JP2008183704A - 放電加工のための電極ワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】破砕γ相真鍮表面層を備えると同時に、切断ステップ中に高い機械か効率を保持し、仕上げステップ中により良好な放電加工特性をもたらし、具体的には０．４より下の波形パラメータＷｔによって特徴付けられるより滑らかな機械加工表面を可能にする、新規な放電加工ワイヤ構造を設計する
【解決手段】本発明に従った電極ワイヤは、ブロック（２ａ）に破砕される構造を有するγ相真鍮コーティング（２）で被覆される真鍮コア（１）を含み、コアはブロック間に露出される。ブロック（２ａ）は、狭い分配を備える厚さ（Ｅ２）を有し、５０％よりも大きい被覆率に従ったコア（１）の被覆率をもたらす。これはコーティングの規則的な形成をもたらし、それは機械加工部分の仕上げ状態を向上する。
【選択図】図３

Description

本発明は放電加工のために使用される電極ワイヤに関する。

周知の放電加工プロセスは、機械加工されるべき部分と導電性電極ワイヤとの間の機械加工地域に火花を発生することによって導電性部分から材料を除去する。電極ワイヤは、ワイヤの長さ方向に部分の近傍で連続的に移動し、ワイヤの並進によって或いは部分の並進によって部分に対する横方向に漸進的に移動される。

機械加工地域のいずれかの側の上の電気接点によって電極ワイヤに接続される発電機が、電極ワイヤと機械加工されるべき伝導性部分との間に適切な電位差を構築する。電極ワイヤと部分との間の機械加工地域は、適切な誘電性流体内に浸漬される。電位差は、電極ワイヤと機械加工されるべき部分との間に、部分及び電極ワイヤを漸進的に浸食(erode)する火花を出現させる。電極ワイヤの長さ方向の移動は、電極ワイヤが機械加工地域で破損することを防止するために、常に十分なワイヤ直径を保持する。横方向におけるワイヤ及び部分の相対的移動は、適用可能な場合には、部分を切断し或いはその表面を処理する。

火花によって電極ワイヤから並びに部分から分離される粒子は、誘電性流体中に分散され、粒子はそこに排出される。

現在、放電加工のために多数の種類の電極ワイヤがあり、それらの各々は、特定の種類の放電加工のためにそれを選択することを正当化し得る特定の特性を有する。

電極ワイヤの構造は、一般的に、点火地域におけるワイヤ破損を防止する十分な機械強度を有さなければならない。ワイヤの極めて正確な位置決め、よって、正確な機械加工を保証するために、高い機械強度は、機械加工地域において電極ワイヤに長さ方向の張力を適用するのに良好である。

機械加工精度の達成、具体的には、小さな半径でのアングルカットの生成は、機械加工地域で緊張されるよう、並びに、振動の振幅を制限するよう、小さな直径のワイヤの使用並びに破断での高い機械負荷を必要とする。

最も現代的な放電加工機は、概ね０．２５ｍｍ直径並びに４００〜１０００Ｎ／ｍｍ^２の降伏強さを備えるコーティングなし真鍮ワイヤを使用するよう設計されている。

もし可能であれば、ワイヤの構造は、電極ワイヤの挙動が浸食を促進するよう、即ち、ワイヤが素速い浸食を生成するよう選択される。ワイヤの浸食の最大速度は、もし点火エネルギが浸食を加速するよう増大されるならばワイヤが破損する限界速度である。

放電加工の他の重要なパラメータは、部分の機械加工地域において得られ得る表面状態の品質である。電極ワイヤと部分との間に生成される火花は、機械加工されるべき部分に微小窪み、即ち、材料の局所的除去を生む。明らかに、得られる表面状態は、点火のパラメータに依存し、次いで、それは具体的には電極ワイヤの構造に依存する。

機械加工の速度、機械加工の精度、及び、表面状態の３つのパラメータを同時に最適化する電極ワイヤ構造を見い出すのは困難である。

例えば、均質な構造を備える３５〜３７％の亜鉛を含有する真鍮ワイヤが提案されている。それは経済的に許容し得る妥協を構成するが、比較的低速度の浸食の犠牲の下で得られる。

被覆ワイヤ、即ち、金属又は合金の概ね均質な表面層で被覆された金属コアで構成されるワイヤも提案されている。放電加工中、水のような誘電体を通じて、電気ワイヤの表面と部分の表面との間に形成される電気アークは、ワイヤの中心に達しない。摩耗されるのはワイヤのコーティングである。

被覆ワイヤの利益は、ワイヤのコアが、その電気特性及び機械特性の関数として選択され、コーティングが、その放電特性及びその接触抵抗の関数として選択され得ることである。

従って、文献ＦＲ２４１８６９９は、コアを亜鉛、カドミウム、スズ、鉛、ビスマス、又は、アンチモンの合金で被覆することを提案する。

低い昇華比熱を備える金属の高比率を含有するコーティングは、より高速の切断を生み、コーティングは、点火中にコアの保護の向上をもたらすことが、既に見い出されている。

よって、純亜鉛が低い昇華比熱を伴う金属として使用されるが、純亜鉛の層は極めて素速く摩耗し、高い部分を切断するのに十分な時間に亘ってワイヤのコアを保護しない。

これと同じ考えの下で、大量の亜鉛を含有する合金、例えば、４７％の亜鉛を備えるβ相合金のコーティングが使用され、或いは、重量で５０％を越える亜鉛含有量を備える銅及び亜鉛のγ相合金のコーティングさえも使用されている。その場合、問題は、銅及び亜鉛のγ相合金が比較的硬く脆いので、加工中にワイヤをサイジングする線引操作中にコーティングが砕け得ることである。

文献ＥＰ１００９５７４は、γ相銅及び亜鉛合金コーティングの破砕が好ましくないことを実証し、良好な速度の放電加工を有する電極ワイヤを製造する。文献は、この目的のために、亜鉛コーティングの製造後、並びに、１〜４時間に亘る加熱によるコーティング亜鉛の拡散及びコア銅の拡散後、その直径を０．４未満の最終直径Ｄｆと初期直径Ｄｉとの間の比率に減少するようワイヤを引く(draw)ことによって、ワイヤはサイジングされる。線引き(drawing)中、コーティングはブロックに砕かれ、ブロックは、ワイヤを引くことによって引き起こされるワイヤの伸張の故に、ワイヤの表面上で再分配されることを教示している。文献は、再分配は単一のワイヤ表面層においてコーティングの破砕の結果として得られるブロックを再分配し、よって、５０％を超える、場合によっては、５８％付近のコアの被覆率を保証するので、再分配が有利であることを教示している。

それにも拘わらず、そのようなワイヤは、仕上げ手続きで使用されるときには、平凡な特性を有する。具体的には、比較的顕著な波形が、放電加工機内でのワイヤの移動に対して垂直な方向において、機械部分の表面に見い出される。

もし優れた表面状態が放電加工によって機械加工される部分の上に得られるべきであるならば、ブランキング(blanking)ステップが一般的に実施され、ブランキングステップ中、放電加工ワイヤは高い点火エネルギを受け、部分を高速で切断し、然る後、５〜１０の仕上げステップが遂行され、それらの間に、点火エネルギはより低い。

最終仕上げ操作は、極めて低い点火エネルギで実施される。明らかに、点火エネルギが低ければ低いほど、浸食窪みはより小さく、機械加工部分の上に得られる表面状態がより精細であればあるほど、その粗さはより低い。粗さは、例えば、ＩＳＯ規格４２８７：１９９７によって定められるパラメータＲａによって一般的に特徴付けられる。

波形の場合には、この欠陥は、同様に、例えば、ＩＳＯ規格４２８７：１９９７によって定められる波形パラメータＷｔによって特徴付けられる。

図１及び２は、文献１００９５７４に従ったワイヤを用いて観察される波形を示している。

図１は、正面から見られた、機械加工されるべき部分の表面Ｓを表しており、放電加工機に対する移動方向Ｆ１に表面Ｓに沿って軸方向に移動し、且つ、部分の表面Ｓを掃くようワイヤの前進方向Ｆ２に表面Ｓに沿って横方向に移動される放電加工ワイヤＦを備える。

図１において、波形ＯはワイヤＦと平行な条線の形態で肉眼で確認できる。図２では、部分の表面Ｓの上をワイヤＦが通った後、地域Ｏが波立てられることが分かる。

部分の機械加工表面の外観が完全に見えるために、波形Ｏは、肉眼での視認度の閾値より下であることが望ましい。

従って、破砕γ相真鍮表面層を備えると同時に、切断ステップ中に高い機械か効率を保持し、仕上げステップ中により良好な放電加工特性をもたらし、具体的には０．４より下の波形パラメータＷｔによって特徴付けられるより滑らかな機械加工表面を可能にする、新規な放電加工ワイヤ構造を設計する必要がある。

本発明は、文献ＥＰ１００９５７４に従ったワイヤ内のγ相真鍮合金コーティングブロックと仕上げステップの終わりに部分の機械加工表面上の波形の存在との間に原因及び効果の関連があるという観察に起因している。これは以下の検討によって説明され得る。

ブロックの再分配が起こる文献ＥＰ１００９５７４に従ったプロセスの間、γ相合金ブロックは、線引き(wire drawing)ステップの間、文字通り、即ち、ワイヤの長さ方向及びその特性の方向に断裂するのみならず、ワイヤの厚さの方向における２つ又はそれよりも多くに断裂し、ワイヤのコアの表面上に再分配される。それはγ相真鍮合金ブロックによって被覆されるワイヤの再分配及び対応する面積増大を可能にする複数の層への断裂である。

しかしながら、この断裂は比較的広いサイズの分配を伴う無作為なサイズのブロック、即ち、そのサイズが極めて可変であり且つ大きなブロックと小さなブロックとの間の全てのサイズを含み得るブロックを生み出す。

実際には、特定のブロックは、深さ方向に断裂されずに、それらの初期的な厚さを維持し得るのに対し、他のブロックは、線引き前のγ相真鍮層中に場合によっては存在するあらゆる弱い地域の関数として無作為に変化する不均等な深さに断裂され得る。

本発明によれば、それはγ相真鍮表面層の断裂され且つ再分配された状態であり、それは仕上げ放電加工後の部分の表面Ｓ上の深刻な残留波形の原因である。

上記及び他の目的を達成するために、本発明は、重量で２０％〜４５％の間の亜鉛含有量を備える銅及び亜鉛の第一合金のコアを含み、コア上に製造されるコーティングを含み、コーティングは、亜鉛含有量が重量で５０％よりも大きい銅及び亜鉛の第二合金を含み、ブロックに破砕される構造を有し、コアは、ブロックの間に露出される、放電加工のための電極ワイヤを提案し、本発明によれば、コーティングにおいて、
− 第二合金ブロックは、狭い分配を備える厚さを有し、存在するブロックの大部分の小さいブロック及び大きいブロックの厚さの比率は、０．６よりも大きく、
− 第二合金ブロックは、５０％よりも大きい被覆率に従ってコアの被覆をもたらす。

もし線引き前のブランクワイヤのコーティングが約７μｍ以下の厚さを有するならば、ブロック厚さの狭い分配を得るのはより容易である。従って、第二合金ブロックの近似厚さが７μｍ未満である放電加工ワイヤを製造するのが有利である。

実際には、０．２５０ｍｍのワイヤ直径のために、ブロックの近似厚さの大部分は、４μｍ〜５μｍであり得る。

銅及び亜鉛のα相合金、或いは、銅及び亜鉛のα相合金並びに銅及び亜鉛のβ’相合金の混合物で主として構成される第一コア合金を選択することによって良好な結果が得られる。

同様に、第二合金の大部分は、銅及び亜鉛のγ相合金で構成され得る。

本発明の他の目的、特徴、及び、利点は、付属の図面を参照するならば、具体的な実施態様の以下の記載から現れるであろう。

図３乃至５に示されるワイヤの構造を先ず検討する。

この実施態様において、本発明に従った電極ワイヤは、約０．２５ｍｍの直径を有する概ね円筒形のワイヤである。図３の縦断面図では、コア１及びコーティング２が見られる。

均質なコア１は、重量で２０％〜４５％の亜鉛含有量を備える銅及び亜鉛の合金で構成され、有利に、α相合金（約３７％未満の亜鉛含有量）或いはβ’相合金及びα相合金（３８％〜４５％の間の混合物の亜鉛含有量）の混合物を構成する。

コーティング２は異質の構造であり、重量で５０％より大きい亜鉛含有量を備える銅及び亜鉛の第二合金のブロックで構成される。ブロック２ａは、間隙２ｂによって互いに分離され、コア１は間隙において識別され得る。

第二合金ブロック２ａは、狭い分配を有する厚さＥ２を有し、実質的に全てのブロック２ａが互いに極めて類似する厚さを有することを意味する。もし大部分のブロック２ａの最小ブロックと最大ブロックとの間の厚さの比率が０．６よりも大きいならば、良好な放電加工仕上げ結果が得られる。実際には、ブロックの８０％より多くが互いに対する比率において０．８よりも大きい厚さＥ２を有する放電加工ワイヤが有利に製造され得る。

同一の特徴、即ち、ブロック２ａ及び間隙２ｂの比較的一定の厚さＥ２が、図４及び５において再び見られる。

その上、第二合金ブロック２ａは、５０％よりも大きいコア１の被覆率をもたらす。これはコア１の表面の５０％よりも多くがブロック２ａによって被覆されることを意味する。

実際には、殆どのブロック２ａは、０．２５０ｍｍ直径のワイヤのために４μｍと５μｍとの間の近似の厚さＥ２を有する。

ブロック２ａを構成する合金は、主としてγ相合金から構成されるのに対し、コア１を構成する第一合金は、主としてα相合金或いはα合金及びβ’相合金の混合物から構成される。

記載されたばかりのワイヤ構造は、例えば、図６及び７を参照して次に記載される方法によって得られ得る。

第一ステップａ）の間、コア１が、重量で２０％〜４５％の間の亜鉛含有物を備える銅及び亜鉛合金で提供される。コアの初期直径は、ワイヤの最終直径よりも大きいよう選択され、それは製造コストを低減するのに有利である。例えば、６３％の銅と３７％の亜鉛の合金において、０．５ｍｍの直径を有し得る。

第二ステップｂ）において、コア１は、例えば、３μｍの厚さを有する、亜鉛の層で被覆される。

第三ステップｃ）の間、このようにして被覆されるコアが、ブランク(blank)直径Ｄｅを有する素材と、コア１を被覆するγ層銅及び亜鉛合金の表面層を形成するよう加熱される。ブランクの直径Ｄｅは、最終直径Ｄｆに近いように選択される。得られるγ相表面層の厚さは、初期亜鉛層厚さの約２倍である。

後続ステップｄ）の間、ブランクは室温まで冷却される。図６に示されるようなブランクが得られる。

最終ステップｅ）の間、図７に示されるように、ブランクは室温でワイヤの所要の最終直径Ｄｆに引かれる。

コアの良好な被覆を保証する類似サイズのブロックを備える特定のコーティング構造を得るために、Ｄｆ／Ｄｅ比率は比較的高く、好ましくは、０．４〜０．８の間である。換言すれば、線引きは、直径の比較的小さな現象を生み出す。

その上、コアを加熱するステップｃ）の間、それは５〜７時間の間の近似期間に亘って１７７℃〜１８０℃の間の近似温度にまで加熱される。

結果的に、コア１は同時に生成され、良好な機械的特性を有する。

１つの可能性によれば、亜鉛蒸着ステップｂ）は、電着によって遂行され得る。

本発明によれば、ブランクはより大きなコアワイヤ、例えば、１ｍｍの直径を有するものからも製造され、それは亜鉛の６μｍ層で被覆され、拡散前に０．５ｍｍのブランク直径Ｄｅに引かれ得る。約３μｍの亜鉛層を備える同一のブランク構造が再び見い出される。

再び図６及び７を検討する。

図６は、線引きステップ前の本発明に従ったワイヤブランクの縦断面図を示している。コーティングは、初期厚さＥ２を有し、線引き中に断裂によって引き続き分離されるコーティング地域１０，２０，３０，４０，５０が示されている。ワイヤの初期直径はＤｅである。

図７は、線引きプロセスによって線引きされた電極を示しており、直径ＤｆはＤｅよりも小さいことを想定している。ブロック１０，２０，３０，４０，５０は再び見られ、それらは間隙２ｂの故に互いから離れるよう移動されているが、ワイヤの表面上に留まり、一定の厚さＥ２を保持している。

実際には、線引き前（図６）にワイヤブランク内に存在するブロック１０−５０の層は、線引きによって単一層に破砕され、コーティングの初期厚さＥ２と等しい比較的一定の厚さの別個のブロック１０−５０の層を備える構造を線引きの終わり（図７）に製造する。ブロック１０−５０の比較的一定な厚さは、ブロックがそれらの厚さの方向に断裂されず、従って、再分配されない。

再分配なしにそのような破砕を製造するプロセスを製造するためのプロセスは、普通、その外表面が間隙２ｂの好適な向きの存在によって認識可能なワイヤを生成する。これは図８に示されている。γ相真鍮合金の断裂２ｂは、好適な向きを構成する方向Ｉ−Ｉと平行な斜めの列に整列されるように見える。

文献ＥＰ１００９５７４の方法のような従来技術の方法を示す図９及び１０を検討する。この場合には、線引きは、同一の最終直径Ｄｆに到達するよう、直径Ｄｅよりも大きい直径Ｄ’ｅから開始して実施される。線引き前（図９）、コーティングは、厚さＥ２よりも大きい厚さＥ’２を有し、地域１０−５０が見られ得る。線引き中、より大きな厚さＥ’２及びより小さな比率Ｄｆ／Ｄ’ｅの故に、コーティングは、横方向に破砕され、同時に、ブロック１０−５０を互いに分離するよう、少なくとも２つの層に深く破砕される。次に、図１０に示されるように、コーティングは不規則な厚さで再分配される。概略図１０は、ブロック１０−５０の厚さにおける比較的広い分配を例証しており、深く断裂されていない極めて大きなブロック５０、より小さなブロック２０又は４０、並びに、中間サイズのブロック１０又は３０を備えていることが留意されよう。ブロック２０又は４０のような小さなブロックは、粉末を構成しがちである。本発明はこれを回避する。

実際には、再分配γ相真鍮層は、次の３つの種類のブロックで構成される。

− それらの当初の位置でコアに付着されたままであり、亀裂していないブロック（例えば、ブロック５０）、
− 亀裂の進行中のブロック、
− 互いに分離され、次に、線引き中、コアの表面に移動され、再び積み重ねられ、コアの被覆のより高い比率をもたらすブロックの断片。

線引き操作中、再分配に起因するブロックの不規則なサイズ、並びに、ブロックの亀裂、及び、コアの表面へのそれらの再固着は、導電問題を引き起こしがちである。

放電加工機の発電機から、その外表面を通じて、ワイヤに電流を供給するために、導電は必要である。

構造のこれらの不規則性並びに再分配されたワイヤ表面層の厚さは、点火を不安定にし、表面Ｓ（図１及び２）上に、ワイヤＦの前進方向Ｆ２に頂及び谷を引き起こすことがあり得る。これは、おそらく、再分配表面層ワイヤを使用する場合に、仕上げ機械加工部分上で測定される波形パラメータＷｔが０．５μｍよりも高いままである理由である。

本発明によって生み出される効果は、具体的には、それぞれのサンプルワイヤの助けを得て機械加工された２つの部分に対して波形パラメータＷｔの測定を実施することによって実証された。

− サンプル１： α相真鍮コアを備える、０．２５ｍｍと等しい直径の、文献ＥＰ１００９５７４に従った電極ワイヤ、その表面層は、２．３μｍ〜５．１μｍの間の測定厚さを有する、亀裂され再分配されたγ相真鍮ブロックを含む。

− サンプル２： α相真鍮コアを備える、０．２５ｍｍと等しい直径の、本発明に従った電極ワイヤ、断裂され再配分されないγ相真鍮ブロックから構成される表面層を備え、ブロックの８０％よりも多くは、４μｍ〜４．３μｍの間の厚さを有する。

両方のサンプルワイヤを使用して、Ｚ１６０ＤＣＶ１２工具鋼中のそれぞれ５０ｍｍ高さ部分が機械加工され、ＡＧＩＥ Ａｇｉｅｃｕｔ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ＩＩ ＳＦＦ（使用印）機械（２００１年）を使用して、６つの仕上げステップが遂行された。

次に、両方のサンプルワイヤによって得られる仕上げ表面の波形パラメータＷｔが、ＭＡＨＲ ＰＺＫ（使用印）前進ユニット、９０°角度、２μｍ半径ＭＡＨＲ ＭＦＷ２５０（使用印）フィーラを備えるＭＡＨＲ Ｐｅｒｔｈｏｍｅｔｅｒ Ｓ２（使用印）（２００６年製造）を使用して測定された。

測定パラメータは、以下の通りである。

− 測定長さ： ０．８ｍｍ
− 切断長さ（フィルタ）： ０．８ｍｍ
− 長さの数： ５つの測定長さ、加えて、前に１つ、後に１つ、即ち、総移動距離５．６ｍｍ

測定の結果は、以下の通りである。

− サンプル１を用いて： Ｗｔ＝０．９μｍ
− サンプル２を用いて： Ｗｔ＝０．３９μｍ

このように、本発明に従った放電加工を用いて遂行された仕上げステップに続いて部分に対する波形パラメータＷｔの極めて著しい向上が得られた。

本発明は、明示的に記載される実施態様に限定されず、請求項の範囲内で変形及び一般化も含む。

放電加工によって機械加工された表面の上の波形の存在を示す概略図である。 放電加工によって機械加工された表面の上の波形の存在を示す概略図である。 本発明に従った電極ワイヤの１つの実施態様を概略的に示す縦断面図である。 図３の電極ワイヤを拡大して概略的に示す断面図である。 図４の断面図を示す拡大図である。 本発明に従った電極ワイヤの加工プロセスを示す概略図である。 本発明に従った電極ワイヤの加工プロセスを示す概略図である。 本発明の１つの実施態様に従ったある長さの電極ワイヤの外表面を示す概略図である。 文献ＥＰ１００９７５４に従った従来技術のワイヤ加工プロセスを相違によって示す概略図である。 文献ＥＰ１００９７５４に従った従来技術のワイヤ加工プロセスを相違によって示す概略図である。

符号の説明

１ コア(core)
２ コーティング(coating)
２ａ ブロック(block)
２ｂ 間隙(interstice)
１０ コーティング地域(coating area)
２０ コーティング地域(coating area)
３０ コーティング地域(coating area)
４０ コーティング地域(coating area)
５０ コーティング地域(coating area)
Ｄｅ 初期直径(initial diameter)
Ｄｆ 最終直径(final diameter)
Ｅ２ 厚さ(thickness)
Ｆ ワイヤ(wire)
Ｆ１ 方向(direction)
Ｆ２ 方向(direction)
Ｏ 波形(ripple)
Ｓ 表面(surface)
Ｗｔ 波形パラメータ(ripple parameter)

Claims (6)

1. 重量で２０％〜４５％の間の亜鉛含有量を備える銅及び亜鉛の第一合金のコアを含み、該コア上に製造されるコーティングを含み、該コーティングは、亜鉛含有量が重量で５０％よりも大きい銅及び亜鉛の第二合金を含み、ブロックに破砕される構造を有し、前記コアは、前記ブロックの間に露出される、放電加工のための電極ワイヤであって、前記被覆において、
   前記第二合金ブロックは、狭い分配を備える厚さを有し、存在するブロックの大部分の小さいブロック及び大きいブロックの厚さの比率は、０．６よりも大きく、
   前記第二合金ブロックは、５０％よりも大きい被覆率に従って前記コアの被覆をもたらすことを特徴とする、
   電極ワイヤ。
2. 前記第二合金ブロックの厚さは、約７μｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載の電極ワイヤ。
3. 約０．２５０ｍｍのワイヤ直径のために、前記ブロックの近似厚さは、殆どの部分に関して４μｍ〜５μｍの間であることを特徴とする、請求項１に記載の電極ワイヤ。
4. 前記コアの前記第一合金は、銅及び亜鉛のα相合金若しくは銅及び亜鉛のα相合金並びに銅と亜鉛のβ’相合金の混合物で主として構成されることを特徴とする、請求項１に記載の電極ワイヤ。
5. 前記第二合金は、銅及び亜鉛のγ相合金で主として構成されることを特徴とする、請求項１に記載の電極ワイヤ。
6. 前記γ相真鍮合金の間隙は、前記ワイヤの前記表面に、好適な向きを有することを特徴とする、請求項１に記載の電極ワイヤ。

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