JP2005342869A - 放電加工用棒電極およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特に止まり孔を放電加工する放電加工用電極について、被加工材の中心部に放電加工用電極の貫通孔による未加工部が残らずに、良好な加工を行うための電極を得る。
【解決手段】放電加工用電極の材質をＷとＣｕ、Ａｇの少なくとも１種からなる複合材を基とし、電極形状は円柱状であり、その中心軸を通らない貫通孔を有す構造とする。放電加工用電極及びその製造方法により、止まり孔の放電加工において、被加工材の中心部に未加工部が残らず、加工中の加工液の供給が適切に行うことができ、電極の寿命及び被加工材の面精度を充分高くできた。さらに、前記放電加工電極を充分に低い費用にて得ることができた。
【選択図】図６

Description

本発明は、回転させながら使用し、被加工物の特に止まり孔（貫通しない孔）加工に用いる円柱状の放電加工用棒電極に関する。
また、前記放電加工用棒電極の製造方法に関する。

放電加工用の電極形状及びその材質については、現在までさまざま提案されている。
孔あけ用の棒電極としては、一般に図７に示すような円筒形状が用いられる。円筒の孔の部分から加工液を放電加工部に向かって供給し、電極を回転させながら使用することにより高能率な加工を行い、かつ、加工孔の真円度を高めることができる。

前記円筒状の電極は、放電加工部への加工液の供給が効率的に行われる。ところが、加工するのが通し孔（貫通孔）の場合はよいが、止まり孔（貫通しない孔）の場合は中心部に未加工部が残るために、未加工部を除去するためにさらなる加工が必要となる。

そこで、特許文献１には、電極を略円柱状とし、その外周部に切り欠きを入れることによって、その切り欠き部から加工液を供給する技術が提案されている。この方法の欠点は、加工液の供給がうまくいかない点である。円筒状の電極であれば、電極内部から供給して加工箇所に供給され、その後に円筒外部に返すという一定の流れが生じるが、切り欠きでは加工液の制御が難しい。
また、特許文献２に示すような形状の電極であれば、ある程度の加工液の流量は確保できるが、加工液の流れを良くしようとすると電極の断面積が小さくなるために、電極寿命の低下を招く。
特許文献３に示されている技術は、円柱状電極の孔位置を、中心からオフセットすることにより、前記の課題を解決している。ところが、この電極は材質およびその製法が示されていない。例えば、材質が銅などの加工が容易な金属であれば、機械加工やキャスティングにより容易にその電極形状を得ることができる。
しかしながら、例えばタングステンの電極や、銅などの低融点金属と高融点金属（タングステン、モリブデンなど）の複合材などの場合は、その形状を得るのは困難である。銅などの円柱状電極は、簡単に製造できることから、その製造費用も低いが、寿命はタングステン系の材料と比較して著しく短く、得られる被加工物の面精度にも限界がある。

特公昭２９−００７３９５号公報 特開昭４８−０３５０４１号公報 特開昭５４−０２１６９９号公報

特に止まり孔を放電加工する放電加工用電極について、下記の特性を満たすことを課題とした。

（１）被加工材の孔部に、放電加工用電極の貫通孔による未加工部が残らないこと。
（２）加工液の放電加工部への供給が適切に行えること。
（３）電極の寿命及び被加工材の面精度が充分であること。
（４）電極を得るための費用が充分低いこと。

放電加工用電極の形状及び材質を、下記のとおりとすることで前記課題を解決した。
以下図１、図２を用いて説明する。

（１）電極形状は円柱状であり、その中心軸を通らない貫通孔を有す（図１） 。
被加工物に、電極が回転加工時に全く加工できない部分がないように配置する。また、貫通孔は２箇所以上あっても良い。その際は、断面円の中心からの同心円状になるべく貫通孔が集中しない方が良い。例えば、同心円状に複数の貫通孔を有す図２（Ａ）よりも、図２（Ｂ）のように分散している方が加工の均一性の観点から望ましい。
また、加工は電極を回転しながら行うために、電極の断面が厳密に真円である必要はない。

（２）貫通孔の孔径は、電極径と比較してその径を１／１０以上とする（図３）。
電極が細くなるほどに加工液の供給は難しくなる。充分な加工液を供給するには、電極径に対して貫通孔の径を１／１０以上とする必要がある。貫通孔の径が電極径に対して１／１０未満であれば、加工液の流量が減り、充分に加工部に供給されなくなり、その結果加工が不均一になったり、加工速度が遅くなるなどの弊害が起こる。また、逆に１／３を超える径を持てば、ある一定時間内に加工されない部分が大きくなり、加工が均一に行われず、また加工速度について問題が生じる。また、電極の体積が減少するために、消耗が速くなる。貫通孔を複数設ける場合は、それらの断面積の合計の総計で考えればよい。
また、貫通孔の位置については、中心部分に近ければ回転時に加工されない時間が長くなり、他の部分との加工条件に差が生じることになる。加工は遅い部分に合わせて行うために、加工速度の低下を招く。そのために、貫通孔の外周を電極断面の中心から少なくとも電極直径の１／１０以上離すのがよい。
さらに、貫通孔が電極の外周部に寄りすぎると、加工液の大部分は電極の側面に直接流れ、電極端部は加工液の流速が下がり、供給量が減少する。そのために貫通孔の位置はその外周部が、電極外周部から少なくとも電極直径の１／１０以上離す必要がある。

（３）材質は、Ｃｕ−Ｗ系、Ａｇ−Ｗ系、Ｃｕ−Ａｇ−Ｗ系の主成分とする複合材を基とする。
Ｗは融点が高く、放電加工中の消耗が少なく電極材料として適している。しかしながら電気抵抗率が高いために、単体で用いるよりもほかの金属との複合体を用いるほうが好ましい。
ＣｕやＡｇは導電性やコスト面がほかの金属より優れており、また、Ｗ系と濡れ性が高いという特徴もあり、電極材料としてＷとの複合材料系を作るのに最も適している。
そのために、本発明の放電加工用棒電極の材料は、Ｃｕ−Ｗ系、Ａｇ−Ｗ系、Ｃｕ−Ａｇ−Ｗ系の主成分とする複合材とした。
前記複合材料は、銅などの低融点金属と比較して仕事関数が高く、消耗が少ない。また、必要に応じてＷ粒子径の制御によって被加工物の面粗度を低くすることができる。充分に被加工物の面粗度を上げることができるのは、Ｗの平均粒子径を２．０μｍ以下とした場合である。
さらに、添加物を加える場合は、ホウ素およびホウ化物および複合ホウ酸化物の少なくとも１種を合計で０．０５〜１０重量％添加するのが最も適している。添加量が０．０５重量％未満であれば効果が充分現れず、１０重量％を超えれば放電加工用電極が脆くなり使用が難しくなる。
これらの添加物は、加工速度の向上、加工面粗さの向上、電極寿命それぞれを向上させる効果がある。

（４）下記方法にて本発明の前記電極を得ることができる。
Ｗ粉末とバインダーおよび非イオン系界面活性剤とを含む粉末を混練し、中心からオフセット位置に配置された補助ダイス９を備えたダイスを通して押し出し成形し、還元雰囲気８００℃〜１５００℃にて脱脂および隣接するＷ粒子が互いにネッキングを起こすいわゆる仮焼結を行い、得られた仮焼結体とＣｕ、Ａｇの少なくとも一種を、還元雰囲気中にて低融点金属の融点以上の温度にて仮焼結体に低融点金属を溶浸する。機械加工、電気加工にて仕上げ加工を行う。
脱脂、仮焼結および溶浸の各処理を還元雰囲気中にて行うのは、各成分の酸化を防ぐためである。特に適しているのは水素中である。
また、仮焼結温度は８００℃未満では脱脂が不十分になる可能性があり、１５００℃を超えても仮焼結はそれ以上進行せずに、昇温費用および時間のロスが生じる。

例えば前述特許文献１〜３に示されるような、銅に代表される低融点金属からなる放電加工用電極の場合には、その形状は様々な形に簡単に得ることができる。溶融後に型に入れて鋳込む方法や、切削加工、電気加工も容易にできる。しかしながら、低融点金属より放電加工中諸特性の上回る、例えばＣｕ−Ｗ複合材料は、前記加工はできるが硬度や電気的特性により著しく費用がかさむ。そこで、本発明の示すような押し出し成形が有効である。

本発明の放電加工用電極及びその製造方法により、少なくとも以下に示す効果のうち１つ以上の効果が得られる。

（１）止まり孔の放電加工において、被加工材の中心部に未加工部が残らない。
（２）加工中の加工液の供給が適切に行える。
（３）電極の寿命及び被加工材の面精度を充分高くできる。
（４）前記放電加工電極を充分に低い費用にて得ることができる。

本発明の放電加工用電極は、以下の方法にて得ることができる。
まず、主成分となるＷ粉末と、添加する場合は２重量％以下の添加物と、成型用バインダーおよび非イオン系界面活性剤とを含む粉末を混練する。成型用バインダーおよび非イオン系界面活性剤として適当なものの例としては、ポリエチレングリコールやポリグリセリンエステル、エチレングリコール、ポリエーテルなどが挙げられるが、これらに限定するものではなく、同様の効果を持つものであれば種類は問わない。

混練にはニーダーや一般的な混練機を用いる。充分混練した後に、押し出し成形を行う。図４および図５を用いて説明を行う。一般的な円柱の押し出し成形と違う点は、中心からオフセットした位置に貫通孔を形成するための補助ダイス９を備える点である。ノズル上部より混練体１１を押し出し、棒状の成形体１２を得る。その際にダイス１０の中心からずれた位置に補助ダイス９があるために、棒状の成形体１２の一部１３には混練体が供給されずに、棒状成形体に貫通孔１４が得られる。得られた棒状の成形体を、必要な長さに切断することにより、円柱状とすることができる。

この成形方法により、中心からオフセットした位置に貫通孔を得ることができる。
得られた貫通孔を有する成形体に、非酸化雰囲気中にて脱脂および仮焼結を行う。その後にやはり非酸化性雰囲気にて、仮焼体と適量のＣｕまたはＡｇの少なくとも一種（以下「低融点金属」と表記する）を接触した状態で炉に投入し、低融点金属の融点以上の非酸化性雰囲気にて、低融点金属を仮焼結体に溶浸する。仮焼結体表面に酸化ジルコニウムなど反応性に乏しい棒材を挿入またはその粉末を塗布することにより、低融点金属にて貫通孔を塞がないようにすることもできる。溶浸後に必要に応じて加工を行うことにより、本発明の放電加工用棒電極を得ることができる。低融点金属の放電加工用棒電極のように加工は研削加工、電気加工共に可能である。

また、以上に示した製造方法と異なる方法でも本発明の放電加工用電極は製造可能である。例えば、Ｃｕを溶浸させずに、酸化物などの状態であるＷと同時に混練を行い、焼き固めた後に還元処理を行って焼結体および電極を得るような方法でもよい。

主成分として７４重量％のＷ、２５重量％のＣｕ、添加物として１重量％のＳｒＢ_２Ｏ_４を選択した。
Ｗ粉末、ＳｒＢ_２Ｏ_４粉末と、成型用バインダーとしてポリエチレングリコールおよび非イオン系界面活性剤としてポリグリセリンエステルとを混練した。
混練は７０℃にてニーダーを用いて行った。２時間混練した後に、中心からオフセットした位置に貫通孔を形成するための補助ダイスを備える押し出し機にて、押し出し成形を行った。得られた棒状の成形体を、必要な長さに切断することにより、中心からオフセットした位置に貫通孔を有する円柱状とした。

得られた貫通孔を有する成形体に、水素ガス雰囲気中にて脱脂および仮焼結を行った。
その後にやはり水素ガス雰囲気にて、仮焼結体と３０重量％に当たるＣｕを接触させた状態で温度を上げ、溶浸を行った。仮焼結体の隙間に毛細管現象にてＣｕが取り込まれ、一体となった。冷却後に、用浸されていない余剰のＣｕを削り落とし、その後に仕上げ加工を行うことにより所望の放電加工用電極を得た。
得られた放電加工用電極の形状は外径が直径φ５ｍｍ、貫通孔の内径がφ１ｍｍであり、貫通孔の中心は電極中心から１ｍｍオフセットした位置とした。

得られた電極にてリードフレームの止まり孔加工を行った。被加工物の孔をより真円に近づけるために、放電加工用電極は回転させながら加工した。回転の動力はこの場合は加工液の供給により回転するロータを用いたが、電動や空気圧による回転機構でも同様である。

（図６）加工液は貫通孔の上部１より加工面に向けて噴出し、ワークと放電加工用電極の隙間より加工液の流れ７に示すように放電加工くずと共に効率よく排出された。
加工後に調査したところ、止まり孔の底部（加工部）は全体が均一に加工されており、面粗度も充分であった。
電極の消耗は同形状の銅製の電極と比較して１／１０倍程であった。また、加工速度は同じく３倍程度であった。

また、本実施例は製造方法については複合ホウ酸化物であるＳｒＢ_２Ｏ_４を添加して行ったが、同様にカルシウムやバリウムなどの２ａ族金属の複合ホウ酸化物、３ａ〜８族金属の複合ホウ酸化物および複数の金属元素を有す複合ホウ酸化物でも望む特性を得られた。

さらに、添加物をホウ素や、ホウ化カルシウム、ホウ化チタン、ホウ化クロム、ホウ化コバルト、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ストロンチウム、ホウ化タンタル、ホウ化モリブデン、ホウ化物、ホウ化ハフニウム、ホウ化ニッケル、ホウ化銅、ホウ化鉄などのホウ化物とした場合でも良好な性質を得ることができた。

また、ＷとＣｕ、Ａｇの組成を変えても良好な放電加工用電極を得ることができた。この際に、電極寿命および加工速度の面から望ましい範囲はＷが６０〜９５重量％で残部がＣｕとＡｇの少なくとも１種であり、さらに良好なのはＷが７５〜８５重量％で残部がＣｕとＡｇの少なくとも１種の組成の場合であった。

放電加工用電極として、止まり孔加工用電極、細孔加工用電極、金型加工用電極、金型刻印用電極、鋼金型材仕上げ用工具、引抜ダイス加工用電極などに使用できる。

本発明の放電加工用電極の模式図 貫通孔位置についての説明 貫通孔位置についての説明 押し出し成型機の模式図 押し出し成型機の模式図 加工時の加工液の流れ 一般的な円筒状の放電加工用電極

符号の説明

１ 貫通孔
２ 電極の中心軸
３ 電極の直径
４ 貫通孔の直径
５ 電極中心軸から最も近い貫通孔までの距離
６ 電極外周から貫通孔までの距離
７ 加工液の流れ
８ 加工液の供給箇所
９ 補助ダイス
１０ 押し出し成型用ダイス
１１ 混練体
１２ 棒状の成形体
１３ 棒状成形体の孔部
１４ 貫通孔

Claims (7)

1. 回転させながら使用する円柱形状の放電加工用棒電極において、
   主成分がＣｕ−Ｗ系、Ａｇ−Ｗ系、Ｃｕ−Ａｇ−Ｗ系いずれかの系であり、
   中心軸方向に加工液を加工部に供給するための貫通孔を有し、
   前記貫通孔は電極の中心軸を通らないことを特徴とする放電加工用棒電極。
2. ホウ素、ホウ化物または複合ホウ酸化物の少なくとも１種を合計で０．０５〜１０重量％含有することを特徴とする請求項１に記載の放電加工用棒電極。
3. 貫通孔の直径が、放電加工用棒電極の直径に対して１／１０以上かつ１／３未満であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放電加工用棒電極。
4. 放電加工用棒電極の中心軸から最も近い貫通孔までの距離が、少なくとも電極直径の１／１０以上離れており、
   かつ電極の外周に最も近い貫通孔が、電極外周から電極直径の１／１０以上離れていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の放電加工用棒電極。
5. 貫通孔を断面の中心に対して、互いに同心円上でない位置に複数設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の放電加工用棒電極。
6. Ｗ粉末と有機バインダーおよび非イオン系界面活性剤とを含む粉末を混練し、
   得られた混練体を、中心からずれた位置に配置された先端部に傾斜角を有する補助ダイスを備えた成型用ダイスを通して押し出し成形し、棒の中心軸を通らない部分に貫通孔を有する成形体を得て、
   成形体を非酸化雰囲気中１３００℃以下で脱脂したうえで、さらに粒子同士がネッキングを起こした状態である、いわゆる仮焼結体とし、
   仮焼結体とＣｕ、Ａｇの少なくとも１種の金属とを接した状態で加熱して、仮焼結体中に溶浸して得ることを特徴とする放電加工用棒電極の製造方法。
7. Ｗ粉末とホウ素またはホウ化物または複合ホウ酸化物のうちの少なくとも１種の粉末とを、有機バインダーおよび非イオン系界面活性剤とを含む粉末を混練し、
   得られた混練体を、中心からずれた位置に配置された先端部に傾斜角を有する補助ダイスを備えた成型用ダイスを通して押し出し成形し、棒の中心ではない部分に貫通孔を有する成形体を得て、
   成形体を非酸化雰囲気中１３００℃以下で脱脂したうえで、さらに粒子同士がネッキングを起こした状態であるいわゆる仮焼結体とし、
   仮焼結体とＣｕ、Ａｇの少なくとも１種の金属とを接した状態で加熱して、仮焼結体中に溶浸して得ることを特徴とする放電加工用棒電極の製造方法。

Images