JP2008062325A - ワイヤ放電加工用電極線 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼線からなる芯線とこの芯線の表面に施された放電加工用メッキとからなるワイヤ放電加工用電極線であって、加工中の電極線の振動を抑制し、加工速度の向上と加工精度の向上とを図る。
【解決手段】電極線の弾性比率（弾性強度／常温強度）を０．４〜０．８に設定することにより、使用できる設定張力を上げることができ、その結果電極線の振動を極力低減した条件下で放電加工を行うことが可能となり、加工溝幅を小さく、かつ加工速度を速くすることが可能となる。特に微細加工の加工精度を高めるこが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤ放電加工の工具電極として用いられるワイヤ放電加工用電極線（以下「電極線」という）に関する。

ワイヤ放電加工は、細いワイヤを電極線として、加工液（純度の高い水あるいは油）を放電部位に供給し、電極線と被加工物（金型やダイスなど）に電圧をかけ、電極線に張力をかけた状態で連続走行させながら、被加工物と電極線との間で加工液中においてパルス状の放電を繰り返し発生させ、この放電エネルギーにより被加工物を加工するものである。

上記放電は、溶融・爆発・飛散・冷却・スラッジ除去の工程で構成されており、電極線と被加工物が連続して接近することにより上記の放電加工が繰り返し実行され、被加工物を所定の形状に加工するものである。

そして、現在この放電加工に用いられる電極線としては銅合金線（黄銅線）が最も多く使用されている。

近年、精密機器はコンパクト化の傾向にあり、それに伴って被加工物の寸法・形状の更なる微小化・精密化の必要性が高まっている。

寸法・形状が微小な被加工物を加工するには、電極線の線径をできるだけ小さくする必要がある。また、放電加工精度には、放電加工時の爆発によって発生する電極線の振動が大きく影響することから、電極線には高い張力をかける必要がある。よって、細くて高い引張り強さを有する電極線が要望される。

放電加工時には、通常破断強度の１／４程度の張力が電極線に付加される。これに対し、銅合金線（黄銅線）は引張り強度が低く、上記の要求に応えることができない。

従来、微小・精密加工用の電極線として、タングステンやモリブデンなどの重金属線も一般に用いられている。これらの重金属線は放電加工時に付加される張力に耐え得る引張り強さを有しているものの、材料自体が高価であり、しかも伸線加工が困難で細径化加工にコストがかかり、また、放電加工性能が極一般的に使用されている黄銅線に比較すると劣るという問題がある。

そこで、銅合金や重金属に代わる電極線として、特許文献１に示すような、鋼線を芯線とし、鋼線を伸線加工硬化によって引張り強さを上げるようにしたものが提案されている。
この特許文献１に記載の発明は、線径０．０３〜０．３ｍｍで抗張力が１５０〜２５０ｋｇｆ／ｍｍ^２ である鋼線に、真鍮の皮膜を形成した電極線を前提技術として、真鍮の全体に占める割合および銅組成を特定し、かつ鋼線の炭素成分を特定することにより、加工速度（電導性）および引張り強度を優れたものにし、芯線の強度が高く外側の真鍮の厚みが厚い電極線を提供しようとするものである。そして、この発明によれば、電極線の伸線加工による抗張力の上限が４００〜５００ｋｇｆ／ｍｍ^２ である電極線が得られる（特許文献１の段落〔００１２〕参照）。
特開２０００ー１９８０２７号公報

上記特許文献１に記載の発明によれば、芯材が鋼線で線径が小さく高い引っ張り強度を有する電極線を得ることができるが、この電極線を用いて放電加工試験を行こなったところ、切断速度の大幅な向上は見られず、しかも加工幅が大きくなるという課題があることが判明した。

一般に、放電加工では、電極線に通常破断強度の１／４程度の張力をかけて、電極線が振動しない条件下で行われている。放電加工時には、電極線の走行だけでなく、放電による反力も受けるため、電極線が伸びる範囲で使用した場合は加工が不安定となるという現象も見いだした。

すなわち、本発明者は、上記の課題、すなわちこの電極線による放電加工によれば、切断速度の大幅な向上は見られず、しかも加工幅が大きくなる原因を追求したところ、この電極線によれば、放電加工時に電極線が伸び、それにより電極線１０（図４、５参照）に大きな振幅Ｓの振動（図４の点線が電極線１０の振動状態を示す）が発生する点にあることを見いだした。すなわち、振動の振幅が大きくなると、ワーク１に形成される加工溝の幅をＤとし、電極線１０の直径をφとすると、Ｄ／φの数値が大きくなってしまう。
これは、放電エネルギーの多くの部分が加工溝形成方向（電極線の進行方向）以外の方向（例えば電極線の進行方向と直交する方向）の切断に浪費されることを意味し、その結果が加工能率の低下と加工精度の低下の原因となることが判明した。

本発明者は、電極線の破断強度が高いだけでは好結果を期待することはできず、弾性比率（弾性強度÷常温強度）が高いことが電極線張力を上げることができ、それが放電加工特性を良好にする、つまり、放電加工時の伸びに起因する振動を抑制でき、その結果切断速度の向上が可能となり、かつ加工溝幅を小さくできるようにした電極線が得られることを確認した。本発明は、この知見に基づくものである。「弾性比率」については後に詳述する。

本発明は、鋼線からなる芯線と、同芯線の表面に施された放電加工用メッキとからなるワイヤ放電加工用電極線であって、同電極線の弾性比率（弾性強度Ｗ２／破断強度談Ｗ１）が０．４〜０．８であることを特徴とする。

また、上記芯線の線径が０．０２〜０．２０ｍｍであることを特徴とする。

さらに、上記放電加工用メッキが真鍮メッキであることを特徴とする。

放電加工時、放電加工時の爆発によって発生する振動を抑えるために、電極線には高い張力がかけられる。しかし、破断強度が高い電極線でも弾性限度が低く塑性域での使用になると、爆発力によって電極線が伸びてしまい、振幅が大きくなり、これが原因で加工溝幅が大きくなるが、本発明の電極線によれば、断線することなく高張力を負荷することが可能となるから、放電加工時の爆発力による伸びを小さく抑えることができ、これによって振動が小さくなって加工溝幅を小さくすることができる。また、加工溝幅が小さくなる分、加工精度を向上でき、さらに放電エネルギーが切断に向けられるため、切断速度が早くなる。

以下、図面により本発明の実施形態を説明する。
図１のグラフにおける曲線ｂは、通常の鋼の引張り試験における応力（強度）とひずみ（伸び）との関係を示すものである。曲線ｂが示す通り、応力が当該弾性体の弾性限度以下の場合は、応力とひずみとは比例関係（曲線ｂの直線部分：ｂ１）にあり、応力が当該弾性体の弾性限度を超えると応力とひずみとの関係は曲線ｂの曲線部分（ｂ２）で示す関係となり、やがて塑性変形、破断に至たる。

ここで、上記の引張り試験における破断点に対応する強度Ｗ１を常温強度と定義し、さらに、曲線ｂの直線部分ｂ１の最終点（直線部から傾きが生じた点）に対応する強度Ｗ３を弾性強度と定義する。

図１のグラフにおける曲線ａは、本発明の一実施形態に係る電極線用の鋼材からなる芯線の引張り試験における応力（強度）とひずみ（伸び）との関係を示すものである。
本実施形態の芯線は、曲線ａが示すように、曲線ａの直線部分ａ１（直線部分ａ１と直線部分ｂ１とは重合する）の最終点（直線部から傾きが生じた点）に対応する強度（弾性強度）Ｗ２が、弾性強度Ｗ３（曲線ｂ）よりも高くなるように、伸線工程において処置されている。
本発明の電極線は、一端的な炭素鋼線材に熱処理と伸線加工とを繰り返し施して縮径し、表面にメッキ（ブラスメッキ）を施した後、最終の伸線加工を行って所望の線径を有する電極線１０が形成される。ただし、この製造方法に限られるものではなく、最終伸線加工で所望の線径を得た後にメッキを施すようにしてもよい。

このように、この実施形態の電極線は、その芯線の弾性強度Ｗ２が通常の鋼線の弾性強度Ｗ３よりも高いので、電極線には高い張力をかけることができる。
一般に、放電加工時、放電加工時の爆発によって発生する振動を抑えるために、電極線には高い張力がかけられる。しかし、破断強度が高い電極線でも弾性限度が低く塑性域での使用になると、爆発力によって電極線が伸びてしまい、振幅が大きくなり、これが原因で加工溝幅が大きくなるが、本発明の電極線によれば、断線することなく高張力を負荷することができるから、爆発力による伸びを小さく抑えることができ、これによって振動が小さくなって加工溝幅を小さくすることができる。
その結果、加工精度の向上、加工溝幅の縮小、加工速度の向上が可能となる。

すなわち、この電極線１０によれば、加工は、図２に示す通り、加工時の電極線１０の振幅Ｓ１を従来の電極線による加工時の振動の振幅Ｓ２よりもはるかに小さい（Ｓ１≪Ｓ２）条件下で行うことができ、その結果、加工溝幅ｄの数値も小さくなり、ｄ／φを低減することができる。φは電極線１０の直径を示す。
また、加工溝幅ｄが小さくなる分、放電エネルギーが切断に向けられる分が大きくなるため、切断速度を早くすることが可能となる。

本発明者は、実験により、弾性比率、つまり弾性強度Ｗ２と常温強度Ｗ１との比（弾性強度Ｗ２／常温強度Ｗ１）が０．４〜０．８の場合、上述の効果が得る最適条件であるという結論を得た。実験については後述する。

本発明者は、伸線加工の減面率を調節したり、最終伸線加工後の熱処理を調節したりすることで、図１の曲線ａで示す特性の鋼線が得られることを見いだした。

本発明者は、テストピースとして、同じ素材からなり、破断強度および弾性強度の異なる電極線用の鋼材からなる芯線を複数本製作し、放電加工条件の中の電極線張力設定値を変化させ、その時の加工性能について評価する実験（試験）を行った。各芯線の表面に放電加工用メッキが施されていることはいうまでもない。
加工機としてソディック製ＡＰ−２ＯＯＬ機を用い、加工液は油を使用し、ワークは厚さ２ｍｍのＳＫＤ１１を用いた。
加工性能については、加工速度、加工溝幅を評価の対象とした。
この実験結果を表１に示す。

表１において、「加工速度」は従来例を１００とした場合の比較値として示してあり、値が高いほど加工速度が速い。また「加工溝幅」は従来例を１００とした場合の比較値として示してあり、値が小さいほど加工溝幅は狭く、加工精度が高いことを示している。

表１において、（ａ）は径が５０μｍの４種類のテストピース（実施例１〜４）についての実験結果を、従来例および比較例（２種）とともに示すものである。
（ｂ）は径が３０μｍの４種類のテストピース（実施例１〜４）についての実験結果を、従来例および比較例（２種）とともに示すものである。
（ｃ）は径が７０μｍの４種類のテストピース（実施例１〜４）についての実験結果を、従来例および比較例（２種）とともに示すものである。
（ｄ）は径が１００μｍの４種類のテストピース（実施例１〜４）についての実験結果を、従来例および比較例（２種）とともに示すものである。
（ｅ）は径が２０μｍの４種類のテストピース（実施例１〜４）についての実験結果を、従来例および比較例（２種）とともに示すものである。
なお、この実験に用いた各従来例、各比較例および各実施例として挙げた電極線の「線径」、「破断強度」、「弾性限度」、「破断強度／弾性限度」、「加工速度」、「加工精度」、「引張り強度」の具体的数値については、表１に記述した通りである。

図３（ａ）は表１における「弾性比率％」と「加工速度比率％」とをグラフ化したものであり、（ｂ）は同「弾性比率％」と「加工溝幅比率％」とをグラフ化したものである。 図３（ａ）、（ｂ）において、黒四角点は上記の各実施例を、黒三角形は上記の各比較例をそれぞれ示す。

上記の実験結果により、電極線は破断強度が高いだけでは加工効果を判断することができず、弾性比率（弾性強度／常温強度）が高いことが加工に有利であることが判明した。弾性強度はチャート（図１参照）より弾性変形部である直線部から傾きが生じた地点を読み取り、弾性強度とした。なおこれは通常「弾性限」として知られている０．２％耐力とは異なる。
本発明の電極線の加工効果としては、弾性比率（弾性強度／常温強度）が高いほど効果は高くなるが、特に効果が認められた範囲は、弾性比率が４０％〜８０％であることも、上記の実験結果により判明した。
なお、上記の実験は、被覆鋼線についてのみであるが、タングステン線やモリブデン線、その他メッキ被覆の有無にかかわらず同様の効果が得られると推測できる。

上述の通り、この実施形態にかかる電極線によれば、使用できる設定張力を上げることができ、その結果電極線の振動を極力低減した条件下で放電加工を行うことが可能となり、加工溝幅を小さく、かつ加工速度を速くすることが可能となる。特に微細加工の加工精度を高めるこが可能となる。

電極線用の芯線の引張り試験における応力（強度）とひずみ（伸び）との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態にかかる電極線による放電加工状態の主要部を示す模試断面図である。 （ａ）表１における「弾性比率％」と「加工速度比率％」との関係をグラフ化したものである。 （ｂ）同「弾性比率％」と「加工溝幅比率％」との関係をグラフ化したものである。 電極線による放電加工状態を示す模試断面図である。 従来の電極線による放電加工状態の主要部を示す模試断面図である。

符号の説明

１：ワーク
１０：電極線
ａ：本発明の一実施形態に係る電極線用の芯線の引張り試験における応力（強度）とひずみ（伸び）との関係を示す曲線
ｂ：通常の鋼の引張り試験における応力（強度）とひずみ（伸び）との関係を示す曲線

Claims (3)

1. 鋼線からなる芯線と、同芯線の表面に施された放電加工用メッキとからなるワイヤ放電加工用電極線であって、同電極線の弾性比率が０．４〜０．８であることを特徴とする放電加工用電極線。
2. 上記芯線の線径が０．０２〜０．２０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の放電加工用電極線。
3. 上記放電加工用メッキが真鍮メッキであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の放電加工用電極線。