JP2012183610A - 放電加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークのエッジ部の加工精度や加工欠陥を減らすことができる放電加工装置を提供すること。
【解決手段】極間に電圧を印加し、工具電極３とワーク４で構成される極間の接触を検出するための電源であって、出力電圧がアーク電圧以下の第１電源回路１と、極間にパルス電流を供給する第２電源回路２と、第１電源回路１によって極間に電圧を印加し工具電極３とワーク４の接触を検出し、工具電極３とワーク４の接触状態で第２電源回路２から極間にパルス電流を供給するように制御する制御回路５を備えた放電加工機。
【選択図】図３

Description

本発明は、ワイヤカット放電加工機などの放電加工装置に関する。

プラスとマイナスの電極を接近させると、アーク放電が起こり電極の一部が溶融飛散する。これを利用したのが放電加工である。電極として、一方の電極を加工対象物のワークとし、他方の電極を放電加工機に備わった加工用電極とする。
一般に、トランジスタ方式と呼ばれる放電加工用電源では、出力インピーダンスの高い第１の電源を用いて極間に電圧を印加してアーク放電を誘起し、その後、出力インピーダンスの低い第２の電源から電流パルスを供給して高温のアークを生成してワークを溶融除去し、所定の休止時間の後、再度、第１の電源を用いて電圧を印加することを繰り返すことにより、加工を行う（特許文献１参照）。
上述した方式による放電加工では、極間のどこで放電が発生するのかを予め知ることや、積極的にその位置を制御することは困難である。一般的には、極間距離の局部的に狭い部分が電界強度が高くなり、絶縁破壊し易くなるので放電発生確率が高くなる。そして、放電が発生してその部分が除去されると、順次他の極間距離の狭い部分に放電発生位置が移動し、全体としては、概ね極間距離は一定となる。

しかし、板状のワークを加工する場合には、エッジ部の電界強度が高くなるので（図１参照）、どうしても、この部分の放電発生確率が高くなり、角部が丸くなって加工精度が悪化したり、エッジ部の加工屑密度が高くなると工具電極とワークの直接対向面だけでなく、ワークの上面や下面にも加工屑を介した放電が発生して割れなどの欠陥が発生しやすい傾向があった（図２参照）。
プレス金型などでは、エッジ部は切り刃となる重要な部分であり、この部分の寸法精度低下や欠けなどの欠陥は、プレス加工の精度や、品質に直接影響することから、極力無くす必要がある。

ところで、ワイヤカット放電加工では、上下２箇所のガイド部からワイヤ電極に給電するので、上下ワイヤガイドからの供給電流の差から放電発生位置を推定することが可能である。この技術を応用し、第１の電源による上下ワイヤガイドの電流差から放電発生位置を求め、その位置に従って、第２の電源から供給する電流パルスの大きさを調節して、加工形状を積極的に制御しようとする試みもなされている（特許文献２参照）。
また、一般に、放電加工では、加工中は極間に数μｍ〜数１０μｍの間隙が存在し、その間隙に数１０〜数１００Ｖの電圧を印加し、この電圧によって間隙の絶縁を破壊してパルス電流を流し、アーク放電を起こして、その高熱を利用してワークの除去加工を行っている。
このため、極間が接触し短絡した状態で加工電流パルスを供給しても、アーク放電が発生せず、単に電流が流れるだけで加工への寄与が無いと考えられていた。そこで、短絡の場合には、パルス電流を流すのを止めるか、あるいは加工屑の集中などによる短絡状態の早期解消を目的として、加工屑を飛散させるため特別にパルス電流を流すなどの対策を行い、短絡状態を極力回避するように工夫していた（特許文献３参照）。

すなわち、放電を誘起する電源を用いて、放電が誘起されたことを確認して極間にパルス電流を印加するのが一般的な放電加工であり、後述する、放電を誘起する電源は用いず、極間の接触を検出した場合に、積極的に加工用のパルス電流を印加する本発明の方法は行われていなかった。

特開２００４−１９５５６２号公報 再公表２００７−０３２１１４号公報 特開平７−１５６０１９号公報

背景技術で説明した技術（特許文献２）では、放電発生位置の検出精度が低く、実用的には５０ｍｍ以上の厚板ワークにおいて、ワークの上方、中央、下方を識別できる程度であって、厚板パンチの真直精度を制御するためには、ある程度の効果はあるものの、ミリメートル単位の精度で放電発生位置を検出することは困難であって、前記のようなエッジ部での放電発生を正確に検出することはできず、これによってエッジ部の加工品質を向上することは不可能であった。
そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、ワークのエッジ部の加工精度や加工欠陥を減らすことができる放電加工装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、加工電極とワークで構成される極間に、間歇的に電圧を印加して、ワークを除去加工する放電加工機において、極間に電圧を印加し、極間の接触を検出するための電源であって、出力電圧がアーク電圧以下の第１の電源と、極間にパルス電流を供給する第２の電源と、前記第１の電源によって極間の接触を検出した場合、該接触状態で前記第２の電源から極間にパルス電流供給するように制御する制御部を備えたことを特徴とする放電加工機である。
請求項２に係る発明は、前記第１の電源の出力電圧極性を周期的に反転させることを特徴とする請求項１に記載の放電加工機である。
請求項３に係る発明は、前記第１の電源の出力電圧極性を電圧印加開始毎に反転させることを特徴とする請求項１に記載の放電加工機である。
請求項４に係る発明は、前記第１の電源の出力電圧極性を極間の平均電圧がゼロに近付くよう一定周期または電圧印加毎に印加極性を選択することを特徴とする放電加工機である。

請求項５に係る発明は、前記第１の電源で極間に電圧を印加中、極間の接触状態が所定時間以上持続した場合にのみ第２の電源から極間にパルス電流を供給するよう制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の放電加工機である。
請求項６に係る発明は、前記第１の電源で極間に電圧を印加開始後、開放状態になることなく所定時間接触状態を持続した場合は、第２の電源から所定の大きさのパルス電流を極間に供給し、第１の電源で極間に電圧を印加開始後、極間が一旦開放状態になった後、接触状態になった場合は、前記所定の大きさのパルス電流より小さなパルス電流を供給するよう制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の放電加工機である。
請求項７に係る発明は、前記第２の電源の出力パルス電流の大きさによって、該第２の電源からパルス電流を供給した後次に前記第１の電源から極間に電圧を印加するまでの時間（休止時間）を変化させることを特徴とする請求項６に記載の放電加工機である。

本発明により、ワークのエッジ部の加工精度や加工欠陥を減らすことができる放電加工装置を提供できる。

ワークのエッジ部で電界強度が強くなることを説明する図である。 ワーク上面への放電を説明する図である。 加工電源の構成例を説明する図である。 加工電源のタイムチャートを説明する図である。 極間に両極性の電圧を印加することが可能な加工電源を説明する図である。 両極性の電圧を印加した場合の例を説明する図である。 電圧印加毎の極性反転を説明する図である。 平均電圧をゼロにする極性反転を説明する図である。 第２電源回路の電源オンの時の極間波形の例を説明する図である。 接触判定時間の後に第２電源回路から極間電圧を印加することを説明する図である。 異なる長さの駆動信号ｂを用いる場合を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
本発明の実施形態では、放電加工装置において、第１の電源と第２の電源を並列に接続した電源装置を用いることによって、第１の電源で極間に電圧を印加し、第２の電源で極間に加工用の大電流パルスを流すことによって、ワーク４のエッジ部の加工品質を大幅に高めることができる。なお、本発明の放電加工装置は、工具電極としてワイヤ電極を用いるワイヤカット放電加工装置やワークに形成したい形状に対応する形に作られた電極を用いる形彫り放電加工装置を意味する。本明細書では、本発明に係る電源装置を説明し、その他の放電加工装置に係る構成は従来と同様であるので、説明を省略する。

図３は、本発明の実施形態の放電加工機に備わった加工電源の構成例を説明する図である。加工電源１００は、第１電源回路１、第２電源回路２、制御回路５を備え、工具電極３とワーク４間の極間には第１の電源である第１電源回路１と第２の電源である第２電源回路２が並列に接続されている。そして、制御回路５は、第１電源回路１と第２電源回路２とを切り換えて工具電極３とワーク４の極間に電圧を印加する制御部である。

第１電源回路１は、電流制限素子１０、スイッチング素子１１、第１電源１２が直列に接続された直列回路で構成されている。電流制限素子１０は例えば抵抗やインダクタンスである。第１電源回路１は、抵抗やインダクタンスなどの電流制限素子１０で出力電流を制限した内部インピーダンスが高く、かつ、出力電圧がアーク電圧以下の第１電源１２で工具電極３とワーク４の極間に電圧を印加する。

第２電源回路２は、スイッチング素子２１と回生用のダイオード２２が直列に接続され、回生用のダイオード２３とスイッチング素子２４とが直列に接続され、それらが、第２電源２５に対して並列に接続されている。工具電極３とワーク４の接触時には、内部インピーダンスの低い第２電源回路２から加工用の大電流パルスを流す。

工具電極３とワーク４の極間には、該極間電圧を検出してスイッチング素子１１，２１，２４をオン／オフ制御する制御回路５からの信号線が接続されている。制御回路５は、接触判定電圧源５１，比較器５２，駆動信号発生器５３を有する。工具電極３とワーク４の極間電圧は比較器５２において接触判定電圧源５１の接触判定電圧Ｅ３と比較される。駆動信号発生器５３は、比較器５２から出力される接触検出信号ｓ１に基づいて駆動信号ａ，ｂを出力する。
駆動信号ａはスイッチング素子１１の駆動端子に入力し、駆動信号ｂはスイッチング素子２１，２４の駆動端子に入力する。図４に駆動信号発生器５３から出力される駆動信号ａ，ｂの例が図示されるとともに、工具電極３とワーク４の極間に生じる極間電圧と極間電流が図示されている。

ところで、工具電極３とワーク４の接触の場合に加工のためのパルス電流を供給することについては否定的な考え方もあるが、接触（短絡）状態でのみ加工パルスを供給する実験を行ったところ、加工が進行することが判明し、その全てが無駄という訳ではないことが分かった。これは、工具電極３とワーク４が非常に狭い面積で接触している所謂点接触状態や、加工屑を介して接触している場合のような軽い接触状態であれば、極間に加工用の大電流パルスを流すことによって接触部が溶融飛散し、接触状態からアーク放電状態に移行するためと考えられる。またワイヤカット放電加工機であれば、極間に大電流パルスを流すことによって、工具電極３とワーク４の電極に電磁反発力が作用し、電極が微小振動することでワークとの間に隙間が生じ、接触状態からアーク放電状態に移行することも理由の１つであると考えられる。

本発明の実施形態では、第１電源回路１によって、アーク放電を発生させないので、電界強度が強く放電の発生し易いエッジ部に放電が集中することがなく、エッジ部の加工精度の低下や割れなどの加工欠陥を無くすことが可能となる。なお、アーク電圧は、厳密には工具電極３とワーク４の材質の組み合わせや、放電間隙長、アーク電流などの加工条件によって変化するが、一般的な放電加工では２０〜３０Ｖ程度と言われている。

次に、図４〜図１１を用いて、駆動信号ａと駆動信号ｂの７つの例を説明する。
図４は、加工電源のタイムチャートを説明する図である。このタイムチャートは図３の加工電源１００に対応する。駆動信号発生器５３から駆動信号ａと駆動信号ｂが出力される。図３に示される加工電源は、駆動信号ａと駆動信号ｂに従って、工具電極３とワーク４の極間に極間電圧を印加し極間電流を流す。

駆動信号発生器５３は、まず駆動信号ａを出力し、第１電源回路１のスイッチング素子１１をオンして、極間に直流電源１２の電圧Ｅ１を印加する。これによって、極間電圧は電圧Ｅ１まで上昇する。その後、極間が接触し、極間電圧が接触判定電圧Ｅ３以下まで低下すると、比較器５２から接触検出信号ｓ１が駆動信号発生器５３に出力される。駆動信号発生器５３は、これを受けて駆動信号ａをオフし、駆動信号ｂを予め定めた所定時間オンする。これによって、第１電源回路１のスイッチング素子１１がオフし、第１電源回路１から極間への電圧印加が停止すると同時に、第２電源回路２のスイッチング素子２１，２４がオンし、第２電源回路２から極間に加工用の大電流パルスが供給される。

所定時間経過後、駆動信号ｂもオフとなり、第２電源回路２からの電流供給も停止するが、回生ダイオード２２，２３を通して、放電回路の浮遊インダクタンスに蓄積されたエネルギーが第２電源回路２に回生され、極間電流は急速に低下する。駆動信号ｂがオフした後、所定時間経過後、再度駆動信号ａがオンして前記のシーケンスを繰り返す。
ここで、駆動信号ｂがオフしてから、次のサイクルの駆動信号ａがオンするまでの時間を休止時間と呼ぶ。この休止時間は、極間の絶縁回復や冷却、放電によって生じた加工屑の排除を行う期間であって、放電加工では重要な働きをしている。
なお、図３では、極間の接触を極間電圧の低下によって検出しているが、その他の例として、第１電源１の出力電流を検出し、その値が判定値以上に上昇したことによって検出することもできる。

ここで、加工液に純水を使用する場合の、工具電極３とワーク４の極間に印加する極間電圧と極間電流について説明する。加工液に純水を使用する場合は、図３に示す単一極性の電源で極間に電圧を印加すると、電解腐食の恐れがある。このような電解腐食は、第１電源回路１から両極性の電圧を出力することで、防止することが可能である。

図５は、極間に両極性の電圧を印加することが可能な加工電源２００を説明する図である。図３の加工電源１００と相違する点を説明する。第１電源１２と極性の異なる第３電源１５とスイッチング素子１４の直列回路が、第１電源１２とスイッチング素子１１の直列接続したものに対して並列に接続されている。制御回路５から駆動信号ａ１，駆動信号ａ２，駆動信号ｂが出力され、駆動信号ａ１はスイッチング素子１１の駆動端子に入力し、駆動信号ａ２はスイッチング素子２４の駆動端子に入力する。

図５において第１電源回路１から出力される電圧の極性切替えの方法としては、一定周期で極性を反転させる（図６参照）、印加電圧毎に極性を反転させる（図７参照）、平均電圧がゼロに近付くよう前記タイミングでの印加極性を選択する（図８参照）などの方法がある。第１電源回路１に備わった第１電源１２と第３電源１５をスイッチング素子１１，１４を、駆動信号発生器５３から出力される駆動信号ａ１，ａ２によってオン・オフ制御することによって、第１電源回路１から工具電極３とワーク４の極間に印加する電圧の極性を反転することができる。

ところで、詳しく加工実験を重ねると、工具電極３とワーク４の極間が接触し、第２電源回路２をオンした瞬間、第２電源回路２によって高い電圧が極間に現れる場合がある（図９参照）。この高電圧によって、加工屑を介した放電が発生し、ワーク４のエッジ部のワーク上面に２次放電が生じる場合のあることが判ってきた。
加工用のピークの大きい電流パルスを供給するためには、第２電源回路２の電圧は少なくともアーク電圧以上とすることが必須であり、第１電源回路１のように電圧を低くして対策することはできない。
そこで、第１電源回路１で極間に電圧印加を開始した後、所定時間接触状態が持続した場合のみ、第２電源回路２をオンするようにした（図１０参照）。図１０では、接触判定時間に亘り工具電極３とワーク４とが接触状態の場合に第２電源回路２をオンする。
このようにすることにより、極間がある程度確実に接触している場合のみ高電圧を印加することになるので、印加開始の瞬間に、極間に高電圧が現れる確率を下げることが可能となり、加工屑を介した２次放電を減らすことができる。ただし、第２電源回路２をオンする回数が減少するので、ある程度の加工速度の低下は避けられない。

一方、荒加工の後、仕上げ加工を行って形状修正するような場合のように、荒加工による加工品質低下がある程度許容される場合には、加工速度を上げるために、瞬間的に接触状態になった場合にも、第２電源回路２をオンすることもある。このような用途では、第１電源回路１による電圧印加開始後、極間が一旦開放状態となった後、接触状態になった場合は、第２電源回路２のオン時間を短く（Ｔ１）、第１電源回路１の電圧印加開始時、極間が接触状態で、所定時間この状態が持続した場合は、第２電源回路２のオン時間を長くする（Ｔ２）とする（図１１参照）。

Ｔ１を長くすると、加工速度は上がるが、エッジ部の加工品質は低下する傾向がある。すなわち、加工速度と加工品質にはトレードオフの関係があるので、許容される加工品質の程度に合わせてＴ１の長さを０≦Ｔ１≦Ｔ２の範囲で調節する。
また、第２の電源のオン時間の長さによって、極間への加工エネルギーの投入量が決定され、加工屑の発生量、極間の絶縁回復時間、電極の損傷などが変化するので、オン時間が長い場合には、休止時間も長くする方が、加工が安定し、ワイヤ放電加工などではワイヤ電極の断線を防止することができる。なお、加工電流の大きさを変化させる方法として、第２の電源のオン時間を変化させる方法以外に、電源電圧（Ｅ２）の異なる複数の電源を用意し、状況に応じてオンさせる電源を選択するようにしてもよい。

以上のような対策により、加工速度を極端に低下させることなく、ワークエッジ部の加工品質を大幅に向上させることができる。

１ 第１電源回路
１０ 電流制限素子
１１ スイッチング素子
１２ 第１電源

１４ スイッチング素子
１５ 第３電源

２ 第２電源回路
２１ スイッチング素子
２２，２３ 回生用のダイオード
２４ スイッチング素子
２５ 第２電源

３ 工具電極
４ ワーク

５ 制御回路
５１ 第１接触判定電圧源
５２ 比較器
５３ 駆動信号発生器
５４ 第２接触判定電源

１００，２００ 加工電源

本願の請求項１に係る発明は、加工電極とワークで構成される極間に、間歇的に電圧を印加して、ワークを除去加工する放電加工機において、極間に電圧を印加し、極間の接触を検出するための電源であって、出力電圧がアーク電圧以下の第１の電源と、極間に加工用のパルス電流を供給する第２の電源と、前記第１の電源によって極間の接触を検出した場合、該接触状態で前記第２の電源から極間に前記加工用のパルス電流を供給するように制御する制御部を備えたことを特徴とする放電加工機である。
請求項２に係る発明は、前記第１の電源の出力電圧極性を周期的に反転させることを特徴とする請求項１に記載の放電加工機である。
請求項３に係る発明は、前記第１の電源の出力電圧極性を電圧印加開始毎に反転させることを特徴とする請求項１に記載の放電加工機である。
請求項４に係る発明は、前記第１の電源の出力電圧極性を極間の平均電圧がゼロに近付くよう一定周期または電圧印加毎に印加極性を選択することを特徴とする放電加工機である。

Claims (7)

1. 加工電極とワークで構成される極間に、間歇的に電圧を印加して、ワークを除去加工する放電加工機において、
   極間に電圧を印加し、極間の接触を検出するための電源であって、出力電圧がアーク電圧以下の第１の電源と、
   極間にパルス電流を供給する第２の電源と、
   前記第１の電源によって極間の接触を検出した場合、該接触状態で前記第２の電源から極間にパルス電流供給するように制御する制御部を備えたことを特徴とする放電加工機。
2. 前記第１の電源の出力電圧極性を周期的に反転させることを特徴とする請求項１に記載の放電加工機。
3. 前記第１の電源の出力電圧極性を電圧印加開始毎に反転させることを特徴とする請求項１に記載の放電加工機。
4. 前記第１の電源の出力電圧極性を極間の平均電圧がゼロに近付くよう一定周期または電圧印加毎に印加極性を選択することを特徴とする放電加工機。
5. 前記第１の電源で極間に電圧を印加中、極間の接触状態が所定時間以上持続した場合にのみ第２の電源から極間にパルス電流を供給するよう制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の放電加工機。
6. 前記第１の電源で極間に電圧を印加開始後、開放状態になることなく所定時間接触状態を持続した場合は、第２の電源から所定の大きさのパルス電流を極間に供給し、第１の電源で極間に電圧を印加開始後、極間が一旦開放状態になった後、接触状態になった場合は、前記所定の大きさのパルス電流より小さなパルス電流を供給するよう制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の放電加工機。
7. 前記第２の電源の出力パルス電流の大きさによって、該第２の電源からパルス電流を供給した後次に前記第１の電源から極間に電圧を印加するまでの時間（休止時間）を変化させることを特徴とする請求項６に記載の放電加工機。

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