CN1184045C - 金属丝放电加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种使金属丝电极(1a)与工件(2)的极间发生放电来加工工件(2)的金属丝放电加工装置，具有向所述极间供给压力气体的气体供给装置(8)。能获得适合高精度加工的生产率高的金属丝放电加工装置。

Description

金属丝放电加工方法及装置

技术领域

本发明涉及使金属丝电极与工件的极间间隙发生放电来加工工件的、金属丝放电加工方法及装置的改进。

背景技术

放电加工作为金属模等的加工技术已确立了牢固的地位，已被广泛应用于汽车产业、家电产业、半导体产业等金属模加工领域。

图6所示为放电加工机理的说明图，在图中，1为电极，2为工件，3为电弧柱，4为加工液，5为放电加工生成的加工碎屑。重复进行如下所述的(a)至(e)的循环(与图6的(a)至(e)对应)，利用放电进行工件2的除去加工。即，(a)由于放电的发生形成电弧柱3；(b)由于放电的热能使局部熔融及加工液4发生气化；(c)加工液4产生气化爆发力；(d)熔融部分(加工碎屑5)飞散；(e)由加工液进行冷却、凝固，恢复极间的绝缘状态。

本发明涉及放电加工之中的挖穿孔加工、切割加工等所使用的金属丝放电加工。金属丝放电加工尤其对高精度的要求强烈，例如在半导体行业等使用的高精度金属模的加工，加工精度已要求达到1-2μm级的高精度。

图7为示出金属丝放电加工的加工工序例子的说明图，在图中，1a为金属丝电极，2为工件，4a为作为加工液的水，6为初始孔，图7(a)所示为粗加工即第一次切割的情况，图7(b)所示为粗加工之后的中间精加工即第二次切割的情况，图7(c)所示为最终精加工即第三次切割的情况。

图7(a)的第一次切割的加工例子示出了将金属丝电极1a通至初始孔6，对工件2进行挖穿孔加工的情况。进行这样的第一次切割时，因为是通过以后的加工来达到表面粗糙度及精度的，故不要求有那么严格的表面粗糙度及精度，重要的是为了提高生产率，尤其要提高加工速度。在金属丝放电加工中，从提高加工速度的目的出发，为了高效排出极间产生的加工碎屑，将水4a强力吹至极间。此外，为了消除对极间水4a的吹入的不均匀，防止金属丝电极1a发生断线，采用了在未图示的加工槽中积存水4a来浸渍工件2的方法。

在如上所述的现有金属丝放电加工方法中，第一次切割(图7(a))之后的第二次切割(图7(b))及第三次切割(图7(c))等的加工也在加工液即水4a中进行。

图8所示为极间电压及电流波形的一个例子，在图中，V为极间电压，I为极间电流，t为时间。图8的时间T1时的状态为金属丝电极1a与工件2的极间加有电压的状态。一旦极间加有电压，正极与负极就有相互吸引的力起作用，因此，由于该静电力，刚性较小的金属丝电极1a就被吸引到工件2侧。这成为金属丝电极1a发生振动的原因，由于这样的振动，故存在高精度加工困难的问题。

另外，图8的时间T2时的状态为由于放电能量，加工液产生气化爆发力的状态(例如图6(c))，由于加工液的气化爆发力，金属丝电极1a受到与工件2相反方向的很大作用力而发生振动。存在由于这样的振动使工件2的形状产生凹凸，导致精度恶化的问题。

在金属丝放电加工的应用领域即半导体行业等，例如在IC引线架的金属模等加工中，对工件要求达到形状精度为1μm、表面粗糙度为1μmRmax以下这样极高的精度且非常平滑的表面粗糙度，同时必须提高生产率这样的用途在增加，尤其在这样的用途中，如上所述因金属丝电极振动等引起的问题很显著。

作为解决这样的液体中金属丝放电加工存在问题的方法，已公开了一种在极间不配置加工液而在大气中进行金属丝放电加工的、气体中金属丝放电加工方面的技术(东京农工大学安达等，“利用气体中放电加工进行第二次切割的高精度化”，型(即模具)技术，第14卷第7号，1999年154页，日刊工业新闻社)。披露了根据该技术，通过在大气中进行金属丝放电加工，能提高工件切割面的平直精度，在高精度化的观点上有很大意义，但存在加工速度为加工液中加工的10分之1左右，生产率低故难于实际应用的问题。此外，关于如何适应要求更高精度的用途或工件表面要求高品位的用途等，未有任何披露。

发明内容

本发明是为了解决如上所述的问题而作出的，目的在于，获得一种适合高精度加工的、生产率高的金属丝放电加工方法及装置。此外的目的在于，获得一种适合高品位加工的金属丝放电加工方法及装置。

本发明的金属丝放电加工方法是一种使金属丝电极与工件的极间在气体中发生放电来加工所述工件的金属丝放电加工方法，该方法边向所述极间供给压力气体边进行加工。

此外，本发明涉及的金属丝放电加工方法是一种使金属丝电极与工件的极间发生放电来加工所述工件的金属丝放电加工方法，该方法包括在加工液中进行粗加工的第一工序和在气体中进行精加工的第二工序，进行所述第二工序的加工过程中，边向所述极间供给压力气体边进行加工。

此外，本发明涉及的金属丝放电加工方法，所述气体由氧气、氮气、氢气、惰性气体及绝缘气体之中的至少1种所构成。

本发明的金属丝放电加工装置是一种使金属丝电极与工件的极间发生放电来加工所述工件的金属丝放电加工装置，该装置具有向所述极间供给压力气体的气体供给装置。

此外，本发明涉及的金属丝放电加工装置是一种使金属丝电极与工件的极间发生放电来加工所述工件的金属丝放电加工装置，该装置具有使加工液压力上升后供给所述极间的加工液供给装置，以及向所述极间供给压力气体的气体供给装置。

此外，本发明涉及的金属丝放电加工装置具有向喷嘴内供给压力流体、并将该压力流体切换成加工液或气体的切换装置，由此构成所述加工液供给装置及气体供给装置。

此外，本发明涉及的金属丝放电加工装置，所述气体由氧气、氮气、氢气、惰性气体及绝缘气体之中的至少1种所构成。

附图说明

图1所示为本发明实施形态涉及的金属丝放电加工方法之一例的说明图。

图2所示为金属丝放电加工的金属丝电极靠近量的说明图。

图3所示为在加工液中进行金属丝放电加工例子的说明图。

图4所示为在气体中进行金属丝放电加工例子的说明图。

图5所示为本发明实施形态的金属丝放电加工装置中向极间供给气体的气体供给装置的构成例子。

图6所示为放电加工的机理说明图。

图7所示为金属丝放电加工的加工工序例子的说明图。

图8所示为极间电压及电流波形之一例的图。

具体实施方式

图1所示为本发明实施形态涉及的金属丝放电加工方法之一例的说明图，在图中，1a为金属丝电极，2为工件，4a为加工液即水，6为初始孔，7为空气等气体，图1(a)所示为粗加工即第一次切割，图1(b)所示为粗加工后的精加工即第二次切割。第一次切割、第二次切割这样称呼是为了方便，金属丝放电加工并不一定经过二次加工便结束。在对工件的精度要求高的加工中，也有进行7次、8次加工的。

下面对加工方法的概况进行说明。图1(a)的第一次切割，是在初始孔6中通过金属丝电极1a，对工件2进行挖穿孔的加工。因为是通过以后的加工来最后加工到表面粗糙度及精度的，所以并不要求有那么严格的表面粗糙度及精度，重要的是为了提高生产率，尤其要提高加工速度，与背景技术所示的图7一样，在极间有加工液即水4a的情况下进行加工。

通常的金属丝放电加工在第一次切割之后，仍在加工液中进行加工，但如背景技术所示，由于存在金属丝电极1a的振动等问题，所以不适合高精度加工。本发明在进行精加工时，在极间无加工液的情况下进行加工，改善工件的形状精度及表面粗糙度。

在图1(b)的精加工即第二次切割中，为了抑制金属丝电极1a的振动、改善加工精度，不是在加工液4a中进行加工，而是在气体7中进行加工。通过这样在气体中进行金属丝放电加工，如下所述，能抑制金属丝电极1a的振动等。

即，当极间加有电压时，作用于金属丝电极1a和工件2的静电作用力与极间的介电常数成正比，所以，如果以相同的极间距离进行计算，与极间所夹物为水4a的情况相比，极间所夹物为气体7时，所述静电作用力为数十分之一(例如，介电常数在真空中最小，在水中约为真空中的80倍)。此外，因为放电引起的气化爆发力是存在于极间的液体产生的，所以，在极间仅存在气体7的情况下，金属丝电极1a几乎不会受到气化爆发力的影响。因此，能抑制金属丝电极1a的振动等。

如上所述，因为通过气体中放电加工能抑制金属丝电极1a的振动等，所以工件的形状精度及表面粗糙度得到提高。

此外，气体中金属丝放电具有各加工条件的金属丝电极靠近量的允许范围大的优点。图2所示为金属丝放电加工的金属丝电极的靠近量(按加工次数，使金属丝电极依次偏向工件侧的量)的说明图，图2(a)所示为第一次切割，图2(b)所示为第二次切割，图2(c)所示为第三次切割。在图2中，1a为金属丝电极，2为工件，A为加工前进方向(金属丝电极1a相对工件2的相对移动方向)。靠近量为由某加工条件中的加工量决定的值。但是，某加工条件的加工量由于金属丝电极的进给速度及前面条件的精加工情况等因素，是会发生很大变化的量。所以，金属丝放电加工的加工条件必须使用这样的条件组，即，从粗加工到精加工，根据各种加工测试的结果选择金属丝电极的靠近量及金属丝电极的进给速度等条件，由这些条件组成条件组。这表明无加工的通融性，例如，在加工量稍微少了些时，即使要进行补充加工来最后加工到尺寸，也很难进行适当的加工。

图3所示为在加工液中的金属丝放电加工的例子，在图中，1a为金属丝电极，2为工件，A为加工前进方向。图3(a)所示为最后精加工条件下的加工情况，以加工到目标加工位置为目标。但是，实际的加工结果与目标不相同，图3(a)的例子示出了稍许有剩余的情况。设该目标加工位置与实际加工位置之差例如为2μm时，往往会认为，作为补充加工，使金属丝电极1a向工件2侧靠近2μm后进行加工，就能加工到目标加工位置，但实际上，因为前面精加工时的加工面的状态及金属丝电极的进给速度等与补充加工时的这些条件是不相同的，所以，往往不能加工到所希望的尺寸。例如，如图3(b)所示，在补充加工的加工位置与目标加工位置之间会产生偏差。

图4所示为在气体中金属丝放电加工例子的说明图，在图中，1a为金属丝电极，2为工件，A为加工前进方向。在进行与图3相同的加工时，如果在气体中进行图4(b)所示的补充加工，则因为放电间隙g小，所以能加工到更接近所希望的尺寸。即，适合于高精度加工。其原因在于，要高精度获得加工尺寸，必须以与加工前的表面粗糙度、加工条件、金属丝电极的移动速度等一致的条件进行加工，而这些条件有差异时，放电间隙g越小误差就越小。这意味着，在粗加工至精加工的一系列加工工序之中，不仅能加工到希望的形状，而且，形状尺寸有偏差时，通过补充加工，也能方便地进行形状修正。

如上所述，气体中金属丝放电加工对高精度加工是有效的。但如背景技术所示，存在与加工液中金属丝放电加工相比，加工速度较慢的问题。其主要原因在于，由于不存在液中放电加工那样因放电发生的气化爆发力，所以工件的除去量减少，以及因放电被除去的加工碎屑附着在金属丝电极及工件表面，使加工不稳定。这样的不稳定加工使工件的加工精度下降。

图5所示是为了防止所述加工碎屑的附着，向极间供给压力气体的气体供给装置的构成例子，在图中，1a为金属丝电极，2为工件，7为气体，7a为气流，8为气体供给装置。气体供给装置8从金属丝电极1a的周围向金属丝电极1a与工件2的极间(在图5中为Z方向)供给气体7(图5的气流7a)，例如可以通过在金属丝电极1a的周围形成喷嘴以供给压力气体等来实现。利用这样的气体供给装置8的构成，可以利用气体7的压力吹去加工碎屑。因此，能提高气体中金属丝放电加工的加工速度，同时能防止加工精度的下降。

在通过液体中金属丝放电加工进行粗加工、通过气体中金属丝放电加工进行精加工的情况下，通过阀等的切换可以进行配管的切换，通过将供给形成于所述金属丝电极1a周围的喷嘴内的流体切换成加工液或气体，可以对加工液供给装置与气体供给装置进行切换使用。通过这样的、粗加工与精加工的切换，能更高效地进行工件的加工。

此外已明了，在气体中金属丝放电加工中，如果用气体供给装置8向极间供给的气体7为氧气，与在空气中的加工相比，加工速度约为一倍。其原因可以考虑为，通过供给氧气，吹去因放电而熔融的工件的效果，以及由于存在氧气，放电能量容易被工件吸收，工件的除去量增加。此外，通过向极间供给氧气，在放电产生的等离子体中发生化学反应，使工件表面的碳、硫等杂质变为CO₂、SO₂等气体，就可以除去。

此外，使由气体供给装置8供给极间的气体7为氮气，能使工件表面氮化，能提高工件表面硬度，能提高工件的耐久性。

此外，使由气体供给装置8供给极间的气体7为氢气，则在放电产生的等离子体中发生化学反应，能使工件表面的氧气等杂质变为H₂O而除去。

此外，通过使由气体供给装置8供给极间的气体7为惰性气体，能抑制放电产生的等离子体中的化学反应，能在工件表面物质不发生变化的情况下进行除去加工。

此外，通过使气体供给装置8供给极间的气体7为SF6或CF4等绝缘气体，能减小放电的极间间隙，能进行更高精度的加工。

产业上应用的可能性

如上所述，本发明涉及的金属丝放电加工方法尤其适合应用于高精度放电加工作业。

Claims (5)

1.一种使金属丝电极与工件的极间发生放电来加工所述工件的金属丝放电加工方法，其特征在于，

具有在加工液中进行粗加工的第一工序，以及，

在气体中进行精加工的第二工序，

在进行所述第二工序的加工过程中，边向所述极间供给压力气体边进行加工。

2.根据权利要求1所述的金属丝放电加工方法，其特征在于，所述气体由氧气、氮气、氢气、惰性气体及绝缘气体之中的至少1种所构成。

3.一种使金属丝电极与工件的极间发生放电来加工所述工件的金属丝放电加工装置，其特征在于，

具有使加工液压力上升后供给所述极间的加工液供给装置，以及，

向所述极间供给压力气体的气体供给装置。

4.根据权利要求3所述的金属丝放电加工装置，其特征在于，具有向喷嘴内供给压力流体、并将该压力流体切换成加工液或气体的切换装置，由此构成所述加工液供给装置及气体供给装置。

5.根据权利要求3或4所述的金属丝放电加工装置，其特征在于，所述气体由氧气、氮气、氢气、惰性气体及绝缘气体之中的至少1种所构成。

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