JP2008296298A - ワイヤ放電加工用電極線 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の高速加工ワイヤ放電加工用電極線は加工速度が向上するも、製造コストが高くなり、高速加工以外の放電加工に必要な他の特性が悪くなるという欠点がある。
【解決手段】銅合金線の外周面に溶融亜鉛めっきを施して、銅合金と亜鉛の間で銅と亜鉛の物質移動現象により拡散を起こさせることによって、亜鉛の濃度勾配を有する銅―亜鉛合金層を生成せしめ、前記濃度勾配を有する銅―亜鉛合金層の表層を純亜鉛にすることにより、冷間伸線加工時に表層にクラックが生じない構造であるので、加工速度の高速化だけでなく、電極線と被加工物の相対位置を計測する位置決め精度が良好で、かつ電極線を連続的に走行させた時の金属粉の発生量が少なく、被加工物の面粗度が良好な電極線を経済的に提供することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤ放電加工用電極線に関するもので、放電加工時の加工速度が向上するだけでなく、電極線と被加工物との相対位置を計測する位置決め性が良好で、かつ電極線を連続的に走行させた時の金属粉の発生量が少なく、被加工物の面粗度が良好なワイヤ放電加工用電極線に関する。

ワイヤ放電加工とは放電加工用電極線と被加工物との間で放電現象を起こさせ、放電によって引き起こされる熱エネルギーによって被加工物を切断していくもので、特に、金型等の複雑な形状を有する金属加工に適している。このようなワイヤ放電加工において、（１）加工速度が速いこと、（２）被加工物の表面の仕上がり状態や寸法精度が良好であること、（３）電極線と被加工物との相対位置を計測する位置決め性が良好であること、（４）電極線を連続的に走行させた時の金属粉の発生量が少ないこと等が要求される。この電極線として、従来から広く使われているものに亜鉛濃度が３５〜４０重量％の黄銅線がある。この電極線よりも放電加工速度を速くしようとする研究が様々な方法で行われているが、組成中の亜鉛濃度が高いほど、加工速度を向上できることはよく知られている。従って、方法としては大別すると黄銅組成中の亜鉛濃度を４０重量％以上に高くする方法と表層のみ亜鉛濃度が４０重量％以上の銅―亜鉛合金層、或いは亜鉛層を設ける方法が開示されている。黄銅組成中の亜鉛濃度を４０重量％以上に高くする方法としては下記に示す特許公報第３３０３２９６号（特許文献１参照）に開示されている。しかしながら、銅―亜鉛合金の二元状態図は、図３に示すようにβ、γ、ηおよびε相の固溶体を作るが、実用的には亜鉛の最大固溶度約３９％のα相でしか冷間伸線加工ができず、β相以上の亜鉛濃度では硬く脆くなり、伸線時に割れが生じ、細線への加工が困難になるという問題が生じる。この特許公報の中ではこの問題を解決するため、ジルコニウムを添加してβ相を細分化して冷間での伸線加工性を改善すると記載されているが、この方法では銅―亜鉛―ジルコニウムの三元合金になり、製造コストが高くなるという問題が生じる。

次に、表層に亜鉛濃度が４０重量％以上の銅―亜鉛合金層、或いは亜鉛層を設ける方法としては下記に示す特許公報第３７１８５２９号（特許文献２参照）および第３７１８６１７号（特許文献３参照）が開示されている。この特許公報は銅と亜鉛の物質移動現象により表層に銅―亜鉛合金層とその上に亜鉛層を設け、伸線することによって表層にクラックを形成させ、電極線の表面積を大きくし、放電加工時に加工液との接触面積を増加させ、冷却速度を一層速くして加工速度を改善すると記載されている。しかしながら、電極線表層にクラックを形成することによって、次のような問題点が生じる。
（１）．ワイヤ放電加工は、電極線と被加工物との間で放電を行わせながら、被加工物を溶断して糸鋸式の加工を行うものであるが、電極線の表層にクラックがあることによって、放電が不安定になり、被加工物の表面の仕上がり状態が悪くなる。
（２）．ワイヤ放電加工機に被加工物と電極線の相対位置を認識させるため、被加工物と電極線との間で電気的な導通を利用しているが、電極線の表層にクラックがあることによって接触面積が少なくなり、位置決め精度が悪くなる。
（３）．冷間伸線加工によって表層にクラックが生じるほど、表層が硬く脆いため、加工時に電極線を連続的に走行させた場合に加工機のガイド、プーリー等との磨耗・擦れ等により金属粉の発生量が多くなり、メンテナンス性を悪化させる。
（４）表層にクラックがあることによって、取り扱い時または加工時に断線が発生し信頼性が悪くなる。

更に、下記の示す特開平９−３００１３６（特許文献４参照）には表層に銅―亜鉛合金層を２層形成し、内部をβ相、最表層をα相にして冷間伸線時にクラックを生じさせない方法が開示されているが、この方法は亜鉛粉末を主体にしたスラリーを塗布・乾燥・熱処理をすることによって銅−亜鉛合金層を形成した後に冷間伸線するという複雑な工程が必要になる。

特許第３３０３２９６号公報 特許第３７１８５２９号公報 特許第３７１８６１７号公報 特開平０９−３００１３６号公報

以上のように、従来の高速加工ワイヤ放電加工用電極線は加工速度が向上するも、製造コストが高くなり、高速加工以外の放電加工に必要な他の特性が悪くなるという欠点がある。従って、本発明は、加工速度の高速化だけでなく、電極線と被加工物の相対位置を計測する位置決め精度が良好で、かつ電極線を連続的に走行させた時の金属粉の発生量が少なく、被加工物の面粗度が良好で表層にクラックが入らない電極線を経済的に提供することにある。

本発明は、これらの問題点を解決するために、第１に、銅合金線の外周面に溶融亜鉛めっきを施して銅合金層と亜鉛層との間で銅と亜鉛の物質移動現象により拡散を起こさせ、亜鉛の濃度勾配を有する銅―亜鉛合金層を生成せしめながら、この合金層の表面を純亜鉛層にする工程であり、第２に、冷間伸線加工により０．０５ｍｍφ〜０．３５ｍｍφの製品径に伸線加工する工程からなる。第１工程における銅―亜鉛合金層の組成や厚さは、母線となる中間芯線の銅合金線の組成や外径、亜鉛めっき浴の温度や浸漬時間などの条件によって大きく変わるが、これらを適切に選ぶことにより銅―亜鉛合金層の亜鉛濃度の勾配を調整して、表層を純亜鉛にできる領域があることを本発明者等は見つけた。第２工程における冷間伸線加工については、拡散により生成した銅―亜鉛合金は、亜鉛濃度が３９重量％を超えると図３に示すように、金属間化合物β、γ、ηおよびε相が形成され、硬く脆い性質になり、冷間伸線加工を行うと塑性変形によりヒビ、クラックが発生するが、純亜鉛層で最外層を囲むことにより冷間伸線加工しても内部の銅−亜鉛合金に起因するヒビ、クラックが表層に発現しない優れた電極線が得られることがわかった。また、第１工程で表層を純亜鉛層にする方法としては、溶融めっきを施して銅―亜鉛合金層を生成した後に、再度溶融めっきを施すことによって、表層に純亜鉛層を設ける方法でも良い。

以上説明した通り本発明のワイヤ放電加工電極線は次のような効果がある。
(１)．溶融めっきにより電極線の表層を銅と亜鉛の物質移動による拡散によって形成された銅―亜鉛合金層と純亜鉛層の２層構造にすることから、製造工程が簡易になり安価な高速加工用電極線が製造できる。
(２)．最外層を純亜鉛にすることにより、冷間伸線加工を行ってもβ相以上の金属間化合物に起因する割れ(クラック)が電極線の最表面に発現せず、位置決め精度、金属粉の発生量、被加工物の面粗度が優れた高速加工用電極線が得られる。

以下に、本発明のワイヤ放電加工用電極線について、具体的実施例をあげて説明する。

溶融めっき設定条件を４５０℃で行った第１実施例（実施例Ｎｏ１〜Ｎｏ３）について、
溶解、鋳造、伸線工程を経た１．２ｍｍφの６５／３５黄銅線（銅６５重量％／亜鉛３５重量％）を用い、これを図２に示すように４５０℃亜鉛浴槽中を通過させ、黄銅線と亜鉛が接触する境界面で拡散によって、銅―亜鉛合金層を生成させ、かつこの合金層の表層が純亜鉛になるような浸漬時間の領域を検討し、浸漬時間を０．５秒、１．０秒、１．５秒に設定して電極線の母線を製造した。次に、この母線を冷間伸線して直径０．２５ｍｍφの電極線を製造した。このようにして製造した電極線の（１）放電加工特性、（２）溶融めっき部（拡散による合金層、純亜鉛層）の厚さ、（３）表面クラックの有無の評価試験を行った。放電加工特性は、三菱電機製ワイヤ放電加工機 ＳＸ１０を使用し、本発明のワイヤ放電加工用電極線１に関連して実施した加工条件一覧表を表１に示す。次に、表１の加工条件を用いて、加工速度、位置決め精度、金属粉の発生量、被加工物の面粗度の評価試験方法一覧表を表２に示す。更に、本発明のワイヤ放電加工用電極線１の実施例・比較例・従来例についての構造と評価試験結果の一覧表を表３に示す。

表３から明らかなように、本発明品は黄銅線と溶融亜鉛が接触する境界面で拡散によって銅―亜鉛合金層が生成され、かつこの合金層の表層が純亜鉛の構造になっているのがわかる。図１（イ）は本発明実施例Ｎｏ1の横断面を観察した光学顕微鏡写真である。また、図１（ロ）は、実施例Ｎｏ１の最表面を観察した電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であるが、内部が硬く、脆い銅―亜鉛合金層を純亜鉛層が囲む構造になっていることから、冷間伸線時に電極線の最表層に割れ(クラック)が発生していないのがわかる。加工速度は表３から明らかなように本発明の条件を満たすＮｏ１〜Ｎｏ３は、従来の６５／３５黄銅電極線に比べ２０％向上する。被加工物の面粗度(十点平均粗さ)は、本発明の電極線は１６．３μｍであるのに対して従来の６５／３５黄銅電極線は１８．４μｍであり、加工面粗度にも優れている。これは本発明の電極線の最表層が低融点の亜鉛であることにより、電極線と被加工物との間の放電性が安定することにより、被加工物の面粗度も向上している。位置決め精度と金属の発生量については、本発明の電極線と従来の６５／３５黄銅電極線は同等の特性であった。

次に、溶融めっきの設定条件を５００℃で行った第２実施例（実施例Ｎｏ４〜Ｎｏ５）について、
溶解、鋳造、伸線工程を経た１．２ｍｍφの６５／３５黄銅線（銅６５重量％／亜鉛３５重量％）を用い、これを図２に示すように５００℃亜鉛浴槽中を通過させ、黄銅線と亜鉛が接触する境界面で拡散によって、銅―亜鉛合金層を生成させ、かつこの合金層の表層が純亜鉛になるような浸漬時間の領域を検討し、浸漬時間を０．５秒、１．０秒に設定して電極線の母線を製造した。次に、この母線を冷間伸線して直径０．２５ｍｍφの電極線を製造した。このようにして製造した電極線について第１実施例と同様な評価を行った。評価試験結果を表３に示す。表３から明らかなように、本実施例は黄銅線と溶融亜鉛が接触する境界面で拡散によって銅―亜鉛合金層が生成され、かつこの合金層の表層が純亜鉛の構造になっているのがわかるが、第１実施例との違いは亜鉛浴槽温度が高いため拡散がより進行し、銅―亜鉛合金層が厚く生成されていることである。この電極線の最表面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、銅―亜鉛合金層が第１実施例より厚くなっても最表層が純亜鉛構造のため第１の実施例と同じように電極線の最表層に割れ（クラック）が発生していなかった。放電加工特性は第１実施例と同特性であり、従来の６５／３５黄銅電極線に比べ加工速度が２０％向上し、被加工物の面粗度も１８．４μｍから１６．３μｍに向上していることがわかる。

比較例

溶融めっき設定条件を４５０℃で行った比較例Ｎｏ１〜Ｎｏ２と溶融めっき設定条件を５００℃で行った比較例Ｎｏ３〜Ｎｏ４について、
溶解、鋳造、伸線工程を経た１．２ｍｍφの６５／３５黄銅線（銅６５重量％／亜鉛３５重量％）を用い、これを図２に示すように実施例Ｎｏ．１からＮｏ.５と同様に４５０℃または５００℃に設定した亜鉛浴槽中を通過させ、黄銅線と亜鉛が接触する境界面で拡散させ、銅―亜鉛合金が電極線の最表層まで生成するような浸漬時間の領域を検討し、浸漬時間を５．０秒、１０．０秒に設定して電極線の母線を製造した。次に、この母線を冷間伸線して直径０．２５ｍｍφの電極線を製造した。このようにして製造した電極線について第１の実施例と同様な評価試験を行った。評価試験結果を表３に示す。表３から明らかなように比較例Ｎｏ１〜Ｎｏ４は、いずれも電極線の最表層まで銅―亜鉛合金構造になっているが、浸漬時間の長さによって拡散合金層の厚さは成長しないことがわかる。図１（ハ）は、比較例Ｎｏ１の横断面を観察した光学顕微鏡写真である。図１（ニ）は、比較例Ｎｏ１の最表面を観察した電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であるが、最表層まで拡散反応により銅―亜鉛合金が生成されているため、冷間伸線時に電極線の最表層に割れ（クラック）が発生しているのがわかる。本発明の実施例と比較例の放電加工特性を比べると加工速度は、従来の６５／３５黄銅電極線に比べ２０％向上するということで同等であるが、本発明の実施例は最表層に割れ(クラック)が形成されていないが、比較例は最表層に割れ(クラック)が形成されていることにより、本発明の実施例の方が、位置決め精度は１．６μｍから０．８μｍに、金属粉の発生量は４０分前後から２Ｈ以上に、被加工物の面粗度は１７．９μｍから１６．３μｍになり、優れた結果を示していることがわかる。

なお、本発明の第１、第２実施例では１．２ｍｍφの６５／３５黄銅線を用いて、０．２５ｍｍφの電極線を製造する実施例を述べたが、この寸法に限るものではないことはいうまでもない。また、冷間伸線加工は溶融亜鉛めっきと別工程でも、連続工程でも良いが図２に示すように連続工程にした方が経済的に電極線を製造できる。

本発明のワイヤ放電加工用電極線は、応用展開が可能で、幅広い用途に適用することが可能になる。

（イ）は、本発明実施例ＮＯ１の横断面光学顕微鏡の図面代用写真（１０００倍）で、（ロ）は、本発明実施例ＮＯ１の表面電子顕微鏡の図面代用写真（３５０倍）で、（ハ）は、比較例ＮＯ１の横断面光学顕微鏡の図面代用写真（１０００倍）で、（ニ）は、比較例ＮＯ１の表面電子顕微鏡の図面代用写真（３５０倍）である。 本発明のワイヤ放電加工用電極線１の製造工程図である。 銅―亜鉛二元状態図である。

符号の説明

１ 本発明のワイヤ放電加工用電極線
２ １．２ｍｍφ６５／３５黄銅線
３ 溶融亜鉛めっき槽
４ 溶融亜鉛
５ 溶融亜鉛湯面
６ 絞り装置
７ 伸線機
８ 焼鈍装置
９ 製品巻取り部

Claims (2)

1. 銅合金線の外周面に溶融亜鉛めっきを施して、銅合金と亜鉛の間で銅と亜鉛の物質移動現象により拡散を起こさせることによって、亜鉛の濃度勾配を有する銅―亜鉛合金層を生成せしめ、前記濃度勾配を有する銅―亜鉛合金層の表層を純亜鉛にすることにより、冷間伸線加工時に表層にクラックを生じさせないことを特徴とするワイヤ放電加工用電極線。
2. 前記銅合金線は亜鉛濃度が３５〜４０重量％の黄銅であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ放電加工用電極線。