Mechanische Bearbeitungsmethode - Drahtschneiden

I Drahtschneiden mit elektrischer Entladung

 

Die elektroerosive Drahtschneidemaschine (Wire Electrical Discharge Machining, abgekürzt WEDM) gehört zur Kategorie der elektrischen Bearbeitung. Es wurde von den sowjetischen Forschern Lasarenkow und seiner Frau entdeckt, als sie die Phänomene und Ursachen von Erosionsschäden an Schaltkontakten durch Funkenentladungen untersuchten. Sie fanden heraus, dass die augenblicklich hohe Temperatur des Funkens lokales Metall schmelzen und oxidieren kann, was zu Korrosion führt. Dies führte zur Entwicklung und Erfindung der Funkenerosion. Auch die Drahtschneidemaschine wurde 1960 in der Sowjetunion erfunden und China war das erste Land, das sie für die industrielle Produktion einsetzte.

 

 

 

II Physikalische Prinzipien

 

Freie positive Ionen und Elektronen sammeln sich im Feld an und bilden schnell einen ionisierten leitfähigen Kanal. In diesem Stadium fließt ein Strom zwischen den beiden Platten, der unzählige Kollisionen zwischen Partikeln verursacht und eine Plasmazone bildet, die sich schnell auf 8000 bis 12000 Grad Celsius erhitzt. Dies führt dazu, dass etwas Material auf den Oberflächen der beiden Leiter sofort schmilzt. Gleichzeitig entsteht durch die Verdampfung der Elektrode und der dielektrischen Flüssigkeit eine Blase, deren Druck regelmäßig ansteigt, bis ein sehr hoher Wert erreicht wird. Dann wird der Strom unterbrochen und die Temperatur sinkt plötzlich, wodurch die Blase implodiert. Die durch die Implosion erzeugte Kraft treibt das geschmolzene Material aus und erzeugt eine Grube. Das korrodierte Material kondensiert dann in der dielektrischen Flüssigkeit zu kleinen Kugeln und wird von der Flüssigkeit entfernt. Durch NC-gesteuerte Überwachung und Verwaltung führt der Servomechanismus das Entladungsphänomen gleichmäßig aus.

 

 

 

III-Klassifizierung

 

Die Elektroerosions-Drahtschneidemaschinen können entsprechend der Drahtgeschwindigkeit in drei Typen eingeteilt werden: Elektroerosionsbearbeitung mit hin- und hergehendem Hochgeschwindigkeitsdraht (allgemein als „schnelles Drahtschneiden“ bezeichnet), langsame, einseitige Drahterosionsbearbeitung (allgemein als „ langsames Drahtschneiden") und vertikale, selbstrotierende Drahterodierbearbeitung. Sie können auch basierend auf der Art des Arbeitstisches in einen einsäuligen Kreuzarbeitstischtyp und einen zweisäuligen Typ (allgemein als „Gantry-Typ“ bezeichnet) kategorisiert werden.

 

1. Elektrische Entladungsmaschine mit hin- und hergehendem Draht

Die Drahtgeschwindigkeit für elektrische Entladungsmaschinen mit hin- und hergehendem Draht ist auf 6–12 m/s eingestellt und ist ein einzigartiger Typ, der in China entwickelt wurde. Im September 1970 entwickelte die staatliche Changfeng Machinery General Factory des Ministeriums für Maschinenindustrie erfolgreich die „digital gesteuerte automatische Drahtschneidemaschine“, die die erste ihrer Art in China war. Im Jahr 1972 führte das Ministerium für Maschinenindustrie eine technische Bewertung der CKX-CNC-Drahterodiermaschine durch, bei der davon ausgegangen wurde, dass sie dem inländischen fortgeschrittenen Niveau entsprach. 1973 begann die Massenproduktion der CNC-Drahterodiermaschine mit der Bezeichnung CKX-1.

 

Im September 1981 wurde die CNC-Maschine DK3220 mit Kegelschnittfunktion erfolgreich entwickelt, wobei das wichtigste Merkmal des Produkts die Fähigkeit war, mit einem Kegelschnitt von 1,{3}}Grad zu schneiden. Dies stellte einen großen technologischen Fortschritt bei Drahtschneidemaschinen dar. Mit der schrittweisen Weiterentwicklung der Kegelschneidetechnologie verzeichnete auch die Technologie für variable Kegelschnitte und asymmetrisches Schneiden von oben nach unten erhebliche Fortschritte. Durchbrüche beim Schneiden dickerer Materialien haben die Querschnitts- und Längsgenauigkeit erheblich verbessert, wobei die Schnittdicke 1000 mm übersteigt. Dies hat dazu geführt, dass Drahtschneidemaschinen mit Hin- und Herbewegung zunehmend vorteilhafter geworden sind und gleichzeitig den Anforderungen nationaler und internationaler Kunden gerecht werden.

 

Die Zahl solcher Maschinen wächst rasant, von einer jährlichen Produktion von 2,000–3,000 Einheiten auf Zehntausende Einheiten pro Jahr. Derzeit sind landesweit über 200 000 Drahterodiermaschinen mit hin- und hergehender Bewegung im Einsatz, die in verschiedenen Formenbau- und Sonderteilefertigungen der mittleren und unteren Preisklasse eingesetzt werden. Es hat sich zu einem der am häufigsten verwendeten Maschinentypen in Chinas CNC-Werkzeugmaschinen entwickelt. Hin- und hergehende Drahtschneidemaschinen können jedoch keine konstante Spannungskontrolle am Elektrodendraht ermöglichen, was zu erheblichen Drahtvibrationen und häufigen Brüchen während der Verarbeitung führt. Da der Elektrodendraht wiederverwendet wird, kommt es zu Verschleiß, der zu einer verminderten Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität führt.

 

2. Niedriggeschwindigkeits-Elektroentladungsmaschine mit Einwegdraht

Drahtschneidemaschinen mit niedriger Geschwindigkeit verwenden Kupferdraht als Werkzeugelektrode. Der Draht bewegt sich typischerweise mit einer Geschwindigkeit von weniger als 0,2 m/s in eine Richtung. Zwischen dem Kupferdraht und dem verarbeiteten Material wie Kupfer, Stahl oder superharten Legierungen wird eine Impulsspannung von 60–300 V angelegt, wobei ein Spalt von 5–50 µm aufrechterhalten wird, der mit entionisiertem Wasser (nahe destilliertem Wasser) oder anderem gefüllt wird isolierende Medien. Dadurch entsteht zwischen Elektrode und Werkstück eine Funkenentladung, die zu gegenseitiger Erosion und Korrosion führt und unzählige kleine Grübchen auf der Werkstückoberfläche entstehen lässt. Durch NC-gesteuerte Überwachung und Steuerung führt der Servomechanismus dieses Entladungsphänomen gleichmäßig aus, sodass das Werkstück die erforderlichen Abmessungen und Formgenauigkeiten erreicht.

 

Derzeit kann die Genauigkeit bis zu 0.001 mm erreichen, und die Oberflächenqualität kommt der beim Schleifen nahe. Der Elektrodendraht wird nach der Entladung entsorgt und die Maschine verfügt typischerweise über eine automatische Drahteinfädelung und Vorrichtungen zur konstanten Spannung. Die Maschine arbeitet ruhig, gleichmäßig, mit minimalen Vibrationen, hoher Bearbeitungsgenauigkeit und guter Oberflächenqualität, ist jedoch nicht für die Bearbeitung dicker Materialien geeignet. Aufgrund der präzisen Struktur, des hohen technischen Inhalts und der hohen Kosten sind auch die Betriebskosten der Maschine hoch.

 

Frühe Versionen von Drahterosionsmaschinen mit niedriger Geschwindigkeit wurden ausschließlich von ausländischen Unternehmen hergestellt. Obwohl die Entwicklung der langsamen Drahterodiermaschine in Taiwan später begann, hat sie in den letzten Jahren rasche Fortschritte gemacht. Ein bedeutender Schritt war die gemeinsame Investition mehrerer Hersteller elektrischer Verarbeitungsmaschinen, unterstützt von Regierungsbehörden und dem Industrial Technology Research Institute of Taiwan. Nach mehr als einem Jahrzehnt der Bemühungen wurden Durchbrüche bei Schlüsseltechnologien wie Steuerungssystemen und Stromversorgung erzielt. Von taiwanesischen Unternehmen hergestellte Drahterodiermaschinen mit niedriger Geschwindigkeit gelten heute als Modelle der Mittelklasse, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 20–30 % in den letzten drei Jahren. Es wird geschätzt, dass in den nächsten fünf Jahren die jährliche Produktion von Drahterodiermaschinen mit niedriger Geschwindigkeit in Taiwan 2.{10}} Einheiten erreichen wird, was über 25 % des Weltmarktes ausmacht.

 

Drahterosionsmaschinen mit niedriger Geschwindigkeit verfügen über einen hohen technischen Inhalt, gute Marktaussichten und bieten hohe Erträge, was sie zu einem „Schlachtfeld“ oder „strategischen Höhepunkt“ für Hersteller von Elektrobearbeitungsmaschinen macht. Man kann sagen, dass jeder, der die Technologie der Drahterosionsmaschinen mit niedriger Geschwindigkeit beherrscht, eine Chance für die nächste Phase des Geschäftswachstums erhält. Um den chinesischen Markt zu erobern, haben Hersteller elektrischer Bearbeitungsmaschinen aus Japan, der Schweiz und Taiwan Fabriken auf dem chinesischen Festland errichtet, um diese Maschinen herzustellen. Mit Unterstützung des Sonderfonds des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie haben Chinas wissenschaftliche Forscher beträchtliche Ressourcen in die Entwicklung der langsamen Drahtschneidemaschine der nächsten Generation investiert. Es wurden große Durchbrüche erzielt, und Produkte mit unabhängigen geistigen Eigentumsrechten haben bereits einen gewissen Marktanteil eingenommen und erreichen mittlere Maschinenleistungsniveaus. Einige inländische Unternehmen hoffen auch, durch die Zusammenarbeit mit taiwanesischen Unternehmen eine langsame Drahtschneidetechnologie zu entwickeln.

 

3. Vertikale selbstrotierende elektrische Drahtentladungsmaschine

Die vertikale selbstrotierende Drahterodiermaschine (auch als horizontale selbstrotierende Drahterodiermaschine bekannt) unterscheidet sich in mehreren Punkten von der herkömmlichen Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeits-Drahterodiermaschine. Erstens ist die Bewegung des Elektrodendrahtes in dieser Maschine nicht nur eine herkömmliche Vorwärts-Rückwärtsbewegung, sondern umfasst auch eine Drehbewegung. Zweitens liegt die Drahtgeschwindigkeit mit 1–2 m/s zwischen der des Hochgeschwindigkeits- und dem Niedriggeschwindigkeits-Drahtschneiden. Aufgrund der Rotationsbewegung des Elektrodendrahtes während des Prozesses unterscheidet sich die vertikal rotierende Drahterodiermaschine von anderen Drahterodiermaschinentypen vor allem durch ihr Drahtantriebssystem. Das Drahtantriebssystem der vertikal rotierenden Maschine besteht aus zwei identischen Strukturen an beiden Enden der Maschine, die sowohl eine Hochgeschwindigkeitsrotation als auch eine langsame Drahtbewegung ermöglichen. Der Bereich zwischen den beiden Spindelköpfen ist die effektive Bearbeitungszone.

 

Abgesehen vom Drahtantriebssystem entsprechen die anderen Komponenten der Maschine denen von Hochgeschwindigkeits-Drahtschneidemaschinen. Im Vergleich zu Drahtschneidemaschinen mit niedriger Geschwindigkeit weisen reziproke Hochgeschwindigkeits-Drahtschneidemaschinen immer noch eine erhebliche Lücke bei wichtigen technischen Indikatoren wie durchschnittlicher Produktivität, Schnittgenauigkeit und Oberflächenrauheit auf. Um diese Lücken zu schließen, führten mehrere inländische Hersteller von Hochgeschwindigkeits-Drahtschneidemaschinen mit Hin- und Herbewegung zu Beginn der 2000er Jahre Mehrfachschneidtechniken für Hochgeschwindigkeits-Drahtschneidemaschinen ein (allgemein als „Mittelgeschwindigkeits-Drahtschneidemaschinen“ bezeichnet). „Mittelgeschwindigkeits-Drahtschneiden“ bezieht sich nicht auf Drahtgeschwindigkeiten zwischen hoher und niedriger Geschwindigkeit, sondern auf eine zusammengesetzte Drahtschneidemaschine, die Hochgeschwindigkeits-Drahtschneiden (8–12 m/s) zum Grobschneiden und langsamen Drahtschneiden verwendet (1–3 m/s) für präzises Schneiden. Dieser Ansatz stabilisiert den Betrieb, reduziert Vibrationen und minimiert Fehler, die durch Materialverformung und Wolframdrahtverschleiß verursacht werden, was zu einer verbesserten Verarbeitungsqualität führt.

 

Somit ist das „Mittelgeschwindigkeits-Drahtschneiden“ im Wesentlichen eine Modifikation von Elektroerosionsmaschinen mit hin- und hergehendem Draht, die einige der Verarbeitungstechniken von Drahtmaschinen mit niedriger Geschwindigkeit beinhaltet und so ein streifenfreies Schneiden und Mehrfachschneiden ermöglicht. Im Laufe der Jahre haben fast alle Hersteller von Hochgeschwindigkeits-Drahterodiermaschinen in China mit der Produktion und dem Verkauf von Maschinen mit mittlerer Geschwindigkeit begonnen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass nicht alle Drahterodiermaschinen mit hin- und hergehender Bewegung mehrere Schnitte effektiv durchführen oder mit dieser Technik gute Ergebnisse erzielen können. Multi-Cutting ist eine umfassende Technologie, die Maschinenpräzision, Impulsstromversorgung, Prozessdatenbanken, Drahtantriebssysteme, Arbeitsflüssigkeit und viele andere Prozessaspekte umfasst. Dabei geht es nicht einfach darum, einer Hochgeschwindigkeits-Drahtmaschine ein Drahtfrequenz-Steuerungssystem hinzuzufügen. Nur hochpräzise Maschinen, die die notwendigen Voraussetzungen für den Mehrfachschnitt geschaffen haben, können Mehrfachschnitt und streifenfreies Schneiden mit erheblichen Prozesseffekten realisieren.

 

Daher müssen unsere Hersteller diesem Thema große Aufmerksamkeit widmen und es systematisch angehen, um sicherzustellen, dass die Technologie gut implementiert und das Produkt gut hergestellt ist. Einige Unternehmen haben die Maschinenpräzision bereits verbessert, indem sie Gleich- oder Wechselstrom-Servomotoren zum Antrieb von Kugelumlaufspindeln an den beweglichen Teilen eingesetzt haben. Dadurch wird die Präzision erheblich verbessert und viele inländische Unternehmen können mittlerweile erhebliche Verbesserungen der Qualität des Drahterodierprozesses erzielen.

 

 

 

IV Fazit

 

Die Drahterodierbearbeitung, ein entscheidender Bestandteil der CNC-Technologie, hat in der modernen Fertigung eine wichtige Rolle gespielt. Durch das Verständnis der verschiedenen Arten von Drahterodiermaschinen und der technologischen Fortschritte in diesem Bereich können wir die sich schnell entwickelnden Anforderungen der Präzisionsbearbeitung besser vorhersagen und uns an sie anpassen und nach nachhaltigeren und effizienteren Lösungen streben. Diese Forschung liefert wertvolle Einblicke in die aktuelle Landschaft und die zukünftige Ausrichtung der Drahterodiertechnologie.