Untersuchung verschleißfester Elektrodenwerkstoffe für die Mikrosenkerosion
Final Report Abstract
Ziel dieses Vorhabens war die Erforschung, Entwicklung und Einsatzvorbereitung von neuen Elektrodenwerkstoffen auf Diamantbasis am Beispiel der Mikrosenkerosion. Die dazu durchgeführten Analysen führen zu folgenden Erkenntnissen. Die Einzelentladungsuntersuchungen zeigen, dass bei Leerlaufspannungen von u0 = 60 V und u0 = 250 V mit steigender Impulsdauer von ti = 0,78 µs bis ti = 100 µs unabhängig vom Elektrodenwerkstoff der Entladekraterdurchmesser dKr steigt. Die Kratervolumina VKr weisen mit zunehmender Impulsdauer bis zum Erreichen eines Maximums ein ansteigendes Verhalten auf. Das Maximum ist abhängig von der verwendeten Leerlaufspannung u0. Die Entladekraterdurchmesser dKr bei anodisch gepolter Werkzeugelektrode sind mit zunehmender Impulsdauer leicht rückläufig. Dieses Verhalten ist bei allen Werkstoffen zu beobachten und kann mit dem Polaritätseffekt erklärt werden. Vorhandene Standardtechnologien einer Drahterodiermaschine Agie Vertex 1F wurden zur Strukturierung von B-CVD1- und PKD1-Diamanten verwendet. Zur Darstellung des Strukturierungspotenzials wurden Steg-, Dreiecks- sowie Kreisstrukturen in die Bauteile eingebracht. B-CVD1 zeigte eine erheblich höhere Bearbeitungsdauer. Zur Erfassung technologischer Grundlagen bei der Mikrofunkenerosion mit PKD- und B-CVD-Diamanten wurde die Wirkung der Entladekapazitäten Ce = 1 nF und Ce = 100 nF sowie der Dielektrika IME 63 und deionisiertes Wasser (DI Wasser) hinsichtlich der Abtrag- und der Verschleißkenngrößen analysiert. Zum Vergleich kamen weiterhin WCu und HM zum Einsatz. Es wurde eine Technologieoptimierung im Bereich zwischen den Entladekapazitäten Ce = 1 nF und Ce = 101 nF mittels der Design of Experiments (DoE) Methode vorgenommen. Hierbei konnte die Abtragrate bei B-CVD2 und B-CVD3 um den Faktor 3,5 gesteigert sowie bei B-CVD1 verdoppelt sowie der relative Verschleiß halbiert werden. Beim Einsatz von PKD1 und PKD2 bei Relaxationsentladungen konnten mit einer angepassten Technologie im Vergleich zu Hartmetall und Wolfram-Kupfer vergleichbare oder höhere Abtragraten bei gleichzeitig geringerem relativen Verschleiß erreicht werden. Ausgehend von einem abtrag- und verschleißoptimalen Parametersatz wurden die Einstellgrößen Entladestrom ie, Leerlaufspannung u0, Impulsdauer ti sowie Pausendauer t0 bei statischen Entladungen variiert. Auf Basis der entwickelten PKD- und CVD-Technologien wurden die Einsatzgrenzen bei der senkerosiven Bearbeitung untersucht. Hierzu kamen drahterosiv hergestellte Formelektroden mit Stegbreiten von 35 µm ≤ sSteg ≤ 280 µm zum Einsatz, welche in Werkstücke aus 90MnCrV8, HM und TiN eingesenkt wurden. Analysen zum Einfluss der Elektrodengröße zeigten bei PKD 1 und CVD 1 eine mit zunehmender Eingriffsfläche steigende Abtragrate sowie einen sinkenden relativen Verschleiß. Zur Untersuchung einer hochfrequenten Longitudinalschwingung wurden Experimente durchgeführt sowie ein Simulationsmodell aufgebaut. Die Simulation ergab, dass sich bei den Frequenzen von f = 20 Hz und f = 50 Hz mit zunehmender Periode eine durch die Schwingung induzierte Vorzugsbewegung ausbildet. Unter Verwendung einer 50 Hz- Schwingung weisen die Elektrodenwände sowohl am positiven, als auch am negativen Scheitelpunkt einen höheren entstehenden Druck auf, als bei f = 20 Hz. Dieses resultiert in einem höheren Geschwindigkeitsfeld mit f = 50 Hz als mit f = 20 Hz. Zur Beschreibung des Abtragverhaltens an Anode und Kathode wurde auf Basis der Einzelentladungsergebnisse ein thermisches Modell für den Werkstückwerkstoff 90MnCrV8 erstellt, welches im Anschluss auf die Diamantwerkstoffe übertragen wurde.
Publications
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Investigations on Reduction of Tool Electrode Wear in Micro-EDM Using Novel Electrode Materials. Proceedings of 3rd CIRP International Conference High Performance Cutting – Micromachining, S. 229-236, Dublin, 2008
Uhlmann, E.; Röhner M.
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Investigations on Process Behavior in Micro EDM using novel Tool Electrode Materials. Proceedings of 5th International Conference on Leading Edge Manu-facturing in the 21st Century (LEM21), S. 825-829, Osaka, 2009
Uhlmann, E.; Röhner, M., Domingos, D. C.
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Influence of Coatings in Micro-EDM. 16th International Symposium on Electromachining (ISEM XVI) – CIRP Sponsored Conference, Shanghai, 2010
Uhlmann, E.; Röhner, M.; Rosiwal, S.; Domingos, D. C.
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Influence of Grain Size on Wear Behavior of CVD-Diamond Coatings in Micro-EDM. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology Vol. 47, S. 919, 2010
Uhlmann, E.; Rosiwal, S.; Bayerlein, K.; Röhner M.
