JP3001314B2 - 放電加工装置 - Google Patents

放電加工装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は放電加工により被加工
物を微細加工したり、あるいは耐蝕、耐摩耗性を付与す
る装置に関し、特に導電性を有する被加工物材料の表面
に放電分散を促すことによる微細加工面の実現、もしく
は耐蝕、耐摩耗性の向上に寄与する放電加工装置に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】特開昭６２−２４９１６号公報に開示さ
れているように、本発明者はすでにシリコン電極等の半
金属と称される物質からなる電極を用いた放電加工によ
って、王水にも侵されず、数１０％の永久変形を与えて
も剥離や割れなどの損傷の起こりにくい強靭な表面層を
形成する方法を提案している。この従来方法は、通常の
放電加工装置を使用して、電極材料にシリコン電極等の
半金属を用い、被加工物としてＳＵＳ３０４（１８Ｃｒ
−８Ｎｉステンレス鋼）や１３Ｃｒ鋼、もしくは高速度
鋼に放電加工を行うものであって、数十分ないし数時間
の加工によってＳＵＳ３０４ないし１３Ｃｒ鋼や、高速
度鋼の表面に強い耐食性の加工面を得るものである。
【０００３】さらに、加工液中に粒径が約１０〜４０μ
m 程度の粉末状の金属または半金属物質を、混入濃度が
ほぼ２０ｇ／ｌ程度となるよう混入させることにより、
放電の安定度を向上させたり、また、混入物質によって
は電極および被加工物表面の機械的特性、例えば耐食性
や耐摩耗性等を向上させることが知られている。すなわ
ち、いわゆる金属の除去加工以外に、放電加工によって
金属の表面処理を行うことも可能である。この種の粉末
物質には例えば、シリコンのような半導体物質が使用さ
れる。
【０００４】以下、従来装置の動作を図１２の概略構成
図に基づいて説明する。図１２（ａ）は非加工時、図１
２（ｂ）は加工時を示し、４は電極、５は加工槽６内に
設置された被加工物で、被加工物５と電極４とにより極
間７を形成している。８は加工槽６内の加工液、９は加
工液８中に混入されたシリコン粉末、１０は極間７へ加
工エネルギーを供給する電源装置、１１は空気ポンプ
で、加工槽６内に空気を送り込むことにより、加工液に
攪拌作用を与えるものである。１２は電極４を被加工物
５に対して昇降動作させる油圧シリンダー装置、１３は
そのピストンロッド、１４は油圧シリンダー装置１２の
制御を司るサーボ装置である。
【０００５】一般に加工電源としては高圧重畳回路が用
いられ、この高圧重畳回路の電圧が高いほど加工は安定
であり、被加工物表面のクラックやピットの発生も少な
い。すなわち、シリコン粉末が極間に介在した場合、同
一電圧でも放電は大きな極間距離で発生し易くなるが、
それでもなお、高い電圧を加えた方が加工は安定であ
る。このようにして加工された被加工物は、耐食性、耐
摩耗性が大幅に向上することが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来装置においては、
高電圧を重畳することにより加工が安定となりクラック
やピットの発生が抑えられ、ひいては耐食性、耐摩耗性
を大幅に向上させるが、その反面、加工条件によっては
加工面あらさが低下するという問題があった。す なわ
ち、実験によれば、低エネルギー条件の領域では粉末物
質混入の効果が大きいが、あるエネルギー条件以上とな
ると急激に粉末物質混入の効果が低下してしまい、特に
面あらさが悪化してしまう問題があった。さらには使用
する粉末物質も放電により破壊され、通常１００〜２０
０時間程度で寿命に達してしまうなどの問題があった。
【０００７】この発明は上記従来装置の問題点を解決す
るためになされたもので、加工の安定度や加工能力を維
持しつつ、加工面あらさを大幅に改善するとともに、長
時間安定した加工特性を維持し得る放電加工装置を提供
することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明に係る放電加工
装置は、電極と被加工物により形成される極間に金属ま
たは半金属の粉末物質を混入した加工液を介在させ、上
記被加工物の表面層を形成する放電加工装置であって、
上記極間に第１のスイッチング素子と第１の電流制限抵
抗との直列回路を介して所望の加工電流を供給する８０
Ｖ程度の電圧を発生する主電源が接続される主回路と、
上記第１のスイッチング素子と第１の電流制限抵抗との
直列回路に並列接続される補助回路とを備え、上記補助
回路を、補助電源と第２のスイッチング素子並びに第２
の電流制限抵抗との直列回路から構成し、上記第２のス
イッチング素子を閉成して上記主電源と補助電源の重畳
電圧を上記極間に印加して上記極間の絶縁破壊し、上記
極間が絶縁破壊した後に上記第２のスイッチング素子を
開放すると共に上記第１のスイッチング素子を閉成して
上記主電源による加工電流を上記極間に供給する放電加
工装置において、上記補助電源を、１００Ｖ〜４００Ｖ
の電圧を発生する電源で構成すると共に、上記第２の電
流制限抵抗の値を、上記補助電源により上記極間に供給
される電流のピーク値が、１．０Ａ〜２．０Ａを保持す
る値に設定することを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】この発明においては、粉体が極間に浮遊した状
況で通常より大きな加工間隙にて放電を発生させるとと
もに、放電電流を適正な値とすることにより被加工物の
面あらさを向上すると共に、粉末物質の寿命を大幅に延
長する。
【００１０】
【実施例】実施例１． 以下、この発明装置の一実施例を図に基づき説明する。
従来例同様の図１２に示す装置において、被加工物５と
電極４とにより形成される極間７にシリコン粉末９を混
入した加工液８を介在させて加工が行われる。図１は加
工電源として用いる高圧重畳回路を示すものであり、図
中、Ｒ1、Ｒ2は第１および第２の電流制限抵抗で第１の
電流制限抵抗Ｒ1は約１０〜２０Ω、第２の電流制限抵
抗Ｒ2は１００〜３００Ωの値に設定される。Ｄはダイ
オード、ＴＲ1、ＴＲ2は第２および第１のスイッチング
素子を構成するトランジスターである。１０ａは８０Ｖ
程度の電圧を有する主電源、１０ｂは１００〜４００Ｖ
程度の電圧を有する補助電源である。加工中、極間７に
は主電源１０ａと補助電源１０ｂの重畳電圧である１８
０〜４８０Ｖ程度の高電圧が供給され加工が行われる。
即ち、第２のスイッチング素子ＴＲ1 がＯＮすると共に
第１のスイッチング素子ＴＲ２をＯＦＦすることにより
主電源１０ａと補助電源１０ｂによる高電圧が極間７に
印加されて放電が引き起こされ、その後、第１のスイッ
チング素子ＴＲ2がＯＮし、主電源１０ａにより数μｓ
ｅｃ程度の放電電流が供給される。この放電電流は第１
の電流制限抵抗Ｒ1により決定される。主電源１０ａと
補助電源１０ｂの重畳電圧である１８０Ｖ〜４８０Ｖ程
度の高電圧が供給されて加工が行われるときには、極間
７が広がり、加工は従来例と同様きわめて安定に維持す
ることができる。高電圧の印加による加工の安定度の実
験結果を図２に示す。この図２は、被加工物としてＳＵ
Ｓ−３０４、加工電流のパルス幅８μｓｅｃ、平均加工
電流を２Ａとして実験したものである。
【００１１】ところで、補助電源１０ｂの電圧を高める
ことにより、加工面あらさが悪化する問題があり、この
ため補助電源１０ｂによる電流ピーク値を電流制限抵抗
Ｒ2 により制限する必要がある。図３（ａ）は粉末物質
混入による大面積仕上げ加工時において、補助電源１０
ｂによる電流ピーク値と加工面あらさの関係を示し、図
３（ｂ）はその時の極間電流波形図を示したものであ
り、補助電源１０ｂの電流ピーク値が１．５Ａ以上の領
域においては、電流ピーク値の増大とともに加工面あら
さは悪化することがわかる。しかしながら一方では電流
ピーク値が小さすぎる場合にも加工面あらさが悪化する
ことが次の加工条件における実験により観察された。 （加工条件） 電極：銅 被加工物：高速度鋼（ＳＫＨ−５１） 加工液：灯油にシリコン粉末を２０ｇ／ｌ混入
【００１２】一般に、大面積加工時においては、電極４
と被加工物５の間に形成されるコンデンサー容量が大き
くなるため、極間７における電圧の立ち上がり時間に影
響を与える。図４に示すように、極間７における電圧の
立ち上がり時定数ｔは、 ｔ＝ＲＣ であり、抵抗値Ｒが大きい場合、すなわち補助電源１０
ｂの電流が小さすぎる場合には電圧立ち上がり時間が長
くなる。このような状態においては粉末物質を混入した
場合においても放電の発生頻度が低下して加工が不安定
となり、結果として加工面あらさが悪化する傾向にあ
る。
【００１３】以上の点から、補助電源１０ｂによる電流
ピーク値には最適値が存在し、１．０Ａ〜２．０Ａの範
囲、特に、ほぼ１．５Ａ程度の場合にもっとも加工面あ
らさが小さな鏡面が得られることが実験により得られ
た。よって、最適な電流ピーク値を得るために補助回路
の電流制限抵抗Ｒ2の値を適正な値とすることが必要と
なる。
【００１４】前述のように、安定加工を維持する補助電
源１０ｂの電圧としては１００〜４００Ｖが適当であ
り、この電圧範囲において電流ピーク値を１．５Ａとす
るためには、第２の電流制限抵抗Ｒ2の値は、 Ｒ2≒７０〜２７０Ω 程度となる。図５に高電圧を重畳した粉末物質混入加工
において、第２の電流制限抵抗Ｒ2 が通常の値である２
０Ωの場合と２００Ωとした場合での加工面あらさを示
しているが、２００Ωとした場合に加工面あらさが小さ
な鏡面が得られることが明らかである。さらには粉末物
質の寿命も、通常の１００〜２００時間に対し、５００
時間程度にまで改善されることが確認された。
【００１５】実施例２． 次に、この発明の第２の実施例について説明する。ま
ず、実施例の説明に先立ち、単発放電および連続放電に
よるクラック発生について説明する。高温強度の高い材
料（例えばタングステン・カーバイト焼結合金ＷＣ−Ｃ
ｏ、導電性セラミックス、あるいは合金工具鋼ＳＫＤ−
１１、ＳＫＤ−５１、ＳＫＨ−５１など）は、一般に連
続放電加工を行う場合にクラックを生じ易い。このこと
を考察するために、単発放電加工（放電一回だけ発生さ
せた加工）による放電痕を観察すると、単発放電でクラ
ックを生じさせる電気条件は、図６（引用：切削加工技
術便覧Ｐ．１０２１〜１０２２）のように一発の放電エ
ネルギーが非常に大きい場合にのみクラックを生じる。
単発放電によるタングステンカーバイトのクラック発生
域を図６のごとくに示しており、実際加工においてはク
ラックの発生しないような加工条件で仕上げておく必要
のあることを示している。しかるに連続放電加工におい
ては、それよりもはるかに小さい放電エネルギーの条件
下でもクラックを生じる。具体例を図７（ａ），（ｂ）
および図８（ａ），（ｂ）に示す（引用：電気加工学会
誌Ｖｏ１．７Ｎｏ．１３、向山）。図６に示すように、
単発放電においては、クラックを生じない範囲であると
ころの、放電電圧Ｖｃ＝６５［Ｖ］、コンデンサー容量
Ｃ＝０．１μＦにおいても、連続放電では図７に示した
ようにクラックが生じている（図７（ａ），（ｂ））。
しかも、充電抵抗が大きくて、放電発生の頻度が小さい
場合にはクラックの深さ及び太さが小さく、充電抵抗が
小さくなって放電頻度が高くなる条件においてはクラッ
クの深さ及び太さも大きくなることがわかる。（図８
（ａ），（ｂ））
【００１６】以上の結果より次のことが明らかとなる。 （１）単発放電痕ではクラックが発生しない条件であっ
ても、連続放電加工面にクラックを生じうる。 （２）放電の発生回数が多いほど、クラックを生じやす
く、しかも深く、太くなる。 ［注］図８（ａ），（ｂ）の充電抵抗ＲOと放電発生回
数ｆとの関係は、 ｆ＝（ｋ）／（Ｃ・ＲO）（ｋ：係数で、その値は０．
５〜１程度） ＲOが小さいほどｆは大きくなる。ここで、放電発生回
数が多くなるとクラックが深く、太く生じることに注目
する必要がある（図８（ａ），（ｂ））。放電回数が多
くなるとなぜクラックを生ずるかということであるが、
これは次のように考えられる。
【００１７】放電回数が増加してくると、極間のイオン
濃度が増加するため、一旦放電した箇所もしくはその近
傍に連続的な放電が発生し、いわゆる放電の集中をおこ
す。放電集中を起こしてその付近が多数面の放電熱によ
り材質の深いところまで高温状態となるが、しばらくす
ると極間距離の拡大などの理由から、放電発生点は別の
箇所に移動する。放電の集中によって深いところまで加
熱された部分の表面は、加工液により急速に冷却され
る。表面から冷却されるため表面は収縮するが、内部は
高温度のままであるため、表面に引張応力を生じ、クラ
ックを生じる。放電の集中は長いパルス幅を与えるのと
同様の傾向を呈する。すなわち、単発放電の場合におい
て、例えばコンデンサー容量Ｃが小さい場合などのよう
に放電エネルギーが小さくパルス幅の短い範囲では、放
電による熱によって加熱されても熱は材料深部にまでは
伝わっていないために、表面に大きな引張応力が発生し
ない。よって、ごく表面だけの加熱であれば、高温部は
瞬時に冷却され、クラックを生じるまえに温度差を消去
し、応力差がすくないため、クラックは無視できる程度
に小さい。 ［注］コンデンサー放電によるパルス幅τp、電流ｉ
pは、次のとおりである。 τp≒０．７μｓ ｉp≒１５Ａ
【００１８】クラックの発生を防止するためには、単発
放電においてクラックの発生しない程度の放電エネルギ
ーを加工に使用し、放電の集中を起こさないようにすれ
ばよいこととなる。放電の集中を起こさないようにする
ためには、次の２つの対策が有効であることが実験の結
果判明した。 （１）極間距離を広くとること。これによって極間にお
ける加工液の流通が容易となり、放電点を冷却し、消イ
オンし易くする。（絶縁回復により、放電集中を防ぐ） （２）放電を分散し易くするために、極間における電位
傾斜が特定の放電痕盛り上がりなどに偏らないようにす
ることである。これに関して本発明者が発見した方法は
多量の導電性もしくは半導電性（半導体）の粉末を加工
液中に混入する方法である。 （１）に関しては高インピーダンスをもつ高電圧を印加
することも有効であるが、粉末物質を混入しただけでも
極間距離は大きくなる。さらに、高電圧重畳と粉末物質
の混入によって、極間距離を広くすることができる。 （２）に関しては、シリコン粉末（３０μｍ以下）、カ
ーボン粉末（３０μｍ以下）、アルミニウム粉末（３０
μｍ以下、もしくは鱗片状）などの半導体もしくは金属
粉末を加工液中に混入する方法である。実施例として、
通常絶対に単発放電ではクラックを生じることのない中
加工程度の電気条件（Ｉｐ＝１０Ａ、τｐ＝１６μｓ、
デューティ５０％すなわちτｒ＝１６μｓ）で、高速度
工具鋼ＳＫＨ−５１に通常の放電加工を行った結果を図
９に示す。また、上記の電気条件にてシリコン粉末を２
０ｇ／ｌ加えて同じ電気条件で加工した結果を図１０に
示す。図１０より、通常加工液ではクラックが発生して
いるのに対し、シリコン粉末を混入した加工液にて加工
を行ったものにはクラックの発生が見られないことがわ
かる。上記シリコン粉末混入方式がクラックを生じてい
ない証拠は、これを王水などに浸積してもまったく腐食
されないことからも判断される。クラックを生じている
場合は容易に腐食される。なお、タングステンカーバイ
トの加工も図６の単発放電安全域内であれば、シリコン
粉末などの混入によってクラックを生じなくなる。
【００１９】以下、本実施例装置を図に基づき説明す
る。従来例同様、図１２に示す装置において、被加工物
５と電極４とにより形成される極間７にシリコン粉末９
を混入した加工液８を介在させ加工が行われる。図１１
は加工電源として用いる高圧重畳回路であり、図中、Ｒ
1、Ｒ2は第１および第２の電流制限抵抗、Ｄはダイオー
ド、ＴＲ1、ＴＲ2は第２および第１のスイッチング素子
を構成するトランジスター、Ｃ1はコンデンサー、１０
ａは主電源、１０ｂは補助電源で、補助電源１０ｂは加
工中極間７に高電圧を供給し加工が行われる。すなわ
ち、第２のスイッチング素子ＴＲ1がＯＮすると共に第
１のスイッチング素子ＴＲ2をOFFすることにより主電源
１０ａと補助電源１０ｂによる高電圧が極間に供給され
て放電が引き起こされた後、第１のスイッチング素子Ｔ
Ｒ２がＯＮし、主電源１０ａにより低エネルギーの放電
電流が供給される。
【００２０】単発放電加工でクラックの発生しない範囲
は素材の種類によって異なる。基本的には高温強度の高
い、ＷＣ−Ｃｏやファインセラミックスの方が比較的小
さいエネルギーでもクラックを生じるものであり、その
典型例を示せば図６の通りである。合金工具鋼ＳＫＤ−
１１、ＳＫＤ−５１、ＳＫＨ−５１などに関しては、Ｉ
ｐ＝２０Ａ以上、τｐ＝４０μｓ以上にて見られる場合
がある。
【００２１】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、電
極と被加工物により形成される極間に金属または半金属
の粉末物質を混入した加工液を介在させ、上記被加工物
の表面層を形成する放電加工装置であって、上記極間に
第１のスイッチング素子と第１の電流制限抵抗との直列
回路を介して所望の加工電流を供給する８０Ｖ程度の電
圧を発生する主電源が接続される主回路と、上記第１の
スイッチング素子と第１の電流制限抵抗との直列回路に
並列接続される補助回路とを備え、上記補助回路を、補
助電源と第２のスイッチング素子並びに第２の電流制限
抵抗との直列回路から構成し、上記第２のスイッチング
素子を閉成して上記主電源と補助電源の重畳電圧を上記
極間に印加して上記極間の絶縁破壊し、上記極間が絶縁
破壊した後に上記第２のスイッチング素子を開放すると
共に上記第１のスイッチング素子を閉成して上記主電源
による加工電流を上記極間に供給する放電加工装置にお
いて、上記補助電源を、１００Ｖ〜４００Ｖの電圧を発
生する電源で構成すると共に、上記第２の電流制限抵抗
の値を、上記補助電源により上記極間に供給される電流
のピーク値が、１．０Ａ〜２．０Ａを保持する値に設定
したので、加工の安定度や加工能力を維持しつつ、加工
面あらさを大幅に改善するとともに、粉末の長寿命化が
図れることから長時間安定した加工特性を維持しうる放
電加工装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例による加工電源として用い
る高圧重畳回路を示す図である。
【図２】この発明の一実施例による放電開始電圧に対す
る加工の安定度を示す図である。
【図３】この発明の一実施例による補助電源電流値と加
工面あらさの関係を示す図である。
【図４】この発明の一実施例による極間電圧の立ち上が
りを示す図である。
【図５】この発明の一実施例による補助電源の電流制限
抵抗と加工面あらさの関係を示す図である。
【図６】この発明の他の実施例による単発放電における
クラック発生の説明図である。
【図７】この発明の他の実施例による連続放電における
クラック発生の説明図である。
【図８】この発明の他の実施例による充電抵抗とクラッ
ク深さ・太さの関係を示す図である。
【図９】この発明の他の実施例による中加工程度の電気
条件で通常の放電加工を行った結果を示す加工面の写真
である。
【図１０】この発明の他の実施例による粉末混入加工液
による放電加工を行った結果を示す加工面の写真であ
る。
【図１１】この発明の他の実施例による加工電源として
用いる高圧重畳回路を示す図である。
【図１２】従来の放電加工装置を示す図である。
【符号の説明】
４ 電極、５ 被加工物、７ 極間、８ 加工液、９
シリコン粉末、１０ａ主電源、１０ｂ 補助電源、Ｒ１
電流制限抵抗器、Ｒ２ 電流制限抵抗器、Ｄ ダイオ
ード、ＴＲ1 トランジスター、ＴＲ2 トランジスタ
ー。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 真柄 卓司 名古屋市東区矢田南五丁目１番14号 三 菱電機株式会 社 名古屋製作所内 (72)発明者 毛利 尚武 名古屋市天白区八事石坂661−51 (56)参考文献 特開 平２−83119（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電極と被加工物により形成される極間に
    金属または半金属の粉末物質を混入した加工液を介在さ
    せ、上記被加工物の表面層を形成する放電加工装置であ
    って、 上記極間に第１のスイッチング素子と第１の電流制限抵
    抗との直列回路を介して所望の加工電流を供給する８０
    Ｖ程度の電圧を発生する主電源が接続される主回路と、
    上記第１のスイッチング素子と第１の電流制限抵抗との
    直列回路に並列接続される補助回路とを備え、 上記補助回路を、補助電源と第２のスイッチング素子並
    びに第２の電流制限抵抗との直列回路から構成し、 上記第２のスイッチング素子を閉成して上記主電源と補
    助電源の重畳電圧を上記極間に印加して上記極間の絶縁
    破壊し、上記極間が絶縁破壊した後に上記第２のスイッ
    チング素子を開放すると共に上記第１のスイッチング素
    子を閉成して上記主電源による加工電流を上記極間に供
    給する放電加工装置において、 上記補助電源を、１００Ｖ〜４００Ｖの電圧を発生する
    電源で構成すると共に、上記第２の電流制限抵抗の値
    を、上記補助電源により上記極間に供給される電流のピ
    ーク値が、 １．０Ａ〜２．０Ａを保持する値に設定する
    ことを特徴とする放電加工装置。
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