JP3627626B2 - ワイヤ放電加工用電極線 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワイヤ放電加工に使用する電極線の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ワイヤ放電加工は、ワイヤ放電加工用電極線と称される線状の加工電極と被加工物との間に、水または油などの加工液を介し間欠的な放電を起こさせながら、被加工物をワイヤ放電加工用電極線に対して相対的に移動させることにより、被加工物を所望の形状に溶融し切断する方法である。この方法は、各種の金型の製造などに利用されている。このようなワイヤ放電加工においては、被加工物の仕上がり、加工精度および仕上がり表面状態が良好なこと、電極線からの物質が被加工物に付着しないこと、および放電加工時間が短いことのような放電加工特性が要求されている。そして、このようなワイヤ放電加工に使用される放電加工用電極線としては、電極線として優れた伸線加工性および強度を有するという理由から、従来より黄銅線が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
最近では、加工電源の改良進歩に伴い、放電加工速度および精度を向上させることができる電極線が望まれている。特に、高電圧でかつ短時間のパルスの繰返し電圧を付与するようなワイヤ放電加工機の電源を使用するような場合において、放電加工速度および精度を高めることのできる電極線が望まれている。
【０００４】
しかしながら、従来の黄銅線を使用した放電加工用電極線では十分に速い放電加工速度を得ることができなかった。また黄銅線では、被加工物への電極線からの物質の付着量も多く、被加工物の切断表面性状が荒く、また高速で放電加工しようとすると電極線が断線しやすいという欠点もあった。
【０００５】
また、ＣｕまたはＣｕ合金からなる芯にＺｎを被覆したものや、Ｚｎを被覆後熱処理を施して拡散により表面層にＣｕ−Ｚｎ合金を生じさせかつその最表面に酸化皮膜が存在するワイヤ放電加工用電極線も一部で使用されている。しかしながら、前者では被加工物の切断表面性状は改善されるが十分に速い放電加工速度を得ることができず、後者では放電加工速度はある程度改善されるが被加工物の切断表面性状が十分に改善されず、また放電加工を開始する前の電極線の位置決めが容易でないという問題があった。さらに、芯材とその芯材の外周に形成された被覆層とを備えた従来のワイヤ放電加工用電極線は黄銅線と比較して放電加工特性は向上するが、電極線自身と給電ガイドと案内用ガイドダイスの摩耗損傷が激しくて寿命が短くなって、放電加工コストがかなり高くなるという問題があった。
【０００６】
それゆえ、本願発明の目的は、放電加工時間を短くすることができ、かつ電極線からの物質が被加工物に付着しにくく、被加工物の切断表面性状が滑らかになるワイヤ放電加工用電極線を低価格で提供することにある。本願発明はまた、電極線の位置決めも容易に行なうことができかつ給電ガイドや案内用ガイドダイスの寿命を短縮させることなく、総合的に放電加工コストを低減し得るワイヤ放電加工用電極線を提供することをも目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ワイヤ放電加工用電極線は、芯材と、その芯材の外周表面を覆う複数の被覆層とを含み、互いに隣接する芯材および複数の被覆層は互いに異なる材質を有し、被覆層の各々はＣｕ、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、およびＴｉから選択された金属またはその金属を含む合金からなっており、芯材の外周表面に直接接している第１の被覆層はＣｕ−Ｚｎ合金からなり、複数の被覆層は、金属または合金からなる被覆層に加えて、最外層以外の少なくとも１層として上記の選択された金属を含む窒化物または酸化物の不連続な層を含み、複数の被覆層の最外層はＺｎからなっている。このような特定の材質からなる複数の被覆層を含むワイヤ放電加工用電極線は、優れた放電加工特性を有しており（すなわち、放電加工速度が改善され、被加工物の切断面における付着物が減少し、そして切断表面性状が滑らかになる）、特に高電圧でかつ短時間のパルス電圧を繰返し付与する放電加工において優れた特性を示す。
【０００８】
なお、芯材の少なくとも表面層を銅または銅合金にすることは、電極線の導電性および加工性の観点から好ましい。
【０００９】
また、上述のように、最外層以外の被覆層の少なくとも１つが窒化物または酸化物の不連続な被覆層を含むことによって、局所的な集中放電を抑制してきめ細かでかつ発生頻度の高い放電を維持することが容易になる。また、複数の被覆層の最外層がＺｎからなっているので、一般に硬度が高い化合物被覆層が給電ガイドや案内用ガイドダイスの摩耗や損傷を助長して寿命を短くさせることもなく、放電加工をスタートさせる前の電極線の位置決め作業が容易に行なわれ得る。さらに、複数の被覆層の最外層をＺｎで形成すれば、そのＺｎ層は放電時に気化しやすくて電極線の温度上昇を抑制するように作用し、厳しい放電加工条件でも電極線の断線を発生させることなく高速の放電加工が可能になる。
【００１０】
電極線は、複数の被覆層が形成された後またはその後に最後の熱処理が施された後に４０〜９９％の範囲内の減面率で塑性加工が施されていることが好ましい。ここで、塑性加工としては、ローラー加工や伸線加工を施すことが可能である。なお、４０％未満の減面率による塑性加工では電極線の引張強度における十分な改善が得られず、９９％を超える減面率の塑性加工では電極線の高温強度が低下して放電加工中の電極線の断線が多発するので好ましくない。なお、塑性加工の減面率とは、以下の式で表わされる。
【００１１】
【数１】

【００１２】
電極線は、７０ｋｇ／ｍｍ^２以上の引張強さを有しかつ（√引張強さ）×（導電率）^３／１０^５≧１．２の関係を満たす導電率を有することが好ましい。なぜならば、引張強さが７０ｋｇ／ｍｍ^２未満の電極線では放電加工中に断線が多発し、導電率が低い電極線では十分な放電加工速度が得られないからである。
【００１３】
電極線は、２０≧（平均合計被覆層厚さ）×１００／（線径）≧５の関係を満たす線径と平均合計被覆層厚さを有することが好ましい。なぜならば、全被覆層の厚さが大きくなりすぎれば電極線の高温強度が低下して放電加工中に断線が生じやすくなり、逆に全被覆層厚さが小さすぎる場合には十分な放電加工速度が得られないからである。なお、平均合計被覆層厚さとは、芯材の外周表面に直接接している第１被覆層から最外被覆層までの合計厚さの平均値を意味する。
【００１４】
なお、上述の複数の被覆層の相互の界面においては、組成が急激に変化していてもよいし徐々に変化していてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施の形態のより具体的な例として、種々の実施例を説明する。
【００１６】
（実施例１）
直径８ｍｍのＣｕ−２０％Ｚｎ芯材と、内径が９ｍｍで外径が１１ｍｍのＣｕ−４０％Ｚｎパイプと、内径が１２ｍｍで外径が１３ｍｍのＡｇパイプが、締付ダイスを用いるパイプ嵌合法によって結合され、さらに伸線加工することによってＣｕ−２０％Ｚｎ／Ｃｕ−４０Ｚｎ／Ａｇ構造を有する電極線が作製された。この電極線の伸線加工において、伸線加工を容易にするために４５０℃以下において適宜の回数の軟化熱処理が施され、最後の熱処理の後に９５．７％の減面率で塑性加工が施された。
【００１７】
（実施例２）
直径８ｍｍのＣｕ−３０％Ｚｎ芯材と、内径が９ｍｍで外径が１１ｍｍＣｕ−４０％Ｚｎパイプとが、パイプ嵌合法で結合され、さらに伸線加工によって１．０ｍｍの線径にされた。このとき、伸線加工を容易にするために４５０℃以下において適宜の回数の軟化熱処理が施された。この線径１．０ｍｍの複合線の表面上にさらに電気めっきによってＳｎ層が形成され、その後に減面率９３．８％の塑性加工を施すことによってＣｕ−３０％Ｚｎ／Ｃｕ−４０％Ｚｎ／Ｓｎ構造を有する電極線が作製された。
【００１８】
（実施例３）
直径０．７ｍｍのＣｕ−３５％Ｚｎ芯材をＺｎ蒸気中に２回通過させることによってＣｕ−３５％Ｚｎ／Ｃｕ−４５％Ｚｎ／Ｃｕ−５０％Ｚｎ構造を有する複合線が作製され、この複合線を減面率９０％で塑性加工することによって電極線が作製された。
【００１９】
（実施例４）
直径０．６ｍｍのＣｕ被覆鋼線芯材をＭｇ蒸気中に通過させ、その後に電気めっきでＺｎ層を被覆し、さらに減面率８５％の塑性加工を施すことによって鋼／Ｃｕ−３０％Ｍｇ／Ｚｎ構造を有する電極線が作製された。
【００２０】
（実施例５）
直径８ｍｍのＣｕ−１０％Ｚｎ芯材と、内径が９ｍｍで外径が１１ｍｍのＣｕ−３８％Ｚｎパイプと、内径が１２ｍｍで外径が１３ｍｍのＡｌパイプと、内径が１３．５ｍｍで外径が１４．５ｍｍのＺｎパイプをパイプ嵌合法で結合するとともに伸線加工を行なうことによってＣｕ−１０％Ｚｎ／Ｃｕ−３８％Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎ構造を有する電極線が作製された。この場合、伸線加工を容易にするために３５０℃以下の温度で適宜の回数だけ軟化熱処理が施され、最後の熱処理の後に減面率９５．７％の塑性加工が施された。
【００２１】
（実施例６）
直径８ｍｍのＣｕ−０．３％Ｓｎ芯材と、内径が９ｍｍで外径が１１ｍｍのＣｕ−４０％Ｚｎパイプと、内径が１２ｍｍで外径が１３ｍｍのＴｉパイプをパイプ嵌合法で結合させるとともに直径０．７５ｍｍまで伸線加工することによってＣｕ−０．３％Ｓｎ／Ｃｕ−４０％Ｚｎ／Ｔｉ構造の複合線が得られた。この複合線を４５０℃の窒素ガス雰囲気中で熱処理することによってＴｉＮ層を生成させ、このＴｉＮ層上にさらに電気めっきでＺｎ層を形成した後に減面率９０％の塑性加工を施すことによってＣｕ−０．３％Ｓｎ／Ｃｕ−４０％Ｚｎ／（ＴｉＮ含有）／Ｚｎ構造を有する電極線が作製された。
【００２２】
（実施例７）
直径０．８ｍｍのＣｕ−２０％Ｚｎ芯材をＺｎ蒸気中に通過させることによってＣｕ−２０％Ｚｎ／Ｃｕ−４６％Ｚｎの複合線を形成した。この複合線の冷却中の短い時間に大気中でその表面を酸化させることによってＣｕとＺｎの複合酸化物層を形成した。このときの複合酸化物層はアイランド状の不連続な層であり、部分的に最も厚い領域でも約５０ｎｍ程度の厚さであった。この複合酸化物層を有する複合線を再度Ｚｎ蒸気中に通過させることによって、その不連続酸化物層上にＣｕ−４６％Ｚｎ層を形成するとともに、さらにその上にＺｎめっき層を形成した後に減面率９２．３％の塑性加工を施すことによって、Ｃｕ−２０％Ｚｎ／Ｃｕ−４６％Ｚｎ／（ＣｕとＺｎの複合酸化物）／Ｃｕ−４６％Ｚｎ／Ｚｎ構造を有する電極線が作製された。この場合、複合酸化物層は脆性であるので、Ｚｎめっき層形成後の塑性加工によってさらに細分化された不連続な被覆層となる。
【００２３】
（実施例８）
直径０．８ｍｍのＣｕ−２０％Ｚｎ芯材をＺｎ蒸気中に通過させることによってＣｕ−２０％Ｚｎ／Ｃｕ−４６％Ｚｎの複合線が得られた。この複合線の表面に電気めっきによってＺｎ層を形成した後に減面率９２．３％の塑性加工が施され、これによってＣｕ−２０％Ｚｎ／Ｃｕ−４６％Ｚｎ／Ｚｎ構造を有する電極線が作製された。
【００２４】
（従来例）
従来例による電極線の一例であって被覆層を有しないＣｕ−３５．１％Ｚｎの放電加工用電極線が、本発明による電極線に対する比較の対象として採用された。
【００２５】
以上のようにして得られた本発明の実施例による放電加工用電極線と従来例の電極線の構造と特性が表１において要約されている。なお、製造された電極線は、塑性加工の影響による線癖をなくすために、塑性加工の後に軽く通電熱処理が行なわれている。そして、実施例において最終的に得られた電極線は、いずれも表面が滑らかで線癖のない伸直性に優れたものであった。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１に示された電極線をワイヤ放電加工機に取付けて同一条件の下で放電加工を行ない、放電加工速度、被加工物の切断面における付着物量、被加工物の切断表面性状、電極の断線回数、および断線時の自動給線性について調査し、その結果が表２に示されている。なお、放電加工速度は、単位時間当りの加工断面積（加工送り速度と被加工物厚さの積）で求めた後、従来の電極による放電加工速度を１．０とする比率として示されている。また、被加工物の切断面における付着物量も、従来の電極線を用いた場合を１００とする相対的な比率で示されている。さらに、被加工物としてはＪＩＳ規格によるＳＫＤ−１１材が用いられ、その厚さは６０ｍｍであった。
【００２８】
【表２】

【００２９】
【発明の効果】
表１および表２からわかるように、本発明による放電加工用電極線は、従来のものに比べて放電加工特性（加工速度、被加工物の断面性状など）が著しく向上し、自動給線性にも優れている。なお、上述の実施例では化合物含有層として炭化物含有層を含む電極線は例示されなかったが、上述の窒化物含有層や酸化物含有層の代りに炭化物含有層を含む電極線であっても、本発明の効果を同様に発揮することができる。

Claims (5)

1. 芯材と、
   前記芯材の外周表面を覆う複数の被覆層とを含み、
   互いに隣接する前記芯材および前記複数の被覆層は互いに異なる材質を有し、
   前記被覆層の各々はＣｕ、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇ、およびＴｉからなるグループから選択された金属またはその金属を含む合金からなり、
   前記芯材の外周表面に直接接している第１の前記被覆層はＣｕ−Ｚｎ合金からなり、
   前記複数の被覆層は、前記金属または合金からなる被覆層に加えて、最外層以外の少なくとも１層として前記選択された金属を含む窒化物または酸化物の不連続な層を含み、
   前記複数の被覆層の最外層はＺｎからなることを特徴とするワイヤ放電加工用電極線。
2. 前記芯材の少なくとも表面層は銅または銅合金からなることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ放電加工用電極線。
3. 前記複数の被覆層が形成された後またはその後に最後の熱処理が施された後に８５〜９６％の範囲内の減面率で塑性加工が施されていることを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤ放電加工用電極線。
4. ７０ｋｇ／ｍｍ²以上の引張強さを有しかつ（√引張強さ）×（導電率）³／１０⁵≧１．２の関係を満たす導電率を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載のワイヤ放電加工用電極線。
5. ２０≧（平均合計被覆層厚さ）×１００／（線径）≧５の関係を満たす線径と平均合計被覆層厚さを有することを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載のワイヤ放電加工用電極線。