JP2014131827A - ワイヤ電極の製造方法および線引ダイス - Google Patents

Abstract

【課題】加工精度と加工速度を両立する黄銅複合ワイヤ電極が望まれている。
【解決手段】発明のワイヤ電極の製造方法は、所定の重量比の黄銅の母線を段階的に縮径して所定の線径の芯線を形成する工程と、芯線を所定の一定走行速度で走行させながら鍍金浴槽を通過させ電気亜鉛鍍金法によって芯線に亜鉛鍍金を施す工程と、亜鉛鍍金後の素線を水平に張架して加熱炉に導入し所定の一定走行速度で水平方向に直線走行させながら亜鉛の被覆層が所定の亜鉛濃度の亜鉛リッチ黄銅になるまで所定の一定温度雰囲気下に曝して連続的に輻射的に均等に加熱し熱拡散させて亜鉛の被覆層を所要の厚さの実質β相だけの拡散層に変態させる工程と、素線を線引ダイスに通して所望の最終線径に縮径してワイヤ電極を得る工程と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、黄銅のコアと亜鉛の被覆層を熱拡散させて得る拡散層の表層とを含んで成る多層構造のワイヤ電極の製造方法に関する。また、本発明は、多層構造のワイヤ電極の製造方法において、熱拡散後の素線を所望の最終線径に縮径する素線伸線工程に使用される線引ダイスに関する。

ワイヤ電極は、金属で成る線径がφ０．０３ｍｍ以上φ０．３ｍｍ以下の長尺線状のワイヤカットで用いられる工具電極である。ワイヤ電極の材質は、放電加工特性に重要な影響を与える。ワイヤ電極の材質が影響を与える放電加工特性は、具体的に、加工速度と、加工面粗さと、加工形状精度（電極消耗量）である。ただし、特段のことわりがない限り、加工面粗さと加工形状精度を合わせて、単に加工精度という。

ワイヤ電極の外周面の表面粗さは、被加工物の加工面に転写されて、加工面粗さに影響を与える。したがって、ワイヤ電極の表面粗さは、可能な限り小さくされ、外周面が滑らかであることが望ましい。ただし、外周面が滑らかであっても、ワイヤ電極が放電加工に供されると、放電エネルギによって消耗し、表面が荒れて線径が細くなる。そのため、ワイヤ電極は、所定の走行速度で加工間隙に送り出されて、常時未使用の新しい部位が加工間隙に供給されている。

走行するワイヤ電極は、被加工物を挟んで上下に設けられる一対のワイヤガイド間に所定の張力をもって張架されている。ワイヤ電極を位置決めするワイヤガイドは、ワイヤ電極との間に数μｍから十数μｍの隙間（クリアランス）を設けている。そのため、走行するワイヤ電極の中心位置は、厳密には、ワイヤガイドに対して絶えず僅かに変動している。また、ワイヤ電極は、加工間隙で間欠的に発生する放電の反力の影響を受けている。

その結果、ワイヤ電極は、一対のワイヤガイド間において全体的に中央部分が膨らんで見えるように振動している。振動に因る外形の中脹らみは、放電加工後の加工形状における加工誤差となって現れる。ワイヤ電極の張力を大きくするほど、ワイヤ電極の振動の振幅を小さく抑えることができ、加工誤差をより小さくすることができる。したがって、抗張力の高いワイヤ電極ほど高い加工精度を得ることができると言える。ただし、ワイヤ電極は、常に放電による熱に曝されるので、一定の耐熱性を備えている必要がある。

加工速度は、加工間隙に間欠的に発生する放電一発毎の放電エネルギの大きさと繰返し周波数に依存している。放電エネルギは、放電一発における放電電流の電流密度が高いほど大きく、放電の繰返し周波数は、各放電の間の休止時間が短いほど高くすることができる。したがって、理論的に、ピーク電流値が高くパルス幅が小さい放電電流パルスを供給できる電気伝導度が高いワイヤ電極ほど加工速度を速くすることができる。

しかしながら、放電エネルギが大きいほどワイヤ電極の消耗量が多く線径がより細くなる傾向にあるので、ワイヤ電極に大きい張力を付与した状態で加工速度を上げるために放電エネルギを増大すると、ワイヤ電極が断線する。ワイヤ電極の断線は、加工を中断させて加工時間を余計にかけるので、加工工程における平均加工速度の低下の原因になる。また、ワイヤ電極が断線すると、その弾みでワイヤ電極が被加工物と接触したり、瞬間的に短絡電流が流れたりして、被加工物が傷付いて加工精度の低下の原因になる。

したがって、放電エネルギを増大するときには、ワイヤ電極の張力を緩めることが要求される。一方で、放電エネルギを増大すると、ワイヤ電極が受ける放電の反力の大きさがより大きくなる。そのため、ワイヤ電極の振動の振幅が大きくなる。その結果、加工精度が低下してしまう。

このようなことから、ワイヤ電極には、本質的に、放電の熱に強く抗張力が高いことと、導電性に優れていることとが同時に求められる。放電加工に適する良導電性のワイヤ電極の基礎構造材料になり得る一般的な金属は、銀と銅である。銅は、銀に比べて電気伝導度が劣るが、銀よりも単価が低く、比較的他の金属との相性がよい。また、銅は、必要十分な展延性と柔軟性を有しているので、伸線加工がしやすい。

抵抗力の観点からワイヤ電極を選択するとき、タングステン製のワイヤ電極が有力である。タングステン製のワイヤ電極は、銅に比べて電気伝導度が小さく、曲げに対する復元力が小さく、また、単価が高いが、熱に対して強く抗張力に優れていて消耗量も少ないので、もともと供給される放電エネルギが小さく、相当高い加工精度が要求される放電加工の領域で限定的に使用されることがある。特に、線径がφ０．１ｍｍ以下のワイヤ電極に向いている。また、強度が大きい鋼鉄製のワイヤ電極が存在するが、使用用途が極めて限定されるので、詳しい説明を省略する。

不純物を除く銅単体のワイヤ電極が必ずしも銅合金のワイヤ電極に対して優れているというわけではない。総合的にワイヤ電極の基礎構造材料を評価するなら、銅単体よりも、むしろ銅合金のワイヤ電極が優位であることがある。実際に、近年は、専ら銅単体よりは銅合金のワイヤ電極が多く使用されている。特定有害金属に指定されている金属を含むべきではないから、ワイヤ電極の基礎構造材料として適用できる銅合金と言えば、一般に、黄銅（銅亜鉛合金）または白銅（銅ニッケル合金）であろうが、放電加工特性から、殆どの銅合金のワイヤ電極の基礎構造材料は、黄銅であると言っても過言ではない。

ところで、銅または銅合金のワイヤ電極の放電加工特性を向上させるために、従前から銅または銅合金の芯線に銅よりも融点が十分に低い金属を被覆して、銅または銅合金のコアと表層の二層以上の多層構造を有する、いわゆる複合ワイヤ電極が実施されている。とりわけ、加工速度を向上させるためには、黄銅の芯線に亜鉛鍍金を施した後に伸線加工をして形成された複合ワイヤ電極（以下、亜鉛鍍金黄銅複合ワイヤ電極という）が優れていることがよく知られている。

複合ワイヤ電極は、性質の異なる複数の層を有していない構造の黄銅ワイヤ電極（以下、複合ワイヤ電極に対して単層ワイヤ電極という）と比べて、耐熱性および抗張力と導電性とを両立させる上で優位にある。特に、放電加工特性を向上させる場合には、亜鉛鍍金黄銅複合ワイヤ電極が有望である。

亜鉛鍍金黄銅複合ワイヤ電極は、黄銅に比べて溶融温度が十分に低い亜鉛の表層が放電にともなって発生する熱の多くを奪って溶融飛散し、コアを熱から保護するため、加工精度を維持しやすく、しかもより大きい電流密度の放電電流を供給することができる利点がある。その結果、亜鉛鍍金黄銅複合ワイヤ電極では、黄銅単層ワイヤ電極に比べて加工速度が向上する。

しかしながら、鍍金によって黄銅の芯線に被覆された亜鉛の被覆層（亜鉛鍍金層）は、最終的に複合ワイヤ電極のコアとなる素線の芯線に定着しにくい。そのため、伸線加工における線引きによって縮径するときに、表面が荒れて、部分的には被覆層が剥離してしまうことがある。特に、電気亜鉛鍍金では、亜鉛の被覆層をあまり厚くすることができず、ワイヤ電極の標準的な線径であるφ０．２ｍｍまで縮径することが容易ではない。一方、溶融亜鉛鍍金では、均一で表面が滑らかな亜鉛の被覆層を形成することが難しい。また、外周面がワイヤガイドと接触するときに不要な金属微細粉をより多く発生させる。

特許文献１は、黄銅の芯線に亜鉛を被覆した後に熱処理を行なってコアと亜鉛の表層との間に黄銅の拡散層を形成した三層構造の複合ワイヤ電極を開示している。特許文献１の発明によると、拡散層が表層の亜鉛の被覆層を剥離しにくくし、伸線加工を比較的容易に行なうようにすることができる。しかしながら、亜鉛鍍金に特有の表面粗さと消耗量の多さによって、年々高まってきている加工精度に対する要求を満足することが難しくなってきている。

特許文献２は、銅合金の芯線に５μｍ程度の亜鉛鍍金を施した素線に亜鉛の被覆層を完全に合金化するまで長時間熱拡散を行なって面心立方格子の結晶構造のα相と体心立方格子の結晶構造のβ相で成るαβ混晶の拡散層を放電加工に曝される表層とした亜鉛鍍金黄銅複合ワイヤ電極を開示している。特許文献２の発明のワイヤ電極は、線引きしても破壊されにくい程度の展延性があり、外周面の表面粗さが小さく、消耗量も少なくなるので、加工精度が向上する。ただし、加工速度があまり向上しない。

特許文献３は、純銅の芯線に熱拡散によって表層がβ相になる厚さの亜鉛を被覆した素線を第１温度で熱拡散させた後に第２温度で再度熱拡散させることによってα相のコアとβ相の表層が形成された黄銅複合ワイヤ電極を開示している。特許文献３の発明は、安価に黄銅複合ワイヤ電極を得ることができる。しかしながら、芯線が熱拡散黄銅に変質してしまうとともに、十分な厚さの表層を均一に形成させることが難しく、全体的に亜鉛濃度と態様にばらつきが生じる。そのため、品質が安定せず、放電加工の電気加工条件の選定が難しい。

特許文献４は、銅または銅合金の芯線に亜鉛鍍金を施してから温度上昇速度が毎秒１０℃以上で５００℃ないし８００℃まで上昇させて１０秒ないし３００秒の間加熱拡散させた後に毎秒１０℃以上で冷却し、拡散時間を調整することによって、βγ相、γε相、またはβ相−ε相の拡散層を選択的に表層として形成した亜鉛鍍金黄銅複合ワイヤ電極を開示している。

ε相の拡散層は、原子密度が高い六方最密格子の結晶構造を有する。結晶構造における原子密度が高いほど、放電エネルギの効率が向上することが知られている。具体的に、表層がα相、αβ相、β相、ε相の態様の順に同一の電気エネルギでより大きい放電エネルギを得ることができる。また、表面粗さが向上する。そのため、表層がε相の拡散層の特許文献４の発明のワイヤ電極は、黄銅単層ワイヤ電極に対して、加工精度をあまり低下させずに、加工速度を向上させることができる。

特開昭５９−４１４６２号公報 特開平１−１２７２２８号公報 特開平９−２８５９１８号公報 特開平８−３１８４３４号公報

ワイヤ電極の外周面から５μｍ程度の深さまでは放電加工に供されるので、放電加工特性を十分に得るためには、ε相の拡散層の表層は、５μｍ以上の厚さが必要である。しかしながら、六方最密格子の結晶構造を有するε相の拡散層は、展延性に乏しく、強固で塑性変形しにくいので、熱拡散後に表層を破壊することなく線引きによって縮径して得ることができる表層の厚さは、２μｍ前後が限界である。そのため、加工速度が向上するものの、理論上の期待できる加工速度を達成することができない。

芯線が銅または展延性を有する脆くない性質の黄銅であるなら、芯線に変形を吸収させることによって、ε相の拡散層のように硬い表層を破壊せずに素線を縮径することができる可能性がある。しかしながら、芯線の変形量に対して表層の変形量が小さいため、表層の厚さが５μｍ以上ある場合は、縮径率が大きいと芯線の変形に表層の変形が追従できず、表層がひび割れたり、剥離するおそれが高い。複数回の芯線工程で段階的に少しずつ縮径する場合は、伸線加工に要する時間が相当長くなって、生産性を著しく低下させる。

β相の黄銅は、ε相の黄銅に比べて展延性を有しているため、ε相の拡散層よりも十分な厚さの拡散層を形成させることができる。体心立方格子の結晶構造を有するβ相の拡散層は、ε相の六方最密格子の結晶構造に比べると理論上の加工速度が低いが、放電加工に供される５μｍ以上の厚さを有するβ相の拡散層を表層にすることによって、十分な厚さを有していないε相の拡散層を表層にしたワイヤ電極よりも安定して加工速度を向上させることが期待できる。

しかしながら、亜鉛の被覆層を熱拡散する過程で拡散層がβ相の態様を維持する時間が極めて短く、熱に直接曝される表面側ほど早くγ相ないしε相を含む拡散層が形成されていく。そのため、素線を加熱して熱拡散させるだけでは、表層にβ相だけの拡散層を所要の厚さで均一に形成することが困難である。特に、亜鉛の被覆層が厚いと、それだけ拡散時間が長くかかるので、拡散時間の設定が難しく、内側の極薄いβ相と外側の厚いε相との二層に分離した拡散層が容易に形成されてしまう。

また、β相の拡散層は、ε相の拡散層と比べると柔らかいと言えるが、α相の拡散層に比べると依然として展延性が低く脆いので、仮に厚いβ相の拡散層を得ることができたとしても、線引きするときの縮径率が大きい場合は、線引ダイスによってところどころで部分的に表層が削ぎ取られるおそれがある。ワイヤ電極は、連続的に加工部位に供給されて加工に供されるので、少しでも表層が破壊された部位があるなら、ワイヤ電極として使用することができない。

本発明は、上記課題に鑑みて、芯線が黄銅で表層に所要の厚さの均一な実質β相だけの拡散層を有する改良された黄銅複合ワイヤ電極をより安定して製造することができる改良されたワイヤ電極の製造方法を提供することを主たる目的とする。また、β相の拡散層の表層を有するワイヤ電極の製造方法に適する線引ダイスを提供することを目的とする。その他の本発明のワイヤ電極の有利な点は、発明の詳細な説明において、その都度説明する。

本発明のワイヤ電極の製造方法は、上記目的を達成するために、黄銅の母線を段階的に縮径して所定の線径の芯線を形成する工程と、芯線を所定の一定走行速度で走行させながら鍍金浴槽を通過させ電気亜鉛鍍金法によって芯線に亜鉛鍍金を施す工程と、亜鉛鍍金後の素線を水平に張架して加熱炉に導入し所定の一定走行速度で水平方向に直線走行させながら被覆層が所定の亜鉛濃度の亜鉛リッチ黄銅になるまで所定の一定温度雰囲気下に曝して連続的に輻射的に均等に加熱し熱拡散させて被覆層を所要の厚さの実質β相だけの拡散層に変態させる工程と、前記素線を線引ダイスに通して所望の線径に縮径する工程と、を有するようにする。

上記ワイヤ電極の製造方法において、母線から形成される芯線の所定の線径は、φ０．７μｍ以上φ１．２μｍ以下であることが好ましい。また、亜鉛鍍金によって施される亜鉛の被覆層の厚さは５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。

また、好ましくは、加熱が４５０℃以上６５０℃以下の範囲の一定温度雰囲気下で行なわれる。望ましくは、加熱が５４０℃以上６００℃以下の範囲の一定温度雰囲気下で行なわれる。また、熱拡散によって形成される拡散層の厚さが４０μｍ以上８０μｍ以下にされる。また、亜鉛リッチ黄銅の亜鉛濃度が４５重量％以上４８％重量以下である。

特に、上記ワイヤ電極の製造方法において、所望の線径に縮径されたワイヤ電極における表層の厚さが５μｍ以上である。また、母線が銅６０重量％以上７０重量％以下で亜鉛３０重量％以上４０重量％以下の重量比の黄銅で成る。

また、本発明のワイヤ電極の製造方法において前記素線を所望の線径に縮径する工程で使用される線引きダイスは、ダイヤモンドダイス体と、ダイヤモンドダイス体を固定して支持する支持体と、支持体を収容するケースと、を含んでなり、ダイヤモンドダイス体が、アプローチとリダクションとの間に形成されアプローチとリダクションを円弧面で接続する素線の走行軸線方向に０．６ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の長さ有するＲ部位を有する。

好ましくは、前記ダイヤモンドダイス体が、リダクションとベアリングとの間に形成されリダクションとベアリングを円弧面で接続する素線の走行軸線方向に０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の長さ有するＲ部位を有する。

本発明のワイヤ電極の製造方法は、熱拡散前の素線における亜鉛の被覆層を電気亜鉛鍍金によって生成するので、ワイヤ電極の表面荒れを抑えることができ、より滑らかにすることができる。そのため、加工精度に優れるワイヤ電極を得ることができる。特に、電気亜鉛鍍金法では、５μｍ以上２０μｍ以下の均一の厚さの亜鉛の被覆層を得ることができるので、亜鉛鍍金工程後の熱拡散工程における拡散時間を比較的短くすることができ、放電加工特性の向上に必要十分な厚さの実質β相だけの拡散層の表層をより容易に確実に得ることができる。

そして、亜鉛の被覆層が所定の亜鉛濃度の亜鉛リッチ黄銅の拡散層に変態するまでの時間を目安として、厳密な温度管理がされた所定の一定温度雰囲気下で、素線を一定走行速度で水平方向に直線走行させて亜鉛の被覆層を連続的に輻射的に均等に加熱して拡散させる。そのため、素線の周方向と長さ方向の全域に渡って満遍なく正確に一定時間だけ均等に所定温度の熱が付与される。その結果、ワイヤ電極における放電加工に曝される表層の領域の全てがβ相の拡散層になっている。

特に、本発明のワイヤ電極の製造方法では、素線の表層においてβ相への遷移が進んだところで芯線と拡散層との間に数μｍ以下、通常は約１μｍ以下の“隔壁層”が形成される。隔壁層は、所定の一定温度雰囲気下で連続的に輻射的に均等に加熱され被覆層の熱拡散が進んで少なくとも亜鉛濃度が４５重量％以上４８重量％以下の範囲で黄銅化したときには形成されていることが判明した。隔壁層は、拡散層が全体的に厚さ４０μｍ以上でで行き渡るようにβ相に変態したあたりで形成されて、拡散過程の途中で芯線と拡散層とを急に分断して拡散速度を低下させる。

したがって、隔壁層によって均一にβ相の拡散層が形成されているところで拡散層の亜鉛濃度が低下しにくくなり、β相がγ相ないしε相に移行することが遅れる。そのため、コアの特性を保持することができるとともに、亜鉛の被覆層が所定の亜鉛濃度の亜鉛リッチ黄銅になった状態で留め置くことできる。この間に、直ちに加熱を停止して、素線を空気に晒して冷却するので、素線の亜鉛の被覆層がβ相の拡散層に固定される。

そのため、本発明のワイヤ電極の製造方法によると、拡散時間を比較的容易に正確に設定できるので、数十μｍ以上の所要の厚さの均一な亜鉛リッチ黄銅の実質β相だけの拡散層の表層をより安定して確実に得ることができる。また、熱拡散を意識しないで母線の鋳造を行なうことができる。その結果、放電加工特性が改善された５μｍ以上のβ相の拡散層の表層を有する黄銅複合ワイヤ電極の生産性が向上し、製造コストを低減できる効果を奏する。

また、本発明のワイヤ電極の製造方法で使用される線引ダイスによると、素線は、開き角度が比較的大きいアプローチから素線の走行軸線方向に沿って設けられている長さ０．６ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のＲ部位によって表層が剥ぎ取られることがなく、また、急に引き伸ばされることがなく圧縮力と引張力に対して馴染むようにされながら緩やかに目標の最終線径に対して７０％以上縮径される。さらに、素線は、開き角度が比較的小さいリダクションにおいて縮径され、素線の走行軸線方向に沿って設けられる長さ０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下のＲ部位によって表層が剥ぎ取られることがなく、最終線径まで縮径される。

そのため、通常の黄銅またはα相の黄銅に比べると展延性がないβ相の拡散層の表層を有する素線を表層が削ぎ取られたり、ひび割れたりして破壊することがなく、連続してφ０．３ｍｍ以下の所望の最終線径まで縮径することができる。その結果、放電加工特性に優れる亜鉛リッチ黄銅のβ相の表層を有する黄銅複合ワイヤ電極をより容易に安定して生産することができる効果を奏する。また、生産性がより向上し、製造コストを低減できる効果を奏する。

本発明のワイヤ電極の製造方法における実施の形態のプロセスを示すフローチャートである。 本発明のワイヤ電極の製造方法によって製造されるワイヤ電極の構造を示す断面図である。 電気亜鉛鍍金後の素線の表層を拡散させる加熱炉の概容を示す加熱炉の側面図である。 本発明のワイヤ電極の製造方法において素線を最終線径に縮径する芯線工程で使用される線引ダイスの縦断面図である。 図４に示される線引ダイスのダイヤモンドダイス体の縦断面図である。 図に示されるダイヤモンドダイス体の部分的拡大図である。

図１は、本発明のワイヤ電極の製造方法のプロセスを示す。図２には、本発明のワイヤ電極の製造方法によって得ることができる黄銅複合ワイヤ電極の構造が示されている。また、図３には、本発明のワイヤ電極の製造方法における熱拡散工程で使用される加熱炉の概容が示されている。以下に、具体的に、銅６５重量％で亜鉛３５重量％の黄銅で成るコアと厚さ５μｍ以上のβ相の拡散層の表層を有する線径がφ０．２ｍｍの黄銅複合ワイヤ電極を製造するプロセスを実施例として本発明の好ましい実施の形態を説明する。

本発明のワイヤ電極を製造するプロセスの第１の工程は、黄銅の母線を生成するために、所定の割合で原材料の銅と亜鉛を溶解炉に投入して溶融させ混合する黄銅生成工程である。具体的に、溶解炉に投入した銅または亜鉛の濃度を測定しながら溶融している銅と亜鉛の混合比が最終的に図２に示されるワイヤ電極１のコア１０における所望の重量比になるように、銅板または銅のインゴットと亜鉛の粉体を選択的に溶解炉に投入する。実施例では、銅と亜鉛の重量比が６５／３５であるように調整される。

本発明の製造方法によって製造されるワイヤ電極１は、後に詳しく説明されるが、熱拡散工程においてコア１０が熱拡散による変質から保護される。そのため、実施の形態のワイヤ電極１の製造方法では、黄銅生成工程において、コア１０の黄銅の重量比の変動を想定して銅と亜鉛を混合する必要がなく、コア１０に要求される重量比と同じ割合で銅と亜鉛を混合することができる。その結果、ワイヤ電極の製造がより容易であるという利点を有する。また、ワイヤ電極の品質が安定し、製造がより容易であるという利点がある。

第２の工程は、母線を鋳造する母線鋳造工程である。母線は、最終的に要求される所望の混合比で混合され溶融している黄銅を溶解炉から線状に連続的に流し出しながら冷却して生成される。母線の線径は、鋳造による成形が可能な範囲で後の亜鉛鍍金工程における芯線の線径に可能な限り近い大きさにされる。具体的に、所望の最終線径がφ０．０３ｍｍ以上φ０．３ｍｍ以下であるとき、母線は、線径がφ６ｍｍ〜φ１０ｍｍに成形される。実施例では、ワイヤ電極１の線径がφ０．２ｍｍであるときであって母線の線径をφ８ｍｍにしている。

第３の工程は、複数の内径が異なる線引ダイスに母線を順次通過させ、伸線加工によって母線を段階的に縮径して亜鉛鍍金工程における芯線を形成する芯線形成工程である。鋳造される母線には、製造にともなって生じる竹のような節目と表面に小さな凹凸があるので、少なくとも２回の伸線加工によって段階的にφ０．７ｍｍ以上φ１．２ｍｍ以下に縮径すると同時に形成される芯線の線径を一定にする。このとき、前の母線鋳造工程で、母線の線径が可能な限り芯線の線径に近い線径にされているので、不必要に伸線加工の回数が増大しない。

芯線形成工程において要求される芯線の線径は、電気亜鉛鍍金法による亜鉛鍍金工程と電気式の加熱炉による熱拡散工程とにおいて均一で所要の厚さの亜鉛の被覆層ないしβ相の拡散層をより容易に得ることができる表面積以内になる大きさであって、最終的にワイヤ電極１を得る素線伸線工程で表層２０を破壊することなくφ０．０３ｍｍ以上φ０．３ｍｍ以下の所望の最終線径に縮径することができる大きさである。

具体的には、芯線の線径は、ワイヤ電極１の所望の最終線径の３倍から７倍程度までであって、φ０．７ｍｍ以上φ１．２ｍｍ以下である。例えば、実施例のφ０．２ｍｍのワイヤ電極１を得るプロセスでは、芯線の線径をφ０．９ｍｍにしている。なお、φ０．１ｍｍ以下の極細線を成形する場合は、可能な限り小さい線径にされ、素線伸線工程において必要最小の複数回の線引きによって縮径する。

第４の工程は、芯線形成工程で得た芯線に電気亜鉛鍍金法によって亜鉛鍍金を施す亜鉛鍍金工程である。亜鉛鍍金工程では、鍍金浴槽を挟んで芯線を所定の一定の張力をもって張架し、走行速度を検出して巻取速度を調整することによって芯線を一定の走行速度で走行させる。亜鉛鍍金に使用される亜鉛濃度は、１００重量％である。また、亜鉛鍍金厚は、５μｍ以上２０μｍ以下である。必要に応じて、複数回にわたって鍍金が施される。実施例では、芯線の線径がφ０．９ｍｍのときに亜鉛鍍金厚を１２μｍにしている。

本発明のワイヤ電極の製造方法で得ることができるワイヤ電極１の重要な特徴は、外周面から放電加工に供される厚さを超える５μｍ以上の厚さを有する表層２０の全域が実質β相だけの拡散層であることである。熱拡散のプロセスにおいて、β相は、結晶構造が遷移する過程の途中で形成され、存在している時間が短い。このような表層２０を均一に得るためには、芯線と亜鉛の被覆層との間が均一なラインで明確に区切られていることが必要である。このような亜鉛の被覆層は、電気亜鉛鍍金法で亜鉛鍍金が施されることによってよりよく得ることができる。

より具体的に、亜鉛鍍金工程では、均一に亜鉛鍍金を施すために、スプールに貯留されている一巻単位の芯線をペイオフリールに装填し、巻取装置によって一定の走行速度で巻き取られるように芯線をセットする。例えば、速度検出器を設けて巻取装置の巻取速度を制御して、一定の張力をもって一定の走行速度で芯線を走行させ鍍金浴槽の中を通過させる。また、巻取装置の近傍に張力の変動を吸収するダンサ装置を設けて、走行する芯線が急に振動して鍍金ムラが発生することを防止する。

電気亜鉛鍍金法では、均一で表面が滑らかな被覆層を得ることができるが、溶融鍍金法に比べて厚い亜鉛鍍金を施すことが困難である。しかしながら、亜鉛の被覆層が厚すぎると、かえって熱拡散によって被覆層の全域に均一なβ相だけの拡散層を得ることが困難になる。また、β相の拡散層が厚くなりすぎると、拡散層において後の素線伸線加工で要求される十分な展延性が失われる。むしろ、放電加工に供されて放電に曝されるワイヤ電極１の特定の領域がワイヤ電極１の外周面からおよそ５μｍ程度のところまでであるので、外周面から５μｍを超えた内側は、放電加工特性に直接影響を及ぼさない不要な領域であると言える。

亜鉛鍍金工程において、電気亜鉛鍍金装置の中を一定の走行速度で走行する芯線は、まずアルカリ電解線状浴槽で表面の被膜が除去され、水洗浄装置で表面に残っているアルカリ洗浄液が洗い流された後に、酸性の電気鍍金浴槽の中に導入される。芯線は、常時、一定の走行速度で走行しているので、長い線のどこでも均一に亜鉛鍍金が施される。鍍金浴槽から導出される素線は、温風ヒータで亜鉛鍍金面が十分に乾燥させられてから、巻取装置によってスプールに巻き取られる。

第５の工程は、電気亜鉛鍍金法による亜鉛鍍金後の素線を加熱炉の中で連続的に輻射的に均等に加熱して拡散させる熱拡散工程である。図３に示されるように、熱拡散工程では、５μｍ以上２０μｍ以下の亜鉛の被覆層を有する素線２を複数のヒータ４を備える電気式の加熱炉３の中に導入する。そして、素線２を加熱炉３の中に水平に張架して所定の一定速度で水平方向に直線走行させながら被覆層が所定の亜鉛濃度の亜鉛リッチ黄銅になるまで所定の一定温度雰囲気下に曝して所定時間だけ連続的に輻射的に加熱する。

加熱炉３の中で素線２を加熱する拡散時間は、電気亜鉛鍍金による厚さ５μｍ以上２０μｍ以下の亜鉛の被覆層が亜鉛濃度４０重量％以上、確実には４５重量％以上４８重量％以下の亜鉛リッチ黄銅になるまでの時間が目安である。例えば、加熱炉３の全長が約８ｍであるとき、所要の適切な拡散時間に合わせると、素線２を直線走行させる走行速度は、具体的に、２．８ｍ／ｍｉｎ以上３．２ｍ／ｍｉｎ以下が適当である。加熱炉３の中は、４５０℃以上６５０℃以下の一定温度に保持され、望ましくは、５４０℃以上６００度以下の範囲の一定温度に保たれる。

より具体的には、まず電気亜鉛鍍金によって５μｍ以上２０μｍ以下の亜鉛の被覆層が形成されたφ０．７ｍｍ以上φ１．２ｍｍ以下の素線２は、一対のローラ６間で水平に張架されるようにペイオフリール７Ａとスプール７Ｂとの一対のリール７にセットされる。このとき、一対のローラ６とリール７とによって、素線に弛まない程度の一定の張力が与えられる。そして、電気式の加熱炉３に導入する。

加熱炉３の中には複数のヒータ４が素線２の走行方向に沿って炉床に均一の間隔で並べて配置されており、加熱炉３の中は、すでに所定の一定温度の範囲で保温されている。そして、図示しない速度検出器で素線２の走行速度を検出してスプール７Ｂの回転を制御し、素線２を所定の一定の走行速度で水平方向に直線走行させる。加熱炉３の中の温度は、加熱炉３の天井側に満遍なく設けられた複数の熱電対５によって検出される。加熱炉３の中は、全体にわたって厳密に所定の一定温度に保持され続ける。

素線２は、亜鉛の被覆層の全域、言い換えると、外周面全面が均一にちょうど亜鉛濃度が概ね４５重量％以上４８重量％以下の亜鉛リッチ黄銅化したときに順次加熱炉３の外に導出される。そして、加熱炉３から導出した素線２を常温の空気に曝して自然冷却する。したがって、素線２は、どこの位置でも同じ所定の一定温度で一定時間輻射的に加熱されてから全体的に均一に徐々に冷却され、その後に拡散が停止して被覆層が固定される。

素線２を加熱後に冷却するときの空気の温度（大気中温度または室温）は、およそ５℃ないし３５℃の常温である。空気の温度は、急激な変化がない限りにおいて５℃ないし３５℃の範囲で変動が許容される。加熱炉３の外気に曝して自然に冷却することは、素線２の周方向と長さ方向においてどの位置でも同じように冷却することができるので、品質の安定したワイヤ電極を得る点で有益である。

熱拡散工程では、素線２を電気式の加熱炉３の中に導入して水平方向に直線走行させながら厳密に管理された所定の一定温度雰囲気下に曝すようにしているので、加熱炉３における素線２の導入口と導出口において隙間が存在し、加熱炉３の外から常温の空気が流入する。そのため、実施の形態の加熱炉３には、供給口３Ａを設けられ、供給口３Ａから加熱炉３に窒素ガス３Ｂを供給して、加熱炉３内の空気を導入口と導出口の隙間からパージさせることによって加熱炉３内の環境を保護するとともに、素線２とヒータ４の表面の酸化を防止している。

一般的な亜鉛の被覆層の拡散方法では、素線を移動させながら移動されてくる特定の箇所を特定の加熱速度で段階的に直接的に加熱して拡散させる方法（移動方式）と、素線を加熱炉の中に据え置いて特定の加熱速度で所定時間加熱して拡散させる方法（バッチ方式）が知られている。このような従前の拡散方法は、比較的長い拡散時間が要求される熱拡散には有効であり、拡散時間の調整によって相（結晶構造）が異なる複数種類の拡散層を得ることが容易である。しかしながら、所要の厚さを有するβ相だけの拡散層を均一に安定して得ることはできない。

本発明のワイヤ電極１の製造方法の熱拡散工程における条件は、次のとおりである。第１に、素線２は、所定の一定温度に維持されている電気式の加熱炉３の中で所定の一定温度雰囲気下に曝されることによって加熱される。そのため、素線２は、加熱炉３の中で周方向のどの位置においても常に輻射的に均等に加熱され、ばらつきが生じない。具体的に、直線走行している素線２を均等に加熱するために、加熱炉３の中の温度は、複数の熱電対５を設けて厳密に管理される。

第２に、素線２は、電気式の加熱炉３の中で弛まない程度の所定の張力が付与された状態で水平に張架されて水平方向に直線走行される。したがって、素線２が走行方向におけるどの位置においても素線２より下側の炉床に設置されているヒータ４から同じ距離十分に離されることによって素線２がヒータ４の熱で直接局部的に加熱されることがない。そのため、素線２が加熱炉３の中で長さ方向のどの位置においても均等に加熱され、ばらつきが生じない。

第３に、素線２は、電気式の加熱炉３の中を水平方向に所定の一定の走行速度で直線走行する。そのため、素線２は、厳密に亜鉛の被覆層が所定の亜鉛濃度の亜鉛リッチ黄銅化して４０μｍないし８０μｍ程度の拡散層に変わるまでの所定の一定時間だけ連続的に拡散される。その結果、素線２の周方向と長さ方向のどの位置においても同じ拡散時間だけ熱拡散され、均一な所要の厚さを有する実質β相だけの拡散層が確実に形成される。

実施の形態のワイヤ電極１の製造方法における熱拡散工程においては、素線２が加熱されている間にコア１０とβ相の拡散層の表層２０との間に極薄い隔壁層３０が形成されることが確認されている。隔壁層３０が形成される原因と過程および隔壁層３０の成分と構造について正確に解析されるに至っていないが、限定的な加熱条件の下で再現可能に形成されている。

隔壁層３０が形成されているときは、亜鉛濃度４５重量％以上４８重量％以下の亜鉛リッチ黄銅の拡散層の表層２０が形成されている。このことは、表層２０の亜鉛濃度が４５重量％以上４８重量％以下のときに限って隔壁層３０が形成されるということを示すものではなく、亜鉛濃度が上記範囲外の亜鉛リッチ黄銅である場合でも、隔壁層３０が形成されることがあり得る。しかしながら、より安定して確実に所望のβ相だけの拡散層を得るための基準として亜鉛リッチ黄銅の上記亜鉛濃度は、依然として重要である。

電気亜鉛鍍金法によって均一に鍍金が施された亜鉛濃度１００％の５μｍ以上２０μｍ以下の亜鉛の被覆層は、数分から十数分の間、４５０℃以上６５０℃以下、望ましくは５４０℃以上６００℃以下の所定の一定温度雰囲気中に曝されて連続的に輻射的に均一に加熱されると、亜鉛の被覆層の全体で大体同じ拡散速度で拡散が進行する。外周面から数十μｍ程度までβ相の体心立方格子の結晶構造に変態したところで亜鉛濃度が４５重量％から４８重量％程度になり、その間に隔壁層３０が形成されているようである。

隔壁層３０は、素線２の芯線と拡散層との間を急速に分断するため、それ以降の拡散速度を低下させるとともに、拡散層の拡大を抑える。ただし、拡散速度は、芯線の黄銅に含まれる銅の割合の影響を受けるので、芯線の黄銅の銅濃度は、所要の拡散時間後に拡散層の黄銅の亜鉛濃度が大体４５重量％から４８重量％になる範囲である。特に、一連の製造プロセス中にコア２０の形状と性質を維持することを考慮すると、母線の黄銅における銅と亜鉛の重量比は、銅６０重量％以上７０重量％以下で亜鉛３０重量％以上４０重量％以下であることが適当である。

隔壁層３０は、素線２の外周面からおよそ４０μｍないし８０μｍ程度まで亜鉛リッチ黄銅の拡散層が形成されてから、高温の素線２を常温の空気中で自然に冷却している間も拡散が進行することを十分に遅らせている。そのため、素線２を空気中で均等に冷却することができるので、均一な厚さの拡散層を得ることができる点で有利である。

第６の工程は、素線を線引ダイスに通して任意の所望の線径のワイヤ電極を生成する素線伸線工程である。伸線によって厚さ４０μｍないし８０μｍ程度の素線の拡散層の表層は、厚さ５μｍ程度まで引き延ばされる。φ０．７ｍｍ以上φ１．２ｍｍ以下の素線における厚さが５μｍ以上２０μｍ以下の均一な亜鉛の被覆層の形成と厚さが４０μｍ以上８０μｍ以下程度のβ相の拡散層の生成によって、拡散層を破壊せずに所望の線径まで縮径することができる。

ただし、β相の拡散層の黄銅は、α相の拡散層に比べると依然として展延性が低いため、素線の線径と所望の最終線径との差が大きいときは、β相の拡散層の黄銅が有する許容し得る伸び率の限界を超えてコア１０が潰れて表層２０が破壊されるので、注意が必要である。

以上のワイヤ電極の製造方法によって製造された銅６５重量％亜鉛３５重量％の黄銅のコア１０と厚さが約５μｍの実質β相だけの拡散層の亜鉛リッチ黄銅の表層２０を有する線径φ０．２ｍｍのワイヤ電極１において、表層２０の亜鉛濃度を測定したところ、４６重量％であった。したがって、原子密度が比較的高い体心立方格子の結晶構造を有するβ相の拡散層と融点の低い亜鉛リッチ黄銅の作用によって、加工速度が大幅に向上する。

図４は、素線を所望の最終線径まで縮径する素線伸線工程において本発明のワイヤ電極の製造方法に使用される線引ダイスの構造を示す。図５は、左側に規格の線引ダイスのダイヤモンドダイス本体を示し、右側に本発明の線引ダイスのダイヤモンドダイス本体を示す。また、図６は、図５の部分的拡大図である。以下に、本発明のワイヤ電極の製造方法に使用される線引ダイスについて説明する。

線引ダイス８は、図４に示されるように、ダイヤモンドダイス体８Ａと、ダイヤモンドダイス体８Ａを固定して支持する支持体８Ｂと、支持体８Ｂを収容するケース８Ｃと、を含んでなる。ダイヤモンドダイス体８Ａは、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、または単結晶ダイヤモンドの何れであっても構わない。

ダイヤモンドダイス体８Ａは、図５に示されるように、素線の走行軸線方向（伸線方向）９に沿って、ベル（エントランス）９Ａと、アプローチ９Ｂと、リダクション９Ｃと、ベアリング９Ｄと、バックリリーフ９Ｅと、エクジット９Ｆとの各部位で形成されている。実施の形態の線引ダイス８では、ダイヤモンドダイス体８Ａは、アプローチ９Ｂとリダクション９Ｃとの間に走行軸線方向９に沿って設けられる第１のＲ部位９Ｇと、リダクション９Ｃとベアリング９Ｄとの間に素線の走行軸線方向９に沿って設けられる第２のＲ部位９Ｈとを有する。

線引ダイスの規格では、ダイヤモンド工業協会規格（ＩＤＡＳ３００１）と日本工業規格（ＪＩＳＢ４１３２）がよく知られている。図６の左側に示されるように、規格の線引ダイスでは、ダイヤモンドダイス体は、全体的に境界点Ｍがわからなくなる程度に全体的に磨きによって丸みを帯びるように成形されている。しかしながら、各部位の開き角度に差があるので、伸線加工に提供されて僅か後には、各部位の境界部位が突出する。厳密には、依然として肉眼では判別しにくい丸みが残されている。しかしながら、高硬度のダイヤモンドに対して素線の表層は脆弱であるため、伸線加工では、素線の表層が剥ぎ取られてしまう。

一方、本発明の素線伸線工程で使用される線引ダイス８では、ダイヤモンドガイド体８Ａは、アプローチ９Ｂとリダクション９Ｃとの間に形成され、アプローチ９Ｂとリダクション９Ｃとを円弧面で接続する素線の走行軸線方向９に沿って０．６ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の長さ有する第１のＲ部位９Ｇを有している。第１のＲ部位９Ｇの曲率は、アプローチ９Ｂとリダクション９Ｃの各曲率よりも大きい。また、各部位との各接続点Ｎを結ぶ直線が形成する第１のＲ部位９Ｇの開き角度は、アプローチ９Ｂの開き角度よりも小さく、リダクション９Ｃの開き角度よりも大きい。

ダイヤモンドダイス体８Ａが走行軸線方向９に沿って十分な長さを有する曲率の大きい第１のＲ部位９Ｇを有するので、長時間の使用によってダイヤモンドダイス体８Ａが磨耗して丸みが失われても、案内面に突出した境界部位が形成されない。そのため、素線を大幅に圧縮して引き伸ばすリダクション９Ｃにおいて、厚さが４０μｍないし８０μｍの比較的厚いβ相の拡散層の表層が引き裂かれてひび割れたり、剥ぎ取られたりすることがない。その結果、素線を所望のφ０．３ｍｍ以下の最終線径まで縮径することができ、品質を安定させて黄銅複合ワイヤ電極線を製造することができる。

また、線引ダイス８では、ダイヤモンドダイス体８Ａが、リダクション９Ｃとベアリング９Ｄとの間に形成され、リダクション９Ｃとベアリング９Ｄとを円弧面で接続する素線の走行軸線方向に沿って０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の長さ有する第２のＲ部位９Ｈを有する。第２のＲ部位９Ｈの曲率は、リダクション９Ｃの曲率よりも大きい。また、各部位との各接続点Ｎを結ぶ直線が形成する第２のＲ部位９Ｈの開き角度は、リダクション９Ｃの開き角度よりも小さい。

ダイヤモンドダイス体８Ａが走行軸線方向９に沿って十分な長さを有する曲率の大きい第２のＲ部位９Ｈを有するので、長時間の使用によってダイヤモンドダイス体８Ａが磨耗して丸みが失われても、案内面に突出した境界部位が形成されない。そのため、素線を最終線径まで縮径するベアリング９Ｄにおいて、厚さが５μｍないし１０μｍの比較的厚いβ相の拡散層の表層が削ぎ取られることがない。その結果、素線を所望のφ０．３ｍｍ以下の最終線径まで縮径することができ、品質を安定させて黄銅複合ワイヤ電極線を製造することができる。

特に、実施の形態の線引ダイス８は、ダイヤモンドダイス体８Ａにおけるエグジット９Ｆの開き角度を５０度以上にし、バックリリーフ９Ｅの接触面をより大きい曲率の断面円弧面に形成している。圧縮され引き伸ばされた金属線は、圧縮応力の残留応力を有しているため、圧力が開放されるときに径方向に拡大しようとする。実施の形態の線引ダイス８では、ベアリング９Ｄで圧縮された素線に対して曲率がより大きくされているバックリリーフ９Ｅによって速やかに圧力を開放するので、線引きされた後に形成される所望の線径のワイヤ電極の表層にひび割れや剥離を発生させない。

以上に説明される本発明のワイヤ電極の製造方法およびワイヤ電極の製造方法における素線伸線工程で使用される線引ダイスは、具体的な実施の形態に限定されるべきではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で変形して実施することができる。

本発明は、金属加工の技術分野に利用できる。特に、金属を高精度に切断して金型あるいは部品を製造するワイヤカットに適用される。本発明は、ワイヤガットにおいて加工精度に優れ加工速度が向上した改良された工具電極をより安価に提供する。本発明は、金属加工の技術分野の発展に寄与する。

１ ワイヤ電極
８ 線引ダイス
９ 走行軸線方向
９Ａ ベル（エントランス）
９Ｂ アプローチ
９Ｃ リダクション
９Ｄ ベアリング
９Ｅ バックリリーフ
９Ｆ エクジット
９Ｇ 第１のＲ部位
９Ｈ 第２のＲ部位
１０ コア
２０ 表層（拡散層）
３０ 隔壁層

Claims (11)

1. 黄銅の母線を段階的に縮径して所定の線径の芯線を形成する工程と、前記芯線を所定の一定走行速度で走行させながら鍍金浴槽を通過させ電気亜鉛鍍金法によって芯線に亜鉛鍍金を施す工程と、亜鉛鍍金後の素線を水平に張架して加熱炉に導入し所定の一定走行速度で水平方向に直線走行させながら前記被覆層が所定の亜鉛濃度の亜鉛リッチ黄銅になるまで所定の一定温度雰囲気下に曝して連続的に輻射的に均等に加熱し熱拡散させて前記被覆層を所要の厚さの実質β相だけの拡散層に変態させる工程と、前記素線を線引ダイスに通して所望の線径に縮径する工程と、を有するワイヤ電極の製造方法。
2. 前記芯線の所定の線径がφ０．７μｍ以上φ１．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ電極の製造方法。
3. 亜鉛鍍金によって施される亜鉛の被覆層の厚さが５μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ電極の製造方法。
4. 前記加熱が４５０℃以上６５０℃以下の範囲の一定温度雰囲気下で行なわれることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ電極の製造方法。
5. 前記加熱が５４０℃以上６００℃以下の範囲の一定温度雰囲気下で行なわれることを特徴とする請求項４に記載のワイヤ電極の製造方法。
6. 前記熱拡散によって形成される前記拡散層の厚さが４０μｍ以上８０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ電極の製造方法。
7. 前記亜鉛リッチ黄銅の亜鉛濃度が４５重量％以上４８％重量以下であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ電極の製造方法。
8. 前記所望の線径に縮径されたワイヤ電極における表層の厚さが５μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ電極の製造方法。
9. 前記母線が銅６０重量％以上７０重量％以下で亜鉛３０重量％以上４０重量％以下の重量比の黄銅で成る請求項１に記載のワイヤ電極の製造方法。
10. 前記素線を所望の線径に縮径する工程で使用される前記線引ダイスであって、ダイヤモンドダイス体と、前記ダイヤモンドダイス体を固定して支持する支持体と、前記支持体を収容するケースと、を含んでなり、前記ダイヤモンドダイス体は、アプローチとリダクションとの間に形成され前記アプローチと前記リダクションを円弧面で接続する前記素線の走行軸線方向に０．６ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の長さ有するＲ部位を有することを特徴とする請求項１に記載のワイヤ電極の製造方法で使用される線引ダイス。
11. 前記ダイヤモンドダイス体は、前記リダクションとベアリングとの間に形成され前記リダクションと前記ベアリングを円弧面で接続する前記素線の走行軸線方向に０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の長さ有するＲ部位を有することを特徴とする請求項１０に記載の線引ダイス。

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