JP2001105239A

JP2001105239A - 気中におけるワイヤ放電加工方法およびその装置

Info

Publication number: JP2001105239A
Application number: JP28625099A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kunieda; 正典国枝
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2001-04-17

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】加工時間を短縮できて加工精度が高く環境に
悪影響を与えることのない仕上げ加工を可能にした気中
におけるワイヤ放電加工方法【解決手段】仕上げ工程であるセカンドカットを大気
雰囲気中において行うことを特徴とするもので、電極消
耗に煩わされることもなく、加工変質層を少なくできる
ワイヤ放電加工の利点を生かしつつ、加工反力が液中に
比べてきわめて小さいことによって加工面の真直度が良
好となり、しかも、ギャップが液中に比べて狭いことに
よって、同じ直径のワイヤを用いたとしても、より微細
で複雑な形状が加工可能となり、工作物前面が開放され
たセカンドカットにおける好条件を活用して簡便な加工
くずの除去と冷却を施しつつ、ア−ク柱の膨張に伴う電
流密度の低下による放電痕の浅化で表面粗さが向上し高
精度の加工が促進される。しかも、加工液を用いないた
め工作物に電解腐食が生じる心配がなく加工を行え、環
境にも優しい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多重加工における
仕上げ工程に適用されるワイヤ放電加工方法およびその
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】製品の高度化、精密化に伴い高精度加工
技術への要求が厳しくなっている。その中で放電加工は
非接触加工のため、機械的加工に比べ加工反力の小さい
ことが長所といわれており、高精度加工に適した加工法
と考えられてきた。放電加工は一般に液中で加工が行わ
れ、放電時に加工液の気化・解離により気泡が生成され
る。その気泡は極間で膨張しようとするが、周囲の加工
液のもつ慣性や粘性の影響で膨張が妨げられるため、気
泡内の圧力はきわめて高くなる。その際に加工液中にも
大きな圧力が生じることになるため、電極には比較的大
きな加工反力が作用していることが明らかにされてい
る。特に工具電極の剛性が低いワイヤ放電加工では、ワ
イヤ電極が振動しやすく、加工反力が加工誤差の大きな
要因となることが考えられる。

【０００３】一方、主に形彫放電加工において適用が試
みられている気中放電加工は、加工液を用いないため環
境に優しい加工法である。また、工具電極消耗率が低く
加工変質層が少ない。しかも、加工反力が液中に比べて
きわめて小さいという特徴をもつことから、本件発明者
らは、気中において電極と被加工体材の被加工面との間
の微細間隙に、被加工体材と化学反応をする気体を含有
する酸素等（あるいは加工くずの除去のためにアルゴン
等の不活性ガス）の加圧気体を加工媒体として強制的に
流通させつつ電極を回転および並進させて放電加工する
ことによって、電極無消耗で加工速度の大きな加工を可
能にした気中放電加工方法（特開平９−２３９６２２号
公報参照）を提案した。

【０００４】本件発明者らはまた、後述して紹介するよ
うに、水や水のミストを用いた放電加工に代えて、形彫
放電加工において工具電極に薄肉のパイプを使用して該
パイプの孔から乾燥した酸素等のアシストガスを噴流さ
せることで、電極消耗が小さく加工特性が向上し、加工
面のダメージが少なく加工反力も小さくて高精度加工も
可能な気中放電加工法を報告した（１９９８年第６４巻
第１２号「精密工学会誌」第１７３５〜１７３８頁参
照）。

【０００５】一方、ワイヤ放電加工は電極が繰出し制御
されることで電極消耗がないことから、イオン交換樹脂
を用いて導電率を低く調整した水を加工液として使用す
ることで、環境や安全性に問題の少ない放電加工として
注目されている。通常のワイヤ放電加工では水を加工液
として使用するため、電気分解作用を伴い陽極である工
作物の電解腐食現象が無視できず、特に、超硬合金の加
工に関しては、Ｃｏのみが脱落するため表面劣化が発生
し、ワイヤ放電加工後にジグ研削工程を必要とした。そ
こで、交流電源を用いて電解作用を抑止する技術や、油
加工液でのワイヤ放電加工が試みられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、前記ワイ
ヤ放電加工にあっては、加工くずの除去がし易いこと
や、加工速度が早いことから一般に液中で放電加工が行
われ、もし気中にてワイヤ放電加工を行おうとすると、
短絡や放電の集中が多く、加工が不安定であったりワイ
ヤが断線し易いために厄介であった。これらの課題を解
決した加工条件を見い出したとしても、液中加工に較べ
て加工速度が遅いことは免れなかった。特に、素材から
最初に形状を切り出すファーストカットの段階では、ワ
イヤ電極が工作物の中に入り込んでいくため、加工くず
の排出が困難で実質的な加工を不可能にしていた。そこ
でやむを得ず、ワイヤ放電加工は液中で行われていた
が、電極消耗や加工面のダメージが比較的大きく、加工
反力も大きいことから、多重加工における仕上げ工程で
あるセカンドカットに適用される場合は、切込み量と放
電エネルギーを徐々に少なくしつつ何度も同一加工面に
対してセカンドカットを行っているのが実情であり、本
来加工速度が早い液中加工の利点を充分に発揮できない
でいた。

【０００７】そこで本発明では、前記従来の放電加工に
おける課題を解決して、結果的に加工時間を短縮できて
加工精度が高く環境に悪影響を与えることのない仕上げ
加工を可能にした気中におけるワイヤ放電加工方法を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、繰出
し制御されるワイヤ電極と工作物との間にて放電が行わ
れるワイヤ放電加工方法において、ファーストカット後
の仕上げ工程であるセカンドカットを大気雰囲気中にお
いて行うことを特徴とするものである。また本発明は、
前記セカンドカットにおける大気雰囲気中に必要最小限
の水のミストを連続で供給することを特徴とするもので
ある。また本発明は、前記セカンドカットにおける大気
雰囲気中にガスを供給することを特徴とするものであ
る。また本発明は、前記いずれかの気中におけるワイヤ
放電加工方法において使用されるワイヤ放電加工装置で
あって、所定の速度にて繰出し制御されるワイヤ電極
と、該ワイヤ電極と近接自在にされた工作物との間に制
御手段により制御された所定の電流値およびパルス値に
て放電を行う電源とを有し、前記ワイヤ電極を少なくと
もその繰出し方向と直交する方向に走査可能に構成した
ことを特徴とするものである。また本発明は、前記ワイ
ヤ電極と工作物との間の放電面に水のミストあるいはガ
スを供給するガス供給手段が設置されたことを特徴とす
るものである。また本発明は、放電加工機の加工槽に圧
電アクチュエータあるいはリニアモータ駆動により制御
される高応答性の加工テーブルを取り付け、該加工テー
ブルに工作物を固定することによって、電極と工作物間
のギャップ制御を行うように構成したことを特徴とする
もので、これらを課題解決のための手段とするものであ
る。

【０００９】以下、本発明におけるワイヤ放電加工方法
およびその装置の第１実施の形態を図面に基づいて説明
する。ワイヤ放電加工でセカンドカットを行い、従来の
液中加工と気中加工の加工精度について比較検討した結
果を以下に述べる。図１は形彫り放電加工における気中
加工の加工原理を示す図で、工具電極には薄肉のパイプ
を使用し、パイプの孔から極間に高速でアシストガスを
噴流させながら、端面でのみ放電を生じさせる。このよ
うな形彫り放電加工の特徴として工具電極消耗が小さい
ことや、加工面のダメージが少ないこと、そして加工反
力が小さいことが挙げられる。

【００１０】ここで加工反力の発生する原因について述
べる。図２に示すような実際の放電加工が行われる電極
と工作物との間の狭い極間において、液中加工では放電
により加工液の気化、解離により気泡が発生する。この
気泡は極間で膨張しようとするが、周囲の加工液の有す
る慣性や粘性の影響により妨げられるため、気泡内の圧
力はきわめて高くなる。その際に加工液にも大きな圧力
が生じる。加工面の一番外側で大気圧とした場合、極間
の半径方向に図のような滑らかな圧力分布をもつことが
考えられる。気泡初期圧力は数千気圧以上とも言われ、
その衝撃力は非常に大きいものと考えられる。このこと
から、電極には比較的大きな加工反力が作用していると
言える。

【００１１】そこで、実際に加工液中で単発放電を生じ
させ、その加工反力を測定した。図３（Ａ）に実験装置
を示す。円板電極の中心に放電が生じるように、工作物
中心に針金を立て放電が生じるように工夫した。測定に
は圧電型力センサを用いた。図３（Ｂ）にこの実験で得
られた加工反力の測定結果と気泡の膨張収縮運動を示
す。横軸は放電時からの時間を、縦軸は加工反力を表し
ている。気泡の内部圧力は、気泡が圧縮された初期状態
で最も大きく、そのときに加工反力もピークを示す。そ
の後、気泡の膨張に伴い加工反力が低下し、気泡の内部
圧力が大気圧より低くなった後に、気泡運動が収縮に転
じ、気泡が圧縮されて再び加工反力のピークが現れる。
液中において加工反力は放電初期で最も大きい。その
後、膨張収縮を繰り返し粘性の影響により減衰してい
る。このように極間が加工液で満たされている液中の単
発放電では比較的大きな反力が生じていることが判っ
た。一方、気中放電では極間に加工液が存在せず、気泡
の運動を考慮する必要がないため、液中の場合と比べ反
力が異なることが考えられる。

【００１２】そこで、気中において同様に単発放電の実
験を行い、その結果を比較したものが図４である。図４
（Ａ）が液中の結果のグラフ、図４（Ｂ）が気中の結果
のグラフである。気中の場合、ほとんど加工反力が生じ
ていないことが判る。これは気中放電においては加工液
の気化や解離による気泡の急激な膨張が生じないため、
反力が低下していると考えられる。これまで説明したよ
うに、単発放電において、気中の場合、液中に比べて加
工反力が小さいことが判った。セカンドカットは仕上げ
加工に用いられるため加工精度は特に重要とされるが、
通常、液中でセカンドカットを行っても、反力の影響で
ワイヤが振動するために真直にすることが困難となって
いる。そこで、加工反力の異なる気中と液中でそれぞれ
セカンドカットを行い、加工形状を比較した。また、加
工特性を比較するため、極間ギャップ、表面粗さ、加工
速度についても調べた。

【００１３】＜加工条件＞一般に多重加工における仕上
げ加工であるセカンドカットを行っても充分に高い真直
度を得ることはかなり難しく、上述したように、ワイヤ
電極の振動のために凹形状や凸形状の形状誤差が生じる
ことが知られている。例えば、サ−ボ電圧が低い場合は
〔図９（Ａ）〕、極間距離が短くなり放電頻度も増加し
比較的大きな反力が働く。したがって、ワイヤ振動の中
立線が工作物と反対方向に大きく湾曲し凸形の切断面が
得られる。また、サ−ボ電圧が高い場合は〔図７〕、極
間距離が長く放電頻度が低いため加工反力が小さい。し
たがって、ワイヤ振動の中立線の湾曲が小さく凹形の切
断面が得られる。そこで、図５（Ａ）に示すような加工
条件で、液中は上下から水を噴流させて加工し、繰り出
されるワイヤ電極１による気中放電加工は大気中で行っ
た。図５（Ｂ）に示すように、工作物２は８０ｍｍの厚
さのものを用い、サ−ボ電圧４０Ｖと８０Ｖの条件に対
し、それぞれ気中と液中で実験を行い切断面の真直度を
比較した。

【００１４】実験方法は、最初に液中でサ−ボ電圧５５
Ｖの条件でファ−ストカットを行い、それ以降のセカン
ドカットのための前加工面を得る。次に、大きい切込み
量（オフセット量：約３５μｍ）にて１回目のセカンド
カットを行い、２回目以降は５μｍの小さめのオフセッ
ト量で合計６回のセカンドカットを繰り返した。真直度
はデジマチックインジケータを用い、加工面と反対側の
面を基準面として板厚方向に形状を計測した。

【００１５】実験結果＜直視観察＞セカンドカットの様子。図６はセカンドカット中の放電の様子を示す写真であ
り、（ａ）の写真は液中加工における放電の様子で、放
電は均一であり、アーク柱も青白く安定して加工されて
いることが判る。（ｂ）の写真は気中における放電の様
子で、液中加工に比べ放電の光が弱いことが判る。ま
た、加工中の音も静かであった。（ｃ）の写真は気中加
工における放電の集中の様子で、これは気中加工におい
て頻繁に見ることができる。また、この放電の集中はワ
イヤの移動と共に下方へと進んでいくことが判る。

【００１６】＜加工精度＞サ−ボ電圧８０Ｖの加工結果
を図７、８に、サ−ボ電圧４０Ｖの加工結果を図９に示
す。サ−ボ電圧８０Ｖで、液中における放電加工の結果
の加工精度については、図７に示すように、横軸は加工
面形状、縦軸は工作物厚さを示し、グラフ中一番左側の
「ファーストカット後」と表示されているものが、ファ
ーストカットを行った後の加工面形状である。次に、
「ワイヤ（３５μｍ）」と表示されたものがセカンドカ
ットでの３５μｍ加工後における工作物側のワイヤ端面
であり、「３５μｍ」と表示されたものがそれに対応す
る加工面形状である。さらに「ワイヤ（５μｍ×６」と
表示されたものが５μｍのオフセット量で６回送った後
のワイヤ端面であり、「５μｍ×６」と表示されたもの
がそれに対応する加工面形状である。液中において凹形
状になるのは、サーボ電圧が高く（８０Ｖ）、極間距離
が長いため放電頻度が低くなり反力が小さく、ワイヤ振
動の中立線の湾曲が小さいためであると考えられる。ま
た、液中セカンドカットにおけるギャップは、ワイヤガ
イドに近い部分の振動が少ないので、そこをギャップと
見做せば４０μｍ程度であることが判る。

【００１７】サ−ボ電圧８０Ｖで、気中における放電加
工の結果の加工精度については、図８に示すように、セ
カンドカットの加工面の真直度が良いことが判る。その
理由として、気中では加工反力が小さいのでワイヤの振
動振幅による影響が少なくなるためと考えられ、セカン
ドカットにおけるギャップは約１０μｍと非常に狭いの
で、短絡が生じやすい課題は残るものの高精度の加工に
向いている。

【００１８】サ−ボ電圧を４０Ｖに下げて、液中におけ
る放電加工の結果の加工精度については、図９（Ａ）に
示すように、セカンドカットで約３５μｍのオフセット
量により加工を行った後、２回目以降は５μｍのオフセ
ット量で合計１０回の加工を行った。液中の場合、セカ
ンドカットを繰り返しても、前述の場合とは逆に凸形状
となり真直にならないことが判る。これは、サーボ電圧
が低く、極間距離が短いため放電頻度が高くなり、比較
的大きな反力が作用して、ワイヤ振動の中立線が工作物
と反対方向に大きく湾曲するために生じるものと考えら
れる。一方、気中における放電加工の場合は、図９
（Ｂ）に示すように、サーボ電圧が変化しても、反力が
小さいため真直度が良いことが判る。

【００１９】このように、サ−ボ電圧４０Ｖの結果の比
較から判るように、液中の場合はセカンドカットを繰り
返しても、凸形状になり真直にならないが、しかし、気
中の場合は反力が小さくワイヤの振動振幅が小さいと考
えられるため、加工面の真直度が非常に良い。また、サ
−ボ電圧８０Ｖの結果でも同様に気中の方が真直度が良
いことが判る。したがって、液中加工では反力の影響が
大きく高精度加工が困難であるが、気中加工の場合は反
力が小さいため加工条件にかかわらず加工精度が良くな
ることがわかった。

【００２０】＜低電流での液中加工＞液中加工におい
て、加工速度を気中の時と同程度まで遅くし、同様の加
工を行った加工結果を図１０に示す。加工速度を遅くす
るためピーク電流を１１０Ａから６０Ａに下げた。加工
速度が遅くなっても、液中加工は凹形状になり、真直に
ならないことが判る。また、ピーク電流を下げてもギャ
ップは約４０μｍと前述のピーク電流１１０Ａでの加工
時と変わらないことが判る。このことからも、気中加工
の方が高精度の加工に向いていることが言える。

【００２１】さらに、オフセット量を５μｍとしたとき
の加工面の表面粗さ、ならびに気中と液中の加工速度の
比について調べた。＜表面粗さ＞加工面の表面粗さの測定結果を図１１に示
す。図１１（Ａ）は液中加工の結果による表面粗さを、
図１１（Ｂ）は気中加工の結果による表面粗さを示し、
この結果により気中加工の方が表面粗さが良好なことが
判る。この原因としては、気中加工の方が周囲に加工液
がなく、ア−ク柱が膨張し太くなりやすいことが考えら
れる。したがって、電流密度が小さくなり放電痕の深さ
が浅くなるため表面粗さも良くなると考えられる。以上
のことから、ワイヤ放電加工の場合、液中でファースト
カットを行った後、セカンドカットにおいて従来の液中
加工を気中に置き換えることで加工精度の向上が図れる
ものと考えられる。

【００２２】＜加工速度＞セカンドカットにおける加工速度図１２にセカンドカット時の加工速度の測定結果を示
す。気中加工の加工時間が液中に比べて長いために、加
工速度が遅くなっていることが判る。これは先に示した
ように気中加工においてはギャップが狭いために短絡が
生じ易く、その短絡を回避することに時間を費やすため
と考えられる。

【００２３】＜放電点の偏在＞放電点検出の原理気中放電加工において頻繁に見ることができる放電集中
がどのように生じているかを調べるために、放電点検出
を行った。測定原理の説明として図１３に放電回路の等
価回路を示す。ワイヤ電極へは給電点Ｑ₁、Ｑ₂を通し
て各々上給電線、下給電線から放電電流が給電される。
給電線に内在する抵抗ｒ_wやインダクタンスＬ_w、なら
びに給電点での接触抵抗ｒ _cは加工中一定であるが、ワ
イヤ電極に内在する上下給電点から放電点までのインピ
ーダンスは放電点の位置に依存して放電毎に変化する。
したがって、この回路の上下を流れる電流値ｉ₁、ｉ₂
の比から、上下給電点から放電点までの距離の比が求め
られる。この回路でｉ₁とｉ₂の差を総電流ｉ ₀で割っ
たものを放電位置の指標ｗとし、これを工作物厚さに合
わせることにより放電位置を求めることができる。

【００２４】＜放電点検出の結果＞放電点分布の測定結
果を図１４に示す。放電回数１万点について検出を行っ
た。横軸は放電回数、縦軸は工作物厚さの指標を表す。
液中では部分的に集中があるものの、ほぼランダムに放
電しているのに対して、気中においては上から下へと放
電集中の移動が生じていることが判る。この集中移動の
原因としては、放電が集中した位置のワイヤの温度が上
昇するが、気中加工では加工液が存在しないために充分
に冷却がなされず、ワイヤの温度が上昇したまま、その
箇所で放電を繰り返し、そこが放電集中としてワイヤの
繰出しとともに下に移動するためと考えられる。

【００２５】＜まとめ＞以上の実験から以下のようなこ
とが判った。・ワイヤ放電加工の場合、液中等でファ−ストカットを
行った後、セカンドカットにおいて気中加工に置き換え
ると、加工反力が非常に小さいため、セカンドカットの
真直度が良好となる。・気中加工では表面粗さも良好である。・気中加工ではワイヤと工作物間のギャップが狭いため
に加工精度が良好となる。・気中加工であるので、残留応力やクラック等の加工変
質が少ない。・気中加工の場合は加工液を用いないため、電解腐食等
が少ない。・気中加工では短絡を回避するため加工速度が遅いが、
仕上げ工程を何度も繰り返さざるを得ない液中加工に対
して加工精度に勝る気中加工の方が結果的に加工時間を
短縮できる。・気中加工の場合は加工液を用いないため、ワイヤ温度
の消沈が行われず放電の集中を起こし易い。

【００２６】次に、気中放電加工面への水のミストおよ
びガスの供給について実験を加えた結果について述べ
る。＜放電エネルギーによる加工精度の変化＞板厚８０ｍｍ
の炭素鋼を、直径２５０μｍの黄銅ワイヤ電極、切込み
５μｍ、サーボ電圧８０Ｖ、ワイヤ張力１１Ｎの条件で
セカンドカットした時の電流値とたわみ量の関係を図１
５（Ａ）に示す。加工面において、ワイヤ軸方向に高さ
が最も高い地点と低い地点との差をたわみ量と定義し
た。加工結果から、液中加工では電流値を下げてもたわ
み量は小さくならず、一方、気中加工では電流値を低下
さていくとたわみ量も少なくなり、真直度が良くなるの
が判る。これは加工反力が小さくなるにしたがいワイヤ
振動も減少していくためと考えられる。

【００２７】＜放電エネルギーと表面粗さ＞前記図１５
（Ａ）と同じ条件でピーク電流を変化させて加工したと
きの加工面での表面粗さの測定結果を図１５（Ｂ）に示
す。この結果から、液中加工より気中加工の方が表面粗
さが良く、気中加工ではピーク電流が低下するとともに
表面粗さが良くなり、一方、液中加工ではピーク電流７
５Ａで表面粗さが最小値をとり、さらに電流値を小さく
すると逆に粗くなってしまう。本来は電流値の低下に伴
い放電痕が浅くなって表面粗さが良くなる筈であるが、
電流値の低下によって加工時間が長くなり、工作物が水
に浸っている時間が長く、表面が錆びついて表面が粗く
なると考えられる。したがって、錆の発生のない気中加
工では放電エネルギーの減少に伴って表面粗さがそのま
ま向上することが理解されよう。

【００２８】＜ミスト加工の試み＞前述したように、気
中加工では短絡や放電の集中が多く、安定した加工を得
るのが難しいという問題点があった。そこで、加工を安
定させるために水をミスト状にして極間に供給した。ミ
スト供給量を少量の１４．４ｍｌ／ｍｉｎ、供給気体圧
力を０．０６ＭＰａ、およびミスト供給量を多量の２
２．６ｍｌ／ｍｉｎ、供給気体圧力を０．１２ＭＰａの
加工条件にて、ミストを断続的に供給した場合と連続的
に供給した場合とを比較した。ミストを断続的に供給し
た場合は加工が不安定であった。これはミストの途絶え
によって気中加工に近い状態となりギャップが狭く短絡
が発生し、ミスト供給の再開の瞬間に加工反力が大きく
なってワイヤ振動が一時的に増大し加工面に筋が入るた
めと考えられる。したがって、ミストを連続的に供給し
て加工を行うことにより、短絡も殆ど発生せず、安定し
た加工が行えることが判った。

【００２９】ミスト加工における加工精度を気中加工や
液中加工と比較した結果を図１６に示す。横軸は加工面
形状、縦軸は工作物厚さを示す。ファーストカット後の
加工面形状、３５μｍの切込みで加工する際の工作物側
のワイヤ端面、それに対応する加工後の加工面形状を記
した。また、５μｍのオフセット量で６回送った後のワ
イヤ端面、ならびにそれに対応する加工面形状も記し
た。図１６（Ａ）は液中加工、図１６（Ｂ）は気中加
工、図１６（Ｃ）および図１６（Ｄ）はそれぞれ少量ミ
スト供給および多量ミスト供給の場合のミスト加工の結
果である。ピーク電流を１１０Ａ、ミスト供給ノズルを
ワイヤから約３０ｃｍ離して設置し、その他の条件を前
述の実験と同じとした。この結果から、ミスト加工で
は、ミストの供給量が少ないときは液中加工と気中加工
の中間程度の真直度であるが、ミストの供給量が多くな
ると液中加工より真直度が低下する。また、ギャップは
約４９μｍと液中加工とほぼ同じであることが判る。し
たがって、ミストの供給により真直度は気中加工より低
下し、ミスト供給量の増大とともに液中加工と同程度と
なり、場合によっては、液中加工より真直度が低下する
こともあることが判った。

【００３０】＜加工速度について＞図１７は、各条件下
での加工速度についての実験結果で、切込みが５μｍの
ときのデータで、気中加工の加工速度が最も遅いことが
判る。これは、気中加工のギャップが狭いために短絡が
生じ易く、その短絡を回避するために時間を費やすため
と考えられる。それに対して、ミスト加工では液中加工
と同じ程度の加工速度が得られることが判った。以上の
ことから、ミスト供給によって加工安定性と加工速度は
気中加工より向上するものの、供給量を多くするにした
がい、ギャップが増大すると同時に真直度が低下し、加
工精度が液中加工と同程度になってしまうので、ミスト
供給を必要最小限に最適化して連続で供給することによ
り、液中加工と気中加工の特長の両立が可能であること
が判る。

【００３１】＜ガスの供給について＞加工速度を向上さ
せるには、工作物と反応を生じるような気体、例えば鋼
等の工作物に酸素等を供給すれば効果があることが判っ
ている。これを実証するために図１８に示す諸条件にて
以下の実験を行った。ワイヤ放電加工と形態は異なるが
図１のようにパイプ状の電極から圧縮空気を噴流させ、
パイプ状電極の端面と平板状工作物との間で放電を生じ
させ、パイプ状電極を走査させることにより、形彫り加
工をした場合の加工速度を調べた。図１８はその結果を
示すもので、供給ガスとして酸素を用いた場合は空気を
用いた場合よりも加工速度が大きいことが判る。

【００３２】前述したように、気中加工では放電の集中
の多発あるいは酸化反応によりワイヤが断線し易く、ま
た、工作物の切断面の酸化や汚染防止のため、加工面に
窒素ガスやアルゴン等の不活性ガスを用いることも考慮
される。特に、最終仕上げや高精度加工等では加工速度
はさして重要でなく、加工速度を犠牲にしても不活性雰
囲気中で加工することにより、例えば、腕時計の微細歯
車用金型、半導体リードフレーム打抜き型等のワイヤ放
電加工では、２０〜５０μｍの極細ワイヤを用いて複雑
で微細な形状を加工することが可能となる。また逆に、
気体との反応によって表面改質を行う場合は、工作物と
反応を生じる適当なガスを用いればよい。ガスやミスト
の供給については、ガスやミストの供給によってワイヤ
の振動を引き起こし加工精度の低下をもたらすことのな
いように流量あるいは供給量を適正に制御する必要があ
る。

【００３３】従来のワイヤ放電加工機の上下ワイヤガイ
ドには図１９のように、加工液を噴出させるためのノズ
ルが組み込まれているので、該ノズルをそのまま利用し
て加工液に代えてガスあるいはミストを供給すればよ
い。この場合、発生する加工屑を吹き飛ばす作用も有
し、加工屑がワイヤガイド上に堆積したり、ワイヤガイ
ドの孔に詰まってワイヤが断線することもなく、加工精
度の低下を招くことがない。また、ガスの供給は外部に
置かれたノズルから加工隙間めがけてガスを噴流させる
方法も有効である。あるいは、工作物とワイヤごと密閉
された容器内に閉じ込めて大気と遮断し、容器内に必要
なガスを供給して加工を行う方法も考えられる。

【００３４】＜ワイヤ電極について＞気中加工では放電
の集中の多発あるいは酸化反応によりワイヤが断線し易
いので、温度上昇に対しても引張り強さの低下の少ない
材質のものを用いる必要がある。ガスが反応性のガスの
場合は、ガスとワイヤ材料とが反応して温度が上昇し易
く、ガスとの間で反応が生じにくい材料を選定しなけら
ばならない。＜熱変形について＞気中加工をファーストカットに適用
することは難しいので、ファーストカットは液中で行
い、その後に加工液の供給を停止して気中セカンドカッ
ト加工を行わねばならない。したがって、ファーストカ
ット時とセカンドカット時で、加工機のテーブルやアー
ム、ワイヤガイド部、ジグ、工作物等の熱的境界条件が
変動するので、それらの熱変形が問題となり、ファース
トカット時の加工液の水温と、セカンドカット時のガス
温度を同じにする等の熱変形防止対策が必要となる。ま
た、ワイヤ放電加工ではワイヤへ放電電流を供給するた
めの上下給電子での接触抵抗に起因する発熱がある。そ
のために液中加工では加工液によって給電部を冷却して
いるが、気中加工においても冷却を考慮する必要があ
る。

【００３５】＜送り制御について＞気中加工は液中加工
に比べてギャップが狭く、工作物とワイヤとの短絡が生
じ易い。一般にワイヤ放電加工では、工作物とワイヤと
の短絡が検出されると、これを回避するためにワイヤの
送りが後退する制御が働く。しかし、現状の加工機は液
中加工用に作られているため、短絡回避動作の応答周波
数は液中加工で必要充分な値に設計されている。したが
って、現状の加工機で気中加工を行うと短絡を充分に回
避できず、しかも短絡の回避動作に時間を取られるため
実質的に放電が生じている時間の割合が少ない。これが
気中加工の加工速度が液中加工より小さい主な理由であ
る。

【００３６】ワイヤ放電加工の形態とは異なるが、図２
０に示す諸条件にて以下の実験を行った。図１のように
パイプ状の電極から圧縮空気を噴流させ、パイプ状電極
の端面と平板状工作物との間で放電を生じさせ、パイプ
状の電極を走査させて形彫り加工をした場合の加工速度
を調べた。図２０はその結果を示すもので、気中加工の
加工速度が液中加工に比べて１／１０程度であることが
判る。

【００３７】そこで、短絡率を液中加工と気中加工で比
較した。その結果、図２１に示すように、気中加工は液
中加工に比べて短絡の頻度がきわめて高いことが判っ
た。次に、放電加工機の加工槽に圧電アクチュエータを
利用した高応答性の加工テーブルを取り付け、該加工テ
ーブルに工作物を固定することによって、ギャップの微
妙な制御を応答性良く行えるようにした。かくすること
によって、放電加工機の本来の電極送り制御系は、圧電
アクチュエータが有効ストローク範囲内で作動できるよ
うにパイプ状電極の位置を大まかに制御するだけの働き
をすればよく、これにより、ギャップ制御の周波数応答
は数十Ｈｚから１ＫＨｚに高くでき、短絡率の減少に効
果があった。その結果、図２２に示すように、気中加工
の加工速度が飛躍的に改善され、液中加工に匹敵する加
工速度が得られた。なお、周波数応答性の向上は、圧電
アクチュエータに代えて従来の工作機械におけるボール
ねじを用いた送り軸を、リニアモータ駆動による送り機
構に置き換えても可能である。

【００３８】以上本発明の実施の形態を説明してきた
が、本発明の趣旨の範囲内で、ファーストカットの加工
形態、気中放電加工が行われるセカンドカットにおける
大気雰囲気の形態、大気雰囲気中への水のミストあるい
はガス（酸素や不活性ガス）の供給形態、ワイヤ電極の
繰出し制御形態、電源による放電電流値およびパルス
値、ワイヤ電極の走査形態等については適宜選定できる
ものである。

【００３９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は繰
出し制御されるワイヤ電極と工作物との間にて放電が行
われるワイヤ放電加工方法において、ファーストカット
後の仕上げ工程であるセカンドカットを大気雰囲気中に
おいて行うことにより、電極消耗に煩わされることもな
く、加工変質層を少なくできるワイヤ放電加工の利点を
生かしつつ、加工反力が液中に比べてきわめて小さいこ
とによって加工面の真直度が良好となり、しかもギャッ
プが液中に比べて狭いことによって、同じ直径のワイヤ
を用いたとしても、より微細で複雑な形状が加工可能と
なり、工作物前面が開放されたセカンドカットにおける
好条件を活用して簡便な加工くずの除去と冷却を施しつ
つ、ア−ク柱の膨張に伴う電流密度の低下による放電痕
の浅化で表面粗さが向上した加工が行われて高精度の加
工が促進される。しかも、加工液を用いないため工作物
に電解腐食が生じる心配がなく加工を行えて、しかも環
境に優しい。

【００４０】また、前記セカンドカットにおける大気雰
囲気中に必要最小限の水のミストを連続して供給する場
合は、気中のみの加工の場合に比較して加工不安定性や
ワイヤ断線の危険性を解消して、必要最小限の水の供給
により加工速度を向上させることができる。さらに、前
記セカンドカットにおける大気雰囲気中にガスを供給す
る場合は、ガスとして酸素等を用いると鋼の加工の場合
では加工速度が向上し、残留応力やクラック等が含まれ
た加工変質層が薄くできるし、アルゴン等の不活性ガス
を用いることで酸化反応による電極ワイヤの断線を防止
できるとともに、加工速度は遅いが酸化等の影響の少な
い高品位な仕上げ面が得られることになる。さらにま
た、放電加工機の加工槽に圧電アクチュエータあるいは
リニアモータ駆動により制御される高応答性の加工テー
ブルを取り付け、該加工テーブルに工作物を固定するこ
とによって、電極と工作物間のギャップ制御を行うよう
に構成した場合は、放電加工機の本来の電極送り制御系
を、圧電アクチュエータが有効ストローク範囲内で作動
できるようにパイプ状電極の位置を大まかに制御させる
だけでよく、これにより、ギャップ制御の周波数応答を
高くして短絡率を減少させ、気中加工の加工速度を飛躍
的に改善することができる。かくして、本発明によれ
ば、結果的に加工時間を短縮できて加工精度が高く環境
に悪影響を与えることのない仕上げ加工を可能にした気
中におけるワイヤ放電加工方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】形彫り放電加工における気中加工の加工原理を
示す図である。

【図２】液中加工における解析モデルとその圧力分布を
示す図である。

【図３】加工反力を測定する実験装置と実験で得られた
加工反力の測定結果と気泡の膨張収縮運動を示す図であ
る。

【図４】加工反力の時間変化図である。

【図５】加工条件と工作物形状を示す図である。

【図６】セカンドカット中の放電の様子を示す写真であ
る。

【図７】液中加工によるセカンドカットの真直精度図で
ある。

【図８】気中加工によるセカンドカットの真直精度図で
ある。

【図９】低電圧時の液中および気中加工によるセカンド
カットの真直精度図である。

【図１０】低電流時の液中加工によるセカンドカットの
真直精度図である。

【図１１】液中および気中加工による表面粗さ図であ
る。

【図１２】液中および気中加工による加工速度図であ
る。

【図１３】放電回路の等価回路を示す図である。

【図１４】放電点分布の測定結果図である。

【図１５】ピーク電流とたわみ量あるいは表面粗さとの
関係図である。

【図１６】ミスト加工と液中および気中加工との真直精
度の比較図である。

【図１７】ミスト加工と液中および気中加工との加工速
度の比較図である。

【図１８】酸素加工と空気および液中加工との加工速度
の比較図である。

【図１９】電極部の拡大図である。

【図２０】気中と液中の加工速度の比較図である。

【図２１】液中および気中加工による短絡率の比較図で
ある。

【図２２】向上した気中加工による加工速度図である。

【符号の説明】

１ワイヤ電極２工作物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】繰出し制御されるワイヤ電極と工作物と
の間にて放電が行われるワイヤ放電加工方法において、
ファーストカット後の仕上げ工程であるセカンドカット
を大気雰囲気中において行うことを特徴とする気中にお
けるワイヤ放電加工方法。
【請求項２】前記セカンドカットにおける大気雰囲気
中に必要最小限の水のミストを連続で供給することを特
徴とする請求項１に記載の気中におけるワイヤ放電加工
方法。
【請求項３】前記セカンドカットにおける大気雰囲気
中にガスを供給することを特徴とする請求項１に記載の
気中におけるワイヤ放電加工方法。
【請求項４】前記請求項１ないし３のいずれかの気中
におけるワイヤ放電加工方法において使用されるワイヤ
放電加工装置であって、所定の速度にて繰出し制御され
るワイヤ電極と、該ワイヤ電極と近接自在にされた工作
物との間に制御手段により制御された所定の電流値およ
びパルス値にて放電を行う電源とを有し、前記ワイヤ電
極を少なくともその繰出し方向と直交する方向に走査可
能に構成したことを特徴とするワイヤ放電加工装置。
【請求項５】前記ワイヤ電極と工作物との間の放電面
に水のミストあるいはガスを供給するガス供給手段が設
置されたことを特徴とする請求項４に記載されたワイヤ
放電加工装置。
【請求項６】放電加工機の加工槽に圧電アクチュエー
タあるいはリニアモータ駆動により制御される高応答性
の加工テーブルを取り付け、該加工テーブルに工作物を
固定することによって、電極と工作物間のギャップ制御
を行うように構成したことを特徴とする請求項４または
５に記載されたワイヤ放電加工装置。