FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 1849 Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt DK 621.9.018.5 Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Herwart Opitz Dr.-Ing. Wolfgang Weigand Dr.-Ing. Bernd Schumacher Laboratorium fiir Werkzeugmaschinen und Betriebslehre der Rhein.-Westf. Techn. Hochschule Aachen Funkenerosion mit statischen Impulsgeneratoren Thyristorgesteuerte Schaltungen, Probleme der Vorschubregelung, Abtragverhalten WESTDEUTSCHER VERLAG KÖLN UND OPLADEN 1967 ISBN 978-3-663-06318-6 ISBN 978-3-663-07231-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-07231-7 Verlags-Nr. 011849 © 1967 by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag Inhalt Einleitung ........................................................ 5 1. Verwendung eines Thyristors für einen gesteuerten Impulsgenerator . . . 5 1.1 Rückwirkungsfreie Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Einfache Schaltvorgänge und Probleme der Stabilität bei Parallel- schaltung mehrerer Impulsgeneratoren .......... . . . . . . . . . . . . .. 10 1.3 Der Löschvorgang des Hauptthyristors ....................... 12 2. Dimensionierung der Einzelelemente sowie spezielle Impulsschaltungen zur Anpassung an die Netzversorgung und Bearbeitungsstrecke ........ 20 2.1 Dimensionierung des Einschaltkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21 2.2 Dimensionierung von Lösch- und Umladekreis ................ 24 2.3 Schutzbeschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27 2.4 Schaltung zur Verminderung der Löschenergie ................ 30 2.5 Verlustleistung - KurzschluBstrom und Entladungsstabilität ..... 32 2.6 Parallelgeschaltete Impulsgeneratoren (120 V/l0 A und 40 V/90 A) ........... .............. ........ 33 3. Steuerung einer und mehrerer Schalteinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35 3.1 Ansteuerung einer Schalteinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36 3.2 Steuerung bei Parallelschaltung und Frequenzvervielfachung .... 39 4. Vorschubregelung der Werkzeugelektrode bei gesteuerten Erosionsgeneratoren ............................... 42 4.1 Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums und Stellweg der Werk- zeugelektrode zwischen Leerlauf und KurzschluB . . . . . . . . . . . . . .. 42 4.2 Typischer Strom- und Spannungsverlauf an der Entladestrecke . .. 45 4.3 RegelgröBe und Soll-Ist-Vergleich ...... ...... . ....... ........ 50 4.4 Der geschlossene Regelkreis ................................. 55 4.5 Die Stabilität des geschlossenen Regelkreises .................. 57 3 5. Leistungsverhalten von Funkenerosionsgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61 5.1 Eigenschaften der Generator-Grundtypen ..................... 61 5.2 Abtragverhalten und WerkzeugverschleiG ..................... 66 5.2.1 Schwingkreisgenerator...................................... 66 5.2.2 Statische Impulsgeneratoren ................................. 72 5.3 Bedeutung der EinfluGgröGen ............................... 88 5.4 Untersuchung des Arbeitsergebnisses ......................... 88 5.4.1 Rauheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88 5.4.2 Thermische Oberflächenbeeinflussung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92 5.5 Gegenüberstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96 Zusammenfassung ................................................. 99 Abkürzung und Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101 Literaturverzeichnis ................................................ 103 4 Einleitung Für das elektroerosive Abtragverfahren haben sich in den letzten Jahren haupt sächlich transistorgcsteuerte Impulsgeneratoren durchgesetzt und die vorhan denen Schwingkreisgeneratoren weitgehend abgelöst. Obgleich der schaltungs technische Aufwand weitaus gröBer ist, überwiegen beim gesteuerten Generator die V orteile des geringeren ElektrodenverschleiGes im Schruppbereich sowie der höheren Abtragleistung. Neben Leistungstransistoren, die vor aIlem in ihrer maximalen Betriebsspannung auf 60-100 V beschränkt sind aber auch als schaltbaren Maximalstrom nur 10-15 A erreichen, können Thyristoren als gesteuerte Schalter in einem Impuls generator eingesetzt werden. Der Thyristor hat den V orteil groBer schaltbarer Ströme, die heute bis zu 800 A bei 1200 V Sperrspannung betragen. Demgegen über besteht der Nachteil, daB ein Thyristor nicht wie ein Transistor bei fehlender Aussteuerung sperrt, sondern durch eine Unterbrechung der positiven Anoden spannung für die typische Freiwerdezeit der ZeIle gelöscht werden muB. Diese Löschung muB durch eine äuBere Beschaltung, den sogenannten Löschkreis, er folgen. Der Entwurf und die Berechnung eines thyristorgesteuerten Impulsgenerators ist Gegenstand des ersten Teiles dies es Berichtes. Im zweiten Teil werden Entlade vorgänge sowie Probleme der Vorschubregelung behandelt. Die Vorschubrege lung der Werkzeugelektrode wirft besondere Probleme auf, da einmal der Ver steIlbereich der Impulsenergien wesentlich erweitert wurde, zum anderen abet auch mit wesentlich höheren Tastverhältnissen, als~ einem erhöhten zeitlichen Materialabtrag, gearbeitet wird. Im dritten Teil werden Versuchsergebnisse diskutiert, die beim Einsatz von ge steuerten, statischen Impulsgeneratoren gewonnen wurden. Dabei werden bis her unbekannte Zusammenhänge zwischen einzelnen Arbeitsparametern und den mechanischen LeistungskenngröBen aufgezeigt und gleichzeitig wird das Lei stungsverhalten der neueren Generatortypen gegenüber den bis her gebräuch lichen Schwingkreisgeneratoren abgegrenzt. 1. Verwendung eines Thyristors für einen gesteuerten Impulsgenerator Der Einsatz ei nes Thyristors als gesteuerter Schalter im Gleichstromkreis bringt einige Schwierigkeiten mit sich. Zwar werden heute bereits ZeIlen mit einem Nennstrom von 800 A bei einer Nennspannung bis zu 1200 V hergesteIlt, doch 5 besitzt der Thyristor wie auch das Thyratron die Eigenschaft, bei fehlender Aus steuerung nicht zu sperren, wie dies beim Transistor der Fall ist. Der Thyristor wird durch einen positiven Spannungsimpuls von 2 bis 6 V wzischen Steueran schluG und Kathode bei ebenfalls positiver Anodenspannung in den leitenden Zustand versetzt und bleibt dies solange, bis die Anoden-Kathodenspannung zu Null oder negativ wird. Wird die Spannung am Thyristor für mehr als die ty pische Freiwerdezeit zu Null oder negativ, so sperrt die Zelle auch bei nachfolgend positiver Anoden-Kathodenspannung bis zu einem erneuten Steuerimpuls. Das heiGt also, daG beim Einsatz eines Thyristors in einem gesteuerten lmpulsgene rator der Strom durch eine äuGere Beschaltung gelöscht werden muG. Eine der artige Schaltung ist bereits in der Literatur beschrieben [6]. Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten für die Löschung eines Thyristors. Sie kann entweder durch ein Anheben des Kathodenpotentials auf positive Werte gegenüber der Anode oder durch ein Absenken des Anodenpotentials auf negative Werte gegenüber der Kathode erfolgen. lm ersten Fall wird der auf den Thyristor folgende Leitungszug beeinfluBt, während im zweiten Fall eine rückwirkungsfreie Löschung erzielt werden kann. Letztere kommt für die Erzeugung definierter Rechteckimpulse mit einstellbarem Tastverhältnis und Folgefrequenz nur in Frage. 1.1 Rückwirkungsfreie Schaltung lm folgenden solI eine Schaltung erläutert werden, mit deren Hilfe alle gestelIten Forderungen bezüglich Tastverhältnis, Frequenz und Rückwirkungsfreiheit er füllt werden können. Abb. 1 zeigt das vollständige Schaltbild. Die an sich erst zum Ersatzschaltbild gehörende lnduktivität L3 ist bereits mit eingezeichnet. Arbeits-und Löschkreis sind netzseitig parallel geschaltet und lediglich durch die Diode Di 1 miteinander verbunden. Daraus resultiert eine Unabhängigkeit der beiden Kreise voneinander und ei ne mögliche absolute Stabilität des Löschkreises, d. h., daG dieser auch dann noch stabil weiter arbeiten kann, wenn aus irgendeinem Grunde der Thyristor Th 1 durchgeschaltet bleiben sollte. Dies ist ein auBer- Thl Dil o~ , BSt. Di2 L_ Abb. 1 Vollständiges Schaltbild des Impulsgenerators mit drei Thyristoren 6 ordentlicher V orteil, der erlaubt, mit der zur Verfügung gestellten Freiwerdezeit bis an die Grenze der für den eingesetzten Thyristortyp zulässigen Werte zu gehen. Für die Stabilität der Schaltung ist auBerdem die Reihenfolge der Ein schaltimpulse für die drei Thyristoren von entscheidender Bedeutung. Auf den Aufbau einer geeigneten Steuereinrichtung für einen Impulsgenerator mit drei Thyristoren wird später noch einmal näher eingegangen. Die Belastung an der Bearbeitungsstelle B. St. ist ohne EinfluB auf das Ver halten oder gar die Stabilität der Schaltung. Dies ist ein weiterer Vorteil, der für den Einsatz der Impulsschaltung bei der elektroerosiven Bearbeitung von groBer Bedeutung ist. Daraus folgt, daB die Übergänge von KurzschluB in den Leerlauf und umgekehrt immer stabil verlaufen. Es ist daher ausreichend, die Schaltung auf ihre Stabilität, d. h. eine ausreichende Freiwerdezeit für Th 1, im KurzschluB zu prüfen. Im folgenden soll nun ein vollständiger Zyklus rnit der Einschaltreihenfolge der drei Thyristoren erläutert werden. Da zur Erzeugung eines Impulses eine fest gelegte Reihenfolge der Einschaltimpulse für die Thyristoren eingehalten werden muB, für die Stabilität der Schaltung jedoch ausschlaggebend ist, ob an jeder be liebigen Stelle dies es Zyklus begonnen werden kann, solI rnit dem ungünstigsten Fall angefangen werden. Gleichzeitig wird die gesamte Funktion der einzelnen Widerstände, Induktivitäten und Kapazitäten erläutert. Die Bearbeitungsstelle sei als kurzgeschlossen angenommen. Beim Einschalten von Thyristor Th 1 baut sich ein Strom nach einer e-Funktion auf, dessen Zeitkonstante von dem Verhältnis L3/RI bestimmt wird und den End wert UO/RI besitzt. Der EinfluB von R2 kann beim Einschaltvorgang vernach lässigt werden, zumal dieser, sofern er nicht bifilar gewickelt ist, eine wesentlich gröBere Induktivität hat als die Zuleitungsinduktivität L3 ergibt. Zur Abschaltung des Stromes wird Th 2 durchgeschaltet. V oraussetzung für die Stromübernahme und Erzeugung einer negativen Spannung an der Anode von Th 1 ist jedoch, daB der Kondensator Cl auf eine genügend groBe Spannung UclO mit der links von Cl eingezeichneten Polarität aufgeladen war. Ist dies nicht der Fall, so wird Th 1 nicht gelöscht, sondern Cllediglich auf eine Spannung Uc I aufgeladen, und zwar aus C2 über L2 und teilweise über R2 - L2. Damit wird die Spannung Uc I gröBer als Uo; im Grenzfall für C2 ~ Cl und einen verlustfreien Einschaltvorgang steigt die Spannung auf 2 Uo. Beim Nulldurchgang des Stromes i5 wird durch die Sperrwirkung des Thyristors Th 2 für einen Strom gegen die DurchlaB richtung der nun folgende Ausgleichsvorgang unterbrochen. Gleichzeitig springt die Spannung am Thyristor Th 2 auf einen negativen Wert, der etwa gleich der Differenz der Spannungswerte an den Kondensatoren Cl und C2 ist. Damit ist eine sichere Sperrwirkung von Th 2 erreichbar, selbst dann noch, wenn Auf schwingen der Netzversorgung nach einer Entlastung durch den Arbeitsstrom einer parallel geschalteten Einheit auftritt. Auf Probleme der Stabilität des Lösch kreises beim Betrieb mehrerer Generatoreneinheiten am gleichen Netz wird später noch eingegangen. Nach Ablauf einer Verzugszeit von 100 bis 300 fJ-s vom Zeitpunkt der Schaltung des Thyristors Th 2 kann nun der dritte Thyristor Th 3 angesteuert werden. Der 7 Kondensator wird über Ll mit einem den Verlusten im Schaltkreis entsprechenden Wirkungsgrad auf die Spannung Uc 10 umgeladen. Die Sperrung von Th 3 wird bei Nulldurchgang des Stromes i7 erzwungen. Der Thyristor Th 1 ist weiterhin durchgeschaltet, da es zu keiner Löschung ge kommen war. Wird jedoch Th 2 zum zweiten Male angesteuert, so wird durch die Spannung Uc 10 eine Stromübernahme erzwungen und zusätzlich eine negative Spannung an Th 1 erzeugt. Das heWt also, daB bei einem ungünstigen Einschalt au ge nb lick schlimmstenfalls ein Impuls von zweifacher Periodendauer der ein gestellten Frequenz entstehen kann. Die Grenzfrequenz der Schaltung ergibt sich allein aus der Dimensionierung der Löschschaltung unter Berücksichtigung der Zuleitungsinduktivität L3 im Haupt kreis. Die Wiederholzeit darf nicht kleiner werden als die Löschdauer und Um J ladedauer zusammen. edem der beiden Thyristoren Th 2 und Th 3 muB zusätzlich noch eine Freiwerdezeit tJ von 15 bis 20 fLs zur Verfügung stehen. Die theo retische Grenzfrequenz ergibt sich dahcr zu Hierin bedeutet tL die Zeit vom Schaltbeginn des Thyristors Th 2 bis zum Strom nulldurchgang von i5, tu ist die Zeit vom Schaltbeginn des Thyristors Th 3 bis zum Nulldurchgang des Stromes h (Abb. 1). Aus dem in Abb. 2 dargestellten Impulsdiagramm sind die Zusammenhänge noch einmal deutlich zu entnehmen. Dieses Diagramm gibt die Reihenfolge der Einschaltimpulse für die einzelnen Thyristoren bei Grenzfrequenz wieder. Das Tastverhältnis T, d. h. das Verhältnis von Einschaltdauer te zur Periodendauer Tp, ist auch hier noch bis zu beliebig kleinen Werten eins teil bar. Bezüglich der längsten Einschaltdauer te ist zu sagen, daB während des Lösch vorganges am Thyristor Th 1 kein positiver Einschaltimpuls anliegen darf, da Thl Zeit- Th~ Zeit- Th3 Zcit - Abb. 2 Ansteuerimpulse für Einschalt-, Lösch- und Umladethyristor bei Grenzfrequenz der Schaltung 8 sonst während der Sperrphase Ladungsträger in die Sperrschicht des Thyristors eingebracht werden und zu groGen Verlusten in diesem führen; dies ist unter allen Umständen zu vermeiden. Somit ergibt sich die maximale Einschaltdauer zu lemax = Tp - IJ Mit Ij ist hier die Zeit der negativen Sperrspannung am Thyristor Th 1 und nicht die typische Freiwerdezeit der Zelle gemeint. + + Aus gemessenen Werten für IL tj und tu tj ergibt sich eine theoretische Grenzfrequenz von etwa 4 kHz. Bei dieser Angabe ist jedoch noch nichts über den Wirkungsgrad der Schaltung in diesem Frequenzbereich gesagt. Bei 4 kHz fallen bereits die Schaltverluste in den einzelnen Thyristoren beträchtlich ins Gewicht. Daher scheint vielmehr bei 2 kHz eine wirtschaftliche Grenze zu liegen, da hier bereits ein Löschstrom von 10 bis 12 A bezogen auf ei ne Impulsstrom amplitude von 100 AflieGt und ei ne beträchtliche Erwärmung der Thyristoren 2 und 3 durch Schalt- und DurchlaGverluste meGbar ist. Auf Grund der vollständigen Trennung zwischen Last- und Löschkreis kann die Schaltung mit 3 Thyristoren im oberen Frequenzbereich wesentlich besser aus genutzt werden als bei einer Schaltung mit 2 Thyristoren, bei der der Haupt thyristor noch zusätzlich mit den bei der Umladung des Kondensators C ent stehenden Verlusten belastet wird. In der 3-Thyristor-Schaltung ist der Maximal str~m lediglich durch die DurchlaBverluste und Schaltverluste im Thyristor Th 1 begrenzt, die zusammen nicht die maximale Verlustleistung der Zelle übersteigen dürfen. Die beiden in der Schaltung enthaltenen Dioden Di 1 und Di 2 erfüllen folgende Aufgaben: Di 1 dient der Entkoppelung von Last- und Löschkreis. Lediglich für die Zeit der Löschung des Laststromes flie13t ein Strom durch die Diode, und zwar zu Beginn der Löschung mit einer Amplitude, die gleich der des vorher geflossenen Laststromes ist. Die Diode muG daher für einen periodischen Spitzenstrom aus gelegt werden, der gröGer ist als die in Th 1 maximal flieGende Impulsamplitude, wob ei der StromfluGwinkel, soweit man hier von einem solchen sprechen kann, von der eingestellten Schaltfrequenz bestimmt wird. Aus dem später berechneten Stromverlauf von it und entsprechenden Oszillogrammen kann die Maximal belastung der Diode ermittelt werden; es kann jedoch bereits jetzt festgestellt werden, daG sie für den Nennstrom des Lastkreises nicht ausgelegt zu werden braucht. Die maximal auftretende Spannung an der Diode ist gleich der Konden satorspannung Uc 1 max der Impulsschaltung. Die Diode hat lediglich die Auf gabe, einen Sperrstrom durch den Thyristor Th 1 zu ermöglichen und dient fernerhin als Freilaufdiode für die durch die Leitung zwischen Impulsschaltung und Bearbeitungsstelle gebildete Induktivität. Auf Grund des sogenannten Trägerspeicher-Effektes kommt es in der sperren den pn-Schicht des Thyristors zu einem kurzzeitigen Sperrstrom, der sich ausbilden können muG, wenn kurze Frei werdezeiten des Hauptthyristors eingehalten werden sollen. Beim KurzschluG des Bearbeitungsspaltes ist sie auch danq noch notwendig, wenn die Leitungsinduk tivität bis zur Arbeitsstelle einen nennenswerten Betrag hat, was fast immer der 9 Fall ist. Leitungslängen von 2 bis 3 m sind üblièh und bilden einen für die Schal tung insofern gefährlichen Energiespeicher, als sie auf Grund ihres Induktivitäts belages auch nach dem Ausschaltbefehl noch einen Laststrom für einige [.Ls auf rechtzuerhalten suchen. Dieser müSte durch Th 1 flieSen, wenn nicht durch die Diode ein paralleIer Stromzweig ge schaffen würde; zusätzlich können zur Aus bildung des Sperrstromes L~dungsträger an die Kathode des Thyristors Th 1 geführt werden. Zur Dim~nsionierung dieser Diode ist zu sagen, daS die in Sperrichtung auftretende Spannung gleich der Spannung Uo der Netzversorgung ist. Die Maximalstromamplitude ist gleich der Summe des Sperrstromes und des Stromes an der Bearbeitungsstrecke. Ist letztere kurzgeschlossen, so kann sich ein Ausgleichsstrom nach dem Ausschaltbefehl ungehindert ausbilden, und zwar mit einer Abklingzeitkonstanten, die den Verlusten im KurzschluSkreis entspricht. Die meiste Energie wird dabei auf Grund der DurchlaSverluste in der Diode in Wärme umgesetzt. Die maximale Verlustleistung ist somit In dieser Gleichung ist LL die Leitungsinduktivität zwischen Impulsgenerator und Bearbeitungsspalt, i der Scheitelwert des Impulsstromes im Augenblick des Löschbefehles und f die eingestellte Impulsfolgefrequenz. Unter der Voraus setzung, daS die magnetische Energie zur Hälfte in der Diode 2 in Wärme umge setzt wird, ergibt sich bei 20 [.LH Leitungsinduktivität, 100 A Impulsstromampli tude und 2 kHz Impulsfolgefrequenz eine Verlustleistung von 100 W. Bei län geren Impulsleitungen ist daher äuSerste Vorsicht geboten. Im Erosionsbetrieb wird die magnetische Energie im Funkenspalt umgesetzt, so daS in der Regel für einen 100-A-Generator eine 20-A-Zelle ausreicht. 1.2 Einfache Schaltvorgänge und Probleme der Stabilität bei Parallelschaltung mehrerer Impulsgeneratoren In der in Abb. 1 dargestellten Schaltung verlaufen zwei der drei Schaltvorgänge nach einfachen Gesetzmäf3igkeiten, d. h., der jeweilige Stromverlauf ist durch eine Differentialgleichung 1. bzw. 2. Ordnung gekennzeichnet. Der Einschalt vorgang des Laststromes durch Th 1 verläuft wiederum nach einer Übergangs funktion 1. Ordnung mit dem Endwert UO/RI' sofern der stationäre Wert auf Grund einer genügend langen Impulsdauer erreicht wird. Die Umladung des Kondensators ergibt eine schwach gedämpfte Schwingung, deren Verlauf bereits an anderer Stelle erläutert wurde. Es bleibt also die Berechnung des Löschvor ganges bis zum Erreichen annähernd stationärer Spannungswerte an den Kon densatoren. Im vorliegenden Fall ergibt sich eine Differentialgleichung 4. Ord nung. Die Lösung soH nicht nur den Verlauf der Ströme it, i5 und ialiefern sowie die sich aus dem Verlauf der Spannung am Kondensator Cl ergebende Freiwerde zeit tj, sondern auch Probleme der Stabilität bei der Parallelschaltung mehrerer Schalteinheiten an einem speisenden Netz klären. Bei Versuchen, mehrere Im- 10