JP2004106135A - マイクロ形状加工方法およびその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のマイクロ形状加工方法は、加工液をワークの加工部に供給し、電圧が印加された工具電極により前記ワークに放電加工を施す第1の工程と、前記工具電極と前記ワークとの間でイオン化した加工液を介して通電させることにより前記ワークに電解加工を施す第2の工程とを切り替えて前記ワークを処理することを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、穴径が20μm程度の液体噴射用ノズルや穴径が数μm程度の電子ビームアパーチャなどのミクロン単位の形状を高精度に加工する方法とその装置に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
【特許文献1】
特開2000−61839号公報
【0003】
放電エネルギーを10−7J程度まで微小化したマイクロパルス放電によってワークを少しずつ処理していくマイクロ放電加工では、ワークの加工面が微小なクレータの集積した面になり、光学鏡面(表面粗さが例えば10ナノm以下)とは言えない。また、加工表面は放電によるジュール熱によって溶融して再凝固した面になっており、放電時に生じる工具側の金属や加工液に油を使った場合には炭化物が加工表面に取り込まれるようになる。このようにマイクロ放電加工では不純物が含まれた加工面となるため、アパーチャとして用いる場合には不都合を生じることもある。
【0004】
そこで、本発明の目的は、マイクロ寸法に加工されたワークの加工面が不純物を含まない光学鏡面状になるようなマイクロ形状加工方法、および、その装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明のマイクロ形状加工方法は、加工液をワークの加工部に供給し、電圧が印加された工具電極により前記ワークに放電加工を施す第1の工程と、前記工具電極と前記ワークとの間でイオン化した加工液を介して通電させることにより前記ワークに電解加工を施す第2の工程とを切り替えて前記ワークを処理することを特徴とするものである。
【0006】
本発明のマイクロ形状加工方法において、前記加工液は脱イオン水であってもよい。
【0007】
また、本発明のマイクロ形状加工方法において、前記第1の工程と前記第2の工程との切り替えは、前記工具電極と前記ワークとの間隔および前記工具電極に印加される電圧値を変化させることによって行なわれてもよい。
【0008】
さらに、本発明のマイクロ形状加工方法において、前記放電加工と前記電解加工との切り替えは、前記工具電極に印加するパルス状電圧のオン時間を変化させることによって行なわれてもよい。この場合、前記パルス状電圧のオン時間は、前記放電加工時には300ナノ秒未満に設定され、前記電解加工時には300ナノ秒以上に設定されてもよい。
【0009】
本発明のマイクロ形状加工装置は、工具電極とワークとを相対的に移動させる移動手段と、前記ワークの加工部に加工液を供給する加工液供給手段と、前記工具電極と前記ワークとの間にパルス状放電電流を発生させる直流電源と、前記工具電極で前記ワークに放電加工を施す第1の工程と、前記工具電極と前記ワークとの間でイオン化した加工液を介して通電させることにより前記ワークに電解加工を施す第2の工程とを切り替える制御部と、を備えたものである。
【0010】
また、本発明の別の態様のマイクロ形状加工装置は、工具電極とワークとを相対的に移動させる移動手段と、前記工具電極による前記ワークの加工部に加工液を供給する加工液供給手段と、前記工具電極と前記ワークとの間にパルス状放電電流を発生させる直流電源と、前記放電電流の状態を検出する検出器と、前記工具電極と前記ワークの加工面との間隔を設定する駆動部と、前記検出器の検出結果に基づいて前記工具電極と前記ワークの加工面との間隔を変化させる前記駆動部を制御するとともに前記放電電源の電圧値を変化させる制御部と、を備えたものである。
【0011】
また、本発明のさらに別の態様のマイクロ形状加工装置は、工具電極とワークとを相対的に移動させる移動手段と、前記工具電極による前記ワークの加工部に加工液を供給する加工液供給手段と、前記工具電極と前記ワークとの間にパルス状放電電流を発生させる直流電源と、前記放電電流の状態を検出する検出器と、前記検出器の検出結果に基づいて前記放電電源により前記工具電極に印加されるパルス状電圧のオン時間を変化させる制御部と、を備えたものである。
この装置において、前記パルス状電圧のオン時間は、前記放電加工時には300ナノ秒未満に設定され、前記電解加工時には300ナノ秒以上に設定されてもよい。
【0012】
さらに、本発明のマイクロ形状加工装置において、前記加工液は脱イオン水であってもよい。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第一実施形態であるマイクロ形状加工装置10の概略構成図である。マイクロ形状加工装置10は、地面または床に載置されるベース12と、ベース12上に垂直に立設された支持部14とを備えている。
【0014】
また、支持部14の側部にはZ軸機構部16が設けられており、このZ軸機構部16には工具取り付け部18が固定されている。さらに、工具取り付け部18の下部には工具電極20が取り付けられている。Z軸機構部16は工具取り付け部18を上下方向に移動させることができ、これにより工具電極20とワークWとの間隔を任意に設定できるようになっている。
【0015】
また、ベース12上にはXYテーブル22が配置されており、このXYテーブル22上には駆動部24が配置されている。この駆動部24上には、工具電極20に対向してワークWが固定されている。XYテーブル22は、駆動部24を水平方向に移動させることができ、これにより水平方向において工具電極20に対するワークWの位置決めができるようになっている。さらに、駆動部24はワークWを上下方向に微小距離だけ迅速に移動させることができ、これにより工具電極20とワークWの加工面との間隔を瞬時に変更して設定できるようになっている。
【0016】
また、工具電極20の近傍にはノズル25が配置されており、このノズル25は脱イオン水供給源26に接続されている。脱イオン水供給源26から供給された加工液としての脱イオン水は、ノズル25の先端から噴出されて、工具電極20によるワークWの加工部に供給されるようになっている。
【0017】
また、マイクロ形状加工装置10は直流電源30を備えており、この直流電源30は工具電極20とワークWとの間にパルス状放電電流を発生させるためのものである。さらに、直流電源30は、抵抗32およびコンデンサ34からなるRC回路を介して工具電極20とワークWとにそれぞれ電気的に接続されている。前記RC回路には検出器36が取り付けられており、工具電極20とワークW間に発生する放電電流の状態を検出できる仕組みになっている。また、検出器36は制御部38に電気的に接続されており、制御部38は検出器36による検出結果に基づいて駆動部24および直流電源30をそれぞれ制御するようになっている。
【0018】
次に、上記構成からなるマイクロ形状加工装置10において例えば穴加工する場合の動作について説明する。
Z軸機構部16を駆動して工具電極20をワークWに接近させるとともに、ノズル25から脱イオン水を噴出してワーク表面に流しながら、直流電源30により例えば100ボルトの電圧を工具電極20に印加する。工具電極20が脱イオン水の絶縁破壊する距離、例えば3μmの距離までワークWに近づくと、抵抗32を介して直流電源30から供給される電流によってコンデンサ34に充電された電荷が、工具電極20とワークW間に極めて短時間の放電電流をパルス状に発生させる。これにより発生する放電エネルギーがワークWの表面でジュール熱として吸収されて、ワークWの表面が微小領域で溶融蒸発する。その結果、立方ミクロンオーダの除去加工が起き、加工部の表面は図2(a)に示すようにクレータ状に形成される。このクレータ状の表面は微小凹凸が最小でも0.1μm程度ある。
【0019】
放電加工の加工部において一旦溶融した表面が再凝固する際に、雰囲気に存在する様々な物質を化学的および物理的に含むことになるが、一方でその表面はワーク素材である金属が露出した状態になっている。すなわち、加工面には酸化物等の不導体膜が形成されていないため、化学的に活性な状態にある。また、加工液として供給されて工具電極20とワークWとの間に存在している脱イオン水は、放電による衝撃的な熱分解によって自ら酸素、水素およびOHのイオンに分解される。その結果、そのようにイオン化した脱イオン水を介して工具電極20とワークWの両極間に電流が流れることで電解加工が可能な状態になる。しかし、工具電極20とワークWの加工面との間隔および工具電極20に印加される電圧が不変であれば放電加工が主体として発生することになる。
【0020】
そこで、図3に示すように、Z軸機構部16により工具電極20のZ位置を下げてきて放電加工を進めてきた後の所定のタイミングで、制御部38は放電加工から電解加工に切り替える制御を行う。具体的には、制御部38は、Z軸機構部16による工具電極20の下方への送り込みを停止する一方で、工具電極20とワーク加工面との間隔を絶縁破壊まで至らずに放電が生じない程度の距離(例えば5μm程度)に広げるためにワークWの位置を瞬時に下げるように駆動部24を制御するとともに、工具電極20とワークW間に印加される電圧を絶縁破壊による放電が生じることなくかつ電解加工が進む程度の電圧値(例えば5ボルト)に下げるように直流電源30を制御する。
【0021】
放電加工から電解加工に切り替える所定のタイミングは、検出器36の検出結果に基づいて決められる。ここで検出結果とは、例えば、放電発生密度が閾値を越えたときであってもよいし、または、放電回数が所定数に達したときであってもよい。
【0022】
電解加工時には、ワークWの加工面から素材である金属がイオン化して溶け出る。特に、金属の溶出は工具電極20に近い部分すなわち加工表面の微小突起の先端から始まるため、これにより放電加工によって生じた加工表面の凹凸が徐々に小さくなって図2(b)に示すように加工表面が光学鏡面状になる。また、このときに放電加工時に加工表面の再凝固によって含まれることとなったワーク素材以外の不純物も除去される。さらに、電解加工は化学的除去加工であるため、加工表面に加工応力を残さないという利点もある。
【0023】
電解加工では電流によって単位時間当たりの除去量を制御することができるが、電解加工による除去が進行するにしたがって、加工表面に不導体膜が次第に形成され、工具電極20とワークW間に流れる電流が次第に低下し、やがては電流が流れなくなって(すなわち極間電流が0)電解加工が停止してしまう。この電流が流れなくなった状態を検出器38で検出したとき、制御部38は電解加工から放電加工へと切り替える。具体的には、工具電極20とワークWの加工面との間隔を絶縁破壊による放電が生じる程度の距離(例えば3μm)にするためにワークWを上昇させるように駆動部24を制御するとともに、工具電極20およびワークW間に印加される電圧を例えば100ボルトの放電電圧値に変更するように直流電源30を制御する。
【0024】
これにより、放電加工状態に切り替わり、電解加工時に加工表面に形成された不導体膜も溶融除去されるとともに、Z軸機構部16により工具電極20を下方に送り込むことによって加工を進行させることができる。
【0025】
その後は、上述したのと同様に所定のタイミングで電解加工に切り替える。このとき、前回の放電加工時に加工表面の不導体膜が既に除去されているため、電解加工が可能な状態になっている。
【0026】
このように、放電加工と電解加工とを交互に繰り返し、最後は電解加工によって加工工程を終了する。最後に電解加工を行なうことによって、加工表面は放電加工時に形成された微小凹凸が除去されて光学鏡面状になる。また、最後の電解加工では、検出器36によって検出される電流の状態に基づいて、加工表面に不導体膜が形成される前に加工を終了する。これにより、加工表面は不純物を含まない光学鏡面状に仕上げられる。
【0027】
なお、本実施形態では放電電流の状態を検出する検出器38の検出結果に基づいて放電加工と電解加工との切り替えを制御するようにしたが、これに限定されるものではなく、例えば加工時間や加工深さをパラメータとして切り替えを行なってもよい。
【0028】
このように本実施形態のマイクロ形状加工装置10によれば、電解加工を放電電流の状態(または加工時間等)によって制御しつつ放電加工と電解加工とを交互に切り替えることにより、不純物のない光学鏡面状の加工表面となるマイクロ形状加工が可能になる。
【0029】
次に、図4,5を参照して第2実施形態のマイクロ形状加工装置11について説明する。この装置11は、上述した第1実施形態のマイクロ形状加工装置10とほぼ同様の構成を有しており、異なる構成としては工具電極20に対してワークWを瞬時に上下移動させる駆動部24が存在せず、XYテーブル22上にワークWが直に固定されている。
【0030】
続いて、上記マイクロ形状加工装置11の加工動作について説明する。
第1実施形態の装置10における放電加工と電解加工との切り替えは、工具電極20とワークWとの間隔および両極間に印加する電圧値を変えることによって行なったが、上記マイクロ形状加工装置11では工具電極20とワークW間に印加するパルス状電圧のオン時間を変えることによって行なう。
【0031】
本願発明者らは、次のことを見出すに至った。電解加工時の電解作用はイオンの移動によって生じるものであり、工具電極20とワークWの両極間の距離をイオンが移動するのに十分な時間だけ通電されていなければ電解加工は生じない。マイクロ放電加工においては両極間の距離は数μm程度であり、電圧差は100ボルト前後であるため、この場合には電圧印加時間が300ナノ秒以上でなれば十分な電解が生じない。このことを利用して第2実施形態のマイクロ形状加工装置11では、工具電極20に印加するパルス状電圧のオン時間を300ナノ秒未満に設定するか、または、300ナノ秒以上に設定するかによって、放電加工と電解加工とを切り替えるようにしたものである。
【0032】
図5のチャートは、制御部38による加工動作の制御の一例を示すものである。この例では、工具電極20のZ位置を一定速度で下降させるようにZ軸機構部16を駆動制御する。この状態で、まず、工具電極20にはオン時間が300ナノ未満の複数のパルス状電圧V1をナノ秒オーダの時間間隔をもって印加する。これにより、工具電極20とワークWの間隔が数μmになったときに両極間に放電が生じて放電加工が行なわれる。
【0033】
その後、制御部38は、所定のタイミングで、放電加工から電解加工に切り替える。ここでの「所定のタイミング」は、第1実施形態のマイクロ形状加工装置10と同様である。
【0034】
電解加工時には、オン時間が300ナノ秒以上のパルス状電圧V2が工具電極20に印加され、これにより電解加工が進行する。なお、電解加工時のパルス状電圧V2の電圧値は放電加工時のパルス状電圧V1の電圧値と同一であり、かつ、工具電極20とワークWとの間隔は広げられていないため、パルス状電圧V2の印加時初期には両極間に放電が発生することになるが、その後は電解加工が進行することになる。
【0035】
上述したように電解加工が進むにつれて、加工表面に不導体膜が形成されてゆき、やがては両極間に電流が流れなくなり(すなわち極間電流が0)、電解加工が停止する。そのとき、電解加工をさらに継続する場合には、300ナノ秒以上のパルス状電圧V2を再度印加する。これにより、印加時初期の放電によって加工表面の不導体膜が除去されて両極間が通電可能になり、電解加工が進行することになる。この電解加工によって放電加工時に加工表面に生成された微量凹凸および不純物が除去されて、加工表面が汚染のない光学鏡面状になる。
【0036】
このように300ナノ秒以上のパルス状電圧V2を1つまたは複数印加して電解加工を行なった後、加工表面での不導体膜形成により電解加工が進行しなくなったとき、電解加工から放電加工に切り替える。この放電加工時には、上述したように300ナノ秒未満の複数のパルス状電圧V1をナノ秒オーダの時間間隔をもって印加する。この放電加工により最終加工部である貫通穴部などのマイクロ形状を高精度に加工することができる。
【0037】
なお、上記各実施形態では、放電加工と電解加工とを複数回切り替えるように制御したが、大部分を放電加工で加工した後、最終段階で電解加工に切り替えて仕上げを行なってもよい。
【0038】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のマイクロ形状加工方法およびその装置によれば、放電加工と電解加工とを切り替えながら行なうことにより、放電加工による加工表面の微小凹凸と不純物を電解加工で改善する一方、電解加工による加工表面の不導体膜の除去を放電加工で行なうことができ、このように両者の利点を生かすことでマイクロ形状加工おいて汚染のない光学鏡面状の加工表面を実現することができる。
【0039】
また、放電加工から切り替えられる電解加工を制御しつつ行なうことにより、高精度のマイクロ形状加工が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態のマイクロ形状加工装置の概略構成図。
【図2】(a)は放電加工時の加工表面性状を示し、(b)は電解加工時の加工表面性状を示す図。
【図3】第1実施形態のマイクロ形状加工装置における加工動作の一例を示すチャート。
【図4】第2実施形態のマイクロ形状加工装置の概略構成図。
【図5】第2実施形態のマイクロ形状加工装置における加工動作の一例を示すチャート。
【符号の説明】
10,11…マイクロ形状加工装置、12…ベース、14…支持部、16…Z軸機構部、18…工具取り付け部、20…工具電極、22…XYテーブル、24…駆動部、25…ノズル、26…脱イオン水供給源、30…直流電源、32…抵抗、34…コンデンサ、36…検出器、38…制御部、W…ワーク。
Claims (10)
- 加工液をワークの加工部に供給し、電圧が印加された工具電極により前記ワークに放電加工を施す第1の工程と、前記工具電極と前記ワークとの間でイオン化した加工液を介して通電させることにより前記ワークに電解加工を施す第2の工程とを切り替えて前記ワークを処理することを特徴とするマイクロ形状加工方法。
- 前記加工液は脱イオン水であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ形状加工方法。
- 前記第1の工程と前記第2の工程との切り替えは、前記工具電極と前記ワークとの間隔および前記工具電極に印加される電圧値を変化させることによって行なわれることを特徴とする請求項1または2に記載のマイクロ形状加工方法。
- 前記放電加工と前記電解加工との切り替えは、前記工具電極に印加するパルス状電圧のオン時間を変化させることによって行なわれることを特徴とする請求項1または2に記載のマイクロ形状加工方法。
- 前記パルス状電圧のオン時間は、前記放電加工時には300ナノ秒未満に設定され、前記電解加工時には300ナノ秒以上に設定されることを特徴とする請求項4に記載のマイクロ形状加工方法。
- 工具電極とワークとを相対的に移動させる移動手段と、前記ワークの加工部に加工液を供給する加工液供給手段と、前記工具電極と前記ワークとの間にパルス状放電電流を発生させる直流電源と、前記工具電極で前記ワークに放電加工を施す第1の工程と、前記工具電極と前記ワークとの間でイオン化した加工液を介して通電させることにより前記ワークに電解加工を施す第2の工程とを切り替える制御部と、を備えたことを特徴とするマイクロ形状加工装置。
- 工具電極とワークとを相対的に移動させる移動手段と、前記工具電極による前記ワークの加工部に加工液を供給する加工液供給手段と、前記工具電極と前記ワークとの間にパルス状放電電流を発生させる直流電源と、前記放電電流の状態を検出する検出器と、前記工具電極と前記ワークの加工面との間隔を設定する駆動部と、前記検出器の検出結果に基づいて前記工具電極と前記ワークの加工面との間隔を変化させる前記駆動部を制御するとともに前記放電電源の電圧値を変化させる制御部と、を備えたことを特徴とするマイクロ形状加工装置。
- 工具電極とワークとを相対的に移動させる移動手段と、前記工具電極による前記ワークの加工部に加工液を供給する加工液供給手段と、前記工具電極と前記ワークとの間にパルス状放電電流を発生させる直流電源と、前記放電電流の状態を検出する検出器と、前記検出器の検出結果に基づいて前記放電電源により前記工具電極に印加されるパルス状電圧のオン時間を変化させる制御部と、を備えたことを特徴とするマイクロ形状加工装置。
- 前記パルス状電圧のオン時間は、前記放電加工時には300ナノ秒未満に設定され、前記電解加工時には300ナノ秒以上に設定されることを特徴とする請求項8に記載のマイクロ形状加工装置。
- 前記加工液は脱イオン水であることを特徴とする請求項6ないし9のいずれかに記載のマイクロ形状加工装置。
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