JP2609342B2 - 放電加工方法及び放電加工装置並びに粉体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は加工液中に金属又は半導体等の粉体を混入
させた放電加工用媒体を使用して被加工物を加工する放
電加工方法及び放電加工装置並びに粉体に関するもので
ある。

［従来の技術］ 被加工物を放電加工により鏡面に仕上げるには、電極
を−極、被加工物を＋極とする、いわゆる負極性にして
加工エネルギーを小さくすればよいことが一般に知られ
ている。

ところで、加工エネルギーは、電流ピーク値とパルス
幅の積で表される。

そのため、鏡面加工を行うべく加工エネルギーを小さ
くするためには、電流ピーク値またはパルス幅を小さく
しなければならない。ここで、スイッチング素子のon/o
ff動作によりパルス幅を小さくするためには、スイッチ
ング素子の性能が大きな要因となり、スイッチング素子
の性能でパルス幅を小さくするには限界がある。従っ
て、加工エネルギーを小さくして鏡面加工するには、電
流ピーク値を小さくする必要がある。

しかしながら、上記事項を電極と被加工物との対向面
積が広い場合の放電加工に適用すると、電極と被加工物
とで形成される放電間隙の浮遊容量が問題となり、この
事を第８図を用いて説明する。

第８図は、一般的な放電加工の電気回路図で、図にお
いて、（１）は電極、（２）は被加工物、（80）は電極
（１）と被加工物（２）とで形成される放電間隙、（8
1）は加工電源、（82）はスイッチング素子、（83）は
加工電流制限抵抗、（84）は放電間隙浮遊容量を示して
いる。

上記構成において、放電間隙（80）にはスイッチング
素子（82）がオンの間、加工電源（81）の電圧が印加さ
れ、放電が発生すると加工電流制限抵抗（83）で制限さ
れた電流が流れて被加工物（２）の被電加工が行なわれ
る。

この時に放電間隙（80）の対向面積が広いと、放電間
隙浮遊容量（84）が大となり、この放電間隙浮遊容量
（84）に蓄えられた電荷のために、設定電流ピーク値よ
り大きな電流が流れ、加工面を荒して鏡面加工を困難に
している。即ち、大面積鏡面加工を困難にしている。

そこで、この放電間隙浮遊容量（84）を減らして大き
な電流が流れないようにする技術として、本出願人はす
でに粉体混入加工液による放電加工方法を開発してい
る。

上記粉体混入加工液による放電加工方法とは、加工液
に半導体または抵抗体の粉体（Si,Gr,Alなど）を混入し
て放電加工を行なうものであり、これについて第９図を
用いて説明する。

即ち、第９図は、粉体混入加工液による放電加工の様
子を示す図で、図において、（90）は主軸、（１）は電
極、（２）は被加工物、（91）は加工槽、（92）はＹ軸
サーボモータ、（93）はＸ軸サーボモータ、（94）はＺ
軸サーボモータ、（81）は電源及び数値制御装置、（9
5）は加工液、（７）は前記金属又は半導体の粉体、
（５）は加工粉、（96）は攪拌装置である。

次に上記装置の動作について説明すると、主軸（90）
に取り付けられた電極（１）は、被加工物（２）との間
で放電加工を行なう。

その時、電源及び数値制御装置（81）は検出した加工
状態により、X,Y,Z軸サーボモータ（92），（93），（9
4）を駆動して、加工状態を一定に保とうとする。

また加工槽（91）の加工液（95）には、加工の結果生
じる加工粉（５）の他に、積極的に前記粉体（７）が混
入され、沈澱を防止し分散を促進させる攪拌装置（96）
が稼働している。

通常の加工液による仕上げ放電加工においては、数10
cm²よりも大きな面積では、一般的に加工面粗さは、15
μm Rmax程度にしかならない。

これに対して前記粉体混入放電加工は加工液に金属ま
たは半導体の粉体を混入することにより、放電間隙距離
が広がって、放電が分散するなどの現象が発生し、特に
仕上げ加工において加工の安定化、大面積鏡面加工、表
面層の改質等の効果がある。

従来報告されている粉体混入放電加工方法は、仕上げ
加工において、数10μｍ以下の粒径の分布した粉末を使
用しており、実際に加工すると製造メーカ及び製造ロッ
ト等により放電加工結果がばらつき、全く粉体混入の効
果の得られないものもあった。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のように従来の粉体混入放電加工方法には、効果
のある粉体の物理定数が適正でないため、粉体混入放電
加工方法の加工の安定化、面粗度の向上や鏡面加工性の
向上などの効果にばらつきが生じるなどの課題があっ
た。

この発明は上記のような課題を解決するためになされ
たもので、被加工物の放電加工面が、細かい面粗度とな
るように仕上げ加工を行うことができるとともに、安定
した放電加工をおこなうことができる放電加工方法及び
放電加工装置を得ることを目的とする。

また、電極の荒れを抑制することができる放電加工方
法を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る放電加工方法は、粒径分布の平均値が
５以上10μｍ以下の金属または半導体からなる粉体を加
工液中に混入させた放電加工用媒体を、電極と被加工物
との間に供給しつつ、上記被加工物の加工を行うもので
ある。

また、炭素と化合して炭化物を生成する金属または半
導体からなる粉体を加工液中に混入させた放電加工用媒
体、及び炭素系材料の電極を用いて被加工物の加工を行
うものである。

さらに、この発明に係る放電加工装置は、電極と被加
工物との放電間隙に供給する放電加工用媒体を生成すべ
く、加工液中に、粒径分布の平均値が５以上10μｍ以下
の金属または半導体からなる粉体を混入する粉体補給手
段と、この粉体補給手段により上記粉体が混入された上
記放電加工用媒体を、上記放電間隙に供給する供給手段
と、この供給手段により上記放電間隙に上記放電加工用
媒体を供給しつつ放電を発生させて加工を行う放電加工
手段と、を備えたものである。

また、電極と被加工物との間に供給しつつ、上記被加
工物の加工を行う放電加工用媒体に混入される粒径分布
の平均値が５以上10μｍ以下の金属または半導体からな
る粉体としたものである。

［作用］ この発明による放電加工方法は、放電を分散する現象
を誘発し、電極と被加工物間に安定した放電を形成する
ための放電加工用媒体を生成する。

また、この発明に係る放電加工方法は、放電中に電極
材料のカーボンと粉体材料とが化合して電極表面に炭化
物が生成し、電極表面の結晶構造が微細化し、放電分散
がより促進される。

さらに、この発明に係る放電加工装置は、放電を分散
する現象を誘発し、電極と被加工物間に安定した放電を
発生させる。

また、この発明に係る粉体は、放電加工の際に、放電
を分散する現象を誘発し、電極と被加工物間に安定した
放電を発生させる。

［発明の実施例］ 第１図は、この発明による放電加工用媒体の一実施例
を使用した放電加工装置の構成を示す構成説明図であ
る。

第２図から第４図は、本実施例における放電加工装置
における放電加工方法を示した動作説明図である。

図において、（１）は電極、（２）は被加工物、
（３）は加工槽、（５）は第１の加工、例えば荒加工時
に生成された荒加工粉、（６）は第２の加工、例えば仕
上げ加工時に生成された仕上げ加工粉、（７）は粒径分
布の平均値が５〜10μｍ、好ましくは粒径分布が５以上
10μｍ以下（以下、５〜10μｍという）の範囲内に収ま
っている金属又は半導体等の粉体、例えば、シリコン，
ゲルマニウム，アルミニウム等の粉体である。

（９）は粉体補給手段に相当する粉体補給器、（10）
はドレイン用の加工液流制御手段、例えば制御弁、（2
9）は加工液中の加工粉を除去する加工液濾過手段、（2
0）は第１の加工、例えば荒加工用の加工液収納手段、
例えばタンク、（21）は加工槽（３）から回収される汚
液を収容する汚液槽、（22）は汚液槽（21）内の汚液を
濾過した清液を収容する清液槽、（23）は仕上げ加工用
の加工液収納手段、例えばタンク、（24）〜（26）は加
工液流制御手段、例えば制御弁である。制御弁（10）
（26）は荒加工時および仕上げ加工時のドレイン用で、
加工槽（３）からのドレインはそれぞれタンク（21）お
よび（23）に流入・回収される。荒加工用のタンク（2
0）にはポンプ（27）が取り付けられ、制御弁（24）を
経て加工槽（３）と接続されている。また、ポンプ（2
8）は荒加工粉濾過用のポンプで、加工液濾過手段（2
9）を介して汚液槽（21）、清液槽（22）の間に接続さ
れている。仕上げ加工用のタンク（23）にはポンプ（3
0）が取り付けられ、制御弁（25）を介して加工槽
（３）と接続されている。ポンプ（31）はシリコンのバ
ッチ処理用ポンプで、加工液濾過手段（12）を介して仕
上げ加工用タンク（23）内のシリコンおよび加工粉を除
去するよう仕上げ加工用タンク（23）に取り付けられて
いる。

次に本実施例の動作を図に基づいて説明する。

第２図には荒加工時における加工液の流れが示されて
いる。

荒加工用タンク（20）の清液槽（22）内の加工液はポ
ンプ（27）で汲み上げられ、加工槽（３）に導かれる。
加工槽（３）内の加工液は、制御弁（10）により荒加工
用タンク（20）の汚液槽（21）内に戻された後、ポンプ
（28）および加工液濾過手段（29）によって荒加工粉
（５）が除去され、清液槽（22）に蓄えられる。

荒加工粉（５）の濾過は加工中常時または間欠的に行
なわれ、常に荒加工粉（５）の含まれない清液を加工槽
（３）に供給することにより、荒加工が行なわれる。

次に、仕上げ加工時の放電加工用媒体の流れを第３図
により説明する。

仕上げ加工用タンク（23）内の放電加工用媒体として
の、加工液として仕上げ加工特性に優れた仕上げ加工用
加工液が用いられ、作業者または粉体補給器（９）等に
より粉体（７）が混入された状態となっている。この放
電加工用媒体（加工液＋粉体）はポンプ（30）によって
汲み上げられ、加工槽（３）と放電間隙に供給される。

加工に使用された加工槽（３）内の加工媒体は、ドレ
イン用の制御弁（26）を通して仕上げ加工用タンク（2
3）に回収される。

通常、このようにして放電加工用媒体に混入された粉
体（７）が放電加工に繰り返し使用されるが、長時間の
放電加工を繰り返すと、放電加工用媒体内の加工粉
（６）が増加するとともに粉体（７）が劣化し、加工特
性が悪化する。

そのため第４図に示すように通常の仕上げ加工時にお
いては、定期的にポンプ（31）を作動させて粉体（７）
および加工粉（６）を濾過し、粉体（７）および加工粉
（６）の除去を行なうが、粉体（７）の寿命が比較的長
いこと、および加工粉（６）の生成量が仕上げ加工時に
おいては少量であることから、数百時間に一度バッチ処
理的に除去してもよい。

放電加工用媒体を加工液濾過手段（12）により濾過し
たのち、仕上げ加工用タンク（23）内に溜められた清浄
な加工液には、作業者または粉体補給器（９）により新
たな粉体（７）が補給されて新しい仕上げ加工時の放電
加工用媒体が準備される。

次に、本実施例に使用される金属又は半導体の粉体の
粒径分布の平均値を５〜10μｍに特定したことについて
記述する。

第５図は、前記金属又は半導体からなる粉体の粒径に
対する放電間隙距離の関係を示す本出願人の実験結果
で、この実験では、粒径分布の標準偏差／平均値を約20
％に抑えたシリコン粉体を濃度20g/lで使用した。

実験条件は（−）極性、100mm角の銅電極、ケロシン
等の油系加工液、ピーク電流値1A、パルス幅及び休止時
間２μｓの矩形波を用いた。

また、第６図は、粉体粒径に対する面粗度の関係を示
したもので、条件等は第５図と同じである。

これらより以下の考察が得られる。

大きな粒径の粉体、実験によれば10μｍよりも大きい
粉体は、放電加工面を荒す傾向があることが実験より求
められているが、これは放電間隙に大きな粉体が入るこ
とにより、その粉体が放電の誘起点となり、かえってそ
の粉体だけに放電が集中し、放電加工面を荒すものと考
えられる。

一方これとは反対に小さな粒径の粉体、実験によれば
５μｍより小さい粉体は、粉体混入放電加工方法の特徴
の１つである放電間隙距離を広げるという効果が少ない
ことが実験より求められている。その様子を示したのが
第５図である。

このように粒径の小さな粉体が多くなることは、粉体
混入放電加工でも放電間隙距離が広がらず、特に仕上げ
加工において加工粉の排出が悪くなって加工が不安定と
なり、また静電容量が減少せずに大面積鏡面加工が困難
となるなど問題が多い。

以上この発明の有効性を確認するために、粉体粒径と
放電加工面粗度との関係を示したのが第６図である。

以上詳述のように、粒径分布の平均値を５〜10μｍの
間にある粉体に特定することにより、加工の安定化や面
粗度の向上や鏡面加工性の向上などの効果が確実とな
る。

以上この発明による方法の一実施例について詳述した
が、次に記述することもこの発明による方法を実施する
上で有効である。

即ち、加工液は、ケロシン等の油系加工液のデータを
示したが、水溶性加工液についても同様のことがいえ、
加工の安定化及び面粗度の向上が得られる。

電極の極性は（−）極性としたが、（＋）極性におい
ても加工の安定化及び面粗度の向上が得られる。

さらに矩形波電流の例を示したが、例えばコンデンサ
放電にみられる高ピーク電流値狭パルス幅の電流波形に
おいても、加工の安定化及び面粗度の向上が得られ、い
ずれも粒径分布の平均値が５〜10μｍ、好ましくは粒径
分布が５〜10μｍの範囲内に収まっているときに顕著な
効果が現われる。

ところで、炭素系材料を用いた電極、例えばグラファ
イト電極による仕上げ放電加工は一般に困難とされ、加
工面積にもよるが約８μm Rmaxが限度とされていた。

これは電極の結晶構造の不均一性や気孔の存在等によ
り熱伝導率が悪化するため局部的放電が発生し、そのた
め電極粒子の欠落を招き、電極面を荒れ、それが被加工
物面に転写することによると考えられている。

そこでグラファイト電極による放電加工を行なう場合
に、加工液中に例えばシリコンのような金属または半導
体の粉体を混入した放電加工用媒体を使用すると、上述
したように放電は分散する。

さらに、放電中に電極材質のカーボンＣと粉末材質の
例えばシリコンSiとが化合した炭化ケイ素SiCが、電極
面に均一に分散して生成される。これによりグラファイ
ト電極だけの時も結晶構造が微細となる。よつて放電路
はより分散されて電極面の荒れはより抑制され、グラフ
ァイト電極による仕上げ放電加工が可能となる。

また粉体による放電の分散性の増大は５〜10μｍにあ
り、このような均一な放電分散によって、炭化ケイ素Si
Cの生成による上記効果もより促進される。

また加工液中に混入する粉体としてモリブデン粉体や
タングステン粉体などのような炭化物を生成するもので
あれば、上記効果が発生するものである。

さらに、比重の大きいモリブデン粉体やタングステン
粉体単体では粉体の攪拌が困難となるため、第７図に示
すように、例えばシリコン粉体のような比較的比重の小
さい粉体（70）に、モリブデンやタングステンのような
目的とする金属または半導体（71）をコーティングした
粉体によっても上記効果はあるものである。

［発明の効果］ 以上のように、この発明の放電加工方法及び放電加工
装置並びにこの発明に係る粉体を用いた放電加工用媒体
によれば、被加工物の放電加工面が、細かい面粗度とな
るように仕上げ加工を行うことができるとともに、放電
分散作用が十分に機能して安定した放電加工をおこなう
ことができる。

また、この発明の放電加工方法によれば、炭素系電極
の電極面の結晶構造を微細化し、放電分散を促進して電
極の荒れを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明方法を適用したこの発明装置の構成説
明図、第２図〜第４図は第１図に示す装置の動作説明
図、第５図は粉体粒径と放電間隙距離との関係を示す実
験結果、第６図は粉体粒径と面粗度の関係を示す実験結
果、第７図はこの発明の他の実施例に使用される粉体の
構造図を拡大した図で、第８図は一般的な放電加工の電
気回路図、第９図は粉体混入加工液による放電加工の様
子を示す図である。 図において、（１）は電極、（２）は被加工物、（３）
は加工槽、（５），（６）は加工粉、（７）は粉体であ
る。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河津 秀俊 愛知県名古屋市東区矢田南５丁目１番14 号 三菱電機株式会社名古屋製作所内 (72)発明者 尾崎 好雄 愛知県名古屋市東区矢田南５丁目１番14 号 三菱電機株式会社名古屋製作所内 (56)参考文献 特開 昭62−68223（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−24916（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−30423（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】粒径分布の平均値が５以上10μｍ以下の金
   属または半導体からなる粉体を加工液中に混入させた放
   電加工用媒体を、電極と被加工物との間に供給しつつ、
   上記被加工物の加工を行う放電加工方法。
2. 【請求項２】炭素と化合して炭化物を生成する金属また
   は半導体からなる粉体を加工液中に混入させた放電加工
   用媒体、及び炭素系材料の電極を用いて被加工物の加工
   を行うことを特徴とする放電加工方法。
3. 【請求項３】電極と被加工物との放電間隙に供給する放
   電加工用媒体を生成すべく、加工液中に、粒径分布の平
   均値が５以上10μｍ以下の金属または半導体からなる粉
   体を混入する粉体補給手段と、 この粉体補給手段により上記粉体が混入された上記放電
   加工用媒体を、上記放電間隙に供給する供給手段と、 この供給手段により上記放電間隙に上記放電加工用媒体
   を供給しつつ放電を発生させて加工を起う放電加工手段
   と、 を備えた放電加工装置。
4. 【請求項４】電極と被加工物との間に供給しつつ、上記
   被加工物の加工を行う放電加工用媒体に混入される粒径
   分布の平均値が５以上10μｍ以下の金属または半導体か
   らなる粉体。