JP2013158843A - 放電加工用電極 - Google Patents

Abstract

【課題】 電極材料を緻密に形成でき、台金と電極材料の接合を密接とする放電加工用電極を安価に製造すること。さらには形状の自由度が高く、酸化物やホウ化物などの添加材も添加できること。
【解決手段】 被加工物に放電する電極部（１）および、電極部を保持する銅などの材質の台金部（２）を有し、電極部を構成する材料をタングステンやＣｕ−Ｗ系複合材料などとし、台金部（２）が電極部（１）の少なくとも一部を鋳包みした構造を持つ放電加工用電極とするにより解決した。
【選択図】 図１

Description

本発明は放電加工用電極の構造に関する。

放電加工用電極としては、電極部をＣｕ−Ｗ複合材料、Ａｇ−Ｗ複合材料、ＷＣ、Ｗにより構成した提案が数多く公開されている。

例えば特許文献１には、Ｃｕ−Ｗ、Ａｇ−Ｗ基複合材料に添加物としてＢｉ、Ｔｈ、Ｃａなどを添加した放電加工用電極が示されている。融点が極めて高いＷのスケルトン中に、ＣｕやＡｇといった低電気抵抗の材料を充填することにより、Ｗの低消耗率と低電気抵抗率の材料による放電加工効率を両立させるために有用な構造である。

特許文献２にはＣｕ、Ａｇ、Ａｌなどの低電気抵抗の金属を鋳込みにて製造した後に、Ｃｕ−Ａｇ−Ｗ、Ｃｕ−Ｗなどの高融点材料を低電気抵抗の金属の表面に噴射鋳型法にて形成する方法が述べられている。

また、特許文献３には得たい形状の高融点金属のスケルトンを成形し、そのスケルトンに低電気抵抗の材料を溶浸すると同時にシャンク（台金）を一体化する方法が示されている。

特許文献１に開示された技術にはＣｕ−Ｗ、Ａｇ−Ｗ系材料に添加物を加えることにより、放電加工用電極部の消耗を抑え、なおかつ放電加工速度を向上させる点において効果を有する。そのほかにも様々な添加物を加えた発明や、高融点材料の粒子径などを規定して消耗や速度向上を有利にするための技術が公開されている。

しかしながら、Ａｇ−ＷはもとよりＣｕ−Ｗなどの材料は単体のＣｕ系材料と比較して材料費、製造費用ともに明らかに高価である。そのために、例えば鉛筆程度の大きさの電極を作成して被加工物を放電加工する際には費用面で有利に働くが、被加工物が大きくなる程に材料費、製造費用ともに大幅に上がることになる。このような場合は小径の電極を用いて創成加工することも考えられるが、小径の電極は使用に伴い消耗量が次々変化するために、加工対象がミクロン単位の精度を求められる場合には適用が難しい。被加工物が大きくなればなるほど、加工精度を上げるためにはある程度の大きさの電極を使用することが有利となる。

特許文献２に開示された技術には、略被加工物の形状に成形された台金部の上にＷなどの高融点材料を被覆することにより、被加工物が大きくなった場合でも費用面での増加を抑えることができる。しかしながら、溶射被膜は特に高融点の材料になるほどに溶射した粒子同士に隙間ができやすく、この隙間は放電加工時に被加工物の加工面に転写されるために、加工面の仕上がり面の状態が粗くなるという問題点がある。また、溶射法であるために、単体のＷであれば処理は可能であるが、融点の開きが極めて大きい、例えばＷとＣｕを同時に溶射して複合材料とすることは適していない。さらに、酸化物などの添加物を加えることはさらに困難である。また、形成されるのは台金を基本とした膜状の形状に限られるために、応用できる範囲は限られる。

特許文献３に開示された技術は、粉末状態またはそれを押圧などして成形したタングステンに、銅などの低融点金属を溶浸して複合材料を得、それを放電加工用電極に使用する技術が示されている。しかしながら、この方法で得られる複合材料は、タングステンの粒子同士が熱処理によりネッキングしていないことから、単に銅のプール中にＷの粒子が分散している状態となる。この構造では、Ｗの粒子同士が互いにネッキングしていないために、使用時に高温に晒されることで低融点の金属が容易に溶融する欠点があり、ネッキングしたスケルトン構造と比較して寿命が大きく低下する。

また、実施例５にはタングステンをスケルトン構造として、そこに銅を溶浸させることが記載されているが、製造対象物はその全体として銅とタングステンからなる複合材料からなる電極であり、台金については述べられておらず、単なるタングステンスケルトンへの銅の溶浸法を示しているに過ぎない。

特開昭４８−００７３９５号公報 特開昭５４−０７１４９７号公報 特開平０７−００９２６４号公報

本発明で解決仕様とする課題は、
（１）放電加工用電極をなるべく安価に製造する
（２）被加工物または被加工部分が大型であっても対応できる
（３）形状の自由度が高い
（４）電極材料に添加物を自在に添加可能
（５）電極材料を緻密に形成でき、また、台金と電極材料の接合を密接とする
以上に示した課題を解決しようとするものである。

前述の課題を解決するために、本発明の構成は以下とした。

請求項１に記載の本発明は、放電加工用電極であって、被加工物に放電する第１の部材である電極部および、第１の部材を保持する第２の部材である台金部を有し、第１の部材を構成する材料がタングステン（Ｗ）、炭化タングステン（ＷＣ）、Ｃｕ−Ｗ系複合材料、Ａｇ−Ｗ系複合材料のいずれかであり、第２の部材を構成する材料が純銅もしくは銅系材料であり、第２の部材が第１の部材の少なくとも一部を鋳包みすることにより第１の部材と一体に形成されたことを特徴とする放電加工用電極である。台金部は放電加工機から与えられる電流の電極部への通り道であると同時に、放電加工機への放電加工用電極の固定の際に使われる部分である。

まず、本発明の放電加工用電極の特徴は、被加工物に対して放電を行なう電極部と、電極部を保持する台金部を備えることである。この構成とすることにより、実際に被加工物と対峙して放電を行なう部分のみを電極部としてのＷやＣｕ−Ｗなどの原材料費および製造費用が比較的高価な材料とすることができる。電極部以外の台金部分は原材料費および製造費用が安価である純銅やＣｕ系材料などからなり、放電加工用電極全体を電極部と同じ材料としないために、特に放電加工用電極、被加工物、被加工部分が大きくなる場合に費用面で極めて有利に製造できる。

次の特徴として、第１の部材である電極部と第２の部材である台金部の一体化について述べる（電極部自体の詳細な製造方法は後に述べる）。第１の部材を非酸化雰囲気下の炉に投入する。投入の際は非酸化雰囲気で第１の部材、第２の部材と反応しない、例えばカーボンや酸化物セラミックスのボートに設置する。このボートは製造したい放電加工用電極と略同形状の凹部を持ち、放電加工用電極の電極部に対応する部分に第１の部材を置く。同じくボート上またはボートに隣接した部分に第２の台金の材料を置く。この状態で昇温し、銅や銅系材料の融点を越えた時点で銅や銅系材料は溶融し、液体状態となって低い部分に移動する。移動先は前記凹部であり、そこに設置されている第１の部材と少なくとも一部で接触する。この状態から降温することにより、第２の部材は第１の部材と接したまま固体状態に戻り、凹部の形状となり固化し第１の部材の少なくとも一部を鋳包む。この固化した部分が台金部である第２の部材である。第１の部材と第２の部材は非酸化雰囲気で互いに酸化被膜などを形成することなく一体化しており、その接合はほとんど隙間が無く強固である。この際に小なりとも銅や銅系材料は不要な部分が生じることになるが、第２の部材は純銅、Ｃｕ系合金などからなるために、機械加工などで整形するのは容易である。

電極部は、台金と一体化する以前の工程では、個別に製造するため、形状の自由度が高い。これは引用文献２に示された方法が、台金部分に溶射手段にて電極部を形成する方法と比較すると、電極部の厚さや形状の自由度があがることは明白である。同様に、電極部を製造するまでは電極部のみを個別に製造するために、その中に添加物を加えることは容易である。例えば、Ｃｕ−Ｗ材料の放電加工電極の加工速度、電極消耗率を有利にするために現在までホウ素、ホウ化物、ホウ酸化物、アルカリ土類金属、ＺｒＯ_２、希土類酸化物、Ｎｉ、Ｃｏ、ＢａＷＯ_４など様々な添加物が従来技術文献として開示されているが、用途に応じてこれらを自由に使用することができる。これは、引用文献２に示された溶射方法を用いた場合には実現が極めて困難である。

また、電力の効率的使用も同時に達成することができる。台金部と放電加工用電極部からなる放電加工用電極は、一般に両者はろう付けで接合されているが、ろう材は電気抵抗値が高く、接合面積率も高くても６０％程度のため、電極と台金の材質以上に電気抵抗が高くなる。本発明のように両者を鋳包みにより接合した放電加工用電極であれば、ろう材などの高電気抵抗の材料を使用せず、接合面積率もほぼ１００％（低くとも９８％）のため、電極部と台金部の材料以上に電気抵抗が高くなることがない。

さらに、電極部の実際に放電加工を行なう表層部に例えば０．５〜３ｍｍと近い部分まで純銅もしくは銅系材料からなる台金部を接近させることができる。純銅および銅系材料は電極部に対して電気抵抗率が著しく低いために、発熱等による電流の損失を最低限に抑えられる。これは電力消費や装置寿命、加工効率を改善する効果がある。

請求項２に記載の本発明は、前記第１の部材を構成する材料の一部が、前記第２の部材を構成する材料と同じ材料である請求項１に記載の放電加工用電極である。これは、第１の部材がＣｕ−Ｗなどの金属スケルトン中に低融点金属が充填された複合材料の場合に適用できる。例えばＣｕ−Ｗに使用するＣｕは純銅でもよければクロム−銅合金（クロム銅）、スズ銅、ベリリウム銅などの高銅合金や、アルミナ分散銅などの固さや強度を強化したＣｕとしてもよい。これらの第１の部材に使用した材料と、第２の部材を構成する材料とを同じにすることで、鋳包み時に両者の親和性が高く、相互拡散が起りやすくなり、両者の接合がより強固なものとなる。この場合の「同じ材料」というのは、両者の相互拡散を阻害するような組成や添加物ではないという意味で使用している。たとえば、純銅を選択した場合に９９．９％の純銅と、９９．９９９％の純銅も同じ材料として扱う。クロム銅同士でクロム含有量が０．５質量％違うものは同じ材料として扱う。クロム−銅合金とアルミナ分散銅は同じ材料として扱わない。

請求項３に記載の本発明は、放電加工による被加工物と直接放電しない部分に貫通穴、または止まり穴のいずれか１種もしくは両方を有する請求項１または請求項２に記載の放電加工用電極である。
図６および図７に貫通穴、止まり穴を設けた例を示す。

まず図６に示したのは放電加工用電極１０に貫通穴１１を設けた例である。この例では貫通穴１１は、台金部２に設けているが、電極部１を貫通するものでもよく、双方を貫通するものでもよい。直接放電しない電極部分であればよい。
貫通穴１１を設けることにより、放電加工用電極周辺で加工液を良好に循環させやすいようになり、設けられていないものと比較して加工くずの排出が適切に行なわれる。この特徴は、同時に加工する面積が広い場合や、放電加工用電極が大きい場合に特に有効になる。また、別の効果として、放電加工用電極自体の重量を抑えることができ、同時に材料費用も低くできる。止まり穴の場合にも放電加工用電極自体の重量を抑えることができ、同時に材料費用も低くできる。図７には貫通穴１１と止まり穴１２を有する放電加工用電極の一例を示した。

請求項４に記載の本発明は、放電加工用電極が形彫放電加工用電極、輪郭放電加工用電極および創成加工用放電加工用電極のいずれかであることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載の放電加工用電極である。形彫放電加工というのは図４に示すように通常放電加工用電極１０を被加工物２０の所望の形状と対を成す形状に整形し、そのまま被加工物のほうに加工しながら電極部形状を転写する加工方法である。これに対し、輪郭放電加工に使用する放電加工用電極は図６（２）に示すように、主に側面を使用して放電加工用電極１０と被加工物２０の主として平面状の相対位置を、所望の形状にプログラム化することにより、プログラムに従い移動させながら加工を行なう方法である。また前記輪郭放電加工と異なり、工具の先端部を垂直に用い、長さ方向の補正を行いながらプログラムに沿って放電加工を行う方法を輪郭放電加工という。本発明１から３に記載の放電加工用電極は、これらのいずれのかの用途に使用することがより適している。

本発明の放電加工用電極は以下に示す効果のうち複数または全ての効果を有する。
（１）放電加工用電極をなるべく安価に製造できる。
（２）被加工物または被加工部分が大型であっても対応できる
（３）形状の自由度を高くできる
（４）電極材料に添加物を自在に添加可能とできる
（５）電極材料を緻密に形成でき、また、台金と電極材料の接合を密接にできる

本発明の放電加工用電極で、ネジきり加工用に用いる放電加工用電極構造の模式図 鋳包み工程の模式図（昇温前） 鋳包み工程の模式図（高温後） 本発明による円錐状の放電加工用電極 本発明によるギア加工用の放電加工用電極 本発明による輪郭放電加工用電極の一例である。（１）側面から見た断面形状、（２）加工時の上部から見た断面形状 本発明の例で、止まり穴、貫通穴を有するギア加工用の放電加工用電極

第１の部材についてその製法を説明する。
まず、第１の部材の材料がＷなどの単体である場合には、焼結体を準備すればよい。
次に、第１の部材の材料がＣｕ−ＷやＡｇ−Ｗなどの複合材料の場合はＷなどの高融点材料のスケルトン（「仮焼結体」とも言う。Ｗの粒子同士が完全に緻密化せずに、開気孔を有する状態で一部ネッキングを起こした状態）中にＣｕやＡｇなどの低融点金属を充填した構造を持つ複合材料である。第１の部材をこの複合材料とすることで、電気伝導率が十分に高いまま、Ｗの高い耐消耗性を生かすことができる。

Ｗと低融点金属は、例えば双方の粉末を混合してそのまま炉中で焼結して製造する方法もあるが、より放電状態で表面が溶融によって変化しにくい材料、Ｗで形成されたスケルトン中に低融点金属の材料を充填した溶浸法によって得られる。スケルトンを得るためには、平均粒子径がおよそ０．５μｍ〜１０μｍの粉末状態のＷ材料をプレス成形し、非酸化雰囲気にて９００〜１５００℃程度に加熱すればよい。Ｗの粒子同士が形状を保つ程度に、また連続した開気孔を有する程度にネッキングをしたスケルトン状の焼結体が得られる。

低融点金属はＷの材料のスケルトンを充填する量が確保されていればどのような形状でもよく、液体状態となった低融点金属がスケルトンに接する状態で溶浸を行なえば、毛細管現象によりスケルトンの開気孔全てに低融点金属が溶浸する。溶浸の条件としては低融点金属の融点以上の温度、非酸化雰囲気にて行なうことができる。例えば、純銅であればその融点が１０８４℃であるために、１１００℃〜１５００℃程度が適当な温度である。

次に第２の部材について説明する。第２の部材は第１の部材を鋳包みすることにより第１の部材と一体に形成されるものである。第２の部材は純銅、Ｃｕ合金、Ａｇ等の低融点の材料よりなる。第２の部材は、第１の部材を鋳包み接合するまではその形状を問わない。たとえば、市販の純銅の板や塊状、線棒状、粉末状などである。その後は前述の通りであるために省略する。

このようにして第１の部材と第２の部材が鋳包みにより接合した放電加工用電極の素材を得ることができる。
得られた素材を機械加工または電気加工することにより、所望の放電加工用電極形状にすることで本発明の放電加工用電極を得ることができる。

以下実施例により、本発明の形態をより詳細に説明する。

（実施例１）
実施例１として、円筒の内面にネジ加工を施す放電加工用電極に本発明を適用した例を示す。
図１を用いて説明する。２０は放電加工される被加工材である（以下「ワーク」とも呼ぶ）。ワーク２０は超硬合金製の内径がφ１９６（ｍｍ）で長さが３００（ｍｍ）の円筒状である。この内径側にピッチが６（ｍｍ）のメスのメートル細めねじを加工する。超硬合金は焼結法によって得られるが、焼結による収縮に若干のバラツキがあるために、このように焼結後に加工することが多い。

本発明の放電加工用電極を外周部がメネジを加工する電極形状とした。円筒状形状の台金２（３）の先端部に、前記円柱よりも径の大きい一体の円筒形状２（４）を有しており、両者を合わせて台金部２（第２の部材）である。その大きい円筒の外周部には電極部１（第１の部材）が鋳包みにより一体に形成されている。
電極部１を形成する第１の部材は、Ｗのスケルトン中に純銅が充填した構造を持つＣｕ−Ｗ複合材料からなる。Ｗスケルトンは体積で７０％を占め、残部は純銅である。

台金部２を形成する第２の部材は純銅からなる。
単体で製造したスリーブ状の第１の部材１を、図２に示すように、スリーブの中央部から上方に円筒状の空間を有するカーボン製治具２４の底部に設置し、スリーブの中央部および細い円筒状の空間の上部に純銅からなる板材２２を設置する。この板材２２は、融点以上の温度で純銅が液体になった際に第１の部材１の内径側に接触し、円筒状の空間までを満たす。冷却固化後には、第１の部材１を内径側から鋳包むと同時に、その上部に円筒形状を形成し、第１の部材１と一体に接合された第２の部材２となる。

その後に第１の部材および第２の部材から放電加工用電極として余分な箇所を切削加工にて除去し、第１の部材の外径側にねじ山形状をつけることにて本発明の放電加工用電極が完成する。
このような形状は、従来のろう付方法による製法では、ろう付面積が広くまた平面でないために実施は極めて困難である。

本発明の放電加工用電極は、比較的高価な材料である第１部材の使用量を減らすことができる。また、放電加工装置の電力使用量を測定したところ、同様の形状で放電加工用電極の全てをタングステン材料で製作した比較例に対して約１５％の電力消費量が低減された。これは、良導体である台金部が電極部近傍まで及んでいるために、発熱などによる直接放電加工と関係のない電力消費が抑えられたことに起因すると考えられる。さらに、放電加工用電極の中心部に貫通穴を設けたことにより、重量が大幅に軽減され、作業性が向上した。同時に、材料費用も削減できた。

（実施例２）
実施例２として、図５に示すような、超硬合金材にギア形状を放電加工する放電加工用電極の例を示す。
電極部１の材料は１重量％の硼酸ストロンチウム、０．５重量％のコバルトを含むタングステンとし、それにクロム−銅合金を溶浸した。また、台金部の材料はクロム−銅合金とした。

電極部の製法を述べる。１重量％の硼酸ストロンチウム粉末、０．５重量％のコバルト粉末、残量のタングステン粉末を混合し、１００ＭＰａのプレス圧にてリング状に成形した。成形後に非酸化雰囲気中１１５０℃でクロム−銅合金を溶浸し、電極部の素材を得た。

次に得られた電極部の素材を実施例１と同様の概要にて、銅や銅系材料でリングの内径側を鋳包む。次に、鋳包みで発生する第２の部材の余分な部分を切削加工で除去する。また、リング状の電極部を所望のギア形状に機械加工する。
以上の製造方法によって、本発明による放電加工用電極を得ることができる。

従来の技術ではギア形状の放電加工用電極を形成する場合、電極全体を比較的高価な材料であるＣｕ−Ｗで形成するか、フラットな面にろう付けにて台金を形成する方法を取らなければならなかった。

本発明は、円柱の内面に台金を鋳包みした構造のため、比較的高価な電極部の材料使用量を減らすことができた。
また、溶射による形成などの方法と異なり、電極部に従来技術に示された放電加工に有利な添加物を加えるのも容易であった。

さらに、同様の放電加工用電極に、図７に示すように台金部１の一部に複数の貫通穴１１と、止まり穴１２を設けた構造の放電加工用電極を製作した。本実施例の前述の穴のない構造（図５）のものとの製造上の違いは、クロム−銅合金をタングステン系スケルトンに溶浸する際のカーボン治具の形状のみである（溶浸時にカーボンを追加で設置した部分が、貫通穴および止まり穴となる）。

貫通穴１１の作用により、加工漕中の加工液の循環がよくなり、加工くずを効果的に排出できるため、加工速度を穴がないときと比較して上げることができた。また、やはり複数設けた止まり穴１２により、さらに放電加工用電極全体の重量を軽くすることが可能となった。

（実施例３）
実施例３として図４に示すような複数の段がついた円錐状の形彫放電加工用電極を製造した。
段付コーン状の電極部１の材料はタングステンスケルトン中に純銀が溶浸した材料である。また、先端が段付の円錐状である円柱形状の台金部２はアルミナ分散銅である。

電極部１の厚さは全体に約１ｍｍであり、所望の形状に成形、機械加工した後に台金部２の材料であるアルミナ分散銅でコーンの内面側を鋳包んだ。
得られた放電加工用電極を形彫放電加工用電極としてワーク２０の放電加工用電極として使用した。

（実施例４）
実施例４として、図６に示すような円筒形状の外周部にのみＣｕ−Ｗ材料（これが電極部１）を用いた輪郭放電加工用電極の例を示す。内径側のパイプ部分は純銅からなるパイプ状の台金部２である。この輪郭放電加工用電極は内部に貫通穴１１があり、加工液の循環がよい。

本放電加工用電極は主として放電加工用電極の外径部を使用して、輪郭放電加工用として適している。

１ 第１の部材、電極部
１（２）ネジ加工電極部
１（３）ギア加工電極部
２ 第２の部材、台金部
２（１） 台金部の円盤状部分
２（２） 台金部の心棒部分
２（３） 台金部の円筒の心棒
２（４） 台金部の円筒の心棒の太い部分
１０ 放電加工用電極
１１ 貫通穴
１２ 止まり穴
１３ 放電加工用電極の進路
２０ 被加工材、ワーク
２２ 銅の板材
２３ 溶融後固化した銅
２４ カーボン治具

Claims (4)

1. 放電加工用電極であって、
   被加工物に放電する第１の部材である電極部および、
   第１の部材を保持する第２の部材である台金部を有し、
   第１の部材を構成する材料がタングステン（Ｗ）、炭化タングステン（ＷＣ）、Ｃｕ−Ｗ系複合材料、Ａｇ−Ｗ系複合材料のいずれかであり、
   第２の部材を構成する材料が純銅もしくは銅系材料であり、
   第２の部材が第１の部材の少なくとも一部を鋳包みすることにより第１の部材と一体に形成されたことを特徴とする放電加工用電極。
2. 前記第１の部材を構成する材料の一部が、前記第２の部材を構成する材料と同じ材料である請求項１に記載の放電加工用電極。
3. 放電加工による被加工物に直接放電しない部分に貫通穴、または止まり穴のいずれか１種もしくは両方を有する請求項１または請求項２に記載の放電加工用電極。
4. 放電加工用電極が形彫放電加工用電極、輪郭放電加工用電極または創成放電加工用電極のいずれかであることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載の放電加工用電極。

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