JP2010522642A - ステップダウン式プランジ放電加工 - Google Patents

Abstract

被加工物の複数の位置にパターンを加工する方法は、パターンを有する形状電極を、或るシーケンスで複数の位置に位置決めする工程を含む。幾つかの実施形態では、このシーケンスはランダムである。本方法は、形状電極と被加工物との間に電荷を繰り返し通し、形状電極をパターンの全深さの一部だけ被加工物内に進めることにより、複数の位置の各々においてパターンを形成する工程を更に含む。本方法は、複数の位置の各々でパターンの全深さが形成されるまで、位置決め及び形成工程を複数回繰り返す工程を更に含む。

Description

関連出願

本出願は、２００６年１２月２２日に出願された「ステップダウン式プランジ放電加工（Step-Down Plunge Electrodischarge Machining）」という名称の米国特許仮出願第６０／８７６，７５７号による利益を主張し、その開示をここに参照することにより本願明細書に組み込む。

本発明は、一般的に放電加工(ＥＤＭ)プロセスに関する。具体的には、本発明は、ハニカム押出ダイを製造するためのプランジＥＤＭに関する。

ディーゼルの排気のろ過用途等といった、微粒子ろ過の用途で用いられるハニカム体は、相互接続した長手方向のウェブで画成された複数の長手方向の平行なチャネルを有するモノリス体で構成される。ハニカム体は、コージエライトや炭化ケイ素等といったセラミック材料から、押出成形で作られるのが一般的である。ハニカム体の製造に用いられる押出ダイは、相互接続したスロットで画成された長手方向のピンのアレイを含む出口端部を有するダイ本体を有する。この長手方向のピンのアレイは、微粒子ろ過の用途に有用な任意の形状（正方形、三角形、六角形等）を有するピンを含み得る。ダイ本体の入口端部は、スロットにバッチ材料を供給するために用いられる、ダイ本体の基部からスロットまで延在する複数の供給孔を含む。押出ダイを用いてハニカム体を製造するために、バッチ材料が供給孔に供給され、スロットを通して押し出される。スロットを通して押し出されたバッチ材料は、ハニカム体の相互接続したウェブを構成する。

ハニカム押出ダイは、一般的にプランジＥＤＭで作られる。典型的なプランジＥＤＭプロセスでは、所望のピン／スロットパターンを有する形状電極を、被加工物と接触するよう配置する。形状電極及び被加工物に電圧を印加して、それらの間に電解液を介して電流を流れさせる。幾つかのプロセスでは、形状電極が陰極として作用し、被加工物が陽極として作用する。他のプロセスでは、或る状況下では電極の構成に応じて、電流の流れが逆になることもある。形状電極と被加工物との間の細い間隙において一連の放電を繰り返すことにより、被加工物にこのピン／スロットパターンが形成される。電荷によって、被加工物を溶かしてピン／スロットパターンを被加工物に転写するのに十分な熱が生じる。被加工物の加工中、被加工物は誘電性流体に含浸される。この誘電性流体は、電荷に対する導体として作用すると同時に、形状電極を被加工物から絶縁する。誘電性流体は冷却液としても作用し、形状電極と被加工物との間の細い間隙から加工屑を洗い流すために用いられる。

プランジＥＤＭは、同じダイ本体内に様々な形状及びサイズの加工ピン及びスロットを作るのに適しているが、加工されたダイ本体内のスロット幅及びピンサイズの大きな変動も観察される。これは、ピン／スロットパターンの形成中の加工屑の不適切な洗浄に起因し得る。被加工物の加工ゾーンに未洗浄の加工屑があると、そのゾーンで形成されるスロット幅及びピンサイズに影響し得る二次的な放電が生じる可能性がある。更に、未洗浄の加工屑の量は加工ゾーン毎に様々であるので、被加工物にわたるスロット幅及びピンサイズの変動は一様ではなく、スロット幅及びピンサイズに対する二次的な放電の補償が困難になる。押出ダイにわたるスロット幅及びピンサイズのばらつきは、そのまま、その押出ダイを用いて形成されるハニカム体にわたるウェブ厚及びセルサイズのばらつきとなる。ハニカム体にわたるウェブ厚及びセルサイズの大きなばらつきは、後続の処理中又はハニカム体の使用中に、ハニカム体に、望ましくない熱分布プロファイル及び／又は流れ分布プロファイルを生じ得る。

従って、被加工物にわたるパターンサイズの変動が一様なパターンを被加工物に形成すると共に、製造上の公差を満たすよう変動を制御可能なプランジＥＤＭプロセスが望まれる。

１つの態様において、本発明は、被加工物の複数の位置にパターンを加工する方法に関する。本方法は、パターンを有する形状電極を、ランダム化されたシーケンスで複数の位置に位置決めする工程と、形状電極と被加工物との間に電荷を繰り返し通し、形状電極をパターンの全深さの一部だけ被加工物内に進めることにより、複数の位置の各々においてパターンを形成する工程と、複数の位置の各々でパターンの全深さが形成されるまで、位置決め及び形成工程を複数回繰り返す工程とを備える。

別の態様において、本発明は、プランジ放電加工によって被加工物の複数のプランジ位置にパターンを形成する方法に関する。本方法は、複数のプランジ位置において加工すべきパターンの全深さを決定する工程と、パターンを全深さまで加工するためのプランジステップの総数を選択する工程と、各プランジステップに対するプランジ深さを全深さの一部として決定する工程とを備える。本方法は、各プランジステップについて、プランジ位置のシーケンスをランダムに生成し、該プランジ位置のシーケンスに従って、被加工物の複数のプランジ位置に、プランジステップと関連付けられたプランジ深さまでパターンを加工する工程を備える。

別の態様において、本発明は、プランジ放電加工システムに関する。本システムは、パターンを有する少なくとも１つの形状電極が配置された第１の固定具と、被加工物を形状電極と対向するように支持するよう構成された第２の固定具と、形状電極に結合された位置決め装置と、形状電極及び被加工物に電圧を印加するよう構成された電源とを備える。本システムは、形状電極が、ランダム化されたシーケンスで被加工物の複数の位置に繰り返し位置決めされ、被加工物の複数の位置にパターンの全深さの一部を形成するように、位置決め装置を制御する制御装置を更に備える。

本発明の他の特徴及び長所は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかになる。

プランジＥＤＭシステムの略図 ステップダウン式プランジＥＤＭプロセスのフローチャート 被加工物上のプランジ位置を示す図 一対の形状電極の横断面図 ステップダウン式プランジＥＤＭプロセスで生じるスロット幅の変動を示すグラフ ワンショット式プランジＥＤＭプロセスで生じるスロット幅の変動を示すグラフ 押出ダイの縦断面図

以下に説明する添付の図面は、本発明の典型的な実施形態を示すものであり、本発明の範囲を限定するものとは見なされず、本発明は、他の等しく効果的な実施形態も認めうるものである。図面は必ずしも縮尺通りではなく、特定の特徴及び特定の図面は、明瞭及び簡潔のために、縮尺が誇張されて又は模式的に示されることがある。

次に、添付の図面に示される幾つかの好ましい実施形態を参照し、本発明を詳細に説明する。好ましい実施形態の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細が述べられる。しかし、これらの具体的な詳細の一部又は全てを用いずに本発明が実施され得ることは、当業者には自明である。他の例では、本発明を不必要に不明瞭にしないために、周知の特徴及び／又はプロセス工程は詳細に説明しない。更に、共通の又は類似の要素は、類似の又は同一の参照番号で示される。

図１は、スロット及びピンのパターン等といったパターンを被加工物１０２にわたって加工するためのプランジＥＤＭシステム１００の略図である。一般的に、これらのパターンは高いアスペクト比を有する特徴を有するが、本システムは、高いアスペクト比を有する特徴に限定されない。システム１００は、被加工物１０２を保持する下部固定具１０４を有する。システム１００は更に、下部固定具１０４と対向するよう配置された上部固定具１０６を有する。上部固定具１０６は、１つ以上の形状電極１０８を被加工物１０２と対向するよう保持して支持する。形状電極１０８は、任意の適切な手段を用いて上部固定具１０６を保持してよい。例えば、形状電極１０８は、上部固定具１０６のアパチャーに挿入されて、溶接やねじ山等の任意の適切な手段によって上部固定具１０６に固定され得る。

上部固定具１０６は、被加工物１０２にわたって特徴を加工するために形状電極１０８を位置決めできるように、下部固定具１０４に対して移動可能であり、特徴をその全深さまで加工する際に、形状電極１０８を被加工物１０２内へと進める、即ち突入（プランジ）させるようになっている。これは、例えば、アクチュエータや平行移動台等といった位置決め装置１１０を、上部固定具１０６に結合させることによって実現され得る。一例では、位置決め装置１１０は、直交する２つの軸（例えば、ｘ方向及びｙ方向）に沿った動きを提供する。これにより、被加工物１０２に対する形状電極１０８の横方向及び縦方向の動きが可能になる。或いは、位置決め装置１１０は、直交する３つの軸に沿った動きを提供してもよく、必要に応じて形状電極１０８の角度調節を可能にしてもよい。位置決め装置１１０は制御可能であるのが好ましい。位置決め装置１１０は、形状電極１０８を被加工物１０２全体にわたって高精度で位置決めできるのが好ましい。位置決め装置１１２を下部固定具１０４に結合して、被加工物１０２が形状電極１０８に対して移動可能にすることも可能である。この場合には、位置決め装置１１０は縦方向の動きのみを提供すればよい。

プランジＥＤＭシステム１００は、被加工物１０２及び形状電極１０８に電圧を印加する電源１１３を有する。図１に示される構成では、形状電極１０８は陰極として作用し、被加工物１０２は陽極として作用する。電源１１３の出力は調節可能であるのが好ましい。システム１００は、形状電極１０８及び被加工物１０２に印加される電圧の量を決定する制御装置１１５を有してもよい。形状電極１０８及び被加工物１０２に印加される電圧は、形状電極１０８と被加工物１０２との間の放電、及び形状電極１０８と被加工物１０２との間に形成される間隙のサイズを決定する。制御装置１１５は、被加工物１０２の様々な位置に特徴を加工するために形状電極１０８を移動させるための位置決め装置１１０の制御も行ってもよい。制御装置１１５は、上部固定具１０６に結合された位置センサ１１７又は位置決め装置１１０からの入力を受け取ってもよく、その入力を用いて、被加工物１０２に特徴が全深さまで加工されたことを判定してもよい。制御装置１１５は、データ及び命令を格納するメモリ１１５ａと、命令を実行するプロセッサ１１５ｂと、プランジＥＤＭシステム１００の様々な構成要素と通信する入出力装置１１５ｃとを有し得る。

図１に示されるシステムでは、誘電性流体１２４を保持する液体チャンバ１２０が下部固定具１０４に設けられている。プランジＥＤＭシステム１００は、誘電性流体供給源１２６からチャンバ１２０に供給される誘電性流体１２４が通る導入ライン１２２を有してもよい。導入ライン１２２には、誘電性流体供給源１２６からチャンバ１２０に誘電性流体１２４を送るポンプ１２８が設けられてもよい。システム１００は、チャンバ１２０から排出されて誘電性流体供給源１２６に戻される誘電性流体１２４が通る排出ライン１３０を有してもよい。排出ライン１３０には、誘電性流体１２４を誘電性流体供給源１２６に戻す前に誘電性流体１２４から加工屑を除去する微粒子フィルタ１３２が設けられてもよい。被加工物１０２が誘電性流体１２４中に含浸されるように、下部固定具１０４はチャンバ１２０内の被加工物１０２を支持する。被加工物１０２に特徴が加工されている間、誘電性流体１２４はチャンバ１２０内を循環させられる。誘電性流体１２４は、形状電極１０８から被加工物１０２へと電荷を伝導し、且つ、被加工物１０２から形状電極１０８を絶縁する。また、誘電性流体１２４は、被加工物１０２と形状電極１０８との間に形成された間隙から加工屑を洗い流す。図１には示さないが、更に、電極１０８内のチャネル及び被加工物１０２に開けられたチャネルを通して誘電性流体を循環させるシステムの変形も知られており、このような循環は、間隙及び被加工物に加工中のスロットの窪みからの加工屑の洗浄を補助するのに特に効果的である。

形状電極１０８は、形状電極１０８と被加工物１０２との間の間隙への放電を繰り返すことによって被加工物１０２に特徴を加工するために位置決めされる。形状電極１０８は導電材料でできている。被加工物１０２も導電材料でできている。被加工物１０２の材料は、加工された被加工物の意図される用途に基づいて選択され得る。例えば、ハニカム押出ダイのブランクである被加工物１０２は、スチール等の硬質の導電材料で作られ得る。形状電極１０８の材料は、被加工物１０２の材料と同じであっても同じでなくてもよく、被加工物１０２の材料ほど硬い必要はない。一般的に、形状電極１０８は銅タングステンで作られるが、代わりに、グラファイト等の他の電極材料を用いることも可能である。

形状電極１０８は、被加工物１０２に形成される特徴のパターンを有する。例えば、ハニカム押出ダイ用では、形状電極１０８は、ハニカムパターン又はハニカムパターンの一部を有する。各形状電極１０８は、一度に単一の特徴（例えば、１つのピン又はスロット）を形成するよう構成されてもよく、又は、一度に複数の特徴（例えば、縦横に並んだ複数のピン及びスロット）を形成するよう構成されてもよい。一般的に、形状電極１０８は、任意の所望の形状の特徴を有するパターンを形成するよう構成されてよい。

プランジＥＤＭプロセスはステップダウン（段階的下降）式プロセスであり、複数のプランジステップのランダム化シーケンスを用いて、被加工物にわたって特徴を全深さまで加工する。図２は、ステップダウン式プランジＥＤＭプロセスを示す。まず、被加工物に形成されるパターンの全深さが決定される（２００）。次に、各パターンを全深さまで加工するのに望ましいプランジステップの総数が選択される（２０２）。この総数は、少なくとも２であるべきであり、２より多いのが好ましく、５より多いのがより好ましい。次に、各プランジステップのプランジ深さが決定される（２０４）。プランジ深さは、形状電極が１回のプランジステップで被加工物に加工するパターンの深さであり、全深さの一部である。プランジ深さはプランジステップ毎に異なっていてもよく、異なっていなくてもよい。次に、プランジステップが１に設定される（２０６）。次に、プランジ位置のランダムシーケンスが生成される（２０８）。プランジ位置とは、形状電極が被加工物にパターンを形成する被加工物上の位置である。現在のプランジステップについて、生成されたプランジシーケンスに従った現在のプランジステップと関連付けられたプランジ深さで、被加工物にパターンが加工される（２１０）。次のステップでは、プランジステップがプランジステップ総数と等しいか否かがチェックされる（２１２）。プランジステップがプランジステップ総数と等しい場合には、処理が終了する（２１４）。プランジステップがプランジステップ総数と等しくない場合には、プランジステップは１だけ増分され、ステップ２０８からの処理が繰り返される。このステップダウン式プランジＥＤＭプロセスは、プロセッサ（図１の１１５ｂ）によって実行され得る命令として提供されてもよい。

一例では、被加工物に形成されるパターンは、正方形のピン及びスロットのアレイである。このパターンは、上述のステップダウン式プランジＥＤＭプロセスを用いて被加工物に形成される。ピン及びスロットの全深さは０．２３インチ（約５．８４２ミリメートル）であり、選択されたプランジステップ数は１０である。図３Ａは、被加工物１０２上のプランジ位置を示す。１〜８の番号がついた８対のプランジ位置がある。図３Ｂは、被加工物（図３Ａの１０２）にパターンを加工するための１対の電極１０８を示す。電極１０８は電極幅ｗだけ離間されている。図３Ａに示されている各プランジ位置１〜８は、電極幅ｗと等しい幅を有する。電極１０８は、図３Ａのプランジ位置１〜８間を移動され、被加工物にパターン、即ち、ピン及びスロットを加工する。以下の表１は、このタイプの例示的なステップダウン式プランジ加工プロセスのプランジ深さとプランジシーケンスとを示す。

図４Ａは、表１のステップダウンシーケンスを用いて加工された一連の６個の被加工物から得られたスロット幅変動データを示す。図４Ａのグラフは、被加工物の加工面にわたる多くの位置についての、測定位置に対する平均スロット幅を示す。

比較の目的で、以下の表２に示されているシーケンスに従ったワンショット式プランジＥＤＭプロセスを用いて、上述の正方形のピン及びスロットのアレイを、一連の９個の更なる被加工物に加工した。このワンショット式プランジＥＤＭプロセスでは、ピン及びスロットは、ステップダウン式プランジＥＤＭプロセスのように徐々に加工されるのではなく、１回のステップで全深さまで加工される。図４Ｂは、表２に示されているワンショット式プランジＥＤＭのシーケンスを用いた９個の被加工物の表面にわたる測定位置の関数としての平均スロット幅を示すグラフである。どちらの加工プロセスに対しても、目標スロット幅は０．０１６２インチ（約０．４１１４８ミリメートル）である。

図４Ａ及び図４Ｂのグラフからわかるように、ステップダウン式プランジＥＤＭプロセスによって加工された被加工物にわたるスロット幅は、ワンショット式プランジＥＤＭプロセスによって加工された被加工物にわたるスロット幅よりも、かなり一様になっている。この理由は、ステップダウン式プランジＥＤＭプロセスでは、各パスで全深さまでプランジするのではなく、スロット深さを部分的に増加させながらプランジシーケンスをランダム化することにより、被加工物にわたってより一貫した加工条件が得られるからであると考えられる。表２に概要を示したようなワンショット式プランジＥＤＭプロセスでは、最初の４つのプランジ位置(図３Ａの位置１、８、３及び６)の平均スロット幅は、次の４つのプランジ位置(図３Ａの位置２、７、４及び５)の平均スロット幅とはかなり異なり得る。この差の少なくとも部分的な原因は、最初の４つの位置は加工中の固体材料によって境界されるのに対し、次の４つの位置はそうではないため、最初の４つのプランジ位置と次の４つのプランジ位置とで洗浄条件が異なることであり得る。従って、特に、スロットの設計が狭くて細い場合には、最初の４つのプランジ位置から加工屑を洗い流すことは、前にプランジされた被加工物の領域に対して開放された次の４つのプランジ位置から加工屑を洗い流すことよりも困難になり得る。

図５は、上述のステップダウン式プランジＥＤＭプロセスを用いて、被加工物にピン５００及びスロット５０２が形成された後の被加工物１０２を示す。ピン５００及びスロット５０２は、１つ以上の段階を経て被加工物１０２に形成されてもよい。第１の段階は粗加工段階であってもよく、この段階では、ステップダウン式プランジＥＤＭプロセスを用いて、ピン５００及びスロット５０２が全深さまで加工される。第２及び後続の段階は仕上げ段階であってもよく、この段階ではピン５００が全深さまで仕上げられる。仕上げ段階には、ステップダウン式又はワンショット式プランジＥＤＭプロセスが用いられ得る。押出ダイの形成を完了するために、被加工物１０２に供給孔５０４が形成され得る。押出し可能なバッチ材料がスロット５０２に供給されるのを可能にするために、供給孔５０４は、一般的に、被加工物の１０２の基部５０６からスロット５０２まで延在する。ピン５００、スロット５０２及び供給孔５０４を有する被加工物１０２は、他のハニカム押出ダイのテンプレートとして用いられてもよい。例えば、必要に応じて、特定の用途により適した他の形状を達成するためにピン５００を修正してもよい。

限られた数の実施形態に関して本発明を説明したが、本開示の利益を得た当業者には、本願明細書に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態も考案できることがわかるであろう。従って、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

１００ プランジＥＤＭシステム
１０２ 被加工物
１０４ 下部固定具
１０６ 上部固定具
１０８ 形状電極
１１０ 位置決め装置
１１５ 制御装置
１２０ 液体チャンバ
１２４ 誘電性流体
５００ ピン
５０２ スロット
５０４ 供給孔

Claims (11)

1. プランジ放電加工によって被加工物の複数のプランジ位置にパターンを形成する方法であって、
   前記複数のプランジ位置において加工すべき前記パターンの全深さを決定する工程と、
   前記パターンを前記全深さまで加工するためのプランジステップの総数を選択する工程と、
   各プランジステップに対するプランジ深さを前記全深さの一部として決定する工程と、
   各プランジステップについて、プランジ位置のシーケンスをランダムに生成し、該プランジ位置のシーケンスに従って、前記被加工物の前記複数のプランジ位置に、前記プランジステップと関連付けられた前記プランジ深さまで前記パターンを加工する工程と、
   を備えることを特徴とする方法。
2. 前記被加工物に前記パターンを加工する前記工程が、前記複数のプランジ位置に形状電極を配置することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記パターンを加工する前記工程が、前記形状電極及び前記被加工物に電圧を印加することを更に含み、前記形状電極が陰極として作用し、前記被加工物が陽極として作用することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記被加工物に前記パターンを加工する前記工程が、前記複数のプランジ位置において、前記形状電極と前記被加工物との間に電荷を繰り返し通しながら、前記形状電極を前記被加工物内へと進めることを更に含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記被加工物に前記パターンを加工する前記工程が、前記形状電極と前記被加工物との間に誘電性流体を循環させることを更に含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
6. 前記形状電極が前記パターンを有することを特徴とする請求項２記載の方法。
7. 前記パターンがハニカムパターンであることを特徴とする請求項５記載の方法。
8. パターンを有する少なくとも１つの形状電極が配置された第１の固定具と、
   被加工物を前記形状電極と対向するように支持するよう構成された第２の固定具と、
   前記形状電極に結合された位置決め装置と、
   前記形状電極及び前記被加工物に電圧を印加するよう構成された電源と、
   前記形状電極が、ランダム化されたシーケンスで前記被加工物の複数の位置に繰り返し位置決めされ、前記被加工物の前記複数の位置に前記パターンの全深さの一部を形成するように、前記位置決め装置を制御する制御装置と
   を備えることを特徴とするプランジ放電加工システム。
9. 前記第２の固定具に液体チャンバが設けられることを特徴とする請求項８記載の放電加工システム。
10. 前記液体チャンバが誘電性流体の供給源に接続されることを特徴とする請求項９記載の放電加工システム。
11. 前記形状電極が、前記被加工物にハニカムパターンを形成するよう構成されることを特徴とする請求項８記載の放電加工システム。

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