JP2005329498A - 放電加工電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電極とワークとの極間に高電圧のパルスを供給せず短いパルス幅のパルスを供給することによりワークの面粗度を向上させた加工を可能とする。
【解決手段】 電極１とワーク２との極間にパルス電圧を印加して放電加工する放電加工電源装置において、直流電圧を供給する電源Ｖ１と、陽極が電極に接続され陰極がＶ１の陰極に接続され、Ｖ１に並列接続された第１スイッチング素子Ｓ１と、Ｖ１の陽極とＳ１の陽極との間に存在する線路インダクタンスＬＩＮＥと、Ｓ１の陰極とワーク２との間に直列接続され、電源Ｖ１の直流電圧を昇圧変換したパルス電圧を電極１とワーク２との極間に印加して極間を通った放電電流を放電加工電源装置の浮遊容量Ｃｆに充電し、充電した電荷を放電する第２スイッチング素子Ｓ２と、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のオンオフを制御する制御回路とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は放電加工電源装置に関し、特に微細加工に適した放電加工電源装置に関する。

一般に放電加工装置は、電極とワークとの極間に直流高電圧を連続的に印加するか、高電圧のパルスを周期的に印加し、これら電極とワークとの極間のギャップに放電を誘発する放電誘発と絶縁破壊させてワークを加工する放電加工とに両用されるパルス発生電源を有する。絶縁破壊により放電が開始すると、加工屑が溜まり短絡状態となるので、これを防止すべく電極とワーク間に電圧を印加しない休止時間を設けている。

放電加工では、一般に荒加工後、仕上げ加工が行われ、ワークの面粗度を上げている。面粗度と放電加工用パルスとの関係について、特許文献１には、ワークの面粗度は放電加工時のパルスの印加時間（パルス幅）ＰＷ（＝τ_ON）と放電電流Ｉの積に依存して粗くなるので、ワークの面粗度を向上させるにはパルス幅ＰＷまたは放電電流Ｉを小さくすればよいことが開示されている。

特開昭５８−２８０５４号公報（明細書の第２頁、第３〜５行、第７頁、表１および図面の図１参照）。

特許文献１に記載されているように、ワークの面粗度を向上させるため、パルス幅ＰＷを小さくする場合、電極とワークとの極間にパルス電圧を周期的に印加するよう電源と電極またはワークとの極間に配置されたスイッチング素子は、そのオン時間がパルス幅となるため、スイッチング素子の応答時間より短いパルス幅のパルスを生成できず、素子の高速応答特性には製造限界があるので、パルス幅ＰＷを小さくするにも限界がある。
また、従来技術による放電加工装置は、大容量の放電加工専用電源のみで放電誘発も行うものと、放電加工専用電源の他に小容量の放電誘発用電源を備えたものとがある。電源は、放電を誘発し絶縁破壊させるため、加工条件に応じて、低電圧のものでは７０Ｖ、高電圧のものでは１００〜３００Ｖの直流電圧が要求される。すなわち、従来技術による放電加工装置は、高い電圧のパルスを供給する特殊な電源を必要としコスト高になるという問題がある。

本発明は上記問題を解決するため、特に仕上げ加工時に、電極とワークとの極間に高い電圧のパルスを供給せず、かつ短いパルス幅ＰＷのパルスを供給することによりワークの面粗度を向上させた加工を可能とする放電加工電源装置の提供を目的とする。

上記目的を達成する本発明による放電加工電源装置は、電極とワークとの極間にパルス電圧を印加して前記ワークを放電加工する放電加工電源装置において、前記極間に直流電圧を印加する電源と、前記電源に並列接続された第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子と前記極間の一端との間に直列接続され、前記電源の直流電圧を昇圧変換したパルス電圧を前記極間に印加して前記極間を通った放電電流を線路の浮遊容量に充電し、充電した電荷を放電する第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の開閉を制御する制御回路と、を具備して構成される。
上記構成により、第１スイッチング素子の開閉制御で電源の直流電圧を昇圧した短いパルス幅のパルス電圧を上記極間に印加することができ、第２スイッチング素子の開閉制御で放電加工電源装置の線路の浮遊容量に充電した電荷を放電する。

上記放電加工電源装置において、前記電源の陽極と前記第１スイッチング素子の陽極との間に直列接続されたインダクタと、前記第２スイッチング素子に並列接続されたコンデンサとを備える。このインダクタのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスの値は可変であることが望しい。
上記インダクタを付加したことにより、上記極間に印加するパルス電圧のパルス幅をより大きくでき、結局、極間に供給する電力を増大でき、種々の加工対象に適用可能となる。また、上記コンデンサを付加することにより、上記極間の絶縁破壊時の印加電圧は一定であるので、絶縁破壊開始の前までにコンデンサの電荷を空にしておけば、絶縁破壊後の放電加工時にパルス電圧が同一条件で印加されることになり、放電痕の均一化が可能となる。
上記放電加工電源装置において、前記パルス電圧のピーク値が可変である。これにより、電極、ワーク、加工液等の加工条件により異なる絶縁破壊電圧に応じた設定ができる。

本発明によれば、第１スイッチング素子の開閉制御で電源の直流電圧を昇圧した短いパルス幅のパルス電圧を極間に印加することができ、第２スイッチング素子の開閉制御で放電加工電源装置の線路の浮遊容量、又は第２スイッチング素子に並列接続されたコンデンサに充電した電荷を放電することができる。このステップを繰返し実行することにより、電極とワークとの間に高い電圧のパルスを供給せずに、スイッチング素子の応答時間より短いパスル幅のパルスを供給することができ、ワークの面粗度を向上させた微細加工が実現する。
また、電圧を昇圧したパルス電圧のピーク値を加工条件により異なる絶縁破壊電圧に応じて設定でき、ワークの微細加工が実現する。

図１は本発明の第一実施形態に係る放電加工電源装置の電気回路図である。図１に示す放電加工電源装置は、加工用の電極１と被加工物であるワーク２との極間に例えば十数ボルトの低い電圧のパルスを印加するための直流電圧源Ｖ₁と、例えばＦＥＴ等の半導体からなる高速なスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２と、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の開閉（オンオフ）を制御する制御回路（不図示）とを有する。ワーク２は電極１に対向して加工槽３内に載置され、加工槽３内には加工液４として油が注入されている。加工液として電離しやすい水を用いるより、油の方が絶縁度を上げることができる。電極１はワーク２との放電間隙ＧＡＰが所定の長さとなるようにサーボモータ（不図示）の駆動によりワーク２の加工箇所に向けて送られる。

荒加工後の仕上げ加工時における制御回路によるスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のオンオフ制御は、次のように行われる。最初、Ｓ１、Ｓ２は共にオフである。第１ステップで、Ｓ２をオフにしたまま、Ｓ１をオンにする。すると、直流電圧源Ｖ１からＳ１を通して電流が流れる。

第２ステップで、Ｓ２をオフにしたまま、Ｓ１を瞬時にオフにする。すると、直流電圧源Ｖ１からＳ１を流れた電流が瞬時に遮断されるためＶ１の＋端子とＳ１の開放端側との間の線路ＬＩＮＥ（インダクタンスＬ０をもつ）にＶ１の電圧と比べて数倍〜数十倍高いピーク値を有するパルス電圧ＶＰが誘起され電極１に印加される。このパルス電圧ＶＰのピ−ク値をより高くし、パルス幅をより長くするためには、Ｓ１をオンにする時間を長くとればよい。このピーク値とパルス幅は、遮断時のパルス電圧、遮断電流、遮断前の閉回路のインダクタンス、スイッチング素子Ｓ１のターンオフ応答特性によって決定される。

第３ステップで、パルス電圧ＶＰにより放電間隙ＧＡＰが絶縁破壊すると、ワーク２と直流電圧源Ｖ１の負極間に浮遊容量Ｃｆが発生し、この浮遊容量Ｃｆに放電間隙ＧＡＰを通った放電電流が充電する。Ｓ１をオフしたままＳ２をオンにする。するとＣｆに充電した電荷がＳ２を流れて放電する。
このように、第１〜第３ステップを繰返し実行することにより、従来技術のように電極１とワーク２との極間に高い電圧のパルスを供給せずに、スイッチング素子の応答時間より短いパルス幅のパルスを供給することによりワーク２の面粗度を向上させた微細加工が実現できる。

図２は、第一実施形態の変形例を示す放電加工電源装置の電気回路図である。図１のスイッチング素子Ｓ２が直流電圧源Ｖ１の陽極と電極１との間に設けられている。この場合も、放電間隙ＧＡＰを通った放電電流が浮遊容量Ｃｆに充電した後、Ｓ２をオンにする。すると図１の場合と同様に、浮遊容量Ｃｆに充電した電荷がＳ２を流れて放電し、ワーク１の面粗度を向上させた微細加工が実現する。

図３は本発明の第二実施形態に係る放電加工電源装置の電気回路図である。図１に示した第一実施形態に係る放電加工電源装置の電気回路とは、図１の線路ＬＩＮＥにインダクタＬ１を挿入し、図１のスイッチング素子Ｓ２に並列にコンデンサＣ１を接続した点が異なる。図３において、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の両端の電圧をそれぞれＶＳ１、ＶＳ２と記し、スイッチング素子Ｓ１を流れる電流をＩＳ１と記し、電極１とワーク２との放電間隙ＧＡＰを流れる電流をＩＧと記す。次に、荒加工後の仕上げ加工時において、図３に示す回路におけるスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２をオンオフ制御する手順を以下に図を用いて説明する。

図４は図３に示す電気回路の動作のタイムチャートである。図４において、横軸は時間を示し、縦軸は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２についてはオンをハイレベルでオフをローレベルで示し、ＩＳ１については電流を、ＶＳ１については電圧を示す。図４のＳ１がオンのパルス印加時間は、例えば１００〜５００ｎＳの一定時間に設定され、Ｓ１がオフの休止時間は、例えば１００μＳの一定時間に設定される。Ｓ２をオンにするタイミングはＳ１がオフの期間に設定され、Ｓ２がオンの時間は、例えば１００ｎＳの一定時間に設定される。

最初の時刻ｔ０では、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２は共にオフである。
時刻ｔ１では、Ｓ１をオフにしたままＳ２を所定時間オンにする。すると、コンデンサＣ１に充電された電荷がＳ２を流れて放電する。
時刻ｔ２（第１ステップ）では、Ｓ２をオフにしたまま、Ｓ１をオンにする。すると、直流電圧源Ｖ１からインダクタＬ１、スイッチング素子Ｓ１を通して電流ＩＳ１が流れる。

時刻ｔ４（第２ステップ）では、Ｓ２をオフにしたまま、Ｓ１を瞬時にオフにする。すると、直流電圧源Ｖ１からＳ１を流れた電流ＩＳ１が瞬時に遮断されるためＶ１の＋端子とＳ１の開放端側との間のインダクタＬ１にＶ１の電圧と比べて数倍〜数十倍高いピーク値を有するパルス電圧ＶＰが誘起され電極１に印加される。このパルス電圧ＶＰのピ−ク値をより高くし、パルス幅をより長くするためには、Ｓ１をオンにする時間を長くとればよい。このピーク値とパルス幅は、遮断時のパルス電圧、遮断電流、遮断前の閉回路のインダクタンス、スイッチング素子Ｓ１のターンオフ応答特性によって決定される。

時刻ｔ１１（第３ステップ）では、Ｓ１をオフにしたままＳ２を所定時間オンにする。すると、コンデンサＣ１に充電された電荷がＳ２を流れて放電する。
このように、第１〜第３ステップを繰返し実行することにより、従来技術のように電極１とワーク２との間に高い電圧のパルスを供給せずに、スイッチング素子の応答時間より短いパルス幅のパルスを供給することによりワーク２の面粗度を向上させた微細加工が実現できる。

時刻ｔ５１〜ｔ５４の間では、スイッチング素子Ｓ１がターンオン時に過渡応答とインダクタＬ１のインダクタンスにより電流ＩＳ１が飽和するまで連続的に変化する。より詳しくは、電流ＩＳ１の増加率が、時刻ｔ５２からｔ５３までは一定であるが、時刻ｔ５３から徐々に減少し時刻ｔ５４で飽和する。この飽和時にＩＳ１は最高になり、この直後にＳ１をオフにしている。このことを利用してスイッチング素子の開閉タイミングを制御すれば、遮断電流が可変でき、任意のサージ電圧を有するパルス電圧を得ることができる。
この第２実施形態において、コンデンサＣ１およびインダクタＬ１の最小値の場合が、第１実施形態における浮遊容量Ｃｆおよび線路ＬＩＮＥに相当する。

以上説明したように、本発明の放電加工電源装置によれば、仕上げ加工時に、電極とワークとの間に高い電圧のパルスを供給せず、かつ短いパルス幅ＰＷのパルスを供給することによりワークの面粗度を向上させた微細加工ができる。
放電加工電源装置において、パルス電圧のパルス幅が十ナノ秒〜数十ナノ秒であることが望しい。これにより微細加工に好適となる。
尚、本実施形態では、直流電圧源の陽極に加工用の電極を陰極にワークを接続したが、電極材質、ワーク材質等の加工条件によっては逆極性の接続もある。

本発明の第一実施形態に係る放電加工電源装置の電気回路図である。 図１の変形例を示す放電加工電源装置の電気回路図である。 本発明の第二実施形態に係る放電加工電源装置の電気回路図である。 図３に示す電気回路の動作のタイムチャートである。

符号の説明

１…電極
２…ワーク
３…加工槽
４…加工液
Ｖ１…直流電圧源
Ｓ１、Ｓ２…スイッチング素子
ＧＡＰ…放電間隙
ＬＩＮＥ…線路
Ｃｆ…浮遊容量
Ｌ１…インダクタ
Ｃ１…コンデンサ

Claims (4)

1. 電極とワークとの極間にパルス電圧を印加して前記ワークを放電加工する放電加工電源装置において、
   前記極間に直流電圧を印加する電源と、
   前記電源に並列接続された第１スイッチング素子と、
   前記第１スイッチング素子と前記極間の一端との間に直列接続され、前記電源の直流電圧を昇圧変換したパルス電圧を前記極間に印加して前記極間を通った放電電流を線路の浮遊容量に充電し、充電した電荷を放電する第２スイッチング素子と、
   前記第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の開閉を制御する制御回路と、
   を具備することを特徴とした放電加工電源装置。
2. 前記電源の陽極と前記第１スイッチング素子の陽極との間に直列接続されたインダクタと、前記第２スイッチング素子に並列接続されたコンデンサとを備える請求項１に記載の放電加工電源装置。
3. 前記インダクタのインダクタンスと前記コンデンサのキャパシタンスは、それぞれ値が可変である請求項２に記載の放電加工電源装置。
4. 前記パルス電圧のピーク値が可変である請求項１から３のいずれか１項に記載の放電加工電源装置。

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