JP2005509533A - 放電加工用電極及び放電加工方法 - Google Patents

Abstract

延性炭素質電極を用いて、粗仕上げ、仕上げ、研磨、及びテクスチャ加工作業を導電性材料に対して自動的に行う放電加工（ＥＤＭ）方法。該ＥＤＭ方法は、炭素−ポリマー複合体材料から成る延性炭素質導電性電極を使用する。放電加工の前に、電極が所定体積の前記延性電極材料を、ポリマー母材の融点温度近傍の温度で均一に加熱することによって作られる。次に、複合材料は、テンプレート、型のモデル、加工物の複製、又は加工物の部分の複製に対して軟質材料を押圧することにより所望の電極形状に成形される。続いて、成形された電極を用いて、適切な放電加工技術を利用して、上記加工物に対して所望の形状及び表面仕上げに加工する。電極の表面や寸法が摩耗により変化した場合には、該電極を、加工物が完成されるまで、軟化及び押圧という最初の手順に従って、迅速且つ反復的に修復することができる。

Description

本発明は、仕上げ、研磨、テクスチャ加工の方法に関する。より詳しくは、本発明は放電加工用電極及び放電加工方法に関する。

当該技術分野において周知であるように、放電加工（ＥＤＭ）は、いずれも誘電体流体に浸漬された工具と加工物表面の間でアークを生じさせる電気スパークのエネルギーによって加工物から金属を除去することを可能にする。工具に急激な電気パルスが送られ、工具と加工物の間にスパークを発生させる。各スパークからの熱が加工物から少量の金属を溶出させ、これにより金属が除去されると、該金属はスパークギャップを介して循環する誘電体流体によって冷却されて押し流される。得られた表面仕上げの質は、放電周波数に逆比例し、最終的な凹凸（rugosity）の高さは毎秒当たりの放電の回数（周期）に逆比例する。

誘電体流体は、過早放電を防止するための絶縁となるだけでなく、加工物の加工された部分を冷却し、金属性と非金属性のＥＤＭスパーク破片を流し洗うことを可能にする。

一般に、加工物材料は、工具材料に比較して１０倍〜１００倍も早く摩耗するが、これは加工物材料と工具材料のそれぞれの融点に依存し、融点が低いほど摩耗速度が大きくなる。ＥＤＭ用の工具は、通常、グラファイトで作られる電極であるが、真鍮、銅、又は銅−タングステン合金も用いられる。昇華温度が３３００℃のグラファイト電極は最大の耐摩耗性を有する。通常、１つの加工物を精確に刻むためには、電極の摩耗のためにいくつかの電極が必要である。

グラファイト電極によるＥＤＭは、硬い工具鋼で型やダイのキャビティに対して複雑な形状を精確に加工するのに有利であることが立証されている。ＥＤＭの除去速度は遅いので、通常、材料の大部分は、従来の機械加工、例えば、フライス加工と旋削によって最初に除去され、一方、仕上げと研磨はＥＤＭ又は手作業によって行われる。

グラファイトＥＤＭ用電極を作るためには、例えば、高速フライス加工、旋削、ラピッドプロトタイピング（rapid prototyping）など、いろいろな方法が用いられる。しかし、電極を作るための現在の方法は、一般に時間とコストがかかる。

さらに、仕上げ作業は通常、相当な量の手作業を必要とし、加工物の所定の部分又は部分のセクションにおける、最終用途によって決められる所要の光沢度で表される所要のテクスチャ又は仕上がりによるが、手作業の量は、金属型押し全コストの５〜４０％に亘る。例えば、表面仕上げは０．８μｍＲＭＳ（すなわち、３０マイクロインチＲＭＳ、ＲＭＳは「二乗平均平方根」という形状寸法精度を表す）という粗いものであってもよいこともあり、０．０２μｍＲＭＳ（すなわち、１マイクロインチＲＭＳ）という鏡面仕上げが要求されることもある。従来の機械加工方法では、高々、０．８〜３．２μｍＲＭＳ（すなわち、３０〜１００マイクロインチＲＭＳ）という範囲内の表面仕上げになるので、たいていの場合、仕上げ作業がさらに必要となる。

最近、金型産業において、型押しは、ステレオリソグラフィ、選択的レーザー焼結、などのラピッドプロトタイピング技術を用いることによって実行されている。これらの技術は、製造柔軟性やリードタイムの点で著しく有利になるが、表面仕上げの性能は、依然、最良の場合でも約１２μｍＲＭＳ（５００マイクロインチＲＭＳ）という低さに留まっている。

したがって、当該技術分野では改良されたＥＤＭ用電極及びＥＤＭ方法が必要とされている。

したがって、本発明の目的は、従来の技術の欠点を軽減したＥＤＭ用電極及びＥＤＭ方法を提供することにある。

具体的には、本発明によれば、炭素質固体材料と母材材料を含むＥＤＭ用電極であって、前記炭素質固体材料はカーボンブラックの含有量が３５重量％以下であることを特徴とするＥＤＭ用電極が提供される。

さらに、炭素質材料を調製するステップと、母材材料を選択するステップとを備え、前記炭素質材料を調製するステップは、グラファイトとカーボンブラックとを、カーボンブラックの割合が３５重量％以下であるように調製することから成ることを特徴とするＥＤＭ用電極を製造する方法が提供される。

さらに、加工物を仕上げるためのＥＤＭ方法であって、前記加工物の複製を調製するステップと、一般的電極を調製するステップと、前記複製を型として用いて前記一般的電極をマッチング電極に成形するステップと、前記マッチング電極によって前記加工物にＥＤＭを実行するステップとを備えることを特徴とする加工物を仕上げるためのＥＤＭ方法が提供される。

さらに、加工物に対して仕上げ作業を行うためのＥＤＭ方法であって、前記加工物の複製を調製するステップと、前記加工物の複製内に延性電極を成形するステップとを備えることを特徴とするＥＤＭ方法が提供される。

また、加工物に対してＥＤＭを行うのに用いる延性電極を、前記加工物の複製内に形成することによって前記延性電極を再加工する方法であって、前記延性電極のポリマー母材の融点温度の近傍で前記複製を予熱するステップと、前記複製とほぼ同じ形状寸法の単一片の材料を前記予熱された複製内に供給するステップと、密着カバーによって前記複製を閉じるステップと、前記閉じられた複製の内容物を圧縮するステップと、前記複製の内側に電極を成形するステップと、前記複製を冷却し前記電極を固化させるステップとを備え、前記複製の内側に前記電極を成形するステップは、前記複製の内側に等方的な圧力を生成し、前記等方的な圧力を維持して、前記ポリマー複合材料内全体に亘って均一な温度を分布させ、再成形された電極を生成することから成ることを特徴とする方法が提供される。

さらに、フライス加工された金属キャビティに対して仕上げ作業を行うＥＤＭ方法であって、型として用いられる前記フライス加工された金属キャビティ内において、前記フライス加工された金属キャビティのネガティブである複製を電極に形成するステップと、前記電極に形成された前記フライス加工された金属キャビティに対してＥＤＭを実行するステップとを備え、これにより、前記電極は、前記フライス加工された金属キャビティの微小なピーク部及び微小な谷部のパターンを含み、前記フライス加工された金属キャビティの微小な溝状の谷部が前記電極の微小なピーク部になり且つスパーク侵食によって前記フライス加工された金属キャビティを平坦化するのに用いられるような前記フライス加工された金属キャビティのネガティブを呈することを特徴とするＥＤＭ方法が提供される。

さらに、フライス加工された金属キャビティに対して仕上げ作業を行うＥＤＭ方法であって、予めフライス加工されたキャビティを型として用いて前記キャビティのネガティブである複製を延性電極上に形成し、延性電極がフライス加工された金属キャビティのネガティブとして得られ、フライス加工された金属キャビティの微小な溝状の谷部が前記電極の微小なピーク部となって、該ピーク部がスパーク侵食によって前記フライス加工された金属キャビティ表面を平坦化し、前記キャビティの表面が粗い所定の部分が平坦化されて、新しいより滑らかなキャビティ表面が得られると、前記新しいより滑らかなキャビティ内で前記電極を再加工して、その表面を新しいより滑らかなキャビティの表面にマッチさせることを特徴とするＥＤＭ方法が提供される。

さらに、複合炭素質材料を金属インサートホルダの周囲に保持される単純な形状の一般的電極に成形する方法であって、延性電極材料を軟化させて軟化した電極を生成し、該電極を型に対して押圧して最終的な形状と表面仕上げを付与することを特徴とする方法が提供される。

最後に、延性の炭素質−金属ポリマー複合材料を導電性材料に対してＥＤＭを実行するためのＥＤＭ用電極として使用することを特徴とする使用方法が提供される。

本発明のその他の目的、利点、及び特徴は、一例として挙げるその具体的な実施の形態に関する以下の非限定的な説明を添付図面を参照して読むことによりさらに明らかになるであろう。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の概要を述べると、本発明は、１）向上した生産速度で製造できる延性電極を提供することによって、及び２）粗仕上げ、仕上げ及び研磨及びテクスチャ加工作業にこれらの延性電極を用いる方法を提供することによって、ＥＤＭ作業コストを低減することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、延性電極と該延性電極を製造する方法とが提供される。

本発明の延性電極は、一般に、十分な割合の炭素質粉末及び／又は金属粉末を熱可塑ポリマー又はワックスの母材内に結合させて調製される延性炭素質材料から形成される。炭素質固体の量は、延性や導電性といった所要の特性と、同時に、成形性という特性とを組み合わせた材料が生成されるように最適化される。

このＥＤＭ延性電極の主な成分は、固有の耐高温性と基本的導電性を有する炭素とグラファイトである。炭素とグラファイトは、共に純粋なＣ元素であるが、グラファイトは、特別な結晶構造によってカーボンブラック（０．１２オーム×ｃｍ）よりも抵抗が略１００％小さい。グラファイトは、導体としては優れているが、ポリマー母材を導電性にするにはあまり効果的でないと判明した。これに対し、カーボンブラックはポリマー母材を容易に導電性にする。

ＥＤＭ用電極に用いるために材料組成を最適化するためには、炭素構造を有する固体添加物とグラファイト構造を有する固体添加物との比率をバランスさせること、及び種々のトポロジーの固体添加物同士間でバランスさせることが必要になる。実際、一方において、グラファイト構造の固体添加物は、炭素構造の固体添加物とは逆に、得られた材料の成形性に対してマイナスの影響を及ぼす。したがって、この点で、ブラックカーボンが有利であることが分かっている。他方、ファイバやウィスカなどのトポロジーは、得られた材料の成形性を低下させる傾向があると共に、精確な表面仕上げができないので避けるべきである。この点で、微小なファイバである粉末やナノチューブは有利である。いずれの点でも、カーボンブラックは得られた材料の導電性と成形性を向上させるので有利であることが分かった。

実験結果から、固体材料の量が４０〜７５％の範囲内にあると、材料にその溶融状態で良好な延性を与えるということが判明した。さらに、この範囲内であれば、カーボンブラック粉末を５〜２０重量％の割合で添加することによって十分な導電性が得られることがが判明した。

ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、及びアセチレンブラックなど、いくつかのタイプのカーボンブラックが市販されている。このうちで、ファーネスブラックのタイプのものがより高い導電性を有する。実際、ファーネスブラック粉末は、単位重量あたりの表面積及び体積充填率が大きいので、凝集体同士の電気的接触が生成される傾向が高く、これにより、ポリマーに電気を伝導させることが知られている。実際、粉末、フレーク及びファイバ粒子の相互作用が炭素−ポリマー複合体の導電性を左右する重要な因子であることが見出された。

また、最近の開発により、カーボンナノチューブが、その中空の糸状構造によってポリマーをベースとする電極の導電性をさらに向上させることが判明している。また、粒径が小さい方がＥＤＭによる良好な表面仕上げをより効率的に生ずることも判明している。最後に、電極から熱を効率的に除去するために熱伝導度も考慮すべき一因子であることが判明している。この点で、例えば、グラファイト材料（６００Ｗ／ｍＫ）は、カーボンブラック（１Ｗ／ｍＫ）に比較して約６００％も高い熱伝導体であり、ポリスチレン（０．２〜０．３Ｗ／ｍＫ）に比較して３０００％も高い熱伝導体である。カーボンブラックは、複合ポリマー材料の形成の向上にも寄与する。さらに、約１０重量％という量のカーボンブラックを含む炭素−ポリマー組成物に関する実験の結果、混合スクリューにかかるトルクが非常に小さいことが判明した。

図１のフローチャートに示すように、このような電極を製造する方法１０は、グラファイトを調製し（ステップ１２）、カーボンブラックを調製し（ステップ１４）、残りの固体材料を調製し（ステップ１６）、母材材料を選択する（ステップ１８）ことから成る。

ステップ１２及びステップ１４では、カーボンブラックが３５重量％以下の割合で添加されるようにグラファイトの含有量が最適化される。

ステップ１６では、例えば、フレーク及びウィスカといったトポロジーのグラファイト化材料の割合を最小にするように残りの固体材料が調製される。これらのトポロジーは、隣接する粒子間に電気的接触の直列の鎖を生成し、もって導電性のポリマー複合体を生成するのに有利であることが判明しているが、残念ながら、上述したように、得られた材料の成形性を低下させて、精確な表面仕上げを達成することができない。グラファイト粉末のメッシュは、延性電極と加工物上の所望の表面仕上げの程度に応じて１００〜３５０メッシュの範囲内のものを使用できる。固体粒子がより小さい方がＥＤＭ仕上げ作業により適していることが判明し、固体粒子の形状がより大きく不規則である方が添加物の重量当たりでより高い導電性を生ずることが判明している。

したがって、残りの固体材料は、最大２０重量％のグラファイトフレークと、最小量のグラファイトウィスカ（５重量％未満）と、最大量のグラファイト粉末（５０重量％まで）とを備える。金属粉末、例えば銅粉末も、グラファイトのフレーク、ウィスカ、及び粉末の代わりに、複合ポリマーの熱伝導性を向上させるために１〜２０重量％の範囲内の割合で添加することができる。単層壁及び多層壁のカーボンナノチューブを、複合材料に所望の電気的及び熱的特性を与えるために１〜１０重量％の間で可変な割合で添加してもよい。

ステップ１８では、母材材料は、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド−イミド、ＰＥＥＫなどの熱可塑性ポリマー、又はパラフィン、蜜蝋などのワックスであってよい。即ち、実験結果から、多数の熱可塑性ポリマー又はワックスは、所定の炭素質添加物を用いれば伝導性にできることが判明した。しかし、いくつかの熱可塑性ポリマー、例えば、ポリイミド類（ＰＩ）は、より大きい耐高温性と低い吸湿性のためＥＤＭプロセスに適している高い耐摩耗性と寸法安定性を示す。

ポリマー含有量は、導電性と熱伝導性を最適化するために最小にしてもよい。熱可塑性ポリマーは、主に剛性、低吸湿性、及び耐熱性などの多数の因子に応じて選択され、水中での寸法安定性と耐熱摩耗性を与える。ＰＩやポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの先端の熱可塑性ポリマー系列も使用できるが、このようなポリマーは、特に電極材料の開発を始めるために必要な材料の量を考えると比較的高価である。したがって、ポリスチレンポリマーがコスト、入手し易さ、及び要求される特性の間で良好な妥協結果になる。

添加物の割合（ステップ１６）が、ステップ１８で選択された母材材料によって変化することは明らかである。

本発明の第１の態様による方法が、低い電気抵抗、高い熱伝導度、良好な成形性、水中での良好な寸法安定性、低い熱膨張率、及び熱的サイクルに対する高い耐性を全て有するＥＤＭ用電極を提供するということは当業者には理解されるであろう。

次に、本発明の第２の態様について、第１の実施の形態に係るＥＤＭ方法を添付図面の図２及び図３を参照して説明する。本方法は、複製を型として用いて、プレス加工、圧縮成形、ブロー成形、又は鋳造によって、マッチングＥＤＭ用電極を製造するものである。以下、この方法を「複製ＥＤＭ法」２０という。

複製ＥＤＭ法２０は、全体として、複製を調製し（ステップ２２）、一般的電極を調製し（ステップ２４）、該一般的電極に所望の形状、表面仕上げ、及びテクスチャ加工を付与し（ステップ２６）、ＥＤＭを実行する（ステップ２８）ことから成る。

ステップ２２で調製される複製（「モデル」又は「テンプレート」とも云うこともある）は、所定の形状寸法で、平坦な表面、湾曲した表面、滑らかな表面、又はテクスチャ加工された表面を有する単純なテンプレートであってもよい。該テンプレートは、単一部品として、又は複数の相互連結される型部品として設計することができ、およそどのような材料からも作成することができるが、良好な熱伝導体であることが好ましい。

ステップ２４で調製される一般的電極は、円柱、円錐、球、楕円体、立方体、又は所望の寸法のどんな単純な立体的な形状であってもよい。該一般的電極は所定の電極材料を電極ホルダとして用いられる金属インサートの周囲に射出成形して作ることができる。このような一般的電極は連続して作成し、作成した複数の電極を、ＥＤＭ機械の近傍に保管するようにしてもよい。

続くステップ２６では、一般的電極に所望の形状と表面仕上げが付与される。まず、最初に炭素質電極材料を誘導加熱、伝導加熱、又は放射加熱によって軟化させる（サブステップ２６ａ）。次に、電極材料が所要の軟化温度に達すると、金属インサートによって依然保持されている電極が、所望の部品の複製に対して押圧される（サブステップ２６ｂ）。電極材料が複製に対して押圧されると、電極材料は、熱伝達によって冷却されて固化し、所望の形状と表面仕上げが得られる。

これに代えて、押圧動作（サブステップ２６ｂ）は、ロボットアーム又はＣＮＣ（コンピュータ数値制御）機械工具によって実行してもよく、これにより、軟化した電極材料を３次元曲線に沿って複製に相対的に（又はその逆に）移動させることにより複雑な電極の形状と表面を刻むことができる。

さらに、押圧動作（サブステップ２６ｂ）は、２つの部品又は複数の部品から成る型の内側に閉じこめられた予熱された中空延性電極が固定された穿孔された電極ホルダのインサートを貫通して気体を送り込むことによって該中空延性電極の内側に圧力を加えることにより実行してもよい。この気体圧力の下で、軟化した電極材料は、型の部品の形状と表面仕上げに一致するまで膨脹し、その後冷却し、固化して所望の形状になる。固化速度を増大させるために、型の部品内に冷却用通路を設けてもよい。

電極が所望の形状になると、誘電体流体、例えば、脱イオン水、鉱油、又は気体（すなわち、空気）中で、単純プランジ加工、軌道プランジ加工、又は触針加工法によってＥＤＭを実行する（ステップ２８）。電気パルスのパラメータは、電極の摩耗を最小にするように決めることができ、具体的には、パルスのタイミング（ＯＮ及びＯＦＦ時間）、最大電流、及びその極性を十分に調整することによって実行される。どのような制御パラメータが電極の摩耗速度を小さくできるかを経験から決定することは当業者には可能である。

上述の複製ＥＤＭ法２０は、図３に示すように適用することができる。図３に示す例では、アルミニウムの複製が型として調製され（ステップ３２）、その中で延性電極が、ここでは圧縮成形によって形成される（ステップ３４及びステップ３６）。

より具体的には、アルミニウムの複製は、電極ポリマー母材の融点温度の近傍で、例えば、ポリスチレンの母材の場合２００℃〜２１０℃の間の温度にまで予熱される。次に、複合材料のペレットが予熱された複製内に供給された後、複製が、例えば密着カバーによって密に閉じられる。この密着カバー内に設けられた精確な円形状開口部に、ピストンとして機能する電極ホルダが挿入され、電極ホルダは多孔質の混合物を圧縮すると共に、ペレット周囲の空隙を除去する。次に、垂直な力を電極ホルダに印加して、複製内部に等方的な圧力を確立させる。この圧力は十分に長く維持されて、ポリマー複合体全体に亘って均一な温度分布が得られるようにし、これによって、表面のディテールが強調され且つ多孔度が最小にされた一般的電極を得ることができる。主として部品の断面に依存する所定の時間の経過後、複製は成形圧力を維持したまま冷却される。電極が固化すると、仕上げすべき加工物についてのＥＤＭ作業ができるようになる（ステップ３８）。

ＥＤＭステップ（ステップ２８及びステップ３８）では他の誘電体流体を用いることもできるが、水、又は空気などの気体を誘電体流体として用いることが環境には特に安全である。これらは容易にリサイクル又は処理することができるからである。

さらに、水は、水誘電体流体システムを用いて水の絶縁耐力と水洗圧力を制御することにより、仕上げ作業と絶縁耐力の制御可能性を向上させることができることが見出された。さらに、このような誘電体流体システムを、水の絶縁耐力を自動的に制御したり、鋼やグラファイトの残留物を濾過したり、水洗圧力を制御したりするように設計することができる。

最後に、水の誘電体剛性（dielectric rigidity）は、所望される材料除去の度合いに応じて、すなわち、粗仕上げ作業、微細仕上げ作業、極微細仕上げ作業、及び鏡面仕上げ作業のいずれであるかに応じて調整することができる。しばしば、誘電体剛性が高いほど、より高い金属除去率となり、その逆も成り立つ。より高い金属除去率は鉱油によって達成可能であるので、背景技術に記載されている方法では、水が型彫りＥＤＭに用いられることはほとんど又は全くないが、本発明による方法は、水が非常に効率的となるより低い電流レベルでの仕上げ作業を可能にするものである。さらに、水の粘性は鉱油の粘性よりも低いので、特に鏡面仕上げの場合のように非常に小さい電極ギャップが用いられるときには、流し洗いがより効率的に遂行できる。

興味深いことに、複製ＥＤＭ法を用いて摩耗した電極表面を再建することができる。実際、本発明の第１の態様で述べた延性電極は、ＥＤＭ作業の間に摩耗してしまうことがあったが、材料のペレットに代えて複製とほぼ同じ形状寸法の単一片の材料を複製の中に供給する点が相違する以外は、上記圧縮成形ステップ（ステップ３６）を繰り返すことによって最初の形状を回復することができることがここで判明した。摩耗した電極はその外側表面を軟化させるために放射ヒータで予熱することができる。同じ電極上での数回の成形サイクルが必要な場合には、ポリマー母材の劣化を遅らせるために所定の成形温度を超えないように注意を払わなければならないし、成形圧力が、一方においては電極の導電性を生じさせる電気的ネットワークを破壊するほどに高くなく、且つこの電気的ネットワークを生成して維持するために所要の最小圧力よりは高くなるように、成形圧力の範囲を確立しなければならない。

一方、本発明の第１の態様の延性電極は、従来の固体グラファイト電極に比較して炭素質固体の含有量が低いので、後者に比較して速く摩耗することが予想される。しかし、他方において、本発明はその第２の態様で、標準的な電極材料と異なりフライス加工作業や旋削作業を全く必要としない延性電極の再加工方法を提供しているので、きわめて効率的であり、所定の質の仕事に対する全ＥＤＭコストの低減が可能になる。

したがって、所望の加工物に対するＥＤＭ実行期間の経過後に、電極が所定の許容誤差をもはや満たさなくなったとき、該電極を複製ＥＤＭ法の初期成形サイクル（図２及び図３参照）によって再加工することで新しいものにリサイクルすることができ、このリサイクルを、工具鋼加工物が所望の寸法と表面仕上げに到達するまで、繰り返して速やかに且つ効率的にいくつかの同一の複合体電極を製造することができる。これとは全く対照的に、標準的な固体グラファイト又は銅電極の製造プロセスは格段に遅いということは、当業者には理解されるであろう。

これに代えて、複製ＥＤＭ法は、形状寸法のディテール、例えば、鋭いエッジ部、滑らかな面とり部、複雑な形状寸法、又は表面テクスチャが複製のある領域で局部的に必要とされるときに、複製のある部分のみに対して考慮するようにしてもよい。このような局部的な作業のために、例えば、隅角部、深い溝、９０°エッジ部、種々の半径の９０°面とり部、及びテクスチャ加工された表面を含む一連の標準的な形状寸法の複製を製造して、繰り返されるディテールの形状寸法に使用することができる。

明らかなことに、最初は複製が必要とされるので（図２のステップ２２参照）、いくつかの同一の電極が必要な場合には、ＥＤＭ複製法が極めて有用であることが判明した。実際、単一キャビティの工具鋼の型を製造するために、いくつかの電極、すなわちそれぞれ粗仕上げ用及び微細仕上げ用の少なくとも２つの電極を使用することは、型製造業界で普通に行われていることである。複数のキャビティを有する型の場合には、２つよりも多くの電極が使用される。

興味深いことに、標準的な固体グラファイト又は銅電極と異なり、本発明の延性ポリマー−炭素電極材料は、微少な寸法許容誤差と表面仕上げを有する所望の形状寸法にするために繰り返し軟化させて成形することができる。このようにして、高品質の成形電極が標準的なフライス加工法に比較して格段に速く製造することができることは当業者に理解されるであろう。

次に、添付図面の図４を用いて、本発明の第２の態様の他の実施の形態に係るＥＤＭ方法について説明する。以下、この方法を「順次インプリントＥＤＭ法」という。

図４に示すように、順次インプリントＥＤＭ法４０は、全体として、フライス加工された金属キャビティを型として調製し（ステップ４２）、該キャビティのネガティブである複製を電極に形成し（ステップ４４）、ＥＤＭ仕上げを実行して（ステップ４６）、仕上げられたキャビティを得る（ステップ５０）ことから成る。

ステップ４２では、フライス加工された金属キャビティであって、例えば射出成形要件に合致するために追加の研磨や仕上げを必要とするものを用いることができる。このような予めフライス加工されたキャビティを型として用いて、圧縮成形（ステップ４４）によって該キャビティのネガティブである複製を、極めて小さい表面の特徴も含めて延性電極上に生成する。

圧縮成形ステップ４４は、概ね、複製ＥＤＭ法に関して上述したように実行されるが、異なる点は、型の複製と加工物とが今度は同じ部品であるということである。これによって、加工物の微小なピーク部及び微小な谷部のパターンを備えた電極が得られるので、該電極は、加工物の微小な溝状の谷部が該電極の微小なピーク部になり且つ加工物表面を平坦化するのに用いられるような加工物のネガティブを呈する。

成形された後、電極は、所定のオフセット距離だけ垂直に移動されて、加工物表面の粗さをスパーク侵食によって除去するために使用される（ステップ４６）。

キャビティの表面の粗い所定の部分が平坦にされて、新しい滑らかな加工物表面が得られると、電極は、その表面を上記新しいより滑らかな加工物表面にマッチさせるために上述した圧縮成形ステップ４４によって再加工される（ステップ４８）。このような反復プロセスにおいて、加工物表面の粗さのピーク部は漸次平坦化される一方、電極表面の粗さの谷部はこれに対応して埋められ、反復される毎に電極及び加工物の双方の表面がより滑らかになり、最後に所望の表面仕上げが達成される（ステップ５０）。

より具体的には、順次インプリントＥＤＭ法は、エンドミルが残したマークや微小な溝と直角方向の追加の小さいオフセット変位を含む加工物上の初期押圧位置に電極を配置し、電極の動きが加工物表面全体のピーク部上に摩耗を生じさせるようにして行われる。この手順は、電極が完全なピーク部の全幅に亘って移動してしまうまで繰り返すことができる。ピーク部が除去されると、同じ手順をより小さいオフセット変位で繰り返して加工物表面を研磨することができる。

鏡面仕上げは、ステップ４６のＥＤＭ制御パラメータを残りの平均表面ピーク部高さに応じて調整することによって達成できる（ステップ５０）。反復４８の回数は、加工物材料、ＥＤＭパラメータ、初期表面粗さ、及び所望の表面仕上げなどのパラメータに依存する。

前述したことから、キャビティの順次インプリントは、仕上げ用ボールエンドミル又は旋削工具によって加工物表面上に作られた微小なピーク部を微小な谷部になるように平坦化することによって、その表面仕上げを反復的に磨きをかけるために用いられることがことが分かる。微小な谷部の底部は所望の加工物寸法と一致しているので、結果として、精確で滑らかな表面を有する加工物が生成される。

したがって、２つの同一な材料片が単純にそれらを互いにこすり合わせることによって研磨されるのと全く同様に、キャビティの順次インプリントを用いて表面の粗さがスパークエネルギーによって平坦化される。本方法では、最小エネルギーの原理に従ってスパークは電位差を与えられた２つの表面の間の最も近い点で発生するので、スパークは電極表面の粗さのピーク部とキャビティ表面の粗さのピーク部の間で発生し、これらが可能な最も短いイオン化の遅延又は距離に合致する。

なお、フライス加工作業（ステップ４２の前に行われる）が所望の表面線に沿って規則的な間隔でのピーク部−谷部の表面構造を残すように切削経路に従って行われるようにすることによって、順次インプリントＥＤＭ法をさらに効果的なものにすることができる。均一な表面構造が達成されるならば、平坦なエンドミル又はボールノーズのエンドミルを用いてもよい。

順次インプリントＥＤＭ法は、例えば最初の段階でフライス加工又は旋削された導電性の加工物をその最終的な形状に近くなるように仕上げするために、又はそのような加工物を研磨するために用いることができることが当業者には理解されるであろう。

順次インプリントＥＤＭ法によって得られた結果の一例を、図５を参照して説明する。

先ず、周知の表面トポロジーを有する工具鋼表面を生成する実験を行った。振幅が１７７μｍで周期が３５４μｍの鋸歯状パターンをＰ２０工具鋼材料からフライス加工により形成して初期表面粗さを発生させる。繰り返し初期表面粗さの単一波頭が図５中に０μｍの箇所に示されている。

次に、この鋸歯状パターンを型に挿入し、圧縮成形プロセスによってマッチする表面パターンを有する複合体ポリマー電極を生成する。

次に、マッチする表面パターンを有する電極を、表面波頭のエッジ部のうち１つと平行に移動し、電極表面のピーク部が工具鋼表面のピーク部に整合するようにする。

ピーク部間の垂直ギャップ距離を、実験で用いられた以下の表１に示すＥＤＭパラメータから求める。

ＥＤＭプロセスを、約５分間に亘って行った。この時間は表１のＥＤＭパラメータを用いるポリマー電極で望ましくない摩耗レベルを生じる時間にほぼ対応している。このＥＤＭ時間の後、工具鋼材料も、最初のＥＤＭ反復が示す所望の１０μｍのレベルの摩耗を生じた（曲線Ａ）。

次に、この同じ摩耗した工具鋼材料を再び表面テクスチャのテンプレートとして用いて、マッチする表面パターンを有する新しい変更された複合体ポリマー電極を生成する。上述した方法に従って、新しい変更された電極を用いて、それが摩滅するまで第２回目の反復加工を行う（曲線Ｂ参照）。同じ手順を第３回目の反復にも繰り返す（曲線Ｃ参照）。

図５に示す結果は、４つのランダムな工具鋼表面のピーク部についてＤＥＫＴＥＫ IIＡ（これは、垂直分解能及び水平分解能が、それぞれ、０．５オングストローム及び１μｍである）によって得られた４回の異なる測定の組み合わせである。明らかに、工具鋼表面のピーク部はこの制御されたＥＤＭ反復手順によって漸次侵食されている。

漸次減少するパルスエネルギーによる更なるＥＤＭ反復によって上記プロセスを続行することにより、所望の表面仕上げが得られることが十分に期待できる。さらに、かかるプロセスは、固体グラファイト電極加工などの余分なプロセスが必要とされないので、完全に自動化できることは当業者には容易に考えられる。その結果、工具鋼仕上げ作業の生産コストを著しく低減させることができる。

本発明においては、電極材料は、そのポリマー含有量が高いことから、従来の固体グラファイト電極に比較して若干速く摩耗すると予想されるので、鏡面仕上げまでの仕上げレベルを達成するためには、ＥＤＭ制御パラメータをそれに応じて調整する必要があることは明らかである。

標準的な固体グラファイト又は銅の電極と異なり、本発明の延性ポリマー−炭素電極は、繰り返し軟化させて所望の形状寸法に微少な寸法許容誤差及び表面仕上げで成形することができ、公知の電極製造方法に比較して高品質の成形電極を格段に高い生産速度で生産することが可能になる。

したがって、本発明のＥＤＭ用電極及びＥＤＭ方法は、電極の組成、電流パルスパラメータ、及び水をベースとする誘電体特性などの多数のプロセスパラメータを、期待される性能レベルを実現するように最適化させることを前提として、金属部品に対する仕上げ及び研磨作業の自動化を容易にすると共に、木、織物、皮革等の任意の材料の表面テクスチャを複製する手段を提供することができると期待される。

本発明は、改良されたＥＤＭ方法に導く改良された電極材料を提供して、精密金属部品の生産時間の短縮及びコストの低減を可能にすることが明らかである。

本発明を具体的な実施の形態によって上述したが、本発明は、添付された特許請求の範囲によって定められる本発明の教示から逸脱することなく変更することが可能である。

本発明の第１の態様の実施の形態に係る方法のフローチャートである。 本発明の第２の態様の実施の形態によって、図１の方法に従って製造された電極を用いる方法のフローチャートである。 図２の方法を説明するための図である。 本発明の第２の態様の他の実施の形態に係るＥＤＭ方法のフローチャートである。 本発明に係る反復的なＥＤＭ方法による表面粗さの減少を示す図である。

符号の説明

２０ 複製ＥＤＭ法
３０ 仕上げられた工具鋼キャビティ
３２ アルミニウムのキャビティモデル
４０ 順次インプリントＥＤＭ法

Claims (45)

1. 炭素質固体材料と母材材料を含む放電加工用電極であって、前記炭素質固体材料はカーボンブラックの含有量が３５重量％以下であることを特徴とする放電加工用電極。
2. さらにグラファイト化固体材料を含むことを特徴とする請求項１記載の放電加工用電極。
3. 前記グラファイト化固体材料は、グラファイトフレーク及びグラファイトウィスカから成る群から選択された材料を最小割合で含むと共に、グラファイト粉末及びグラファイトナノチューブから成る群から選択された材料を最大割合で含むことを特徴とする請求項２記載の放電加工用電極。
4. さらに金属粉末を２０重量％以下の割合で、対応する割合の前記グラファイト化固体材料の代わりとして含む請求項３記載の放電加工用電極。
5. 前記炭素質材料及び前記グラファイト化材料は、４０〜７５重量％の範囲内の割合に達することを特徴とする請求項２記載の放電加工用電極。
6. 前記炭素質材料は、カーボンブラックを５〜２０重量％の範囲内で含むことを特徴とする請求項５記載の放電加工用電極。
7. 前記グラファイトフレークの最小割合が２０重量％以下であり、前記グラファイトウィスカの最小割合が５重量％以下であり、前記グラファイト粉末の最大割合が５０重量％以下であり、前記グラファイトナノチューブの最大割合が１〜１０重量％の範囲内であることを特徴とする請求項３記載の放電加工用電極。
8. 前記母材材料は、熱可塑性ポリマーとワックスとから成る群から選択された母材材料であることを特徴とする請求項１記載の放電加工用電極。
9. 前記放電加工用電極は、プレス加工、圧縮成形、ブロー成形、及び鋳造から成る群から選択された方法によって作られることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の放電加工用電極。
10. 放電加工用電極を製造する方法であって、
    炭素質材料を調製するステップと、
    母材材料を選択するステップとを備え、
    前記炭素質材料を調製するステップは、グラファイトとカーボンブラックとを、カーボンブラックの割合が３５重量％以下であるように調製することから成ることを特徴とする方法。
11. さらに、前記選択された母材材料に応じてグラファイト化材料の形で固体材料を調製するステップを備えることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記グラファイト化材料の形で固体材料を調製するステップは、フレーク及びウィスカから成る群から選択されたグラファイト化材料を最小にし、且つ粉末及びナノチューブから成る群から選択されたグラファイト化材料を最大にすることから成ることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記固体材料を調製するステップは、４０〜７５重量％の範囲内の割合で固体材料を調製することから成ることを特徴とする請求項１１記載の方法。
14. 前記炭素質材料を調製するステップは、５〜２０重量％の範囲内の割合でブラックカーボンを調製することから成ることを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記グラファイト化フレークを最小にするステップは、２０重量％以下の割合でグラファイトフレークを調製することから成り、前記グラファイト化ウィスカを最小にするステップは、５重量％以下の割合でグラファイトウィスカを調製することから成り、前記グラファイト化粉末を最大にするステップは、５０重量％以下の割合でグラファイト化粉末を調製することから成り、前記グラファイト化ナノチューブを最大にするステップは、重量で１〜１０重量％の間の割合でグラファイト化ナノチューブを調製することから成ることを特徴とする請求項１２記載の方法。
16. 前記母材材料を選択するステップは、熱可塑性ポリマーとワックスとから母材材料を選択することから成ることを特徴とする請求項１０記載の方法。
17. 加工物を仕上げるための放電加工方法であって、
    前記加工物の複製を調製するステップと、
    一般的電極を調製するステップと、
    前記複製を型として用いて前記一般的電極をマッチング電極に成形するステップと、
    前記マッチング電極によって前記加工物に放電加工を実行するステップと
    を備えることを特徴とする放電加工方法。
18. 前記加工物の複製を調製するステップは、平坦表面、湾曲した表面、滑らかな表面、及びテクスチャ加工された表面から成る群から選択された所定の形状寸法の表面を備えるテンプレートを選択することから成ることを特徴とする請求項１７記載の放電加工方法。
19. 前記加工物の複製を調製するステップは、単一部品から成る型と複数の相互連結される型部品とから成る群から選択された複製を調製することから成ることを特徴とする請求項１８記載の放電加工方法。
20. 前記加工物の複製を調製するステップは、少なくとも１つの良好な熱伝導体で作られた複製を調製することから成ることを特徴とする請求項１８記載の放電加工方法。
21. 前記一般的電極を調製するステップは、円柱、円錐、球、楕円体、及び立方体から成る群から選択された所望の形状寸法の電極を調製することから成ることを特徴とする請求項１８記載の放電加工方法。
22. 前記一般的電極を調製するステップは、電極ホルダとして用いられる金属インサートの周囲に電極材料を射出成形することから成ることを特徴とする請求項１８記載の放電加工方法。
23. 前記一般的電極をマッチング電極に成形するステップは、
    炭素系電極材料を軟化させるサブステップと、
    前記軟化させた炭素系電極材料を前記複製に対して押圧するサブステップとを備え、
    前記炭素系電極材料は、熱伝達によって冷却及び固化して、所望の形状及び表面仕上げを備えるマッチング電極を生成することを特徴とする請求項１８記載の放電加工方法。
24. 前記炭素系電極材料を軟化させるサブステップは、誘導加熱、伝導加熱、及び放射加熱から成る群から選択された方法を用いて遂行されることを特徴とする請求項２３記載の放電加工方法。
25. 前記軟化させた炭素系電極材料を押圧するサブステップは、ロボットアームの使用及びＣＮＣ（コンピュータ数値制御）用機械工具の使用から成る群から選択された方法で実行されて、前記軟化させた電極材料を３次元曲線に沿って前記複製に相対的に移動させることにより電極の形状と表面を刻むことを特徴とする請求項２３記載の放電加工方法。
26. 前記軟化させた炭素系電極材料を押圧するサブステップは、複数の部品から成る型の内側に閉じこめられた予熱された中空延性電極が固定された穿孔された電極ホルダのインサートを通して気体を送り込むことにより、前記中空延性電極内側に圧力を加えることにより実行されて、前記軟化させた電極材料は、前記複数の部品から成る型の一部における形状と表面仕上げに一致するまで前記気体圧力の下で膨脹し、その後冷却し固化して所望の形状になるようにして実行されることを特徴とする請求項２３記載の放電加工方法。
27. 前記放電加工を実行するステップは、単純プランジ加工、軌道プランジ加工、及び触針加工から成る群から選択された方法で実行されることを特徴とする請求項１８記載の放電加工方法。
28. 前記放電加工を実行するステップは、脱イオン水、鉱油、及び気体から成る群から選択された誘電体流体を使用することから成ることを特徴とする請求項１８記載の放電加工方法。
29. 前記気体が空気であることを特徴とする請求項２８記載の放電加工方法。
30. 前記放電加工を実行するステップは、前記電極の摩耗を最小にするように電気パルスパラメータを調整することから成ることを特徴とする請求項１８記載の放電加工方法。
31. 加工物に対して仕上げ作業を行うための放電加工方法であって、
    前記加工物の複製を調製するステップと、
    前記加工物の複製内に延性電極を成形するステップと
    を備えることを特徴とする放電加工方法。
32. 前記加工物の複製を調製するステップは、鋭いエッジ部、滑らかな面とり部、形状寸法、表面テクスチャ、隅角部、深い溝、種々の半径の９０°エッジ部及び種々の半径の９０°面とり部を含む形状寸法の複製の一連の中から複製を選択することによって、前記加工物の局部的な部分の複製を調製することから成ることを特徴とする請求項３１記載の放電加工方法。
33. 前記加工物の複製内に延性電極を成形する前記ステップは、
    前記電極のポリマー母材の融点温度の近傍で前記複製を予熱するサブステップと、
    前記予熱された複製中に複合材料のペレットを供給するサブステップと、
    密着カバーによって前記複製を閉じるサブステップと、
    前記複合材料のペレットを前記閉じられた複製内で圧縮するサブステップと、
    前記複製の内側に電極を形成するサブステップと、
    前記複製を冷却して、前記電極を固化させるサブステップとを備え、
    前記複製の内側に電極を形成するサブステップは、前記複製の内側に等方的な圧力を生成し、前記等方的な圧力を維持して、前記複合材料内全体に亘って均一な温度分布が得られるようにし、表面のディテールが強調され且つ多孔度が最小にされた電極を生成することから成ることを特徴とする請求項３１記載の放電加工方法。
34. 加工物に対して放電加工するのに用いる延性電極を、前記加工物の複製内に形成することによって前記延性電極を再加工する方法であって、
    前記延性電極のポリマー母材の融点温度の近傍で前記複製を予熱するステップと、
    前記複製とほぼ同じ形状寸法の単一片の材料を前記予熱された複製内に供給するステップと、
    密着カバーによって前記複製を閉じるステップと、
    前記閉じられた複製の内容物を圧縮するステップと、
    前記複製の内側に電極を成形するステップと、
    前記複製を冷却して、前記電極を固化させるステップとを備え、
    前記複製の内側に前記電極を成形するステップは、前記複製の内側に等方的な圧力を生成し、前記等方的な圧力を維持して、前記ポリマー複合材料内全体に亘って均一な温度分布が得られるようにし、再成形された電極を生成することから成ることを特徴とする方法。
35. さらに、前記延性電極を予熱してその外側表面を軟化させるステップを備えることを特徴とする請求項３４記載の方法。
36. フライス加工された金属キャビティに対して仕上げ作業を行う放電加工方法であって、
    型として用いられる前記フライス加工された金属キャビティ内において、前記フライス加工された金属キャビティのネガティブである複製を電極に形成するステップと、
    前記電極に形成された前記フライス加工された金属キャビティに対して放電加工するステップとを備え、
    これにより、前記電極は、前記フライス加工された金属キャビティの微小なピーク部及び微小な谷部のパターンを含み、前記フライス加工された金属キャビティの微小な溝状の谷部が前記電極の微小なピーク部になり且つスパーク侵食によって前記フライス加工された金属キャビティを平坦化するのに用いられるような前記フライス加工された金属キャビティのネガティブを呈することを特徴とする放電加工方法。
37. フライス加工された金属キャビティに対して仕上げ作業を行う放電加工方法であって、予めフライス加工されたキャビティを型として用いて前記キャビティのネガティブである複製を延性電極上に形成し、延性電極がフライス加工された金属キャビティのネガティブとして得られ、フライス加工された金属キャビティの微小な溝状の谷部が前記電極の微小なピーク部となって、該ピーク部がスパーク侵食によって前記フライス加工された金属キャビティ表面を平坦化し、前記キャビティの表面が粗い所定の部分が平坦化されて、新しいより滑らかなキャビティ表面が得られると、前記新しいより滑らかなキャビティ内で前記電極を再加工して、その表面を新しいより滑らかなキャビティの表面にマッチさせることを特徴とする放電加工方法。
38. 複合炭素質材料を金属インサートホルダの周囲に保持される単純な形状の一般的電極に成形する方法であって、延性電極材料を軟化させて軟化した電極を生成し、該電極を型に対して押圧して最終的な形状と表面仕上げを付与することを特徴とする方法。
39. 前記延性電極材料は、誘導加熱、放射加熱、及び伝導加熱から成る群から選択された方法によって軟化されることを特徴とする請求項３８記載の方法。
40. 前記軟化した電極を加工物の部分のオリジナルに対して押圧してネガティブの形状寸法を抽出することにより、前記部分のオリジナルの形状寸法を複製することを可能にすることを特徴とする請求項３８記載の方法。
41. 前記軟化した電極は、前記軟化した電極と型との間の３次元曲線に沿った相対運動によって刻まれることを特徴とする請求項３８記載の方法。
42. 前記軟化した電極は、穿孔された金属インサートに保持される中空電極を複数の部品から成る型の内側で膨脹させることによって押圧され、該型の温度が冷却用通路によって制御可能であることを特徴とする請求項３８記載の方法。
43. 延性の炭素質−金属ポリマー複合材料を導電性材料に対して放電加工を実行するための放電加工用電極として使用することを特徴とする使用方法。
44. 前記電極は、摩滅してしまうまで使用され、前記電極は最初の形状に再加工されることを特徴とする請求項４３記載の延性の炭素質−金属ポリマー複合材料を放電加工用電極として使用することを特徴とする使用方法。
45. 延性電極材料を用いて加工物を仕上げし研磨する方法であって、前記延性電極が放電加工によって微小なピーク部を除去するために使用される前記加工物の複製又は前記加工物の部分の複製であり、押圧方法に従って、前記電極をその最初の成形位置から前記微小なピーク部の幅に亘って移動させて加工物を仕上げし研磨することを特徴とする方法。

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