JP3882753B2 - ワイヤ放電加工用電源装置及びワイヤ放電加工方法 - Google Patents
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Description
この発明は、ワイヤ電極と被加工物との極間に放電を発生させて被加工物の加工を行うワイヤ放電加工に用いられる前記極間に加工電力を供給するワイヤ放電加工用電源装置及びワイヤ放電加工方法の改良に関するものである。
背景技術
電極と被加工物との極間に加工電力を供給する従来の放電加工用電源装置として、前記極間に交流高周波電圧を印加し、短い時間幅の放電を高い繰り返し頻度で発生させることにより、前記被加工物に微細な加工面が得られることが知られている。例えば、日本国特開昭61−260915号公報には、1MHzから5MHzの交流高周波電圧を極間に印加することにより1μm Rmax以下の加工面が得られることが開示されている。また、日本国特開平7−9258号公報には、7MHzから30MHzの交流高周波電圧を極間に印加することにより0.5μm Rmax以下の加工面が得られることが開示されている。
第10図は、従来の交流高周波電源を用いた放電加工用電源装置の例を示すブロック図であり、図において、1は電極、2は被加工物、3は直流電源、4は高周波発振増幅回路である。外部指令により、直流電源3から一定の電圧あるいは電力を高周波発振増幅回路4に入力し、交流高周波電圧を発生させ、電極1と被加工物2との極間に交流高周波電圧Vgを印加することにより、放電エネルギにより被加工物2を放電加工する。
第11図は、従来の交流高周波電源を用いた放電加工用電源装置において、交流高周波電圧を前記極間に印加した場合の無負荷時の極間電圧波形の一例を示す図である。このような例えば1MHz以上の周波数で、交流高周波電圧を前記極間に継続的に供給することにより、面粗さが非常に滑らかな加工面を得ることができる。
以上のような交流高周波電源を用いた放電加工用電源装置は、被加工物加工面の面粗さが非常に滑らかになるという大きな効果があるが、ワイヤ放電加工に使用した場合においては、近年の市場における厳しい要求に対応するために、いくつかの問題点があることがわかってきた。交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工用電源装置の問題点を以下に示す。
▲1▼真直精度が低下する。
交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工用電源装置では、極間に電圧を印加したままの状態となるため、ワイヤ電極と被加工物との間に静電力による引力が働き、被加工物の中央部分が大きく加工される、いわゆる「太鼓形状」になり、真直精度が低下するという問題点がある。
▲2▼加工面に筋が発生する。
交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工は面粗さの細かい領域の加工であるために、わずかなワイヤ電極の振動であっても加工面性状に与える影響が顕著となる。従って、ワイヤ電極と被加工物との間の静電力による引力と放電による反発力が一定しないために生じるワイヤ電極の振動により被加工物加工面に筋が発生するという問題点がある。また、このような加工面の筋は目視でも確認できるものである。
交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工用電源装置による被加工物加工面は、縦方向(加工の際にワイヤ電極と平行になる方向)の面粗さと横方向(加工の際にワイヤ電極と垂直になる方向)の面粗さに大きな差異が生じることが珍しくない。例えば、前記横方向の面粗さが前記縦方向の面粗さと比較して3乃至4割程度悪い場合がある。第12図は、従来の交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工用電源装置により板厚20mmの鋼材を直径0.2mmの黄銅ワイヤ電極により加工した場合における被加工物加工面の面粗さの例を示したものであり、第12図の(a)は縦方向の面粗さ曲線、第12図の(b)は横方向の面粗さ曲線を示している。第12図の場合、横方向の面粗さは1.82μm Rmax、縦方向の面粗さは1.29μm Rmaxであり、横方向の面粗さは縦方向の面粗さに比べて約4割粗いことがわかる。このような方向による面粗さの相違が被加工物加工面に発生する筋と関係がある。
▲3▼加工面粗さが低下する。
交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工用電源装置では、電圧の極性が交代するものの、電圧が常に印加された状態であるため、放電が長期間(数周期から数十周期分)連続する現象がみられ、交流高周波の1パルス(交流の半波)の放電により得られると想定される面粗さよりも数倍粗い面粗さしか得られないという問題点がある。第13図に、電源周波数13.55MHzの従来の交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工用電源装置による加工実行時の極間電圧波形の例を示す。交流高周波印加電圧のピーク値が所定電圧以下に下がっていることから放電の有無を一次判断することができ、第13図の電圧波形から交流高周波印加電圧の数十周期にわたり連続して放電している現象が見られる。荒加工において、電圧印加後すぐに放電が発生するような現象が起きているときには、放電が同じところに発生していることが多いことがわかっており、第13図のような交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工用電源装置による放電加工においても放電集中が起きていると推定され、この放電集中により加工面粗さが低下しているものと考えられる。
ワイヤ放電加工の用途として、半導体業界をはじめとして極めて高精度かつ非常に滑らかな面粗さが要求される用途が増加している。例えば、ICリードフレームの金型等の加工においては、形状精度が1μm以下、面粗さが0.5μm Rmax以下というような厳しい要求も見受けられる。このような厳しい要求に応えるために、前記のような問題点の解消が切迫した課題となっていた。
発明の開示
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、被加工物のワイヤ放電加工において、高精度かつ高品位な被加工物加工面が得られるワイヤ放電加工用電源装置及びワイヤ放電加工方法を得ることを目的とする。
この発明に係るワイヤ放電加工用電源装置は、ワイヤ電極と被加工物との極間に交流高周波電圧を印加する交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工用電源装置において、前記極間への交流高周波電圧の印加及び休止を行う交流高周波電圧間欠供給手段を備えたものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工用電源装置は、前記交流高周波電圧間欠供給手段による交流高周波電圧の印加時間を放電の連続を分断できる所定時間としたものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工用電源装置は、前記交流高周波電圧間欠供給手段による交流高周波電圧の印加時間を約1μs以下としたものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工用電源装置は、前記交流高周波電圧間欠供給手段による交流高周波電圧の印加時間を交流高周波電圧の10周期程度以下としたものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工用電源装置は、前記交流高周波電圧間欠供給手段による交流高周波電圧の印加時間及び休止時間並びに交流高周波電圧のピーク値及び周波数等による加工特性を予め保存してなり、要求仕様及び加工条件に応じて前記交流高周波電圧の印加時間及び休止時間の保存値を呼び出して前記交流高周波電圧間欠供給手段を制御する制御手段を備えたものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工用電源装置は、ワイヤ電極と被加工物との極間に交流高周波電圧を印加する交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工用電源装置において、第1の所定時間における交流高周波電圧の絶対値よりも第2の所定時間における交流高周波電圧の絶対値を所定の割合で小さくして極間への供給を行い、このような可変電圧供給を繰り返し行う交流高周波電圧可変供給手段を備えたものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工用電源装置は、前記交流高周波電圧可変供給手段による交流高周波電圧の第1の印加時間を放電の連続を分断できる所定時間としたものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工用電源装置は、前記交流高周波電圧可変供給手段による交流高周波電圧の第1の印加時間を約1μs以下としたものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工用電源装置は、前記交流高周波電圧可変供給手段による交流高周波電圧の第1の印加時間を交流高周波電圧の10周期程度以下としたものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工用電源装置は、前記第1の所定時間及び第2の所定時間並びに交流高周波電圧のピーク値及び周波数等による加工特性を予め保存してなり、要求仕様及び加工条件に応じて前記第1の所定時間及び第2の所定時間の保存値を呼び出して前記交流高周波電圧可変供給手段を制御する制御手段を備えたものである。
この発明に係るワイヤ放電加工方法は、ワイヤ電極と被加工物との極間に交流高周波電圧を供給することにより前記被加工物を加工するワイヤ放電加工方法において、前記極間への交流高周波電圧の印加を間欠的に行うものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工方法は、前記交流高周波電圧の印加時間及び休止時間を、要求仕様及び加工条件に応じて可変としたものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工方法は、ワイヤ電極と被加工物との極間に交流高周波電圧を供給することにより前記被加工物を加工するワイヤ放電加工方法において、第1の所定時間における交流高周波電圧の絶対値よりも第2の所定時間における交流高周波電圧の絶対値を所定の割合で小さくして極間への供給を行い、このような可変電圧供給を繰り返し行うものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工方法は、前記第1の所定時間及び第2の所定時間を、要求仕様及び加工条件に応じて可変としたものである。
この発明に係るワイヤ放電加工用電源装置及びワイヤ放電加工方法は以上のように構成されているため、被加工物加工面の真直精度を向上することができる。また、被加工物加工面に形成される筋を無くすことができる。さらに、被加工物加工面の面粗さを小さくすることができる。さらにまた、被加工物の所期の形状精度及び面粗さを確保しながら、加工生産性の低下を抑制することができる。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態1.
第1図は、この発明の実施の形態1に係るワイヤ放電加工用電源装置のブロック図であり、図において、1aはワイヤ電極、2は被加工物、4は高周波発振増幅回路、5はパルス電源である。パルス電源5から間欠的な電圧Vを高周波発振増幅回路4へ入力することにより、ワイヤ電極1aと被加工物2との極間に電圧Vg1の交流高周波電圧が印加される。
第2図は、この発明の実施の形態1に係るワイヤ放電加工用電源装置におけるパルス電源5の電圧波形V及び極間電圧波形Vg1を説明するための概念図である。パルス電源5から出力されるパルス電圧Vが印加される所定時間T1と、パルス電圧Vが印加されない所定時間T2とに同期して、極間に間欠的に交流高周波電圧を印加する。
パルス電源5が極間への交流高周波電圧の印加(所定時間T1)及び休止(所定時間T2)を行う交流高周波電圧間欠供給手段に相当する。
第3図は、13.55MHzの周波数の交流高周波電圧を前記所定時間T1=1.7μs、前記所定時間T2=2μsで間欠的に印加した場合の極間電圧波形Vg1の例を示したものである。第2図の概念図に比べ、極間電圧波形Vg1の振幅が一定でないのは、立ち上がり及び立ち下がりの時定数の影響等によるものである。
以上のように間欠的に交流高周波電圧を印加することにより、交流高周波電圧が印加されない所定時間T2において極間に発生する静電力が低減され、ワイヤ電極1aの振動を抑制することが可能となり、高精度な加工を実現することができる。
第4図は、被加工物加工面の形状曲線、真直精度及び面粗さの計測結果を示したものであり、第4図の(a)は13.55MHzの交流高周波電圧を連続的に印加した場合、第4図の(b)は13.55MHzの交流高周波電圧を間欠的に印加した場合(T1=1.7μs、T2=2μs)の形状曲線等を示している。また、第4図の(a)及び(b)共に、被加工物が板厚20mmの鋼材、ワイヤ電極が直径0.2mmの黄銅である場合の計測結果である。
第4図の(a)の交流高周波電圧を連続的に印加した場合の形状曲線を見ると、被加工物の中央部分が大きく凹んで、いわゆる「太鼓形状」となっており、真直精度が2.39μmと悪いが、第4図の(b)の交流高周波電圧を間欠的に印加した場合の真直精度は0.19μmであり、交流高周波電圧の間欠的印加により真直精度を大きく改善できることが確認できた。
また、第4図の(b)の交流高周波電圧を間欠的に印加した場合は、第4図の(a)の交流高周波電圧を連続的に印加した場合と比較して、被加工物加工面の横方向の面粗さと縦方向の面粗さとの差が小さいことがわかり、第4図の(b)の交流高周波電圧を間欠的に印加した場合には、ワイヤ電極の振動により発生する被加工物加工面の筋が無くなることも確認できた。
しかし、第4図の(b)の交流高周波電圧の間欠的な印加条件では、被加工物加工面の面粗さを大きく改善することはできないことがわかる。
この原因としては、交流高周波電圧の所定印加時間T1が長いため、放電の連続という点に関しては連続交流高周波電圧の印加とあまり変わらないためであると考えられる。そこで、交流高周波による放電の連続を分断するために、交流高周波電圧の所定印加時間T1を短くしていったところ、交流高周波電圧の所定印加時間T1がある値以下になると被加工物加工面の面粗さを非常に小さくできることがわかった。
第5図は、交流高周波電圧の所定印加時間T1による被加工物加工面の縦方向面粗さの変化を示したものであり、交流高周波電圧の所定印加時間T1を約1μs程度(交流高周波電圧の10乃至10数周期程度に相当)以下とすることにより、被加工物加工面の面粗さが非常に小さくなり、高品位の面性状が得られることがわかる。例えば交流高周波電圧の所定印加時間T1が0.6μsの場合において、被加工物加工面の縦方向面粗さは0.76μm Rmax(横方向面粗さは0.89μm Rmax)であり、第4図に示した被加工物加工面の面粗さの計測結果と比較して、面粗さを大きく改善できることがわかる。
以上のように、交流高周波電圧の間欠的な印加及び交流高周波電圧の所定印加時間T1の選定により、被加工物の真直精度及び面粗さ等の加工特性が大きく改善できることがわかったが、交流高周波電圧の連続的な印加による場合と比較して加工効率は低下することになる。従って、前記所定時間T1及びT2並びに交流高周波電圧のピーク値及び周波数等による加工特性を予め実験により求めて図示しない制御手段に保存しておき、要求仕様及び加工条件に応じて前記制御手段により前記所定時間T1及びT2を設定することにより、所期の形状精度及び面粗さを確保しながら、加工生産性の低下を抑制することができる。
例えば、被加工物の板厚が大きくなると静電力による影響が大きくなるため、前記所定時間T2を大きくして前記所定時間T1の割合を下げることで静電力を小さくすることにより、真直精度を向上させることができる。また、内側コーナ部の加工等加工量が大きくなる場合には、前記所定時間T2を小さくして前記所定時間T1を大きくすることにより、加工能力を大きくして安定した加工を実現することができる。
以上のような間欠的な交流高周波電圧を極間に印加するためには、交流高周波電圧間欠供給手段として第1図のようなパルス電源5を用いる他にも様々な方法がある。例えば、パルス電源5の代わりに直流電源を用いて、高周波発振増幅回路4に入る電圧をスイッチング素子によりオン・オフしてもよいし、電源としては連続した交流高周波電圧を発生させておき、極間を強制的に周期的に短絡させる構成としてもよい。
また、以上のような交流高周波電源に休止を入れる概念に関連するものとして、例えば日本国特開昭59−232726号公報に開示された発明がある。この発明は、交流高周波電圧を印加する第1の電源と、放電開始時点から所定幅のパルス電流を流す第2の電源とを備え、極間に交流高周波電圧を印加して放電が発生したときにパルス電流により放電加工を行うものであり、交流高周波電圧を放電を誘発させるために用い、放電を検出した後に直流電流を印加する方式の電源に関するものである。従って、加工速度及び電極消耗が前記パルス電流によって決まるものであり、この発明とは技術思想が全く異なるものである。
実施の形態2.
第6図は、この発明の実施の形態2に係るワイヤ放電加工用電源装置の回路図であり、図において、1aはワイヤ電極、2は被加工物、3は直流電源、4は高周波発振増幅回路、6は抵抗装置、7a及び7bは抵抗、8a及び8bはダイオード、9a及び9bはFETである。直流電源3から所定の電圧を高周波発振増幅回路4へ入力することにより、ワイヤ電極1aと被加工物2の極間に電圧Vg2の交流高周波電圧が印加される。極間に並列に接続された抵抗装置6内の、FET9a及び9bは、外部信号S1及びS2によりそれぞれ独立に駆動可能な構成となっている。また、ダイオード8aはワイヤ電極1aがマイナス、被加工物2がプラスの極性(正極性)時に電流が流れる向きに抵抗7aと直列に接続され、ダイオード8bはワイヤ電極1aがプラス、被加工物2がマイナスの極性(逆極性)時に電流が流れる向きに抵抗7bと直列に接続されている。
第7図は、この発明の実施の形態2に係るワイヤ放電加工用電源装置におけるFET9aとFET9bそれぞれの入力信号S1、S2と極間電圧波形Vg2を説明するための概念図である。FET9aとFET9bのオン・オフを第7図の(a)のように同期して動作させた場合、第7図の(b)のように、外部信号S1及びS2がオフである所定時間T4(第1の所定時間)よりも外部信号S1及びS2がオンである所定時間T3(第2の所定時間)の方が、極間に印加される交流高周波電圧Vg2の絶対値が小さくなる。
第6図の抵抗装置6が、前記第1の所定時間よりも前記第2の所定時間の交流高周波電圧の絶対値を所定の割合で小さくして極間への供給を行い、このような可変電圧供給を繰り返し行う交流高周波電圧可変供給手段に相当する。
このような交流高周波電圧を極間に印加することにより、前記所定時間T3におけるワイヤ電極1aと被加工物2間に発生する静電力を低減させることができるため、ワイヤ電極1aの振動を抑制することが可能となり、より高精度な加工を実現することができる。
実施の形態3.
第8図は、この発明の実施の形態3に係るワイヤ放電加工用電源装置の回路図であり、実施の形態2の第6図と同一符号は同一又は相当部分を示している。第8図において、5はパルス電源、10は抵抗装置、11は抵抗、12a及び12bはダイオード、13a及び13bはFETである。直流電源3から所定の電圧を高周波発振増幅回路4へ入力することにより、ワイヤ電極1aと被加工物2の極間に交流高周波電圧Vg3が印加される。極間に並列に接続された抵抗装置10内のFET13a及び13bは、パルス電源5により同時に駆動可能な構成となっており、逆極性時にはFET13aとFET13bのダイオード12bを通り、正極性時にはFET13aのダイオード12aとFET13bを介して抵抗11に電流が流れる。
第9図は、この発明の実施の形態3に係るワイヤ放電加工用電源装置におけるFET13aとFET13bそれぞれの入力信号S3、S4と極間電圧波形Vg3を説明するための概念図である。FET13aとFET13bを第9図の(a)のように同期してオン・オフすることにより、第9図の(b)のように実施の形態2の第7図の(b)と同様の極間電圧波形を得ることができ、実施の形態2と同様の効果を奏する。
また、この場合は、第8図の抵抗装置10が、前記第1の所定時間よりも前記第2の所定時間の交流高周波電圧の絶対値を所定の割合で小さくして極間への供給を行い、このような可変電圧供給を繰り返し行う交流高周波電圧可変供給手段に相当する。
産業上の利用可能性
以上のように、この発明に係るワイヤ放電加工用電源装置及びワイヤ放電加工方法は、特に高精度かつ高品位なワイヤ放電加工に用いられるのに適している。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の実施の形態1に係るワイヤ放電加工用電源装置のブロック図である。
第2図は、この発明の実施の形態1に係るワイヤ放電加工用電源装置におけるパルス電源の電圧波形及び極間電圧波形を説明するための概念図である。
第3図は、この発明の実施の形態1に係るワイヤ放電加工用電源装置による間欠的な交流高周波電圧を印加した場合の極間電圧波形の例を示す図である。
第4図は、被加工物加工面の形状曲線、真直精度及び面粗さの計測結果を示す図である。
第5図は、交流高周波電圧の所定印加時間T1による被加工物加工面の縦方向面粗さの変化を示す図である。
第6図は、この発明の実施の形態2に係るワイヤ放電加工用電源装置の回路図である。
第7図は、この発明の実施の形態2に係るワイヤ放電加工用電源装置におけるFETの入力信号と極間電圧波形を説明するための概念図である
第8図は、この発明の実施の形態3に係るワイヤ放電加工用電源装置の回路図である。
第9図は、この発明の実施の形態3に係るワイヤ放電加工用電源装置におけるFETの入力信号と極間電圧波形を説明するための概念図である。
第10図は、従来の放電加工用電源装置の例を示すブロック図である。
第11図は、従来の交流高周波電源を用いた放電加工用電源装置において、交流高周波電圧を極間に印加した時の無負荷電圧波形の一例を示す図である。
第12図は、従来の交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工用電源装置による被加工物の加工面の面粗さの例を示す図である。
第13図は、従来の交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工用電源装置による加工実行時の極間電圧波形の例を示す図である。
Claims (14)
- ワイヤ電極と被加工物との極間に交流高周波電圧を印加して前記被加工物を加工する交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工用電源装置において、
前記極間への交流高周波電圧の複数周期にわたる印加及び休止を所定の周期で行う交流高周波電圧間欠供給手段を備えたことを特徴とするワイヤ放電加工用電源装置。 - 請求の範囲1において、前記交流高周波電圧間欠供給手段による交流高周波電圧の印加時間を放電の連続を分断できる所定時間としたことを特徴とするワイヤ放電加工用電源装置。
- 請求の範囲1において、前記交流高周波電圧間欠供給手段による交流高周波電圧の印加時間を約1μs以下としたことを特徴とするワイヤ放電加工用電源装置。
- 請求の範囲1において、前記交流高周波電圧間欠供給手段による交流高周波電圧の印加時間を交流高周波電圧の10周期程度以下としたことを特徴とするワイヤ放電加工用電源装置。
- 請求の範囲1において、前記交流高周波電圧間欠供給手段による交流高周波電圧の印加時間及び休止時間並びに交流高周波電圧のピーク値及び周波数等による加工特性を予め保存してなり、要求仕様及び加工条件に応じて前記交流高周波電圧の印加時間及び休止時間の保存値を呼び出して前記交流高周波電圧間欠供給手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とするワイヤ放電加工用電源装置。
- ワイヤ電極と被加工物との極間に交流高周波電圧を印加する交流高周波電源を用いたワイヤ放電加工用電源装置において、
第1の所定時間における交流高周波電圧の絶対値よりも第2の所定時間における交流高周波電圧の絶対値を所定の割合で小さくして極間への供給を行い、このような可変電圧供給を繰り返し行う交流高周波電圧可変供給手段を備えたことを特徴とするワイヤ放電加工用電源装置。 - 請求の範囲6において、前記交流高周波電圧可変供給手段による交流高周波電圧の第1の印加時間を放電の連続を分断できる所定時間としたことを特徴とするワイヤ放電加工用電源装置。
- 請求の範囲6において、前記交流高周波電圧可変供給手段による交流高周波電圧の第1の印加時間を約1μs以下としたことを特徴とするワイヤ放電加工用電源装置。
- 請求の範囲6において、前記交流高周波電圧可変供給手段による交流高周波電圧の第1の印加時間を交流高周波電圧の10周期程度以下としたことを特徴とするワイヤ放電加工用電源装置。
- 請求の範囲6において、前記第1の所定時間及び第2の所定時間並びに交流高周波電圧のピーク値及び周波数等による加工特性を予め保存してなり、要求仕様及び加工条件に応じて前記第1の所定時間及び第2の所定時間の保存値を呼び出して前記交流高周波電圧可変供給手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とするワイヤ放電加工用電源装置。
- ワイヤ電極と被加工物との極間に交流高周波電圧を供給することにより前記被加工物を加工するワイヤ放電加工方法において、
前記極間への交流高周波電圧の複数周期にわたる印加及び休止を所定の周期としたことを特徴とするワイヤ放電加工方法。 - 請求の範囲11において、前記交流高周波電圧の印加時間及び休止時間を、要求仕様及び加工条件に応じて可変としたことを特徴とするワイヤ放電加工方法。
- ワイヤ電極と被加工物との極間に交流高周波電圧を供給することにより前記被加工物を加工するワイヤ放電加工方法において、
第1の所定時間における交流高周波電圧の絶対値よりも第2の所定時間における交流高周波電圧の絶対値を所定の割合で小さくして極間への供給を行い、このような可変電圧供給を繰り返し行うことを特徴とするワイヤ放電加工方法。 - 請求の範囲13において、前記第1の所定時間及び第2の所定時間を、要求仕様及び加工条件に応じて可変としたことを特徴とするワイヤ放電加工方法。
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