CN1096326C - 放电加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明要解决在放电加工热分解碳时加工极不稳定的问题。本发明在工具电极或加工物的至少一方使用有各向异性导电材料的放电加工装置中，在各向异性导电材料2的良导体面20b上，设置了连接各向同性导电体22的部分。使放电发生于各向异性导电材料2的良导电面20b上。使用导电性粘接剂23粘接各向异性导电材料2和各向同性导电体22。各向异性导电材料是热分解碳材料。热分解碳材料作为工具电极材料。纯水等不燃性加工液作为加工液。

Description

放电加工装置

本发明涉及放电加工装置。

以往，使用铜和各向同性石墨作为工具电极材料，而近年来有有关使用热分解碳材料作为工具电极，以减少电极消耗的尝试的报告(例如，参阅文献，宇野、冈田的热分解碳电极的放电加工特性，电加工学会全国大会(1995年)演讲文集P163～P166)。

但是，如果进行热分解碳放电加工，则存在着加工非常不稳定的问题。我们没有看到，以往在使用了该材料进行放电加工时，考虑材料的方向性的例子，而笔者经反复潜心研究，发现在使用热分解碳材料等各向异性导电材料进行放电加工时，必须考虑在热传导及电传导中的各向异性，直至完成本发明。

另外，在使用上述热分解碳材料作为工具电极的情况下，还存在与以往所使用的电极材料相比较，价格明显提高的问题。

有关本发明权利要求1中的放电加工装置，是在工具电极或加工物的至少某一方使用有各向异性材料的放电加工装置中，设置在各向异性导电材料的良导电面上连接各向同性导电体的部分。

有关本发明的权利要求2中的放电加工装置，是在权利要求1记述的装置中，使得在各向异性导电材料的良导电面上产生放电。

有关本发明的权利要求3中的放电加工装置，是在权利要求1记述的装置中，使用导电性粘接剂连接各向异性导电材料和各向同性导电体。

有关本发明权利要求4中的放电加工装置，是在权利要求1至3记述的装置中，设各向异性导电材料为热分解碳材料。

有关本发明权利要求5的放电加工装置，是在权利要求4记述的装置中，将热分解碳材料作为工具电极使用。

有关本发明权利要求6的放电加工装置，是在权利要求5记述的装置中，使用纯水等不燃性加工液作为加工液。

有关本发明权利要求7的放电加工装置，是在权利要求1记述的装置中，是具备了测定放电中的电压的放电电压测定装置、用于设定判别正常放电和异常放电的临界值的基准电压设定装置、在测定出的放电电压比该临界值大的情况下停止供给加工电流的比较装置的放电加工装置。

图1是说明涉及实施例1的石墨结晶构造的图。

图2是说明涉及实施例1的热分解碳材料构造的图。

图3是说明涉及实施例1的热分解碳质材料的各向异性的图。

图4是展示实施例1中的放电加工用电极的构成的图。

图5是展示根据实施例1的放电加工装置的构成的图。

图6是展示实施例2中的放电加工用电极的构成图。

图7是展示实施例2中的热分解碳材料的方向的图。

图8是根据实施例的加工状态图。

图9是展示实施例3中放电加工用电极构成的图。

图10是展示实施例3中的热分解碳材料方向的图。

图11是展示根据实施例3的加工状态的图。

图12是展示实施例3中放电加工用电极构成的另一例的图。

图13是展示根据实施3的使用图12的放电加工用电极的加工状态的图。

图14是展示实施例3中的放电加工用电极构成另一例的图。

图15是说明涉及实施例4的圆筒积层式热分解碳材料构造的图。

图16是展示实施例4中的放电加工用电极构成的图。

图17是展示实施例4中的热分解碳材料方向的图。

图18是展示根据实施例4的加工状态图。

图19是展示根据实施例5的放电加工装置构成的图。

图20是展示实施例5中的第2控制装置构成的一例的图。

图21是展示实施例5中的第2控制装置构成的另一例的图。

图1是说明石墨结晶构成的图，图2是说明热分解碳材料构造的图，图3是说明热分解碳材料的各向异性的图，图4是展示本发明的实施例1中的放电加工用电极构成的图，图5是展示根据本发明的实施例1的放电加工装置构成的图，表1是将根据本发明实施例1所产生的放电加工结果与以往装置所产生的放电加工结果比较的表。

首先，说明有关热分解碳材料。

众所周知，石墨的结晶如图1所示那样，由很多层碳原子占据正六角形各顶点位置的碳原子层200层叠而成。在由气相生长将热分解碳积层于基板上的情况下，也同样是很多与基板平行形成的碳原子层层叠的构造(图2)。以下，为了说明，将积层成的碳原子层200的面称为积层面20，将与积层面20平行的端面叫作不良导电面20a，将切断积层面20的端面称为良导电面20b，在图示中，如图3所示那样，通过描绘多个积层面20，来区别不良导电面20a和良导电面20b。

热分解碳质材料如上所述，由于在与积层面20方向不同的另一方向上构造不同，因而在热传导率以及电传导率上表现出显著的各向异性。即，在图3中，和积层面20平行的方向中(箭头Y、Z方向)的电及热传导率是贯穿积层面20方向(X方向)的电及热传导率的100倍以上，与金属相同。因而，在良导电面20b间热及电传导与金属相同，在不良导电面20a和良导电面20b之间几乎不传导。

而以往在用于放电加工中的各向同性石墨电极中，电及热传导性是金属的数分之一，而不显示上述那样的各向异性。

另外，热分解碳材料由于由气相生长制造，因而制造速度慢，因而还存在价格高的特征。

以下，说明本实施例的构成以及动作。

首先，如图4所示，在热分解碳材料2的良导电面20b上涂导电性粘接剂23，制作与作为各向同性导电体的铜板22连接的放电加工用电极。接着，如图5所示，将该电极装于放电加工装置的主轴1，由控制装置6控制与设置于盛满加工液5的加工槽4内的加工物，即工件3的间隔，与此同时，由加工电源7产生放电，进行放电加工。

如果进行上述那样的加工，由由于加工电流经由铜板22，沿着热分解碳材料2的积层面20流动，所以电阻低，可以实现稳定的加工。另外，由于可以将高价格的热分解碳电极2的使用量限制在所需要的最小量，因而可以构成便宜的工具电极。进而，当在良导电面20b上发生放电时，由于在放电面上产生的热沿积层面20迅速扩散至电极内部，因而放电面被冷却，加上碳在高温下的稳定性，使得电极几乎不消耗。

表1是将使用根据本实施例的电极的情况下的加工结果与使用以往的各向同性石墨电极情况下的加工结果比较的表。加工条件是逆极性，峰值电流5.5A，脉冲宽度4毫秒。从表中可知，与各向同性石墨电极比较，电极消耗降低至1/100左右。另外，在本实施例中，确认了可以实现与各向同性石墨电极同样的稳定的加工。

表1

电极材质	电极消耗比
		各向同性石墨	50.0％
热分解碳	0.57％

以往，为了实现电极低消耗加工，需要在电极表面形成保护碳被膜，为此，需要用100毫秒以上的长的脉冲宽度进行加工，而从上述实验可知，在使用本发明电极的情况下，即使用短的脉冲宽度，也可以实现电极低消耗加工，因而可以实现不需要保护碳被膜的低消耗加工是很明确的，此方法在使用市售的不燃性放电加工液以及纯水作为加工液的实验中，也确认可以得到同样结果。目前，在该加工中实现低电极消耗的机构并不一定效果明显，但为了实现同一面光洁度，可以采用比以往短的脉冲，因而加工速度明显提高，由于还可以在水系的加工液中实现低消耗，因而还具有防灾的优点。

在上述实施例中是使用导电性粘接剂23连接热分解碳材料2和铜板22，不用说，使用锡焊、钎焊、螺栓连接等的其它方法也可以确保电连接。如果在良导电面20b的一部分或全部上，实施镀镍等的电镀后连接，则电连接更好，更理想。

另外，在上述实施例中，作为各向同性导体22的材料，采用一般的工具电极材料铜，但并不只限于此，铅、钢、黄铜、铜钨等的其它金属、超硬合金、氮化硅等也可以使用，进而，如果是在以往放电加工中所使用的各向同性石墨电极等，或是通常所使用的各向同性的导电材料，则无论使用哪一种，本发明都可以发挥效果。

在上述实施例中，使用了热分解碳材料2作为工具电极材料，但不作为工具电极材料而作为加工物3的情况下也运用。本发明在使用各向异性导电材料进行稳定放电加工时由于可以广泛地应用，因而，作为各向异性导电材料，并不只限于热分解碳材料2，对于单结晶石墨等各种各样的各向异性导电材料也可以适用。

图6是展示本发明的实施例2中的放电加工用电极构成的图，图7是展示本发明实施例2中的热分解碳材料的方向的图，图8是展示本发明的实施例2中的加工状态的图。

以下，说明有关构成及动作。

如图6所示，制成在铜管22的前端连接圆筒形的热分解碳材料2的工具电极。此时，热分解碳材料2设定在图7所示的方向上。接着，如图8所示，边转动边移动制成的工具电极，用前端的热分解碳材料2的部分进行放电加工。

如此构成的电极，也是热分解碳材料2的良导电面20b与铜管22连接，由于放电在良导电面20b上产生，因而起到了与实施例1同样的效果。这里，如果构成的电极可以使加工液从圆筒电极内部流通，则加工性能进一步提高。

上述实施例中使用了圆筒形的电极，但是将铜22以及热分解碳材料2的某一方或双方制成内部无贯通孔的圆样形状等、或其它形状也无妨。

另外，各向同性导电体22的材质与实施例1一样不限于铜。

图9是展示本发明实施例3中的放电加工用电极构成的图，图10是展示本发明实施例3中的热分解碳材料的方向的图，图11是展示本发明实施例3中的加工状态的图。

以下，说明有关构成及动作。

如图9所示那样制作在铜管22的外圆上连接圆筒形的热分解碳材料2的工具电极。此时，热分解碳材料2设定在如图10所示的方向上。接着如图11所示，使制成的工具电极边转动边移动，用外周的热分解碳材料2的部分进行放电加工。

如此构成的电有也是热分解碳材料2的良导电面20b和铜管22连接，由于放电产生于良导电面20b，因而起到与实施例1同样的效果。这里，如果构成的电极可以使加工液在圆筒电极内部流通，是加工性能进一步提高。

上述实施例中，是铜管22贯通热分解碳材料2内，但是，如果如图12所示那样，铜管22的底面与热分解碳材料2的底面插成同一平面，则不仅可以进行图11那样的侧面加工，还可以用于图13所示那样的附底加工。

在上述实施例中是将热分解碳材料2作成圆筒形，但并不仅限于此，例如，如图14所示那样将前端形状设置成球形等，也可以用各种各样形状的热分解碳材料2进行侧面加工以及附底加工是不言而喻的。

上述实施例中是使用圆筒形铜管22，但是即使不使用筒管22而使用在内部没有贯通孔的圆柱形的铜柱也无妨，这一点是不言自明的。

另外，与实施例1一样，本发明不将导电体22的材质只限于铜。

图15是说明圆筒积层式热分解碳材料构造的图。图16是展示本发明实施例4中的放电加工用电极构成的图，图17是展示本发明实施例4中的热分解碳材料的方向的图，图18是展示本发明的实施例4中的加工状态的图。

首先，说明有关圆筒积层式热分解碳材料。

以上实施例1至3所述的热分解碳材料2，其积层面是平面，但是如果以碳纤维为芯材，在其周围积层热分解碳，则可以得到如图15所示那样的在同心圆筒状上形成积层面的材料(以下，称为圆筒积层式热分解碳材料21)。在该材料中，从积层面的形状可知，圆柱的轴方向的热传导率以及电传导率比半径方向大很多。

以下，说明有关本实施例的构成以及动作。

如图16所示那样，制成在铜管22的前端连接有圆筒形的圆筒积层式热分解碳材料21的工具电极。此时，圆筒积层式热分解碳素材料21设定于图17所示的方向上。以下，如图18所示，用前端的圆筒积层式热分解碳材料21的部分进行放电加工。

如此构成电极，也是使圆筒积层式热分解碳材料21的良导电面20b与铜管22连接，由于在良导电面20b上产生放电，因而起到与实施例1同样的效果。此工具电极适合于在工具的轴方向上加工加工物3的情况。如果使电极转动，并使加工液从内部流过，则更能提高加工性能。

在上述实施例中使用了圆筒形的电极，但即使是使用铜管22以及圆筒机层式热分解碳材料21的某一方式双方没有内部贯通孔的圆柱形和非旋转对称的形状等其它形态也无妨。

另外，与实施例1同样，各向同性导电体22的材料不只限于铜。

图19是展示本发明的实施例5的放电加工装置的构成的图，图20是展示本发明的实施例5中的第2控制装置构成的一例的图，图21是展示本发明的实施例5中的第2控制装置的构成的另一例的图。

首先，陈述本实施例的背景。

如前所述，在热分解碳材料中存在着明显的各向异性。例如，在进行如图13所示那样的附底加工时，与电极的转动轴平行的方向的电阻比电极半径方向的电阻明显大。因而，在与电极的转动轴平行的方向上很难产生放电。但是，一旦发生放电时，由于其很高的电阻，在电极内部产生高热，存在破坏电极的问题。

这种放电的情况下，由于在电极内部产生电压降，因而与通常的放电相比其特征是测出的放电电压高。在使用限流电阻进行加工电流的设定的加工电源中，当产生这种放电时，与通常的放电相比，其特征是测出的放电电流低。再有，在使内部阻抗变化，由反馈控制使加工电流保持一定的加工电源中，在产生这种放电时，与通常的放电相比，其特征是内部的阻抗设定的低。本实施例，就是利用这些特征，在检测出这种不希望的放电发生时，即刻使放电终止，从而防止电极的损伤。

以下，说明有关本实施例的构成以及动作。

在本实施例中，在此前所述的实施例的构成(图5)中，增加设置控制加工电源7的第2控制装置8(图19)。该第2控制装置8的构成的一例如图20所示，以下说明动作。

第2控制装置8由放电电压测定装置81、基准电压设定装置82、以及比较装置83构成。在基准电压设定装置82中，预先设定比发生正常放电情况下测定出的放电电压高若干的阈值(例如，工件3为钢的情况下，为30V左右)。放电电压测定装置81，在检测出放电发生后测定放电中的工具电极2和工件3之间的电压。比较装置83比较测定出的放电电压和设定的阈值，当放电电压比该阈值大的情况下，向加工电源7发出中止提供加工电流的指令。

如上所述，如果采用本实施例，则当发生比通常的放电电压高的异常放电时，由于可以立刻停止提供加工电流，因而抑制了不希望的放电的发生，可以防止电极损伤。

在上述实施例中，是测定放电电压，但从上述背景说明中可知，也可以测定放电电流和加工电源内部阻抗。

图21是测定放电电流情况下的第2控制装置8的构成例，由放电电流测定装置84、基准电流设定装置85、以及比较装置83构成。动作由于与上述图20的情况相同，故省略说明。

如上所述，有关本发明权利要求1的放电加工装置，在工具电极或加工物的至少一方使用有各向异性导电材料的放电加工装置中，由于设置了在该各向异性导电材料的良导电面上连接各向同性导电体的部分，因而加工电流容易从各向异性导电材料内向各向同性导电体流动，降低了电阻，从而可以谋求稳定的加工。

有关本发明的权利要求2的放电加工装置，由于在权利要求1的放电加工装置中，使放电产生于各向异性导电材料的良导电面上，因而，由放电产生的热迅速扩散至电极内部，放电而被冷却，电极消耗减低。

有关本发明的权利要求3的放电加工装置，在权利要求1的放电加工装置中，由于使用导电性粘接剂粘接各向异性导电材料和各向同性导电体，因而可以容易且确实地进行相互电连接，同时固定。

有关本发明权利要求4的放电加工装置，在权利要求1至权利要求3的任意项中的放电加工装置中，由于使用热分解碳材料作为各向异性导电材料，因而可以以所需要最小限度使用高价的热分解碳材料，可以制作便宜的电极。

有关本发明的权利要求5的放电加工装置，在权利要求4的放电加工装置中，由于使用热分解碳材料作为工具电极，因而可以实现几乎不消耗电极的放电加工。

有关本发明的权利要求6的放电加工装置，在权利要求5的放电加工装置中，由于使用水系列加工液，因而不用担心引起火灾。

有关本发明的权利要求7的放电加工装置，在权利要求1的放电加工装置中，由于具备测定放电中的电压的放电电压测定装置、设定用于判别正常放电和异常放电的阈值的基准电压设定装置、在测定出的放电电压比该阈值大时使加工电流停止供给的比较装置，因而可以检知异常放电的发生，并立刻终止放电，从而可以防止电极的损伤。

Claims (7)

1.一种放电加工装置，其特征在于：在工具电极或加工物的至少某一方使用有各向异性导电材料的放电加工装置中，在该各向异性导电材料的良导电面上设置有连接各向同性导电体的部分。

2.权利要求1所述的放电加工装置，其特征在于：使放电发生于上述各向异性导电材料的良导电面上。

3.权利要求1所述放电加工装置，其特征在于：用导电性粘接剂粘接上述各向异性导电材料和各向同性导电体。

4.权利要求1至3的任意一项所述的放电加工装置，其特征在于：上述各向异性导电材料是热分解碳材料。

5.权利要求4所述的放电加工装置，其特征在于：使用上述热分解碳材料作为工具电极材料。

6.权利要求5所述的放电加工装置，其特征在于：使用纯水等不燃性加工液作为加工液。

7.权利要求1所述的放电加工装置，其特征在于：具备以下装置，测定放电中的电压的放电电压测定装置；设定用于判别正常放电和异常放电的阈值的基准电压设定装置；当测定出的放电电压比该阈值大时使加工电流的供给停止的比较装置。

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