Was ist Funkenerosion (EDM)?

Die Funkenerosion (EDM) ist ein Verfahren zur Formgebung von Bauteilen durch Materialabtrag mittels Erosion. Diese Erosion wird durch die extrem hohe Temperatur verursacht, die durch eine Impulsentladung zwischen Werkzeugelektrode und Werkstückelektrode entsteht.

Das Diagramm veranschaulicht das Funktionsprinzip einer EDM-Anlage. Die beiden Pole eines Impulsgenerators sind mit der Werkzeugelektrode bzw. dem Werkstück verbunden. Werden die beiden Pole im Arbeitsmedium einander angenähert, erzeugt die Spannung an der Kontaktstelle einen Funkenüberschlag. Dieser Funkenüberschlag erzeugt im Entladungskanal schlagartig eine enorme Hitze, die Temperaturen von über 10,000 °C erreicht. Die intensive Hitze führt dazu, dass winzige Bereiche der Werkstück- und Werkzeugoberfläche schmelzen oder sogar verdampfen, was zu Erosion und der Bildung kleiner Krater führt.

Da sich dieser Entladungsprozess viele Male wiederholt, wird die Oberfläche des Werkstücks mit unzähligen kleinen Kratern übersät. Die Elektrode wird kontinuierlich nach unten geführt, und die Kontur der Werkzeugelektrode wird im Wesentlichen auf das Werkstück übertragen, wodurch die Bearbeitung des Werkstücks abgeschlossen wird.

Komponenten einer EDM-Maschine

Eine EDM-Maschine besteht aus einer Impulsstromversorgung, einem automatischen Vorschubregelungssystem, dem Maschinenkörper (der Hauptstruktur) und einem Arbeitsflüssigkeitszirkulations- und Filtrationssystem.

Impulsstromversorgung

Die Impulsstromversorgung wandelt den üblichen 50-Hz-Wechselstrom in hochfrequenten Impulsstrom um. Dieser Impulsstrom wird an die Werkzeugelektrode und das Werkstück angelegt, um die für die elektrische Entladung notwendige Energie bereitzustellen. Der im Diagramm dargestellte Impulsgenerator ist ein einfacher Typ und besteht aus einem Widerstand (R) und einem Kondensator (C). Eine Gleichstromquelle (E) lädt den Kondensator (C) über den Widerstand (R) auf. Mit steigender Spannung am Kondensator erreicht diese einen bestimmten Wert, bei dem der Funken zwischen Werkzeugelektrode (Kathode) und Werkstück (Anode) durchschlägt. Dabei entlädt sich der Funke. Während des Funkens gibt der Kondensator seine gespeicherte Energie ab, die Spannung zwischen den Elektroden sinkt abrupt, und das Arbeitsmedium erlangt seine isolierenden Eigenschaften zurück. Die Stromversorgung beginnt daraufhin sofort wieder mit dem Aufladen des Kondensators. Dieser Zyklus wiederholt sich kontinuierlich und erzeugt Tausende bis Dutzende von Impulsentladungen pro Sekunde.

Beim EDM-Verfahren muss die Entladung im Impulsbetrieb erfolgen. Während des Impulsintervalls zwischen den einzelnen Entladungen muss das flüssige Medium zwischen den Elektroden ausreichend Zeit haben, seinen isolierenden Zustand wiederherzustellen. Dies ist unerlässlich, damit der nächste Impuls den Elektrodenabstand durchbricht und an einem anderen, relativ nahen Punkt entlädt. Dadurch wird eine kontinuierliche Entladung an derselben Stelle verhindert, die einen stabilen Lichtbogen bilden würde. Ein stabiler Lichtbogen brennt zu lange, erzeugt eine tiefere Schmelzschicht und führt lediglich zu Schweißen oder Schneiden. Dies macht es unmöglich, die für die Dimensionsbearbeitung erforderliche Genauigkeit und Oberflächengüte zu erzielen.

Beim EDM-Prozess werden sowohl das Werkstück als auch die Werkzeugelektrode abgetragen. Die Abtragsrate ist jedoch zwischen Anode (Pluspol) und Kathode (Minuspol) unterschiedlich. Dieses Phänomen wird als „Poleffekt“ bezeichnet. Um den Elektrodenverschleiß zu reduzieren und die Bearbeitungsgenauigkeit sowie die Produktionseffizienz zu verbessern, ist es wünschenswert, den Poleffekt zu maximieren: Das Werkstück sollte möglichst schnell, das Werkzeug hingegen möglichst langsam abgetragen werden. Daher ist für EDM eine Gleichstrom-Impulsstromversorgung erforderlich. Würde eine Wechselstrom-Impulsstromversorgung verwendet, würde sich die Polarität von Werkstück und Werkzeug ständig ändern, wodurch der gesamte Poleffekt auf null sinkt. Der Poleffekt hängt typischerweise von Faktoren wie Impulsbreite, Elektrodenmaterial und der Energie eines einzelnen Impulses ab, die gemeinsam die optimale Polaritätswahl für den jeweiligen Auftrag bestimmen.

Automatisches Zuführungskontrollsystem

Das automatische Vorschubregelungssystem passt die Vorschubgeschwindigkeit der Werkzeugelektrode an, um den erforderlichen Entladungsabstand zwischen Werkzeug und Werkstück aufrechtzuerhalten und so einen korrekten Ablauf des Impulsentladungsprozesses zu gewährleisten.

Maschinenkörper

Der Maschinenkörper ist die mechanische Vorrichtung, die zum Spannen, Sichern und Bewegen der Werkzeugelektrode und des Werkstücks dient.

Arbeitsmedium-Zirkulations- und Filtrationssystem

Das Kühlschmierstoff- und Filtersystem presst sauberes Kühlschmierstoff unter Druck durch den Spalt zwischen Werkzeugelektrode und Werkstück. Dadurch werden abgetragene Partikel schnell weggespült und der Kühlschmierstoff anschließend für die kontinuierliche Wiederverwendung gefiltert. Kerosin oder Maschinenöl sind heutzutage die gebräuchlichsten Kühlschmierstoffe.

EDM-Maschinen sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Je nach Bearbeitungsverfahren lassen sie sich in zwei Haupttypen unterteilen:

1. Senkerodieren (Senkerodieren): Diese Maschine nutzt eine speziell geformte Werkzeugelektrode, um die entsprechenden Konturen eines Werkstücks zu bearbeiten. Senkerodieren ist ein Fertigungsverfahren, das die elektroerosive Wirkung gepulster Entladungen zwischen einer Werkzeugelektrode und einer Werkstückelektrode in einem speziellen dielektrischen Medium nutzt. Die Werkzeugelektrode ist typischerweise eine geformte Elektrode aus elektrolytischem Kupfer oder Graphit, die in jede gewünschte Geometrie gebracht werden kann. Die so in das Werkstück eingefräste Form ist der entsprechende Hohlraum.
2. Drahterodieren (Wire Cut EDM): Diese Maschine nutzt eine Drahtelektrode zur Bearbeitung zweidimensionaler Profilformen an einem Werkstück. Das Drahterodieren (WEDM) basiert auf dem Prinzip, mit einem kontinuierlich bewegten dünnen Metalldraht (Drahtelektrode) Material abzutragen und das Werkstück durch gepulste Funkenentladungen zu formen.
3. Das Verfahren wird im Allgemeinen in Drahterodieren mit niedriger und hoher Geschwindigkeit unterteilt. Typischerweise werden Drahtelektroden mit Durchmessern von 0.1 mm bis 0.3 mm verwendet, um Bauteile mit Durchgangsbohrungen, wie z. B. Stempelteile oder Werkzeughohlräume, zu bearbeiten.

Beim Drahterodieren wird ein Werkstück durch elektrische Erosion abgetragen. Diese Erosion entsteht durch eine Impulsentladung zwischen einem kontinuierlich bewegten Metalldraht (der Werkzeugelektrode) und dem Werkstück. Der für das Drahterodieren verwendete Draht ist sehr dünn (typischerweise 0.04 mm bis 0.25 mm Durchmesser) und besteht aus Molybdän, Wolfram oder Kupfer. Dieses Verfahren ermöglicht eine hohe Genauigkeit mit Toleranzen von bis zu ±0.005 mm und einer Oberflächenrauheit (Ra) zwischen 3.2 μm und 1.6 μm. Es eignet sich zur Bearbeitung präziser, schmaler und komplexer Kavitäten und wird zur Herstellung von Formen und Umformwerkzeugen eingesetzt.

Die Abbildung zeigt eine Drahterodiermaschine. Die Drahtspule wechselt ihre Drehrichtung, um den Draht zuzuführen. Das Impulsstromnetzteil liefert die Bearbeitungsenergie und erzeugt dabei Entladungen zwischen dem kontinuierlich bewegten Draht und dem Werkstück. Der CNC-Arbeitstisch, der das Werkstück aufnimmt, kann sich unabhängig entlang der X- und Y-Koordinatenachse bewegen. Durch die Kombination dieser Bewegungen lassen sich verschiedene Bewegungsbahnen erzeugen und das Werkstück in die gewünschte Form bringen.

Im Vergleich zum Senkerodieren benötigt das Drahterodieren keine spezielle Werkzeugelektrode. Da der Metalldraht als Elektrode während der Bearbeitung ständig in Bewegung ist, entsteht praktisch kein Verschleiß. Bei der Bearbeitung desselben Werkstücks ist der Materialabtrag beim Drahterodieren geringer als beim Senkerodieren, was eine deutlich höhere Produktionseffizienz bei gleichzeitig geringerem Leistungsbedarf der Maschine ermöglicht.

Merkmale und Anwendungen der Funkenerosion

Die Funkenerosion eignet sich zur Bearbeitung von Metallen mit guten elektrischen Leitereigenschaften, unabhängig von deren Festigkeit, Härte, Zähigkeit oder Schmelzpunkt. Dadurch ist sie ein effektives Verfahren zur Bearbeitung von Werkstoffen, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden schwer zu bearbeiten sind, wie beispielsweise hitzebeständiger Stahl, gehärteter Stahl und Hartmetall.

Da während des Prozesses kein direkter Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück besteht, entstehen keine Schnittkräfte. Daher kann die Werkzeugelektrode aus weicheren Materialien wie Reinkupfer oder Graphit gefertigt werden. Dies ermöglicht die Bearbeitung dünnwandiger Teile, kleiner Bohrungen und schmaler Nuten, ohne dass die Steifigkeit von Werkzeug oder Werkstück für den jeweiligen Bearbeitungsvorgang zu gering ist. Darüber hinaus eignet sich das Verfahren für die einstufige Bearbeitung komplexer Hohlräume und dreidimensional gekrümmter Oberflächen, ohne dass die Gefahr übermäßiger Schnittkräfte bei großen Bearbeitungsflächen besteht.

Im elektrische EntladungsbearbeitungEine Reihe abgestimmter elektrischer Parameter wie Spannung, Stromstärke, Frequenz und Pulsbreite wird als Bearbeitungsspezifikation bezeichnet. Diese Spezifikationen werden in Schrupp- und Schlichtspezifikationen unterteilt, um unterschiedlichen Bearbeitungsanforderungen gerecht zu werden. Die Wahl der Bearbeitungsspezifikation hängt eng mit der geforderten Maßgenauigkeit und Oberflächenrauheit des Werkstücks zusammen. Im Allgemeinen kann der Maßfehler beim Bohren von Löchern mit der Schlichtspezifikation bis zu 0.05 mm und bei der Bearbeitung von Hohlräumen etwa 0.1 mm betragen, bei einem Oberflächenrauheitswert (Ra) zwischen 3.2 μm und 0.8 μm. Die Funkenerosion (EDM) hat ein sehr breites Anwendungsspektrum, darunter:

• Bearbeitung verschiedener Arten von Löchern, wie zum Beispiel Löcher für Stanzwerkzeuge, Drahtziehwerkzeuge und Spinndüsen.
• Bearbeitung von dreidimensionalen gekrümmten Hohlräumen, wie sie beispielsweise in Schmiedegesenken, Druckgussformen und Kunststoffformen vorkommen.
• Schneiden, Trennen, Oberflächenverfestigen, Gravieren und Markieren von Namensschildern und Anhängern.

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