JP4089551B2 - 高強度ワイヤ放電加工用電極線 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤ放電加工用電極線に係り、特に、被覆型のワイヤ放電加工用電極線に関するものである。

ワイヤ放電加工用電極線は、通電しながら走行させることで、電極線と被加工物間の放電による溶融作用を利用して、被加工物を加工するワイヤ放電加工に使用される電極線である。

一般的なワイヤ放電加工用電極線として、Ｃｕ−Ｚｎ合金の単体（例えば、６５／３５黄銅線）からなる電極線が活用されている。この電極線は、加工速度、加工精度などの放電加工特性に優れており、さらにコスト的にも有利な特質を有している。

また、心材の外周にＺｎ濃度の高いＣｕ−Ｚｎ合金層を形成し、放電加工速度を向上しようとする電極線が種々提案されている。

さらに、電極線の放電加工時の高温強度を強くするため、心材に単体の鋼線（あるいは合金鋼線、鉄）を使用し、放電加工速度を高くしても断線頻度が少なく、放電加工作業の効率を高くできるワイヤ放電加工用電極線やその製造方法が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平５−３３７７４１号公報 特開２００３−３９２４６号公報

しかしながら、一般の６５／３５黄銅線からなる電極線や、心材に各種高Ｚｎ濃度のＣｕ−Ｚｎ合金層を被覆した電極線を用いて、放電加工中に加工速度を上げた場合、これら電極線は、温度が３００℃程度まで上昇しているため、引張り強さが低下しており、断線の頻度が高くなってしまうという問題がある。

特許文献１に記載された電極線の場合は、心材に強度の高い鋼線を使用しているものの、電極線の導電性を向上させるために、鋼線の外周に厚肉の銅を形成しなければならず、製造工程の増加による製品のコスト上昇を招くという問題がある。

また、放電加工の終了時に自動で行われる電極線（ワイヤ）の切断は、一般的に電極線の通電加熱と引張りによってなされているが、特許文献１に記載された電極線は、心材に鋼線を使用しているため強度が高く、この方式が使用できない。そのため、ワイヤ切断は、専用の治具（例えば、鋼線を切断するためのカッター）を用いたカッター方式のみを使用する以外になく、さらに言えば、鋼線の切断による治具の消耗が激しいため治具の交換頻度が高くなり、トータルコストパフォーマンスを低下させるという問題もある。

一方、特許文献２に記載された電極線は、心材に鋼線を用いているため、同様にワイヤ切断方式がカッター方式に限定され、やはりトータルコストパフォーマンスが低下するという問題がある。

さらに、特許文献１および特許文献２に記載された電極線は、心材に鋼線を使用しているため、電極線の導電率が一般の６５／３５黄銅線からなる電極線と比べて低下するので放電性能が劣り、効果的な加工速度の向上は困難であるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、放電加工速度を向上でき、通電加熱による切断作業性が良好な高強度ワイヤ放電加工用電極線を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、Ｃｕ−Ｆｅ合金からなる心材の外周に、Ｃｕ−Ｚｎ合金層を含む被覆層を形成したワイヤ放電加工用電極線であって、上記心材が１０〜５０重量％のＦｅおよび不可避的不純物を含有し、残部がＣｕからなり、上記電極線の外径に対する上記Ｃｕ−Ｚｎ合金層の厚さの比率が０．１０〜０．２５であり、上記電極線の引張り強さが１０００〜１５００ＭＰａ、かつ導電率が１８〜４５％ＩＡＣＳである高強度ワイヤ放電加工用電極線である。

請求項２の発明は、上記Ｃｕ−Ｚｎ合金層は、Ｃｕ−３２〜４５重量％Ｚｎ合金層である請求項１に記載のワイヤ放電加工用電極線である。

請求項３の発明は、上記Ｃｕ−Ｚｎ合金層は、β相とα相の混合相からなり、その混合相に対するβ相の比率が０．５以上、１．０未満である請求項１又は２に記載の高強度ワイヤ放電加工用電極線である。

本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。

（１）放電加工速度を大幅に向上できる。

（２）通電加熱による切断作業性が非常に良好である。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適実施の形態を示す高強度ワイヤ放電加工用電極線の横断面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る高強度ワイヤ放電加工用電極線１は、Ｃｕ−Ｆｅ合金からなる心材２の外周に、Ｃｕ−Ｚｎ合金層３からなる被覆層４を形成した二層構造の電極線である。

この電極線１は、室温における導電率が１８〜４５％ＩＡＣＳである。さらに、電極線１は、その製造工程において、伸線加工と熱処理を繰り返した後、複数の伸線ダイスに通して縮径加工することで、室温における引張り強さが１０００〜１５００ＭＰａとなるように製造される。

心材２としては、高温強度（高温下における引張り強度）と導電率が一般の６５／３５黄銅線よりも高いＣｕ−Ｆｅ合金、例えば、１０〜５０重量％のＦｅと不可避的不純物、及び残部がＣｕであるＣｕ−Ｆｅ合金を使用する。

これは、Ｆｅが１０重量％未満であると、電極線１の高温強度の向上が望めず、Ｆｅが５０重量％を超えると、電極線１の高温強度は増加するものの、心材２の導電率が一般の６５／３５黄銅線よりも低くなり、電極線１の放電加工性能が低下してしまうからである。また、電極線１の高温強度の向上と導電率の低下防止との両立を図るために、心材２として、好ましくは１５〜３０重量％のＦｅを含むＣｕ−Ｆｅ合金を使用する。

Ｃｕ−Ｚｎ合金層３としては、放電加工性能に優れるＣｕ−Ｚｎ合金層、例えば、Ｃｕ−３２〜４５重量％Ｚｎ合金層、好ましくはＣｕ−３２〜３７重量％Ｚｎ合金層を使用する。

これは、Ｃｕ−Ｚｎ合金層３のＺｎ濃度が３２重量％未満であると、電極線１の放電加工性能（放電加工速度）が低下し、Ｃｕ−Ｚｎ合金層３のＺｎ濃度が４５重量％を超えると、電極線１の製造時における伸線加工性が低下してしまうからである。

Ｃｕ−Ｚｎ合金層３は、言い換えれば、β相とα相の混合相からなり、その混合相に対するβ相の比率が０．５以上、１．０未満である。すなわち、Ｃｕ−Ｚｎ合金層３の全断面積をＡとすると、その全断面積Ａに占めるβ相の全断面積Ｂの比率（以下、Ｂ／Ａ）が０．５以上、１．０未満である。

Ｃｕ−Ｚｎ合金層３をβ相とα相の混合相としたのは、Ｃｕ−Ｚｎ合金層３のＺｎ濃度を増加させて電極線１の放電加工速度を向上させると共に、電極線１に良好な伸線加工性を付与するためである。また、Ｂ／Ａを０．５以上、１．０未満としたのは、電極線１の伸線加工性の向上と放電加工特性である高速加工性能とを兼ね備えさせるためである。

電極線１の外径Ｄに対するＣｕ−Ｚｎ合金層３の厚さｔの比率（以下、ｔ／Ｄ）は、０．１０〜０．２５にする。これは、ｔ／Ｄが０．１未満であると、放電による消耗によりＣｕ−Ｚｎ合金層３が消失して電極線１の放電加工速度の向上が望めず、ｔ／Ｄが０．２５を超えると、電極線１の断面積に占める心材２の断面積の比率が小さくなり、電極線１の高温強度の向上が期待できないからである。

本実施の形態の作用を説明する。

電極線１は、心材２がＣｕ−Ｆｅ合金なので、心材２の高温強度と導電率が一般の６５／３５黄銅線よりも高く、さらに心材２の外周に放電加工性能に優れるＣｕ−Ｚｎ合金層３が形成されているので、電極線１の導電率が一般の６５／３５黄銅線と同等以上である。これにより、電極線１は、一般の６５／３５黄銅線からなる電極線に比べ、放電加工速度を大幅に向上でき、放電加工性能が優れている。

また、電極線１は、放電加工速度を上げていく場合に生じる電極線１の温度上昇に対しても十分な高温強度を有しているので、高速の加工時においても電極線１の断線頻度が非常に少ない。

しかも、電極線１は、心材２の導電率が鋼線（あるいは合金鋼線、鉄）よりも高いので、放電加工終了時に、一般に用いられる通電加熱と引張りによって自動で切断でき、背景技術で説明したような、心材に鋼線を使用した電極線を切断するための専用の治具が不要なので、通電加熱による切断作業性が非常に良好である。また、電極線１の通電加熱による切断作業性は、一般の６５／３５黄銅線からなる電極線と同等である。

つまり、電極線１は、放電加工作業のトータル的なコストパフォーマンスが優れ、その工業的価値は極めて高い。

特に、電極線１では、通電加熱による切断作業性を良好にするための条件（切断条件）と、放電加工速度を向上させるための条件（加工速度条件）との双方を満たすために、Ｃｕ−１０〜５０重量％Ｆｅ合金からなる心材２を用い、電極線１の室温における引張り強さを１０００〜１５００ＭＰａ、かつ室温における導電率を１８〜４５％ＩＡＣＳとした。

このように各数値範囲を限定した理由と、加工速度条件との関係は上述したので、ここでは切断条件との関係を説明する。

電極線（ワイヤ）の切断に影響を及ぼす特性因子は、主に（ａ）ワイヤの導電率、（ｂ）ワイヤの引張り強さである。これは、一般にワイヤの切断方法が、通電加熱によりワイヤを温度上昇させて軟化させると同時に、ワイヤに張力を加えて切断する方法だからである。通電加熱では、ワイヤに電圧を印加し、ワイヤに流れる電流（Ｉ）とワイヤの抵抗（Ｒ）によるジュール熱（Ｉ²Ｒ）でワイヤの温度上昇値が決定される。

背景技術のように、心材に単体の鋼線を用いた電極線では、鋼線の導電率が数％ＩＡＣＳと低いため、ワイヤに電流が流れにくく、通電加熱によるワイヤの温度上昇が少ない。したがって、ワイヤが軟化しづらく、さらにワイヤの引張り強さが高いため、ワイヤの切断が不可能となる。

したがって、本発明者らは、鋭意研究の末、切断条件と加工速度条件の双方を満たすために、上述のように各数値範囲を限定することが適正であることを見出した。

次に、高強度ワイヤ放電加工用電極線１をより詳細に説明する。

（実施例１）
溶解鋳造によりＣｕ−２０重量％Ｆｅ合金を作製し、そのＣｕ−２０重量％Ｆｅ合金を圧延・縮径加工により直径が４．０ｍｍの心材とし、この心材に被覆層となる厚さ０．７０ｍｍの黄銅テープ（Ｃｕ−３５Ｚｎ）を縦添えして突き合わせ、その突き合わせ部を溶接して直径が５．４ｍｍの複合線材を形成する。この複合線材に伸線加工と熱処理を繰り返し、最後にこの複合線材を複数の伸線ダイスに通して縮径加工し、線径が０．２５ｍｍの高強度ワイヤ放電加工用電極線１を作製した。被覆層であるＣｕ−Ｚｎ合金層は、Ｚｎ濃度が３５重量％であり、厚さが３３μｍである。ｔ／Ｄは約０．１３２である。

（実施例２）
実施例１と同様の心材とし、この心材に被覆層となる厚さ０．２ｍｍ、幅１３ｍｍのＺｎテープを縦添え被覆する。その後、このＺｎテープに被覆層となる厚さ０．５０ｍｍの黄銅テープ（Ｃｕ−３５Ｚｎ）を縦添えして突き合わせ、その突き合わせ部を溶接して直径が５．４ｍｍの複合線材を形成する。この複合線材に伸線加工と熱処理を繰り返し、ＺｎテープのＺｎを拡散させて被覆層のＺｎ濃度を４０〜４５重量％に高め、最後にこの複合線材を複数の伸線ダイスに通して縮径加工し、線径が０．２５ｍｍの高強度ワイヤ放電加工用電極線１を作製した。Ｃｕ−Ｚｎ合金層は、厚さが３２μｍである。ｔ／Ｄは約０．１２８である。

（比較例１）
溶解鋳造によりＣｕ−５重量％Ｆｅ合金を作製し、そのＣｕ−５重量％Ｆｅ合金を圧延・縮径加工により直径が４．０ｍｍの心材とし、その後は実施例１と同様にして線径が０．２５ｍｍのワイヤ放電加工用電極線を作製した。Ｃｕ−Ｚｎ合金層は、Ｚｎ濃度が３５重量％であり、厚さが３３μｍである。ｔ／Ｄは約０．１３２である。

（比較例２）
溶解鋳造によりＣｕ−６０重量％Ｆｅ合金を作製し、Ｃｕ−６０重量％Ｆｅ合金を圧延・縮径加工により直径が４．０ｍｍの心材とし、その後は実施例１と同様にして線径が０．２５ｍｍワイヤ放電加工用電極線を作製した。Ｃｕ−Ｚｎ合金層は、Ｚｎ濃度が３５重量％であり、厚さが３４μｍである。ｔ／Ｄは約０．１３６である。

（従来例）
Ｃｕ−３５重量％Ｚｎ合金の単体からなる直径０．２５ｍｍのワイヤ放電加工用電極線を作製した。これは、一般の６５／３５黄銅線である。

実施例１，２、比較例１，２、従来例における各電極線の構造、放電加工速度、通電加熱による切断作業を表１に示す。ただし、放電加工速度は、従来例の電極線の放電加工速度を１００としたときの相対速度で示した。通電加熱による切断作業は、切断可能だったものを○、切断不可だったものを×で示した。

表１に示すように、実施例１，２の各電極線１は、放電加工速度が１６７，１８０であり、従来例の電極線の放電加工速度（１００）と比較して、放電加工速度が６７〜８０％も大幅に増加した。しかも、実施例１，２の各電極線１は、通電加熱によるワイヤの切断作業が可能であった。

これは、心材がＣｕ−１０〜５０重量％Ｆｅ合金の範囲内のＣｕ−２０重量％Ｆｅ合金であり、心材（電極線１）の導電率と高温強度が高くなるので放電加工性能が優れ、かつ放電加工速度を上げるために加工条件を変更していった場合でも、電極線１の断線が生じなかったためである。また、実施例２の電極線１の放電加工速度が実施例１の電極線１に比べて速い理由は、被覆層のＺｎ濃度が高いためである。

これに対し、比較例１の電極線は、心材がＣｕ−１０〜５０重量％Ｆｅ合金の範囲より小さいＣｕ−５重量％Ｆｅ合金であり、心材のＦｅ濃度が低すぎるので高温強度が低く、放電加工速度を上げようとしたところ、断線が生じてしまった。また、心材（電極線）の導電率は高くなるので、放電加工速度（１１５）は従来例よりも若干増加し、通電加熱によるワイヤの切断作業が可能であった。

比較例２の電極線は、心材がＣｕ−１０〜５０重量％Ｆｅ合金の範囲より大きいＣｕ−６０重量％Ｆｅ合金であり、心材のＦｅ濃度が高すぎるので心材（電極線）の導電率が低く、放電加工速度（１１２）が比較例１よりも減少し、放電加工性能が低下してしまった。また、通電加熱による電極線の温度上昇が少なく、さらに心材（電極線）の高温強度が高すぎるので、通電加熱によるワイヤの切断作業は不可能であった。

上記実施の形態では、被覆層４がＣｕ−Ｚｎ合金層３からなる電極線１の例で説明したが、Ｃｕ−Ｚｎ合金層３の外周に、さらにＺｎ層を形成し、Ｃｕ−Ｚｎ合金層３とＺｎ層からなる二層構造の被覆層を形成してもよい。この場合、最外層のＺｎ層によって電極線の放電加工性能がより向上する。

本実施の形態に係る電極線１は、一般的な被加工物の厚さである２０〜６０ｍｍの材料を加工するときはもちろんのこと、特殊な加工である厚物加工（例えば、板厚３００ｍｍ）、あるいは段差形状加工を必要とする被加工物を加工する場合に使用すると、特に有用である。

厚物加工時や段差形状加工時には、加工時に発生する加工屑が排出されにくく、そのため不均一な放電や局所的な放電現象が生じやすい。このため、加工時のワイヤの温度上昇は通常加工と比べて大きく、ワイヤの断線頻度が高くなる。電極線１は、このような厚物加工時や段差形状加工時にも高温強度が高い。

本発明の好適実施の形態を示す高強度ワイヤ放電加工用電極線の横断面図である。

符号の説明

１ 高強度ワイヤ放電加工用電極線
２ 心材
３ Ｃｕ−Ｚｎ合金層
４ 被覆層

Claims (3)

1. Ｃｕ−Ｆｅ合金からなる心材の外周に、Ｃｕ−Ｚｎ合金層を含む被覆層を形成したワイヤ放電加工用電極線であって、
   上記心材が１０〜５０重量％のＦｅおよび不可避的不純物を含有し、残部がＣｕからなり、
   上記電極線の外径に対する上記Ｃｕ−Ｚｎ合金層の厚さの比率が０．１０〜０．２５であり、
   上記電極線の引張り強さが１０００〜１５００ＭＰａ、かつ導電率が１８〜４５％ＩＡＣＳであることを特徴とする高強度ワイヤ放電加工用電極線。
2. 上記Ｃｕ−Ｚｎ合金層は、Ｃｕ−３２〜４５重量％Ｚｎ合金層である請求項１に記載のワイヤ放電加工用電極線。
3. 上記Ｃｕ−Ｚｎ合金層は、β相とα相の混合相からなり、その混合相に対するβ相の比率が０．５以上、１．０未満である請求項１又は２に記載の高強度ワイヤ放電加工用電極線。

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