Vu ist umso ausgeprägter, je größer die Entladeenergie We der Entladungsimpulse ist. Mit abnehmender Entladeenergie We bzw. Reduzierung der Spaltweite SL steigt der Anteil an Fehlentladungen. Ein weiterer Schwerpunkt wurde auf die thermischen Wärmeleitungsvorgänge in Abhängigkeit von der Relativbewegung gelegt. Die Untersuchungen zeigten, dass das Schmelzvolumen der Entladungskrater mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit Vu, zunehmender Entladedauer te und zunehmender Wärmeleitfähigkeit k des Elektrodenwerkstoffs reduziert wird. Messungen von erzeugten Einzelentladungskratern bestätigen, dass mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit Vu der Kraterdurchmesser dKr bzw. das Kratervolumen VKr exponentiell abnimmt. Der Einfluss der Umfangsgeschwindigkeit auf die Kraterabmessungen wird mit abnehmender Entladeenergie geringer. Die mit den Dielektrikumsströmungen einhergehenden hydrodynamischen Effekte bewirken Änderungen der Prozessumgebung von Funkenentladungen. Bei sehr kleinen Spaltweiten kleiner SL = 20 μm zeigte sich, dass selbst bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten mit vF = 10 m s^-1 stets eine laminare Strömung auftritt. Lediglich bei einer extrem kleinen Spaltweite von sL = 1 μm und hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich von vF = 4m s^-1 werden Druckänderungen bis pF = 0,8 MPa erreicht. Derartig kleine Spaltweiten werden mit Entladungskapazitäten von Ce = 0,1 nF und Leerlaufspannungen u0 < 60 V erreicht. Messungen mit einem Miniaturdruckaufhehmer im Arbeitsspalt zeigten, dass durch eine Einbringung von „Spültaschen" in die Mantelfläche der Rotationselektrode die hydrodynamische Druckänderung nur unwesentlich beeinflusst werden kann. Die Berechnung der konvektiven Wärmeverluste, die durch die Dielektrikumsströmung hervorgerufen werden, ergab, dass mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit der durch Konvektion verursachte Wärmeverlust degressiv ansteigt. Den größten Einfluss auf das Prozessverhalten hat das Spaltweiten- und Vorschubregelungssystem. Die durch Rundlauffehler verursachte periodische Änderung der frontalen Arbeitsspaltweite beeinflusst die geschwindigkeitsabhängige Reaktion des adaptiven Spaltweiten- und Vorschubregelungssystems. Der Rundlauffehler führt zu einer Überlagerung der translatorischen Vorschubbewegung mit einer drehzahlabhängigen oszillierenden Hubbewegung. Eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit führt zu einer stärkeren dynamischen Belastung des Vorschubantriebssystems, höheren Regelfrequenzen und einer Verschlechterung der Prozessstabilität. Je träger und unempfindlicher das adaptive Vorschubregelsystem somit gegenüber Kurzschlussentladungen reagiert, desto geringer sind die dynamischen Belastungen und desto höher ist der Prozesswirkungsgrad. Im Fall der CEDG-Verfahrensvariante sollte weiterhin unabhängig vom Drehsinn ein Geschwindigkeitsverhältnis von Vrel = 100% (gleiche Umfangsgeschwindigkeiten) vermieden werden, da mangels Phasenverschiebung der Kurzschlussbereich synchronisiert wird. Als Folge entstehen Fehlstellen am Elektrodenumfang sowie eine deutliche Verringerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit. Die Untersuchungen zeigten eine Eignung der Verfahrens Varianten WEDG und CEDG miniaturisierte Rotationsteile mit einem minimalen Durchmesser von dw = 60 μm zu fertigen. Beim WEDG-Prozess liegt der minimale Wellendurchmesser bei dw = 30 μm und darunter. Die erreichbaren minimalen Strukturabmessungen von radialen und axialen Mikrostrukturen liegen ebenfalls bei 30 μm. Für die Fertigung geometrisch komplexer Rotationsteile bietet sich das WEDG-Verfahren an, welches aber im Fall der Anwendung von Feindrahtelektroden bis Durchmesser dD = 0,05 mm nur für die Bearbeitung von Rotationsteilen bis zu einem Wellendurchmesser von dw = 20 mm sinnvoll eingesetzt werden kann. Die erreichbare Formgenauigkeit hängt bei beiden Verfahrensvarianten hauptsächlich vom Volumen des Werkstücks ab. Hinsichtlich der Oberflächengüte können nicht die minimalen Rauheitswerte der stationären Mikrofunkenerosion erreicht werden. Infolge der Rotationsbewegung werden die für kleine Entladeenergien notwendigen geringen Spaltweiten nicht konstant erreicht, so dass die Topographie aus partiellen Bereichen der Vorbearbeitungstechnologien gebildet wird. Durch eine Kombination beider Verfahrensvarianten, d. h. Vorbearbeitung durch CEDG und finale Bearbeitung durch WEDG, steht eine Fertigungsstrategie zur Verfügung, mit der sich qualitativ hochwertige Mikro-Rotation steile flexibel und mit hoher geometrischer Komplexität herstellen lassen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Grundlagen und Prozessstrategien der Mikrofunkenerosion flir die Bearbeitung von Rotationsbauteilen. Dissertation
Piltz, S.
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Machining of Micro/Miniature Dies and Moulds by Electrical Discharge Machining - Recent Development. 2005 International Forum on the Advances in Materials Processing Technology (IFAMPT'05) 30th-31th August 2005, Glasgow, Scotland, UK
Piltz, S.; Uhlmann, E., Doll, U.
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Manufacturing of Micro Structured Rotational Devices by Electro Discharge Technologies. Proc. of 5th euspen International Conference - Montpellier - France - May 2005
Piltz, S.; Uhlmann, E.
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Micro-EDM with Rotating Electrodes - Analysis of the Process Behavior. WGP-Annals, Production Engineering XII (2005) 2, pp. 39-44
Uhlmann, E.; Piltz, S.
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Manufacturing of Micro Cylindrical Parts by Electrical Discharge Machining Processes. 2nd International Conference on Micromanufacturing 2006, Illinois, USA, September 12-15, 2006
Piltz, S.; Roehner, M.; Uhlmann, E.
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Machining of Micro Rotational Parts Using Electrical Discharge Machining. 15th International Symposium on Micromachining (ISEM XV), Pittsburgh (USA), April 23-27, 2007
Piltz, S.; Roehner, M.; Uhlmann, E.
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Investigations of Influences between Process Characteristics and Rotational Speed in Wire Electrical Discharge Grinding (WEDG). 3rd International Conference on Micromanufacturing 2008, Pittsburgh, USA, September 09-11, 2008
Uhlmann, E.; Langmack, M.; Geisert C.; Stelzer, C.
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Machining of Micro Rotational Parts by Wire Electrical Discharge Grinding. WGP-Annals, Production Engineering, Volume 2, Number 3 / September 2008, pp. 227-233
Uhlmann, E.; Piltz, S., Oberschmidt, D.
