JP4012876B2 - 放電加工用多孔性電極線の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、放電加工用多孔性電極線の製造方法に関する。特に、本発明は、改善された加工速度を有する放電加工用多孔性電極線の製造方法に関する。

図１は、一般的な放電加工方法の概略を説明するものである。その放電加工方法は、被加工物１に予め開けたスタート穴７に電極線２を挿通し、この電極線２を挿通方向に走行させながら、電極線２とスタート穴７の内壁面との間で高周波電圧を印加することで、その間でアークを発生させ、被加工物１を溶融し、加工液及び電極線、被加工物等の瞬間的気化爆発力によって溶融物を除去するもので、所定の形状に加工する方法である。このような放電加工の原理によって放電加工機には、電源供給装置、電極線移送装置、被加工物の移送装置、そして加工液循環装置が設けられている。

被加工物移送装置は、矢印で示すように電極線２に対して直交方向に移動され、電極線２は供給リール３から連続的に送り出され、被加工物の両側のコロ５、５´を通って巻き取りリール４に巻き取られる。

この際、被加工物１と電極線２との間に高周波電圧が印加されて切削加工が行われ、加工時に発生する熱を除去するための脱イオン純水が加工部分に加工液として供給される。放電加工の効率、特に加工速度は、加工液の供給流速、加工電流密度、そして放電波形及び周波数等に密接な関係があり、このような要素の調節によって改善が可能であることが知られている。

従来から電極線としては、純銅線が使用されていたが、純銅は伸率が優れて細線加工が容易であり、かつ電気導電性が良いためである。しかし、純銅の電極線は引張り強さが低いので、放電加工時に張力をあまり大きく掛けられないために電極線の振動を抑えることが出来ず、加工精度が悪く、又断線しやすく、更に加工速度が遅い等の諸欠点があった。そのため、特殊加工用としてモリブデン線、タングステン線等の精密加工用の高強度線が用いられたり、又一般の加工用には６５／３５黄銅線を代表とする黄銅電極線が広く使用されるようになっている。

黄銅電極線は、純銅に比べて約２倍以上の引張り強さがあり、かつその合金成分である亜鉛の存在によって放電安定性、気化爆発力等が向上し、そのため銅線より加工速度を速くすることが出来るという長所を有している。

然し近年、放電加工の利用拡大に伴って尚一層強度及び加工速度向上の要望が強く、黄銅にＡｌ、Ｓｉ等の微量元素を添加して強度と加工速度を向上させている電極線等が開発されている。

黄銅合金での亜鉛の含量が高くなれば高くなるほど加工速度の増加が期待されるが、亜鉛含量が４０％を越えると脆弱なβ状が形成されるので細線としての伸線が容易でなくなる。

米国特許4,287,404号には銅線、黄銅線の表面に亜鉛、又は亜鉛合金を被覆した電極線について開示している。即ち、銅、黄銅、又は鉄等のように引張り強さと電気導電度が比較的に高い材料で芯線を、これらよりも気化温度が低い亜鉛、カドミウム、錫、鉛、アンチモン、ビスマス及びその合金などの材料を芯線に電気鍍金した電極線及びその製造方法が示されている。それにより、電極線に要求されている引張り強さと通電は芯線で果たし、気化温度が低い材料のメッキによって冷却速度及び洗浄力を向上させて加工速度を一層増加することが出来る。又、鍍金層は、加工時に熱によって気化されやすいので芯線を熱衝撃から保護する役割をする時もある。このように亜鉛線の製造方法は、最終伸線した細線に電気鍍金方法によって亜鉛鍍金等を提供することが出来、適当な直径の線材に亜鉛等の電気鍍金の後、最終細線化のための伸線作業も可能である。

又、他の加工速度の改善方法は、米国特許4,977,303号に開示されている。この方法によると金属芯線に熱処理の後、芯線との拡散反応によって混合合金層を形成することが出来る。亜鉛、カドミウム、又はその合金を芯線に鍍金する段階と、鍍金された芯線を少なくとも７００℃以上の酸化雰囲気で熱処理して芯線金属と鍍金金属との間に拡散を発生させて混合合金層、例えば、銅亜鉛合金層を形成する段階と、前記熱処理された鍍金線の加工硬化が伴う細線段階を含んでいる。この際、電極線の構造は芯線と芯線を囲む混合合金層と最外郭酸化層から構成される。この際、酸化層は、放電加工時の電極線と被加工物との間の短絡を改善する役割をするので、加工速度とは実質的に無関係であり、前記のような構造を有する鍍金された電極線の加工速度は前記のような銅−亜鉛合金層を形成する熱処理段階で決まるが、その原因は明確に知られていない。

又、米国特許4,686,153には亜鉛合金の鍍金された銅覆鋼線を開示する。芯線内の鋼線によって機械的引張り強さを高めて優れた加工精密度を提供し、被覆された銅を用いて高い導電度を提供することが出来る。この電極線は、銅被鋼線に亜鉛が電気鍍金、又は融溶鍍金された後、熱処理段階を通して銅−亜鉛の合金層を形成したものである。特に亜鉛含量が４０−５０重量％である時、単に亜鉛鍍金された銅覆鋼線より向上した加工速度が得られた。このような鍍金電極線は、亜鉛鍍金された銅覆鋼線と銅の被覆されている芯線と、銅−亜鉛合金層で構成され、この時の合金層での亜鉛の含量は１０−５０重量％の範囲であるが、４０−５０重量％が望ましい。このような電極線の製造方法は、銅覆鋼線芯線を提供する段階と、亜鉛を前記芯線に電気鍍金する段階と、前記亜鉛鍍金された芯線を細線に伸線する段階と、加熱して亜鉛鍍金層を銅−亜鉛合金層に転換させ、亜鉛の濃度が１０−５０重量％の範囲であり、望ましい範囲は４０−５０重量％であり、芯線からの円周方向に次第に亜鉛濃度が増加されるようにする熱処理段階を含む。また、前記伸線段階で熱処理段階が先に行われることもあり、亜鉛鍍金は溶融鍍金によって形成されることもできる。

前述のように、従来技術には亜鉛のような溶融点と気化温度が芯線金属よりも低い材料で芯線に鍍金して加工速度を向上させ、さらに亜鉛層に熱処理して銅を含む芯線金属と拡散反応を通して銅ー亜鉛合金層を形成することで一層改善された加工速度が得られた。しかし、これらの特許に開示された技術は鍍金材料、即ち芯線より気化温度が低い金属の選択によって加工速度を向上させるので材料の固有な性質によって加工速度の向上が制限された。

本発明は、電極線の表面積を大きくし、放電加工時に加工液との接触面積を増加させ、冷却速度を一層速くして加工速度を改善した放電加工用電極線を提供することを目的とする。

又、本発明は、加工液が電極線の外部のみならず内部でも接触して冷却速度を速くして加工速度を改善した放電加工用電極線を提供することを目的とする。

又、本発明は、多孔性電極線の製造において、付加的の段階を必要としないで、同時に線の表面積を大きくする放電加工用電極線の製造方法を提供することを目的とする。

又、本発明は、加工の精密度を阻害しないで、同時に加工時の洗浄力が向上した電極線を提供することを他の目的とする。

これらの本発明の目的は、銅を含む第１金属からなる第１直径の線材を提供する段階と、前記線材を前記第１金属より低い気化温度を有する第２金属の溶融されている鍍金槽を一定時間に通過させて前記線材の表面に前記第１金属と第２金属の拡散反応によって前記第１金属及び第２金属より硬度が高く、伸率が低い合金層を形成し、その上に第２金属からなる鍍金層を形成するための溶融鍍金段階と、前記合金層と鍍金層が形成された前記線材を第２直径となるように伸線して前記合金層の高い硬度と低い伸率によって前記合金層及び鍍金層にクラックを形成させる段階とを含む。

この時の第１金属は、純銅、又は６３−６７重量％の銅と３３−３７重量％との亜鉛からなる黄銅を使用することが出来る。又は、第２金属では亜鉛、アルミニウム、錫、又はその合金を使用することが出来る。

特に、本発明において、第１金属からなる第１直径の線材に第２金属が一定の厚さで鍍金されるように鍍金槽に一定時間の間浸けられる必要がある。この時、前記一定時間は鍍金槽の長さと第１直径の線材を巻き取る速度によって決まる。従って、速く巻けば鍍金槽の長さは、長い方が望ましく、鍍金槽が短いとゆっくり巻かなければならない。巻取速度と鍍金槽の長さは、線材に３−１０μｍの厚さの鍍金層を形成することができれば良い。

このような電極線の製造方法は、電極線の機械的な性質を安定化させるために製造された電極線を熱処理する段階を経ることも可能である。又、必要に応じて合金層上に第２金属層、即ち、鍍金を除去する段階を経ることも可能である。このような方法によって製造された放電加工用多孔性電極線は、芯線と、前記芯線上に形成された合金層並びに鍍金層を含み；前記芯線層は、銅を含む第１金属からなり；前記芯線上に形成される合金層は、溶融鍍金過程で前記第１金属と前記第１金属よりも低い気化温度を有する第２金属の拡散反応によって形成されて複数の前記層の中で最も高い硬度を有し；前記合金層は電極線の長さ方向に対して略直角をなすクラックを含む。

これらの構造は、第１直径の線材の第１金属より低い気化温度を有する第２金属が溶融されている鍍金槽を一定時間に通過しながら線材の表面に前記第１金属と第２金属の拡散反応によって前記第１金属及び第２金属より硬度が高く、伸率が低い合金層になり、その上に第２金属からなる鍍金層が形成された線材を第２直径になるように伸線して形成されるので、この時の最終製品では合金層と鍍金層とに囲まれた第１金属部分が芯線になる。

これらの構造で前記合金層及び鍍金層のクラックを含む多孔は、前記鍍金された芯線が伸線される時形成されたものである。

放電加工用電極線として鍍金層が除去された放電加工用電極線は、芯線と、前記芯線上に形成された合金層を含み；前記芯線層は、銅を含む第１金属からなり；前記芯線上に形成される合金層は溶融鍍金過程で前記第１金属と前記第１金属より低い気化温度を有する第２金属の拡散反応によって形成されて前記複数の層の中に最も高い硬度を有し；前記合金層は電極線の長さ方向に対して直交をなすクラックを含む多孔性からなる構造を有する。

このような電極線は、通常の亜鉛鍍金された線に比べて少なくとも１５％以上の加工速度が向上し、又このような加工速度の改善は、線表面の多孔性構造によって表面積が増加して加工液によって冷却速度が速くなるためである。一方、前記多孔性電極線の表面は、全体的に均一な円周表面を維持しながら表面形態が突出部を含まないので加工の精密度に不利な影響を及ぼすことがなく、むしろ多孔性構造によって加工し発生する加工屑を容易に除去することが出来るため、洗浄力が優れるので、加工精密度の向上が期待される。従って、本発明によった線の製造方法により、従来の方法に比べて追加工程の必要がなく、加工速度と洗浄力が従来の亜鉛鍍金線に比べて向上した多孔性鍍金電極線を提供することが出来る。

このような本発明について、実施例を詳細に説明する。
図２は、放電加工用多孔性電極線の製造方法を示す図である。この図を参照し、０．９ｍｍの直径からなる亜鉛３５重量％、銅６５重量％からなる黄銅の中間線材１２が提供される。この中間線材１２を黄銅よりも低い気化温度を有する亜鉛が溶融されている鍍金槽を一定時間通過させて中間線材１２の表面に亜鉛からなる鍍金層を溶融鍍金するが、この際の中間線材１２はその界面で鍍金槽１０に溶融されている亜鉛と黄銅との拡散反応によって黄銅及び亜鉛より硬度が高いと共に伸率が低い合金層が形成され、その上に亜鉛鍍金層が形成される。このように形成された合金層は、最も高い硬度を有する。

図３（ａ）は、黄銅からなる中間線材に亜鉛層が鍍金された断面写真であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の一部分を拡大した写真である。図３（ｂ）を参照し、中間線材１２に合金層と亜鉛鍍金層が順に形成されていることが見られる。

合金層及び亜鉛鍍金層が形成された中間線材１２は伸線装置１４で適切な直径、例えば０．０５ないし０．３５ｍｍに伸線される。この時、中間線材１２と亜鉛鍍金層間の合金層は最も強い硬度を有し、他の層と硬度及び伸率が違うためにこの合金層に伸線されながら亜鉛鍍金層には伸線される方向に対して大略直交するクラックが生じ、スポンジ状の多孔性構造になる。
このような細線は、熱処理段階を経て機械的性質を一層安定化させることが出来る。

図４（ａ）は前述の伸線された多孔性の表面を示す写真であり、図４（ｂ）は本発明による多孔性電極線の断面写真である。
図４（ａ）を参照し、電極線の表面には電極線の長さ方向に対して大略直角方向にクラックが発生していることが分かる。このようなクラックは、合金層が伸線されて生じ、図４（ｂ）に示すようにこのクラックによって合金層及び亜鉛鍍金層はスポンジ形状の多孔層とされていることが見られる。

このような構造の多孔性電極線は、黄銅からなる芯線２１と、これを囲んでいる亜鉛鍍金層２３を含んでいる。ここで使用される芯線２１を通して電極線として要求される電気導電度及び機械的引張り強さが満たされ、亜鉛鍍金層２３は、芯線２１に使用される材料より亜鉛のように溶融点及び気化温度が低い材料を使用して放電加工時に芯線を保護し、加工速度を向上させる。又、同時に前記鍍金層２３は多孔性構造を有するので、従来の電極線よりも優れた冷却速度が得られる。これは多孔性構造によって電極線の表面積が相当に増加して、放電加工時の加工液との接触面積が増加するためである。同一な材料において、このような冷却能力の向上は放電加工時の電極線の温度を従来の電極線よりも同一な条件でより低く維持することが出来るので、（１）相対的電気導電度を向上させるので加工速度をより向上させることが出来、（２）芯線２１の機械的な引張り強さを高温で相対的に向上することが出来る。従って、本発明によって冷却能力が向上した多孔性電極線は、従来の鍍金電極線より少なくとも１５％以上の加工速度の向上及び加工精密度の向上が可能である。鍍金に使用される材料に要求される性質は溶融点及び気化温度が芯線よりも低く、銅又は黄銅の芯線金属に溶融鍍金されることにより、溶融鍍金時に銅と拡散反応を通して比較的硬度が高い合金層を形成することが出来る金属でなければならない。このような金属には、亜鉛、アルミニウム、錫等を含む。従って、このような電極線は細線に伸線される時に芯線と鍍金層との間の伸率の差によって鍍金層に多孔性構造を形成することが出来る。

図４（ａ）に示すように、この電極線の表面には比較的均一な分布のクラックが形成されている。このようなクラックは、大凡に電極線の長さ方向に対して直交方向に形成され、又クラックは部分的には結晶粒界の粒間で形成されていることもあるが、大体は粒界クラックであることが分かる。一方、電極線の表面は鋭い突出部ではなく、大凡に均一な電極線の外周面を有している。従って、放電加工時の電極線で屑が発生する可能性が少なく、むしろこのようなクラックを有する多孔性構造によって加工時の被加工物で発生した屑等がクラックを通して除去されることが出来るので、洗浄力が従来の鍍金線に比べてより増加することが期待される。

６３−６７重量％の銅と３３−３７重量％の亜鉛の成分比を有する直径０．９ｍｍの黄銅線を中間線材で準備する。この中間線材に溶融鍍金を実施する。溶融鍍金の材料は、亜鉛、アルミニウム、錫及びこれらの合金が使用されることも出来、特に亜鉛溶融鍍金が望ましい。通常の溶融鍍金の工程で鍍金される中間線材は、アルカリ脱脂及び酸洗を通過して前処理された後、塩化アンモニウムフラックスを通過する。このようなフラックス処理された中間線材は、亜鉛溶融槽を通過して溶融亜鉛が鍍金されるが、この槽の温度は４００−５００℃に維持されて中間線材は１−１０秒の間に鍍金され、空気中に冷却されて所定の亜鉛層及び銅ー亜鉛の合金層が形成される。この時に中間線材と亜鉛が接触する境界面では拡散反応によって銅ー亜鉛合金層が生じ、その上には亜鉛鍍金層が生ずる形態になる。この時、形成される銅ー亜鉛合金層は線材中で最も硬度が高い部分であり、芯線より伸率が低い。

この時、黄銅線材の表面には３−１０μｍの銅ー亜鉛合金層が形成され、最外郭に１−２μｍの亜鉛鍍金層が形成される。これらの亜鉛鍍金及び銅ー亜鉛合金層は、粗密化した層である。この合金層の形成によって溶融亜鉛鍍金層は、中間線材と優れた密着性を提供する。

前記のような溶融亜鉛鍍金された中間線材は、空気中に冷却された後、伸線して０．０５−０．３０ｍｍ等の要求される直径を有する細線が作られる。伸線段階で一部分の最外郭亜鉛鍍金層が除去されることが出来る。この時、伸線された細線の合金層は、芯線より伸率が低く硬度が高いので伸線した細線加工中に合金層に均一にクラックを発生させて多孔性構造が形成される。このようなクラックは主に結晶粒界で伝播され、又これらのクラックの方向は、伸線が線の長さ方向になされているので、線の長さ方向に大凡に垂直方向に形成される。その後、細線加工された線は、３００−６００℃の温度雰囲気で約１−２秒間熱処理されて芯線の機械的性質を安定化させて多孔性電極線が完成される。

図１は一般の放電加工機の構成及びその原理を示す概略的断面図。 図２は放電加工用多孔性電極線の製造方法を示す断面図。 図３（ａ）は黄銅からなる中間線材に合金層並びに亜鉛層が鍍金された断面写真、図３（ｂ）は図３（ａ）の写真の一部分を拡大した写真。 図４（ａ）は本発明による多孔性電極線の表面写真、図４（ｂ）は本発明による多孔性電極線の断面写真。

符号の説明

１２ 中間線材
１４ 伸線装置
２１ 芯線
２３ 亜鉛鍍金層

Claims (8)

1. 放電加工機に使用される電極線の製造方法において、
   銅を含む第１金属からなると共に第１直径からなる線材を準備し、
   前記線材を前記第１金属より低い気化温度を有する第２金属が溶融されている鍍金槽に一定時間通過させて、空気中にて冷却され、前記線材の表面に前記第１金属と第２金属の拡散反応によって前記第１金属及び第２金属より硬度が高く且つ伸率が低い合金層を形成し、その上に第２金属からなる鍍金層を形成し、
   空気中に冷却された後、前記合金層と鍍金層が形成された前記線材を第２直径となるように伸線して、前記合金層の高い硬度と低い伸率によって、前記合金層及び鍍金層にクラックを形成させ、表面積を増加することを特徴とする電極線の製造方法。
2. 前記電極線の製造方法は、前記線材の機械的性質を安定化させるための熱処理段階を含むことを特徴とする、請求項１記載の電極線の製造方法。
3. 前記第１金属は黄銅であることを特徴とする、請求項１記載の電極線の製造方法。
4. 前記第２金属は亜鉛、アルミニウム、又は錫であることを特徴とする、請求項１記載の電極線の製造方法。
5. 前記一定時間は、前記線材に３−１０μｍの厚さの鍍金層を形成するのに十分な時間であることを特徴とする、請求項１記載の電極線の製造方法。
6. 前記第１金属は黄銅であり、該黄銅線材の表面に、３−１０μｍの銅−亜鉛合金層が形成されることを特徴とする、請求項１記載の電極線の製造方法。
7. 最外郭に１−２μｍの亜鉛鍍金層が形成されることを特徴とする、請求項６記載の電極線の製造方法。
8. 前記電極線の製造方法は、合金層上に形成された第２金属層を除去する段階を含むことを特徴とする、請求項１記載の電極線の製造方法。