JP2007507359A - 放電加工用多層コーティング電極線およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

放電加工（ＥＤＭ）用多層コーティング電極線は、電極線の交換なしに、被加工物を所望形状に高速で精密に加工することができ、この電極線の製造方法は、心線の製造段階、前記心線に亜鉛をコーティングする段階、前記コーティングされた心線を乾燥させる段階、前記コーティングされた心線を拡散熱処理する段階と、前記コーティングされた心線から製品を引き抜く段階、および前記コーティングされた心線を安定化処理する段階を順次実施することにより得られる。

Description

本発明は放電により被加工物を所望形状に溶融させることができる放電加工（ＥＤＭ）用電極線に係り、より詳しくは、電極線の交換なしに被加工物を高速で精密に所望形状に加工するための放電加工（ＥＤＭ）用多層コーティング電極線と、心線の製造段階、前記心線を亜鉛でコーティングする段階、前記コーティングされた心線を乾燥させる段階、前記コーティングされた心線を拡散熱処理する段階、前記コーティングされた心線に対して引き抜きを行って製品を得る段階、および前記コーティングされた心線を安定化処理する段階とを順次行うことからなる前記電極線の製造方法に関するものである。

一般に、放電加工（ＥＤＭ）法は、電極線と被加工物との間に高電圧を印加しつつ、コンピュータによって前もってプログラムされたデータにしたがって電極線を被加工物に対して移動させることにより、被加工物を溶融させ、被加工物を所望の形状に切断する方法である。電源を印加するとき、電極線と被加工物との間で放電が起こる。

図１に示すように、前記ＥＤＭ法を採用した従来のＥＤＭ装置においては、被加工物２に予め形成された開始孔２に電極線４を挿入し、コンピュータ（図示せず）で前もってプログラムされた所望形状にしたがって電極線を連続して開始孔２を通じて供給することになる。同時に、電力供給装置１からの電力を電極線４と被加工物３との間に印加することで、電極線と被加工物間に放電を引き起こして被加工物３を溶融させる。したがって、被加工物３から所望形状に製造することができる。

前記ＥＤＭ用コーティングされた電極線の素材は、黄銅（銅と亜鉛の合金）電極線、黄銅電極線の外面に亜鉛がコーティングされた亜鉛コーティング黄銅電極線、および黄銅電極線の表面に亜鉛をコーティングした後に熱処理を行った亜鉛合金（ＣｕＺｎ５０またはＣｕＺｎ６５）コーティング電極線に区分される。

以下、従来のコーティング電極線およびその製造方法を説明する。

まず、米国特許第４，９３５，５９４号は、図２に示すように、９９．０重量％以上の銅および極少量の酸素を含む電解銅、または７９．５〜８０．５重量％の銅を含有する銅−亜鉛合金からなる心線１２と、低い気化エネルギー特性を有する金属（たとえば、亜鉛、カドミウム、ビスマスまたはアンチモン）またはその金属の合金からなるコーティング層１４とを含む、被加工物の放電腐食切断用ワイヤー電極を開示する。また、前記特許は、前記ワイヤー電極の製造方法を開示する。

米国特許第４，２８７，４０４号は、比較的高い機械的強度を有する素材からなった心線とその上に形成された比較的薄い金属表面コーティングを含む、被加工物の放電加工用電極を開示する。ここで、前記比較的薄い金属表面コーティングは、亜鉛、カドミウム、スズ、鉛、アンチモン、ビスマス、およびその合金からなる群より選ばれる、低気化温度を有する少なくとも５０重量％の金属を含む。

米国特許第４，９９８，５５２号は、図３に示すように、鋼からなった心線１２と、均質銅（１００％銅）からなった下部層１６と、１０〜５０重量％の亜鉛を含有する上部黄銅層１８とを含む、移動ワイヤーＥＤＭ法用ワイヤー電極を開示する。ここで、前記鋼からなった心線は銅または銅合金で取り囲まれて多層構造を形成するので、比較的高い機械的強度を有することになる。

大韓民国特許出願第１０−１９８５−０００９１９４号は、銅またはそのほかの構成成分で被覆された鋼製心線と、前記鋼製心線上に被覆されたＣｕＺｎ１０〜ＣｕＺｎ５０の銅−亜鉛合金層とを含む、ＥＤＭ法用ワイヤー電極を開示する。前記ワイヤー電極は前述したものと同一方式で被加工物を加工する。

米国特許第４，９６８，８６７号は、比較的高い熱伝導度を有する心線と、低沸点素材（たとえば、亜鉛）からなった下部コーティング層と、高い機械的強度を有する外部黄銅層とを含む、ワイヤー切断放電加工用ワイヤー電極を開示する。ここで、前記心線は銅、銀、アルミニウム、またはこれらの合金から製造される。

米国特許第５，９４５，０１０号は、心線と、ＣｕＺｎ１０〜ＣｕＺｎ５０の銅−亜鉛合金の代わりに、ＣｕＺｎ６５の銅−亜鉛合金からなった外部コーティング層とを含む、被覆ＥＤＭワイヤー電極を開示する。しかし、ＣｕＺｎ６５の銅−亜鉛合金は図４に示すようなγ相を含むため、外部コーティング層が剥離するか、または隙間を発生させる。すなわち、γ相の外部コーティング層が冷間引き抜き中に破壊されるにしたがい、心線上に不連続または崩壊コーティングを形成して心線の表面を全く覆わないことがあり得る。

米国特許第６，３０６，５２３号は、ＥＤＭ用多孔性電極線の製造方法、およびこの方法により製造した電極線を開示する。図５に示すように、多孔性電極線は、銅製心線と、前記心線上に形成された合金層と、冷却効果を与えるためのクラックを有する亜鉛製のコーティング層とを含む。

このような従来の各具体例は、単機能のみを有する心線上の単一コーティング層を有するばかり、多機能の複合コーティング層を含むものではない。したがって、従来のＥＤＭ装置は荒削りおよび仕上げ削りなどの作業種類によって電極線をほかのものと交換しなければならない。たとえば、被加工物を高速で精密に加工するために、従来のＥＤＭ装置は精密加工用電極線を使用し、ほかの高速用電極線を採択しなければならない。したがって、従来のＥＤＭ装置は、作業種類によって電極線を取り替えなければならないため、加工時間を延長させるという欠点を有する。

また、米国特許第５，９４５，０１０号および同第６，３０６，５２３号に開示されたＥＤＭ用電極線はコーティング層上に均一でないクラックを有するため、放電が不均一に発生して、被加工物の加工面を均一に加工することができない。

本発明の目的は、精密加工用の亜鉛からなった外層と高速加工用の亜鉛合金からなった下層を含む少なくとも二つのコーティング層を有することにより、交換なしに被加工物を連続して加工することができる、放電加工用多層コーティング電極線を提供することである。

本発明のほかの目的は、心線の製造段階、前記心線を亜鉛でコーティングする段階、前記コーティングされた心線を乾燥させる段階、前記コーティングされた心線を拡散熱処理する段階、前記コーティングされた心線から製品を引き抜きする段階、および前記コーティングされた心線を安定化処理する段階とを順次行うことからなる放電加工用多層コーティング電極線の製造方法を提供することであり、前記電極線は、精密加工用の亜鉛からなった外層と高速加工用の亜鉛合金からなった下層を含む少なくとも二つのコーティング層を有することにより、交換なしに被加工物を連続して加工することができる。

前記目的は、放電加工（ＥＤＭ）用の多層コーティング層を有する電極線の製造方法であって、２．５ｍｍの直径を有する素材を０．９〜１．０ｍｍの直径にまで引き抜くことで心線を製造する段階と、前記心線の外表面上に５〜１０μｍの厚さに純粋亜鉛をコーティングする段階と、前記コーティングされた心線から水分を除去するために乾燥する段階であって、拡散熱処理炉内で室温から５０〜６０℃まで毎分あたり１〜２℃の速度で温度を上昇する段階と、前記コーティングされた心線を５０〜６０℃の温度で６０〜１２０分間維持する段階とを含む段階と、前記コーティングされた心線を拡散熱処理して前記コーティングされた心線上に多層コーティング層を形成する段階であって、５０〜６０℃から１２０〜１８０℃まで毎分当たり２〜３℃の速度で温度を上昇する段階と、前記コーティングされた心線を１２０〜１８０℃で５０〜９０分間維持する段階と、１２０〜１８０℃から５０〜６０℃まで毎分当たり２〜３℃の速度で温度を降下させて前記コーティングされた心線を冷却させる段階とを含む段階と、前記多層コーティング層を有する前記コーティングされた心線を最終製品として０．１〜０．３３ｍｍの直径にまで引き抜く段階と、前記多層コーティングされた心線を安定化処理する段階であって、前記多層コーティングされた心線を空気雰囲気中で２００〜２２０℃の温度まで加熱する段階と、前記加熱された多層コーティングされた心線を空気雰囲気中で冷却する段階とを含む段階と、を含むことを特徴とする放電加工（ＥＤＭ）用多層コーティング電極線の製造方法により達成される。

好ましくは、前記方法により製造された放電加工（ＥＤＭ）用多層コーティング電極線は、心線と；前記心線上に形成された亜鉛合金層と；前記亜鉛合金層上に形成された亜鉛層を含む。

本発明の具体例によると、前記コーティング層を有する電極線は、銅または銅合金からなった心線を製造する段階、前記心線を亜鉛でコーティングする段階、前記コーティングされた心線を乾燥させる段階、前記コーティングされた心線を拡散熱処理する段階、前記熱拡散処理後、前記コーティングされた心線から製品を引き抜きする段階、および前記コーティングされた心線を安定化処理する段階とを順次行う方法により製造される。前記電極線は、心線を形成する構造物と、高速加工用内層としての亜鉛合金層と、精密加工用外層としての亜鉛層とを形成する構造を有する。したがって、本発明の電極線は、電極線の交換なしに被加工物を高速で精密に加工することができる。

また、前記電極線は比較的低コストで製造することができる。被加工物を放電加工するとき、心線から破片が分離されないので、加工作業が電極線によって妨害されない。

また、前記電極線は不活性ガスを使用せずに空気雰囲気で製造可能であるので、製造費用を節減することができる。

以下、図面に基づいて、本発明の具体例を詳細に説明する。

図６に示すように、本発明による多層コーティング電極線は、銅または黄銅（銅と亜鉛の合金）からなった心線２２と、前記心線２２上に形成された亜鉛合金（ＣｕＺｎ８０〜ＣｕＺｎ９５）の下部層２６と、前記下部層２６上に形成された亜鉛合金（ＣｕＺｎ９０〜ＣｕＺｎ１００）の上部層２８とを含む。

ここで、前記下部層２６は、被加工物を高速で精密に加工する機能を有する。亜鉛合金は昇華点が比較的高い特性を有する一方、亜鉛は昇華点が比較的低い特性を有する。

以下、本発明の電極線の比較的低い昇華点を有する亜鉛の機能と本発明の電極線の有用性をより具体的に説明する。

まず、本発明の電極線を使用する放電加工（ＥＤＭ）装置の加工速度は、電極線と被加工物間の放電量が増加するにしたがって速くなる。ここで、放電量は電極線と被加工物間の電力大きさによって決定される。

しかし、電極線と被加工物との間で放電が起こるとき、その間では比較的多量の熱が発生するので、被加工物が溶融して切断される。同時に、電極線の表面も被加工物と同一作用を受けるので、電極線も熱により溶融して破壊される。電極線の破壊を防止するために、ＥＤＭ装置が作動しているとき、電極線と被加工物との間の放電面に高圧の冷却水を供給する。

したがって、電極線に供給される電力の最大大きさは電極線が損傷しない範囲内にあることが望ましい。

一方、電極線が比較的高い電力で損傷しなければ、比較的高い速度で被加工物を切断することができる。

一般に、放電熱により電極線の温度が上昇すると、電極線が易しく切断される。このような電極線の切断を防止するために、冷却機能を有する亜鉛を電極線の表面に被覆させる。すなわち、放電の際、電極線上の亜鉛は９０６℃の昇華点で発生する昇華熱により電極線の温度を低める機能をするが、これを冷却作用という。したがって、電極線の温度を上昇することを亜鉛が防止することができるので、亜鉛は電極線が比較的高い電力を収容し得るようにする。

しかし、亜鉛が冷却金属として有用であると言っても、つぎのような欠点を有する。

電極線と被加工物間で放電が起こるとき、電極線の表面は、被加工物のように、溶融して剥がされる。ここで、純粋亜鉛は放電加工中に易しく昇華するため、比較的厚い被加工物を加工するかまたは加工速度を高めるために電力を増大させると、亜鉛が電極線の表面から昇華することになる。したがって、電極線の直径は中心側に行くほどに縦方向に次第に減少するので、電極線は被加工物をその表面形状のように傾斜するように加工することになる。

したがって、純粋亜鉛で被覆された電極線は、所定の電力範囲内で精密加工用としてだけ制限される。

亜鉛被覆電極線は精密加工用に有用であり、亜鉛合金被覆電極線は被加工物を高速で加工するとか、比較的厚い被加工物を精密に加工するのに有用である。

一般に、放電加工は（１）荒削りおよび（２）仕上げ削りを行う。荒削り段階は被加工物を加工するのに長い時間を要する一方、仕上げ削りは被加工物を高速で加工するので、荒削りより小さい時間を要する。

したがって、被覆電極線の種類、印加電力、および放電加工に基づき、被覆電極線はつぎのように簡略に要約することができる：被加工物を荒削りおよび仕上げ削りで加工するとき、各削りには専用の適切な電極を使用しなければならない。すなわち、荒削り用電極の特徴は仕上げ削り用電極の特徴と異なるため、荒削り後に仕上げ削りを行うためには、荒削り用電極線を仕上げ削り用電極線で交換する必要があり、その逆の場合も同様である。しかし、加工段階にしたがって電極線を交換しなければならないとしても、実際にはあまり交換する必要がない。すなわち、被加工物を精密加工する場合は、加工速度を制御して精密加工用電極線を使用する。また、被加工物を高速加工する場合は、高速加工用電極線を使用する。

このため、本発明による多層コーティング電極線は、図６に示すように、二つの層、つまり精密加工のために亜鉛（低昇華点を有する）からなった上部層２８と、高速加工のために亜鉛合金（高昇華点を有する）からなった下部層２６とからなる。したがって、本発明の電極線は、ほかの電極線で交換する必要なしに、被加工物を高速で精密に加工することができる。

ところで、冷却効果を与えるために、従来の電極線は、図５に示すように、その表面にクラックを形成している。一方、本発明の電極線は、図７に示すように、その表面にクラックを形成せずに冷却されるので、均一に放電する。特に、本発明の電極線は、上部層２８の純粋亜鉛により一層高い冷却効果を表す。

以下、図面に基づき、多層コーティング電極線の製造方法を説明する。

図８は、精密加工のために亜鉛（低昇華点を有する）からなった上部層２８と、高速加工のために亜鉛合金（高昇華点を有する）からなった下部層２６とを含む、本発明による多層コーティング電極線の製造方法を示すフローチャートである。したがって、本発明の電極線は、ほかの電極線で交換する必要なしに、被加工物を高速で精密に加工することができる。

図面に示すように、本発明の多層コーティング電極線の製造方法は、心線製造段階ＳＴ１０、コーティング段階ＳＴ２０、乾燥段階ＳＴ３０、拡散熱処理段階ＳＴ４０、製品引き抜き段階ＳＴ５０、安定化処理段階ＳＴ６０、および製品巻取り／包装段階ＳＴ７０とを含む。

［発明の形態］
以下、各製造段階を詳細に説明する。

（１）心線製造段階
微粒子型人造ダイアモンド引き抜きダイを用いて、直径２．５ｍｍの素材を直径０．９〜１ｍｍに減少させるように引き抜きを行って心線を製造した。ここで、心線は１μｍの真円度を有する。また、その表面はスクラッチなしに平らである。その後、心線をアニーリング熱処理して、その引張強度が半硬度（１／２hard）以下となるようにする。

（２）コーティング段階
電気鍍金法または融解塗装法を用いて、前記心線の表面上に純粋亜鉛をコーティングして、コーティング厚さが５〜１０μｍとなるようにした。ここで、適正温度の拡散熱処理段階でよく拡散するようにするために、コーティング粒子の大きさは２μｍ以下にすることが望ましい。したがって、コーティング表面は均一に形成できる。

（３）乾燥段階
その後、前記コーティングされた線材を拡散熱処理炉の空気雰囲気（不活性雰囲気でない）に入れて、線材の温度を室温から５０〜６０℃まで毎分当たり１〜２℃の速度で昇温させてから５０〜６０℃で６０〜１２０分間維持させることにより乾燥させた。

（４）拡散熱処理段階
前記コーティングされた線材を前記乾燥段階と同一拡散熱処理炉で加熱してその温度を５０〜６０℃から１２０〜１８０℃まで毎分当たり１〜３℃の速度で昇温させてから１２０〜１８０℃で５０〜９０分間維持させた。その後、前記拡散熱処理炉を冷却させてその温度を１２０〜１８０℃から５０〜６０℃まで毎分当たり２〜３℃の速度で降下させた。５０〜６０℃に到達したとき、コーティングされた線材を拡散熱処理炉から取り出し、空気中で冷却させた。

前記段階で、図６に示すように、心線２２にコーティングされた亜鉛層２８は、前記心線と前記コーティングされた亜鉛間の界面で下部層として新たな亜鉛合金層２６を形成する。すなわち、コーティングされた心線は亜鉛層２８および亜鉛合金層２６の２層を有する。ここで、新たな亜鉛合金層の厚さは拡散熱処理よって決定される。たとえば、心線を純粋亜鉛で１０μｍだけコーティングした後、拡散熱処理を受けると、その外表面から５μｍまでは上部層として純粋亜鉛（ＣｕＺｎ９０〜ＣｕＺｎ１００）を維持し、前記心線の外表面と前記上部層間の残り部５μｍはＣｕＺｎ８０〜ＣｕＺｎ９５の亜鉛合金層に変化する。

（５）製品引き抜き段階
前記拡散熱処理段階の後、２層で被覆された線材から、引き抜きダイを行って、直径０．１〜０．３３ｍｍの最終製品を得た。

前記引き抜き段階では、心線にコーティングされた亜鉛層を引き抜きダイの内側面で強く摩擦させる。外表面の純粋亜鉛は強靭性および展性を有しないため、引き抜きダイは微粒子型人造ダイアモンドから製造しなければならなく、１２〜１５°の減少角度を有する。

たとえば、純粋亜鉛層および亜鉛合金層で被覆された心線に対して引き抜きを行って直径を０．２５ｍｍに減少させると、亜鉛層の厚さは１．５μｍとなる。一方、亜鉛合金層は引き抜きできない素材であるため、その厚さは殆ど変わらない。その代わりに、亜鉛合金の組織にクラックが生じて、亜鉛合金が心線に固定される。

したがって、引き抜き前の上部層と下部層の厚さ比が５０：５０であれば、引き抜き後には２０：８０〜３０：７０に変わる。たとえば、厚さ５μｍの亜鉛層と厚さ５μｍの亜鉛合金層が被覆された直径０．９ｍｍの心線が引き抜きにより０．２５ｍｍに減少されれば、前記亜鉛層と亜鉛合金層の厚さはそれぞれ１．５μｍと５μｍに変わる。

（６）安定化処理段階
冷間加工と呼ばれる前記製品引き抜き段階を経た後の心線は金属工学的内部応力を有するため、その電気伝導度が減少する。また、その機械的強度も不均一になる。

この心線が有する問題点は安定化処理により除去することができる。すなわち、安定化処理は心線の内部応力を除去し機械的および電気的特性を向上させることができる。より詳しく、安定化処理は、亜鉛合金を１８０〜２００℃の無酸素雰囲気で加熱してから水冷を行い、心線の銅を２００〜２２０℃の空気雰囲気で加熱してから同一状況で冷却させるように、実施する。

したがって、本発明の電極線は、亜鉛合金層を心線上に形成し、亜鉛層を前記亜鉛合金層上に形成することで製造することができる。

（７）販売用巻取り／包装段階
前記安定化処理を行った後、従来の方法と同様に、多層コーティング電極線を販売のためにローラーに巻取り、包装した。

［産業上利用可能性］
以上本発明の最良の具体例を開示したが、当業者であれば、添付した特許請求の範囲によって定義される本発明の精神から逸脱せずに、多様な変形例が明らかであろう。

従来技術による、被加工物を加工するＥＤＭ法を説明するために、放電加工（ＥＤＭ）装置を示す斜視図である。 従来のコーティング電極線を示す断面図である。 従来のコーティング電極線を示す断面図である。 従来のコーティング電極線の表面を示す写真である。 従来のコーティング電極線の表面を示す写真である。 本発明による多層コーティング電極線を示す断面図である。 本発明による多層コーティング電極線の表面を示す写真である。 本発明による多層コーティング電極線の製造方法を示すフローチャートである。

Claims (7)

1. 放電加工（ＥＤＭ）用の多層コーティング層を有する電極線の製造方法であって、
   ２．５ｍｍの直径を有する素材を０．９〜１．０ｍｍの直径にまで引き抜くことで心線を製造する段階と、
   前記心線の外表面上に５〜１０μｍの厚さに純粋亜鉛をコーティングする段階と、
   前記コーティングされた心線から水分を除去するために乾燥する段階であって、拡散熱処理炉内で室温から５０〜６０℃まで毎分あたり１〜２℃の速度で温度を上昇する段階と、前記コーティングされた心線を５０〜６０℃の温度で６０〜１２０分間維持する段階とを含む段階と、
   前記コーティングされた心線を拡散熱処理して前記コーティングされた心線上に多層コーティング層を形成する段階であって、５０〜６０℃から１２０〜１８０℃まで毎分当たり２〜３℃の速度で温度を上昇する段階と、前記コーティングされた心線を１２０〜１８０℃で５０〜９０分間維持する段階と、１２０〜１８０℃から５０〜６０℃まで毎分当たり２〜３℃の速度で温度を降下させて前記コーティングされた心線を冷却させる段階とを含む段階と、
   前記多層コーティング層を有する前記コーティングされた心線を最終製品として０．１〜０．３３ｍｍの直径にまで引き抜く段階と、
   前記多層コーティングされた心線を安定化処理する段階であって、前記多層コーティングされた心線を空気雰囲気中で２００〜２２０℃の温度まで加熱する段階と、前記加熱された多層コーティングされた心線を空気雰囲気中で冷却する段階とを含む段階と、
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記心線を製造する段階は、
   前記心線の真円度が１μｍ以上となるように引き抜く段階と、
   前記心線の引張強度が半硬度（１／２hard）未満となるようにアニーリングの熱処理を行う段階と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記純粋亜鉛をコーティングする段階は、粒子の大きさが２μｍ以下の粒子を使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記拡散熱処理する段階は、外表面から５μｍまでにＣｕＺｎ９０〜ＣｕＺｎ１００の純粋亜鉛層を形成し、前記純粋亜鉛層と前記心線の外表面との間の５μｍにＣｕＺｎ８０〜ＣｕＺｎ９５の亜鉛合金層を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記引き抜く段階は、微粒子型人造ダイアモンドの材料で作られ、圧縮角度が１２〜１５°を有する引き抜きダイを使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記多層コーティング層は、前記心線の表面に形成された下部層と、前記下部層上に形成された上部層とであり、前記上部層の前記下部層に対する厚さ比は２０：８０〜３０：７０であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 請求項１の方法により製造された放電加工（ＥＤＭ）用の多層コーティング層を有する電極線であって、
   前記電極線は、
   心線と、
   前記心線上に形成された亜鉛合金層と、
   前記亜鉛合金層上に形成された亜鉛層と、
   を含むことを特徴とする電極線。

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