JP2008173717A - 放電加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】仕上げ加工において、電圧測定回路のケーブルが有する浮遊容量による加工面の面粗度への影響を小さくする。
【解決手段】電極１とワーク２の極間に抵抗Ｒを介して平行往復ケーブル３で電圧測定回路４を接続し極間電圧を測定する。平行往復ケーブル３は、テレビアンテナ用フィーダ線
のように、絶縁性がありかつ柔軟性のあるゴムや樹脂等の材料で、２つの導線を、その線間間隔を平行となるように固定したものとする。この平行往復ケーブルの線間距離を広くして該ケーブルの浮遊容量を小さくすることで、仕上げ加工時の高周波電圧を減衰せず電圧測定回路で測定でき、また、抵抗Ｒが挿入されていることにより、電圧測定回路に入力される電圧の振動を抑制する。浮遊容量が小さくなることから、仕上げ加工時の放電エネルギーを小さく抑えることができ、加工面の面粗度を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、仕上げ加工における加工面の面粗度を向上させることができる放電加工装置に関する。

放電加工では、加工液中の電極とワーク間に電圧を印加して、アーク放電を発生させる。この放電の熱で、ワークが溶融すると同時に、加工液が急激に加熱され、気化爆発を起し、溶融したワークを吹き飛ばす。これを高頻度で繰返すことにより、加工が進行する。また、放電によってできる小さな放電痕が集まって、加工面を形成するので、個々の放電痕の大きさが、面粗さを決定することになる。
放電痕の大きさは、概ね個々の放電エネルギーの大きさに依存するので、仕上げ加工等においては、面粗さを向上させるために、単発放電エネルギーを極力小さく抑える必要がある。

ところで一般に、電気的に絶縁された導体間には、浮遊容量と呼ばれるコンデンサ成分が存在する。電極とワーク間（極間）にも、この浮遊容量が存在するため、極間に電圧を印加する場合には、必然的に、この浮遊容量が充電されることになる。従って、放電が発生すると、加工電源から供給されるエネルギーだけでなく、この浮遊容量に蓄積されたエネルギーも極間に供給されることになる。仕上げ加工などにおいて、放電エネルギーを小さく抑えるために、加工電源から供給するエネルギーを絞っていくと、極間の浮遊容量から放出されるエネルギーが、単発放電エネルギーに大きな影響を与えるようになる。これが加工面の面粗度に影響を与えることになる。
主な浮遊容量は、荒加工電源、荒加工ケーブル、ワークテーブル〜電極間、極間などに存在している。

そこで、荒加工ケーブルの極間側にスイッチを挿入して、仕上げ加工時にはこれをオフして、荒加工電源や荒加工ケーブルの浮遊容量を切り離すことや、ワークをテーブルから絶縁して固定することで、テーブル〜電極間の浮遊容量を切り離すようにした発明が知られている（特許文献１参照）。
この特許文献１に記載された発明による方法によって、大きな浮遊容量は排除されたが、電極とワーク間の極間電圧を測定する電圧測定回路にも浮遊容量が存在する。

一般に、放電加工装置は、放電状態を認識し、ワークに対する電極の相対送りを制御するのに、加工中の電極とワーク間の極間電圧を計測し、この計測結果に基づいてワークに対する電極の相対送りを制御することが一般的に行われているが、この極間と制御回路を接続する測定ケーブルや測定回路自体にも浮遊容量が存在している。この浮遊容量が仕上げ加工の面粗さに影響をあたえないようにする対策として、極間電圧をフォトカプラ等で光絶縁した後、制御回路に伝送することによって、浮遊容量を小さくし、仕上げ加工の面粗度を向上させる方法が提案されている（特許文献２参照）。

又、電極とワーク間の極間電圧を検出する回路の極間側に直列に抵抗を挿入し、この抵抗によって、浮遊容量による放電を抑えて面粗度を向上させる発明も知られている（特許文献３参照）。

特開２００２−６６８４３号公報 特開平７−３２８８４４号公報 特開２０００−４２８３５号公報

仕上げ加工においては、その加工面の面粗度を向上させるために放電エネルギーを小さくする必要があるが、ワークと電極間の極間電圧を測定する電圧測定回路と電極間を接続するケーブル等に存在する浮遊容量による放電が、通常の意図した放電に付加されて、放電エネルギーを増大させて、加工面の面粗度を低下させる原因となる。この極間の電圧を測定する電圧測定回路のケーブルに存在する浮遊容量の影響を低下させる方法として、特許文献２に示されたようなフォトカプラ等を用いる方法は、原理的には可能と思われるが、仕上げ加工時の高周波電圧を精度よく絶縁伝送するのは、相当な困難が予想され、仮に実現できたとしても非常に高価なものとなってしまう。

又、特許文献２に記載されたような、極間電圧測定回路のケーブルに抵抗を挿入して極間電圧を検出すると共に、浮遊容量の放電を抑える方法では、測定する極間電圧の測定波形が鈍ってしまうという問題がある。ワークと電極間の極間電圧を測定する電圧測定線には同軸線やシールド線を用いるのが一般的であり、このようなケーブルは線間容量が大きいので、前述の直列抵抗とケーブル容量でローパスフィルターが形成され、測定波形が鈍ってしまうという問題がある。
図５は、極間電圧を測定する電圧測定回路のケーブルに抵抗２００Ωを挿入して、極間に高周波電圧を印加し、極間電圧を測定したときの測定電圧を示す図で、横軸は時間、縦軸は電圧を表すものである。図５（ａ）はワークと電極間の極間電圧を示し、図５（ｂ）は電圧測定回路の入力電圧を示している。この例では、電圧測定回路の入力電圧が３５％程度低下している。

そこで、本発明の目的は、極間電圧を測定する電圧測定回路の電圧測定精度への影響を少なくして、該電圧測定回路のケーブルが有する浮遊容量による加工面粗度への影響を小さくした放電加工装置を提供することにある。

加工中の電極とワークとの極間電圧を測定する電圧測定回路を有し、前記電圧測定回路による測定結果に基づき、放電状態及び電極の送りを制御する放電加工装置において、請求項１に係る発明は、前記電圧測定回路と電極とを接続する測定線と前記電圧測定回路とワークとを接続する測定線の２つの測定線を、絶縁性があり柔軟性がある材料で該測定線の半径の４倍以上の距離を隔てて平行に固定して配設すると共に、極間側に抵抗を挿入したことを特徴とするもので、この構成によって、測定線の浮遊容量を小さくし、浮遊容量による放電エネルギーを小さくして仕上げ加工時の加工面の面粗度を向上させ、かつ、電圧測定回路に入力される極間電圧の減衰を小さくするとともに、振動発生も抑制するようにしたものである。

請求項２に係る発明は、抵抗と容量を並列に接続したＲＣ並列回路を直列に接続して極間電圧を分圧して出力する抵抗容量分圧器を前記電極間に接続し、該抵抗容量分圧器を介して極間電圧を前記電圧測定回路で測定し、前記抵抗容量分圧器の前記電圧測定回路に接続される側のＲＣ並列回路の容量を、前記電圧測定回路の測定ケーブルが有する浮遊容量としたものであり、この構成によって、浮遊容量による放電エネルギーを小さくし、電圧測定回路に入力される極間電圧の減衰を小さくし、振動発生も抑制する。さらに、請求項３に係る発明は、前記抵抗容量分圧器の一方のＲＣ並列回路の抵抗をＲ１、コンデンサの容量をＣ１とし、他方の並列回路の抵抗をＲ２、前記浮遊容量をＣ２とすると、Ｒ１・Ｃ１＝Ｒ２・Ｃ２となるように、分圧比と測定ケーブルが有する浮遊容量Ｃ２によって、前記コンデンサの容量Ｃ１を決めるようにした。

浮遊容量による放電エネルギーを小さくすることができ、仕上げ加工時の加工面の面粗度を向上させることができる。又、電圧測定回路に入力される測定電圧が減衰することを防止することができるとともに、該測定電圧の振動をも抑制することができる。

以下、図面と共に本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態の要部概要図である。この第１の実施形態は、電極とワーク間の極間電圧を測定する電圧測定回路をテレビアンテナ用フィーダ線のような、線間距離が広い平行往復ケーブルを用いて接続した点に特徴を有するものである。
図１においても符号１は電極であり、符号２は、被加工物のワークである。この電極１とワーク２間の極間には、図示していない加工電源より電圧が印加される。又符号４は、この電極１とワーク２間の極間電圧を測定する電圧測定回路であり、該電圧測定回路４で測定した極間電圧によって、放電状態を監視し、ワーク２に対する電極１の相対送り速度の制御や電圧印加のオンタイム、オフタイム等の制御がなされるように構成されている。

この電圧測定回路４で電極１とワーク２の極間の電圧を測定するための測定線の導線が電極１とワーク２の極間の両側に接続されている。この測定線の導線のケーブルは、テレビアンテナ用フィーダ線のように、２つの導線がその線間距離を広くした平行往復ケーブル３で構成している。即ち、２つの導線は、絶縁性がありかつ柔軟性のあるゴムや樹脂等の材料により、その線間間隔を平行にして固定されている。さらに、電極１側と接続する導線は抵抗Ｒを直列に配して接続されている。平行往復ケーブル３の線間距離を広くすることで、平行往復ケーブル３の浮遊容量Ｃを低減させている。平行往復ケーブル３の浮遊容量Ｃが小さくなることにより、抵抗Ｒを挿入してもローパスフィルターの効果は少なく、仕上げ加工時に印加される高周波電圧を減衰せず伝送し、電圧測定回路４で測定できるようにしている。これにより、電極１とワーク２間の極間電圧を正確に測定することができる。

又、浮遊容量が小さくなることから、電極１とワーク２間に放電が生じたときに、この浮遊容量に蓄えられたエネルギーが放電されても、その放電エネルギーは小さくなり、浮遊容量が与える放電への影響が小さくなり、仕上げ加工における放電エネルギーを小さくすることができ、仕上げ加工の加工面の面粗度を向上させることができる。

図２は、この平行往復ケーブル３が有する静電容量（浮遊容量）Ｃ、インダクタンスＬの説明図である。該平行往復ケーブル３を構成する一対の測定線の導線を３ａ、３ｂとし、該導線３ａ、３ｂの半径をａ、平行に配置された導線３ａ、３ｂの中心軸線間の距離をｄとすると、単位長さ当たりの静電容量（浮遊容量）Ｃは次の（１）式で表される。インダクタンスＬは、（２）式で表される。

Ｃ＝πε／ｌｏｇ（ｄ／ａ） …（１）
Ｌ＝（μ／π）×ｌｏｇ（ｄ／ａ） …（２）
ここで、εは導線間の絶縁物の誘導率、μは空間の透磁率である。

この（１）式から明らかのように、静電容量（浮遊容量）Ｃは（ｄ／ａ）が大きくなればなるほど、小さくなる。即ち、導線３ａ、３ｂの中心軸線間の距離ｄを大きく取ることによって、静電容量（浮遊容量）Ｃを小さくすることができる。一方、インダクタンスＬは、導線３ａ、３ｂの中心軸線間の距離ｄを大きく取るほど増大することになり、静電容量（浮遊容量）ＣとインダクタンスＬは密接な関係にある。

静電容量（浮遊容量）Ｃの低減を主眼として、導線３ａ、３ｂの線間の距離ｄを決め、一定に固定して、平行に配置することによって静電容量（浮遊容量）Ｃを決めれば、（２）式よりインダクタンスＬが一義的に決まる。即ち、目標とする静電容量（浮遊容量）Ｃの上限を設定すれば、線間距離ｄの下限が決まり、インダクタンスＬの下限も自ずと定まる。

一般的な信号伝送用の同軸ケーブルにおける単位長さ当たりの静電容量は１００ｐＦ程度であるが、上記（ｄ／ａ）を４程度にすれば、静電容量（浮遊容量）Ｃを半分以下に抑えることができる。しかし、（ｄ／ａ）を大きくするほど、静電容量（浮遊容量）Ｃを小さくできるが、その効果は急速に低下することから、（ｄ／ａ）＜５０が実用的な範囲である。

又、前述したように、線間距離ｄを大きくすると平行往復ケーブル３のインダクタンスＬが大きくなる傾向があり、このインダクタンスＬと静電容量（浮遊容量）Ｃとの間で共振が発生しやすく、測定波形が振動する場合がある。

図６は、図１において、抵抗Ｒをなくし、電極１とワーク２間の極間の両側と電圧測定回路４を平行往復ケーブル３で接続した状態で、電極１とワーク２間の極間に高周波電圧を印加したときの極間電圧（図６（ａ））、及び、電圧測定回路４の入力電圧（図６（ｂ））を示す図である。横軸は時間、縦軸は電圧を示す。この図６（ａ）に示されるように極間電圧は、減衰はしていないが、図６（ｂ）に示す電圧測定回路の入力電圧に振動が発生している。

そこで、この第１の実施形態は、図１に示すように、電極１とワーク２間の極間電圧を測定する電圧測定回路４を、抵抗Ｒを介して平行往復ケーブル３で電極１とワーク２の極間に接続し、ｄ／ａ（＝線間距離／導線半径）を４倍以上とし、電圧測定回路４に入力される電圧の振動発生を抑制するようにしている。

図４は、本第１の実施形態において測定した電極１とワーク２間の極間電圧（図４（ａ））と、電圧測定回路の入力電圧（図４（ｂ））を示す図である。横軸は時間、縦軸は電圧を示す。図５と比較し、図４（ｂ）に示す電圧測定回路の入力電圧の減衰は小さいものとなっている。線間距離ｄが広くなっていることで、平行往復ケーブル３の静電容量（浮遊容量）Ｃが低減され、平行往復ケーブル３の静電容量（浮遊容量）Ｃが小さいので、抵抗Ｒを挿入してもローパスフィルターの効果は少なく、仕上げ加工時の高周波信号も減衰せず伝送できることが示されている。又、前述したように、平行往復ケーブル３の線間距離ｄと導線の半径ａ比（ｄ／ａ）を４以上で５０より小さい値とすることによって（４≦（ｄ／ａ）＜５０）、インダクタンスＬの増加を最小に抑えるとともに、直列に抵抗Ｒを挿入することによって、電圧測定回路４に入力される電圧の振動を抑制している。

この挿入する抵抗Ｒは、平行往復ケーブル３のインダクタンスＬによる振動を抑えるためだけであれば、抵抗は平行往復ケーブル３のどちら側の線にあってもよいが、平行往復ケーブル３及び電圧測定回路４と対地間にも静電容量Ｃ’が存在し、この容量の放電電流が極間に回り込まないように阻止するためには、例えば図１に示すようにワーク２が接地されていれば、抵抗Ｒは電極１側に挿入する必要がある。また、ワーク２を接地せず、電極１、ワーク２共に浮かせて加工する場合は、電極１側、ワーク２側の両方に抵抗を挿入する必要がある。

また、テレビアンテナ用のフィーダ線のような、絶縁性があり、柔軟性のあるゴムや樹脂等の材料で導線が一定の幅を持って平行に連結された平行往復ケーブル３は、従来使用されてきたシールド線や同軸線と比較して、耐ノイズ性が低いという問題があるが、仕上げ加工であれば、発生するノイズも小さくなり実用上の問題は発生しない。荒加工でノイズの影響が出るようであれば、荒加工と仕上げ加工で測定ケーブルを切換えるようにしてもよい。また、ケーブルを螺旋状に捻じって実装すれば、ノイズによる磁場の影響をキャンセルすることができる。

なお、本第１の実施形態でいう「平行」とは、インダクタンスの低減が目的であるから、幾何学的な「平行」を意味している訳ではなく、巨視的にみて「平行」であれば十分な効果が得られる。

図３は、本発明の第２の実施形態の概要図である。この第２の実施形態は、測定ケーブルの極間側に抵抗容量分圧器５を挿入する方法であり、該抵抗容量分圧器の一方の容量を測定ケーブル６が有する浮遊容量Ｃ２として、該抵抗容量分圧器５を構成するようにしたものである。
抵抗容量分圧器５は、抵抗とコンデンサを並列に接続したＲＣ並列回路を直列接続して、電圧を測定しようとする両端に接続し、電圧を分圧して取り出すものであり、ＲＣ並列回路の時定数を揃える（Ｒ１・Ｃ１＝Ｒ２・Ｃ２）ことにより、周波数特性がフラットになり、直流から高周波まで分圧比を一定とすることができる。この第２の実施形態では、抵抗Ｒ１と容量Ｃ１のコンデンサで構成されるＲＣ並列回路の一端を電極１側に接続し、抵抗Ｒ２と電圧測定回路４の測定ケーブル６等が有する浮遊容量Ｃ２が並列に接続されたＲＣ並列回路を前記抵抗Ｒ１と容量Ｃ１のコンデンサのＲＣ並列回路に接続し、かつ、他端をワーク２に接続するようにしている。すなわち、抵抗容量分圧器５を構成する一方のＲＣ並列回路の容量を、電圧測定回路４の測定ケーブル６等が有する浮遊容量Ｃ２で構成した抵抗容量分圧器５とし、該抵抗容量分圧器５を介して極間電圧を電圧測定回路４で測定するようにしている。

そして、Ｒ１・Ｃ１＝Ｒ２・Ｃ２となるように、抵抗Ｒ１、Ｒ２による分圧比と浮遊容量Ｃ２に合わせてコンデンサの容量Ｃ１を決定する。これにより、周波数特性がフラットになり、直流から高周波まで分圧比が一定となり、測定ケーブル６の浮遊容量Ｃ２が大きくても、測定波形が鈍るようなことはない。また、電圧測定回路４に抵抗が入ることから、測定ケーブル６の浮遊容量Ｃ２が極間に放電して面粗度を悪化させることもなく、また抵抗容量分圧器５から電極１とワーク２間の極間までの測定ケーブル６が多少長くなっても、電圧測定回路４に入力される電圧波形の振動を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態の要部概要図である。 平行往復ケーブルが有する静電容量（浮遊容量）とインダクタンスを説明する説明図である。 本発明の第２の実施形態の要部概要図である。 本発明の第１の実施形態において、極間に高周波電圧を印加したときの極間電圧と、電圧測定回路の入力電圧を示す図である。 従来の電圧測定回路のケーブルに抵抗を挿入し、極間に高周波電圧を印加して測定した極間電圧と、電圧測定回路の入力電圧を示す図である。 極間に電圧測定回路を平行往復ケーブルで接続した状態で、極間に高周波電圧を印加したとき、測定した極間電圧と、電圧測定回路の入力電圧を示す図である。

符号の説明

１ 電極
２ ワーク
３ 平行往復ケーブル
４ 電圧測定回路
５ 抵抗容量分圧器
６ 測定ケーブル

Claims (3)

1. 加工中の電極とワークとの極間電圧を測定する電圧測定回路を有し、前記電圧測定回路による測定結果に基づき、放電状態及び電極の送りを制御する放電加工装置において、
   前記電圧測定回路と電極とを接続する測定線と前記電圧測定回路とワークとを接続する測定線の２つの測定線を、絶縁性があり柔軟性がある材料で該測定線の半径の４倍以上の距離を隔てて平行に固定して配設すると共に、極間側に抵抗を挿入したことを特徴とする放電加工装置。
2. 加工中の電極とワークとの極間電圧を測定する電圧測定回路を有し、前記電圧測定回路による測定結果に基づき、放電状態及び電極の送りを制御する放電加工装置において、
   抵抗と容量を並列に接続したＲＣ並列回路を直列に接続して極間電圧を分圧して出力する抵抗容量分圧器を前記電極間に接続し、該抵抗容量分圧器を介して極間電圧を前記電圧測定回路で測定し、前記抵抗容量分圧器の前記電圧測定回路に接続される側のＲＣ並列回路の容量を、前記電圧測定回路の測定ケーブルが有する浮遊容量としたことを特徴とする放電加工装置。
3. 前記抵抗容量分圧器の一方のＲＣ並列回路の抵抗をＲ１、コンデンサの容量をＣ１とし、他方の並列回路の抵抗をＲ２、前記浮遊容量をＣ２とすると、Ｒ１・Ｃ１＝Ｒ２・Ｃ２
   となるように、分圧比と測定ケーブルが有する浮遊容量Ｃ２によって、前記コンデンサの容量Ｃ１を決めることを特徴とする請求項２に記載の放電加工装置。

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