JP3882810B2 - 放電加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電加工装置に関し、特に放電加工中の加工反力により放電加工機本体が変形する場合に、その加工反力または放電加工機本体の変形をある値以内または一定量に制御する放電加工装置に関するものである。

図６は従来の一般的な放電加工装置の構成図である。
図において、１は電極、２は被加工物、３は加工液、４は加工槽、５は電極１をＺ軸まわりに回転する電極回転装置、６はＹ軸テーブル、７はＹ軸テーブルを駆動するＹ軸駆動装置、８はＸ軸テーブル、９はＸ軸テーブルを駆動するＸ軸駆動装置、１０は電極１を取付けた電極回転装置５をＺ方向へ駆動するＺ軸駆動装置、１１は電極１と被加工物２とで形成する電極間に加工パルスを供給する加工電源、１２は加工中の加工状態を検出する加工状態検出装置、１３は加工間隙に加工液を供給する加工液供給装置、１４はＮＣ制御装置である。図７は図６に示す放電加工装置の動作を説明するブロック図である。図において、１１、１２、１３、１４は図６におけるのと同じである。１５は加工電源１１、加工液供給装置１３、加工軌跡指令器１６、ジャンプ動作制御器１７、および比較器１８に種々の加工条件を設定する加工条件設定器である。１６は所望の形状に加工する軌跡や電極揺動パターンなどを発生する加工軌跡指令器、１７は加工中に電極１の上昇、降下動作を行わせるジャンプ動作制御器、１８は比較器、１９は加工制御器、２０は加工／ジャンプ動作切替え器である。これら１５〜２０は一般にＮＣ制御装置１４のプログラムにより実現している。２１は電極駆動装置であり、電極回転装置５と各軸テーブルおよび各軸駆動装置６〜１０よりなる。２２は放電加工プロセスであり、加工液３中に対向して配置する電極１と被加工物２との間で起る放電加工現象を表している。

次に動作について説明する。
通常の放電加工装置では、安定な加工状態を維持しながら所望の形状を加工するために電極１と被加工物２との間隙を調節する極間制御系を構成している。この制御系は、加工条件設定器１５により設定する基準指令値と加工状態検出装置１２が検出する放電加工プロセス２２の状態を表す検出値とを比較器１８で比較して偏差を求め、加工制御器１９によりこの偏差がゼロになるよう加工軌跡指令器１６からの指令に基づいた電極移動指令を電極駆動装置２１へ与え、電極１と被加工物２との間隙を制御する。そして、電極移動指令値が所望の形状の最終指令値になった時点で加工を終了する。このとき、加工／ジャンプ動作切替え器２０では加工が選択される。
極間制御とともに、ＮＣ制御装置１４ではジャンプ動作の制御を行う。ジャンプ動作は、加工／ジャンプ動作切替え器２０が強制的に極間制御からジャンプ動作に切替え、電極１の上昇、降下動作を行なうものである。このジャンプ動作は、そのポンプ作用により加工くずを加工間隙から排除し加工状態を安定させるという点で重要である。

しかしながら、このような放電加工装置では、特に電極が大きい場合や仕上げ加工時のように加工間隙が非常に狭い場合、または加工深さが大きい場合に、ジャンプ動作時の電極上昇降下の際、電極に大きな正圧または負圧（以下、加工反力と呼ぶ）が作用し、これにより放電加工機本体が変形して加工精度が低下する問題がある（例えば、非特許文献１参照）。

前記文献によれば、前述の電極に作用する力は加工液の粘性に起因するものであり、電極が降下する時に作用する力が特に加工精度低下の原因になるとしている。
図８は毛利らが実際に測定したジャンプ動作時の主軸変位、加工反力、コラム変形量を示すものであるが、図中Ａ部を見れば電極が降下する時に加工反力が最大になることがわかる。なお、図において主軸とはＺ軸を、コラムとはＺ軸を支えている機械本体をそれぞれ意味し、加工反力は電極取付け治具に組込んだ力センサで測定している。

上記の問題を解決するために、前述の毛利らは、加工機を門型構造にして剛性を高めることや、電極の降下が完了する直前にその電極降下速度を小さくすることによって加工反力を軽減し、コラムの変形を低減することを提案している。
図８のＢ部を見るとＡ部に比べ加工反力が小さく、そのためコラム変形量も小さいことがわかる。これはＢ部の方が主軸の降下する速度が小さいことによるもので、毛利らの提案を支持する結果である。

これと同様な発想に基づいてジャンプ動作時の電極速度を制御する方法がある（例えば特許文献１参照）。この方法は、図９に示すように電極上昇、降下において電極と被加工物との距離に応じてその速度を変更している。図では、電極上昇時に電極・被加工物間の距離Ｌ1 で、電極上昇速度をｖ2 からｖ1 へ加速し、電極降下時に電極・被加工物間の距離Ｌ1 で、電極降下速度をｖ1 からｖ2 へ減速して電極に作用する正圧、負圧を軽減している。

毛利 尚武 他「放電加工機実稼動における機械的諸特性に関する研究」電気加工学会誌、１９８７年、Vol.２０、No.３９、ｐ．１９−２９ 特公平４−３１８０６号公報

前記毛利らの報告には電極面積が約２０ｃｍ² までしか記載がない。図１０は電極面積が約１０００ｃｍ² の電極を用い、ジャンプ動作を行いながら仕上げ加工をする場合に観測した主軸変位とコラム変形量を示すものである。このジャンプ動作では電極降下が完了する直前にその電極降下速度が小さくなるように制御している。したがって、電極上昇時にはコラム変形が発生するが電極降下時にはコラム変形がほとんど発生しない。しかし、図８と比べて注目すべき点は、電極と被加工物との間に放電が発生する期間（以下、単に放電中と記す。）のＣ部で大きなコラム変形が発生する点である。このような放電中にコラム変形が発生する現象については、これまでのところ報告はない。
ここに示すコラム変形の原因は、連続した放電により加工間隙に閉じ込められた加工液が、放電により気化し、その際に発生する多数の気泡の圧力によって生じるものである。したがって、コラム変形の問題はジャンプ動作時に限定すべきものではない。実際の加工精度に影響を与えるのは、前述の電極上昇、降下におけるコラム変形よりも、むしろ、ここで述べた放電中のコラム変形の方が大きいと推定される。

前述のように従来の放電加工装置では、放電中に発生する加工液の気泡が電極と被加工物との間隙に溜まることによって電極が受ける力については対応できていない。したがって、この気泡の圧力により放電加工機本体が変形し、例えば、直交すべきＸＹＺ軸が変形するため加工形状誤差や、基準位置自体の変化による加工寸法誤差などが生じ、十分な加工精度を実現できない。また、そのような加工機本体の変形を考慮せずに電極移動指令値が所望の形状の最終指令値になった時点で加工を終了するので、加工形状誤差を発生させる。さらには、この電極に作用する力は極間制御系の外乱として作用し、気泡が加工間隙から離れ、または気泡が再び液化するなどして圧力が急変すると安定な加工状態を維持できずその結果、加工速度の低下を招いている。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、特に放電中に発生する加工反力に起因する、加工精度および加工速度の低下を改善可能な放電加工装置を実現することを目的とする。

請求項１の放電加工装置は、電極と被加工物との間隙に加工液を供給し、前記電極と前記被加工物の両者に周期的な相対運動であるジャンプ動作を与えるとともに加工パルスを供給して前記被加工物を放電加工する放電加工装置において、前記電極と前記被加工物との間で放電中に発生する前記加工液の気泡により生ずる加工反力により前記放電加工機本体に生じる状態量を検出し、該検出値が所定値または所定値以内である時に前記被加工物の加工完了と判定するようにしたものである。

請求項２の放電加工装置は、請求項１の放電加工装置において、検出する状態量を、前記放電加工機本体に生じる前記加工反力に対応する力量としたものである。

請求項３の放電加工装置は、請求項１の放電加工装置において、検出する状態量を、前記放電加工機本体に生じる前記加工反力に対応する変形量としたものである。

請求項１の発明によれば、電極と被加工物との間の加工反力により放電加工機本体に生じる状態量を検出し、この検出値が所定値または所定値以内である時に被加工物の加工完了と判定するので、安定な加工状態の維持が可能で、加工速度・加工精度ともに向上する。

請求項２の発明によれば、状態量を放電加工機本体に生じる加工反力に対応する力量から検出するので、安定な加工状態の維持が可能で、加工速度・加工精度ともに向上する。

請求項３の発明によれば、状態量を放電加工機本体に生じる変形量から検出するので、安定な加工状態の維持が可能で、加工速度・加工精度ともに向上する。

参考の形態１．
以下、本発明の参考の形態１について説明する。図１は参考の形態１における放電加工装置の動作を説明するブロック図である。図において、１１〜１３、１６〜２２は図１２に示した従来のものと同じである。２３は放電中の加工反力を検出する加工反力検出装置、２４は加工条件変更装置、２５は従来の加工条件設定器とは異なり加工条件変更装置２４からの指令により加工条件設定値の変更ができる機能を有する可変加工条件設定器である。

この参考の形態１では加工反力検出装置２３により放電中の加工反力を検出し、この検出値がある大きさ以上にならないように、または一定値になるよう加工条件変更装置２４により加工条件の変更を可変加工条件設定器２５に指令する。加工反力検出装置２３としては、例えば電極駆動装置のモータ電流、電極駆動装置に取付けたトルクセンサ、電極本体、電極用治具または放電加工機本体に取付けた力センサなどが利用できる。また、変更する加工条件としては、ジャンプ動作開始タイミング、加工パルスの連続放電時間、加工パルスのオン時間および／または時間、加工パルスの電流値および／またはギャップ電圧、加工液の吸引と噴出の切替え、加工液の吸引量や噴出量、加工液の吸引圧力や噴出圧力などのうち、一つまたは複数の組合せが可能である。前述したように、加工反力の発生の主な原因は、放電による加工液の気化により発生する気泡が非常に狭い加工間隙に閉じ込められているためである。したがって、上記のような加工条件を変更すれば、加工間隙での気泡の発生を抑え、または発生する気泡を加工間隙から逃がすなどの作用を促進させ、その結果、この加工反力による放電加工機本体の変形を抑え、加工精度を向上させることが可能となる。

なおこの参考の形態１では、加工反力検出装置２３により放電中の加工反力を検出するようにしたが、放電中の放電加工機本体の変形量を検出するようにしてもよい。この場合、変形量検出の手段としては、例えば光学式測長器、渦電流式測長器、差動トランス式測長器、超音波測長器、歪ゲージなどが利用できる。

以上、参考の形態１における放電加工装置について説明したが、図１に示す加工反力検出装置２３、加工条件変更装置２４、可変加工条件設定器２５はそれぞれ専用装置として構成してもよく、またはＮＣ制御装置１４の中にプログラムとして実現してもよい。

参考の形態２．
以下、本発明の参考の形態２について説明する。図２は参考の形態２における放電加工装置の動作を説明するブロック図である。図において、１１〜１３、１６、１８〜２５は参考の形態１で示したものと同じである。２６は複合ジャンプ動作制御器である。

この参考の形態２では加工反力検出装置２３により放電中の加工反力を検出し、この検出値が所定値もしくは所定値以内になるよう複合ジャンプ動作制御器２６により第２のジャンプ動作を制御する。図３に従来のジャンプ動作制御器によるジャンプ動作とこの実施の形態の複合ジャンプ動作制御器によるジャンプ動作を示す。図中、Ｄは従来のジャンプ動作に相当する第１のジャンプ動作である。また、Ｅは第２のジャンプ動作で、第１のジャンプ動作の合間に適宜行われる。この参考の形態２でのジャンプ動作は、従来と同様に加工間隙からの加工くず排出を目的とする第１のジャンプ動作と、加工反力検出装置２３で検出した検出値に基づいて加工反力を制御しジャンプ動作の起動やジャンプ上昇距離を適応的に調整する。したがって、加工間隙からの加工くずの排出と同時に加工反力の制御を効果的に実現でき、加工状態を安定に維持しながら加工反力による放電加工機本体の変形を抑え、加工速度および加工精度の向上を図ることができる。

なお、この参考の形態２における加工反力検出装置２３の構成や、変更する加工条件は参考の形態１の場合と同じようにすればよい。
また、第２のジャンプ動作を制御するだけの場合には、加工条件変更装置２４は必要なく、この場合には可変加工条件設定器２５は従来の加工条件設定器と同じものでよいことは明らかである。

なおこの参考の形態２では、加工反力検出装置２３により放電中の加工反力を検出するものとしたが、参考の形態１で説明したのと同様に、放電中の放電加工機本体の変形量を検出するものとしてもよい。変形量検出の手段は、参考の形態１の場合と同じものを用いることができる。もちろん、参考の形態１のもつ機能と組合せることも可能である。

以上、参考の形態２における放電加工装置について説明したが、この参考の形態２における複合ジャンプ動作制御器２６は専用装置として構成してもよく、またはＮＣ制御装置１４の中にプログラムとして実現してもよい。

実施の形態１．
以下、本発明の第１の実施の形態について説明する。図４は第１の実施の形態における放電加工装置の動作を説明するブロック図である。図において、１５は図７に示した従来のものと、１１〜１３、１６〜１８、２０〜２３は参考の形態１で示したものと同じである。２７は加工深さ評価制御器、２８は従来の加工制御器とは異なり加工深さ評価制御器からの指令に基づいて加工終了を評価する加工終了評価機能付加工制御器である。

この実施の形態では加工反力検出装置２３により放電中の加工反力を検出し、この検出値がある値以内の時に加工深さ評価制御器２７より加工深さを評価する指令を加工終了評価機能付加工制御器２８に与え加工深さの評価を行う。すなわち、加工反力による放電加工機本体の変形量が許容値以内の時に加工終了を判定するため、所望の加工深さを精度よく加工できる。

なおこの実施の形態では、加工反力検出装置２３により放電中の加工反力を検出するようにしたが、参考の形態１で説明したのと同様に、放電中の放電加工機本体の変形量を検出して、この変形量に基づいて加工深さの評価を行うようにしてもよい。また、加工反力から変形量を算出する変形量算出装置を設けるようにしてもよい。もちろん、参考の形態１および／または参考の形態２のもつ機能と組合せることも可能である。

以上、第１の実施の形態における放電加工装置について説明したが、図４に示す加工深さ評価制御器２７、加工終了評価機能付加工制御器２８はそれぞれ専用装置として構成してもよく、またはＮＣ制御装置１４の中にプログラムとして実現してもよい。

実施の形態２．
以下、本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は第２の実施の形態における放電加工装置の動作を説明するブロック図である。図において、１５は図７に示した従来のものと、１１〜１３、１７〜２３は参考の形態１で示したものと同じである。また、２９は加工反力検出装置２３で検出し加工反力により、放電加工機本体の変形を算出する変形量算出器、３０は変形量算出器２９で算出する変形量に基づいて加工軌跡指令を補正する軌跡補正機能付加工軌跡指令器である。

この実施の形態では加工反力検出装置２３により放電中の加工反力を検出し、変形量算出器２９により検出値から放電加工機本体の変形量を求め、変形量に基づいて補正を軌跡補正機能付加工軌跡指令器３０で行い加工軌跡指令を発生する。このため、放電加工機本体の変形量を補正した高精度な加工を実現できる。

なおこの実施の形態では、加工反力検出装置２３により放電中の加工反力を検出し、変形量算出器２９により検出値から放電加工機本体の変形量を求めるようにしたが、参考の形態１で説明したのと同様に、放電中の放電加工機本体の変形量を直接検出して、この変形量に基づいて加工軌跡を補正するようにしてもよい。もちろん、参考の形態１ないし実施の形態１及び２のいずれか、あるいはこれら３形態のうちの任意の２つの形態のもつ機能と組合せることも可能である。

以上、第２の実施の形態における放電加工装置について説明したが、図５に示す軌跡補正機能付加工軌跡指令器３０は専用装置として構成してもよく、またＮＣ制御装置１４の中にプログラムとして実現してもよい。

本発明の参考の形態１における放電加工装置の動作を表わすブロック図である。 本発明の参考の形態２における放電加工装置の動作を表わすブロック図である。 本発明の参考の形態２におけるジャンプ動作を説明した図である。 本発明の第１の実施の形態における放電加工装置の動作を表わすブロック図である。 本発明の第２の実施の形態における放電加工装置の動作を表わすブロック図である。 従来の放電加工装置の構成を示す図である。 従来の放電加工装置の動作を表わすブロック図である。 ジャンプ動作時に加工液の粘性による加工反力を測定した図である。 従来の放電加工装置におけるジャンプ動作を示す図である。 放電中に加工液が気化してできた気泡による加工反力を測定した図である。

符号の説明

２３ 加工反力検出装置 ２４ 加工条件変更装置
２５ 可変加工条件設定器 ２６ 複合ジャンプ動作制御器
２７ 加工深さ評価制御器 ２８ 加工終了評価機能付加工制御器
２９ 変形量算出器 ３０ 軌跡補正機能付加工軌跡指令器

Claims (3)

1. 電極と被加工物との間隙に加工液を供給し、前記電極と前記被加工物の両者に周期的な相対運動であるジャンプ動作を与えるとともに加工パルスを供給して前記被加工物を放電加工する放電加工装置において、前記電極と前記被加工物との間で放電中に発生する前記加工液の気泡により生ずる加工反力により前記放電加工機本体に生じる状態量を検出し、該検出値が所定値または所定値以内である時に前記被加工物の加工完了と判定することを特徴とする放電加工装置。
2. 前記状態量は、前記放電加工機本体に生じる前記加工反力に対応する力量であることを特徴とする請求項１に記載の放電加工装置。
3. 前記状態量は、前記放電加工機本体に生じる前記加工反力に対応する変形量であることを特徴とする請求項１に記載の放電加工装置。

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