JP4335048B2 - 放電加工機 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＲ放電回路と機構、放電加工機一般、型彫放電加工機、ワイヤ放電加工機、マイクロ放電加工機などに係り、加工面の品質を確保しながら、加工速度を向上することができる放電加工機に関する。

まず、トランジスタ式放電回路について説明する。

トランジスタ式放電回路は、被加工物と、該被加工物に対して間隔を保って配置した放電電極との間に、トランジスタ等のスイッチング素子を介して高電圧を印加し、該トランジスタにパルスを入力しＯＮ／０ＦＦ状態に至らしめて放電パルスを発生させ、該被加工物の表面を加工する放電加工機である。

このような放電加工機の放電パルス電源装置において、パルス時間幅を短くしていくと、パルスが印加されているにもかかわらず放電が発生しないという現象が多発するようになる。特に、被加工物が小さく電極対抗面積が小さい場合や、印加電圧が低い場合は顕著になる。該現象多発は、放電発生率が低い、または、放電が発生しない原因は、電極間物質、すなわち純水とか油とかいわゆる加工液を電離するのにそれ相当の時間を要するからである。

ここで、放電発生率：ηを次のように定義する。

η＝（（放電発生数）／（印加パルス数））×１００（％） ……（１）

およその実例を示すと、電圧が１００Ｖ、時間幅が１０ナノ秒のパルスを発生させて被加工物と電極間に印加した場合、放電発生率：ηは、たかだか１％程度に過ぎない。又、パルス時問幅１０〜１００マイクロ秒のような長いパルス幅になると、放電発生率は１００％に限りなく近い。

加工表面を細かくするにはパルス幅を短くすることと、放電ピーク電流を下げることが必要である。パルス時間幅１０マイクロ秒・放電ピーク電流ＩＯＡのような条件では、加工面は極めて粗い。これよリパルス時問幅をどんどん短くし、１０ナノ秒程度まで短くし、放電ピーク電流も大幅に下げて０．２Ａのような条件で加工すれば，加工面の性状はある程度は良くなるものの、細かい梨地状である。このような条件で加工しても、放電一回あたりの除去体積は１μｍ³程度であり、鏡面状に仕上げることは難しい。もっと細かくすることが必要である。

パルス幅を短くしてかつ放電発生率を低下させないようにするには、たとえば電圧を上げるという方法がある。実際にやってみると、放電発生率は高くなる傾向にある。しかし、肝心の加工面が悪化する。パルス幅を短くしているにもかかわらず、もとの粗い梨地状に逆戻りしてしまうので、この電圧を上げるという方法は有効ではない。

被加工物がある程度大きければ，電極との対向面積が広いので、狭い場合に比べて放電発生率は高くなる。一般的に０．２ｍｍ×５０ｍｍくらいの対向面積までは、面積のべき乗（１又はそれより少し小さな値）に比例して放電発生率は向上するとされている（業界の慣例用語で、面積効果と言われる）。

しかし微細加工の需要として、５μｍ×５μｍ〜２５μｍ×１００μｍといった狭い面積の加工もまた多いので、このような寸法の被加工物に対しても、放電発生率は低下しないようにしたい。

次に、コンデンサ放電回路について説明する。

コンデンサ放電回路は、被加工物と、該被加工物に対して間隔を保って配置した放電電極との間に、コンデンサに蓄えられた電荷による放電パルスを発生せしめて、該コンデンサから流れる電流によって、当該被加工物の表面を加工する放電加工機である。

このような放電加工機の放電パルス電源装置においては、一般的にトランジスタ式よりも放電発生率は低い。特に、被加工物が小さく電極対抗面積が小さい場合や、印加電圧が低い場合は顕著になる。また、加工が継続するためには、ある程度の強さのピーク電流を確保する必要があり、０．２Ａ以上とされている。つまり０．２Ａ以下の放電ピーク電流においては放電加工が途切れる。

ここで、特許文献１〜特許文献４では、ワイヤ電極の位置決めや送り出しに関する技術が開示されている。特許文献５では、アーク電流の続流などに関して面粗度を悪化させない技術が開示されている。

特開平３−１６１２１７号公報 特開平７−２９９６６３号公報 特開平１０−１２４１５２号公報 特開平１１−２２６８１６号公報 特開平７−１１２３２５号公報

トランジスタ式放電回路にしろ、コンデンサ放電回路にしろ、１マイクロ秒以下の非常に短い時問幅の放電パルスにおいても確実に放電が発生して欲しい。また、０．２Ａ以下の非常に小さな放電ピーク電流であっても安定的に加工が継続してほしい。

本発明の目的は、かかる問題を解決するものであり、パルス時問幅が短くても放電発生率を１００％に保ち、放電ピーク電流が小さくても放電を継続し、よって加工表面をきれいに仕上げるとともに加工速度を速めることにある。つまり、本願発明の目的は、加工面の品質を確保しながら、加工速度を向上することができる放電加工機を提供することを目的とする。

本願発明は、直流電源より、インダクタンス及び抵抗を直列に介して、被加工物及び電極の間に電圧を印加する電気回路を備えると共に、電気的導通を伴って前記電極が被加工物側に接着された棒状磁歪線、及び、該棒状磁歪線に磁場を与えるように該棒状磁歪線が貫通配置されるトロイダル状の磁石を有し、被加工物及び電極を、まず接触状態にして前記インダクタンスに電流（以下充電電流と呼ぶ）を流し、この後、磁場が与えられる前記棒状磁歪線に前記充電電流が流れることで、該棒状磁歪線が長さ方向で収縮することによって、前記接触状態を空間的に引き離すことで、これら間に放電を生じせしめる、該引き離し動作を行うための放電間隙形成機構を備えることにより、前記課題を解決したものである。

更には、前記放電加工機において、更に、前記充電電流の経路に設けられるバイアス用ダイオードと、該ダイオードによってベース・エミッタ間が順バイアスされ、前記充電電流が流れると、前記棒状磁歪線に流れる電流を増加するように制御するトランジスタと、
によって構成されるギャップ形成補助回路を備えることにより、前記放電間隙形成機構を効果的に作動させることができる。

以下、本発明の作用について、簡単に説明する。

本願発明は、直流電源より、インダクタンス及び抵抗を直列に介して、被加工物及び電極の間に電圧を印加する。又、これら被加工物及び電極を、まず接触状態にして前記インダクタンスに電流（以下充電電流と呼ぶ）を流し、この後、該接触状態を空間的に引き離すことで、これら間に放電を生じせしめる。

上記の接触の開始時に流れる電流は、抵抗とインダクタンスを直列に介在させることによって抑制される。又、該電流が流れることによってコイル（インダクタンス）には磁気エネルギが蓄えられることになる。そして、蓄えられた磁気エネルギを被加工物及び電極の間の放電に用いて、被加工物の表面を加工することができる。又、該接触状態及び前記空間的引き離しによって、インダクタンスに蓄えられた磁気エネルギが、被加工物及び電極の間においてパルス放電のエネルギとなる。このような放電の発生方式は、トランジスタ式でもなくコンデンサ式でもない。これによって、被加工物及び電極の間において、放電パルスを確実に発生することができる。パルスの時間幅やピーク電流は、インダクタンスＬ、抵抗Ｒ１、直流電源電圧Ｅ１によって、広い範囲で設定可能である。

これによって、パルス幅が狭められた放電を、被加工物及び電極の間において確実に発生することができる。

従って、本願発明によれば、加工面の品質を確保しながら、加工速度を向上することができる放電加工機を提供することができる。

以下、図を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本願発明が適用された第１実施形態の放電加工機の一部斜視図を含む回路図である。又、図２は、本願発明が一部適用された第２実施形態の放電加工機の一部斜視図を含む回路図である。

これら実施形態は、被加工物５を加工するための放電の発生は、トランジスタ式でもなく、コンデンサ式でもない。インダクタンスＬに蓄えられた磁気エネルギを該加工の放電エネルギに用いる本願発明の方式である。又、これら実施形態は、放電間隙形成機構が互いに相違するものであり、第１実施形態の放電間隙形成機構では本願発明が適用され、磁歪により長さ方向で収縮する棒状磁歪線１０を備えているが、他方、第２実施形態の放電間隙形成機構ではこのようなものは備えず本願発明が適用されていない。この点、第２実施形態は、第１実施形態に対する比較例となっている。
又、これら実施形態は、放電を発生される回路（以下放電発生回路と呼ぶ）は同じである。この放電発生回路は、８０Ｖの直流電源Ｅ１と、８００Ωの抵抗Ｒ１と、１μＨのインダクタンスＬと、ダイオードＤ２とによって構成されている。加えて、本願発明のギャップ形成補助回路として、ダイオードＤ１と、トランジスタＴと、直流電源Ｅ２と、抵抗Ｒ２とを有している。ダイオードＤ１は、本願発明のバイアス用ダイオードである。

まず、第１実施形態について説明する。

第１実施形態は、針金状の電極１の先端を被加工物５の加工部に向けて、これら先端及び加工部の間の放電によって加工を行う。これら先端及び加工部の間隔調整や接触は、被加工物５を移動させる微動送り機構７を駆動することによって行う。棒状磁歪線１０の被加工物側端には、被加工物側に向けて、電気的導通を伴って針金状電極１が接着されている。該棒状磁歪線１０は、図示されるように、トロイダル状磁石１２を貫通するように配置されている。

上述の棒状磁歪線１０は、材質がＮｉ等でできた綱い棒状の磁歪線であり、外部磁場を加えて竃流を流すと、磁歪線が縮む性質がある。縮む割合は、外部磁場１テスラで電流１Ａにつき１０^−５程度である。従って、例えば１００ｍｍの磁歪線に外部磁場１テスラをかけたまま１０Ａの電流を流すと、１μｍほど縮む。本実施形態では、この性質を利用している。

以下、第１実施形態の作用について説明する。

被加工物５は、微動送り機構７の移動テーブル上に置かれていて、針金状電極１の方向に向かって微動移動可能である。この微動送り機構７をゆっくり操作して被加工物５を針金状電極１に接触させる。この接触を行うための微動送り機構７による移動方向は、棒状磁歪線１０の直線形状の長さ方向であり、即ち、磁歪によって長さ方向で収縮する方向である。

接触すると、図１中の破線矢印Ｉ１で示されるような、充電電流Ｉ１が流れることになる。該充電電流Ｉ１は、直流電源Ｅ１のプラス端子から出た電流が，抵抗Ｒ１とインダクタンスＬを通り、ダイオードＤ１を介して棒状磁歪線１０の左端に導かれ、更に該棒状磁歪線１０の右端から針金状電極１、被加工物５と流れ、そして該被加工物５に接続されるリード線を介して直流電源Ｅ１のマイナス端子に至るというものである。該充電電流Ｉ１がインダクタンスＬに流れると、該インダクタンスＬには、インダクタンスとしての特性によって磁気エネルギが蓄えられる。

ここで、該充電電流Ｉ１は、（直流電源Ｅ１の電圧）／（抵抗Ｒ１の抵抗値）である。これら電圧及び抵抗値が、前述のようにそれぞれ８０Ｖ及び８００Ωであれば、０．１Ａになる。該充電電流Ｉ１は、針金状電極１及び被加工物５の間の放電の電流ともなり得るが、放電加工としては極めて小さい値である。

このように、充電電流Ｉ１が流れると、ダイオードＤ１には順方向電圧が発生する。すると、このダイオードＤ１に接続されているトランジスタＴのべース及びエミッタには順方向バイアス電圧が印加され、これによって該トランジスタＴはオン状態になり、別途準備された直流電源Ｅ２より、図１の破線矢印Ｉ３のように抵抗Ｒ２を介して大きな電流が流れることになる。この電流Ｉ３は、直流電源Ｅ２のプラス端子より流出し、トランジスタＴのコレクタからエミッタに抜け、棒状磁歪線１０の左端に入り、該棒状磁歪線１０を流れながらトロイダル状磁石１２を通過して、該棒状磁歪線１０に接続されているリード線を経由して、直流電源Ｅ２のマイナス端子に流れ込む。

棒状磁歪線１０の線長方向の中央に配置された厚みの厚い永久磁石であるトロイダル状磁石１２は、該電流Ｉ３によって、棒状磁歪線１０が収縮するような磁界を該棒状磁歪線１０に与えている。該収縮は、棒状磁歪線１０の長さ方向である。
そして、該電流Ｉ３が１０Ａ流れるものとして、この際、該棒状磁歪線１０は、長さ方向で１μｍ収縮するようにされている。１μｍ収縮することで、針金状電極１及び被加工物５の間の１μｍのギャップが得られ、該ギャップによってこれら間の放電が消沈する。
なお、やや強めの放電を消沈する必要があれば、例えば抵抗Ｒ２の抵抗値を半減して該電流Ｉ３を２０Ａとすれば、２μｍのギャップが得られ、該ギャップによって放電を消沈することができる。なお、該電流Ｉ３は、針金状電極１及び被加工物５の間には流れず、これら間の放電の電流にはならない。

該電流Ｉ３によって棒状磁歪線１０が収縮すると、今まで接触していた針金状電極１と被加工物５とが引き離され、充電電流Ｉ１が流れる回路が遮断される。ここで、インダクタンスＬに電流が流れたまま該回路遮断となると、充電電流Ｉ１によってインダクタンスＬに蓄えられた磁気エネルギによって、該インダクタンスＬには逆起電力が発生し、針金状電極１及び被加工物５の間にはこの逆起電力によるスパークが起き、図１において破線矢印Ｉ２で示すような加工電流（放電電流）が流れる。このスパークのエネルギが加工エネルギとなる。又、この加工電流（放電電流）Ｉ２は、コイルの充電電流Ｉ１と同じである。すなわち、放電電流をＥ１、Ｒ１であらかじめ決定しておくことができる。なお、ダイオードＤ２は、スパーク電流の放電電流が、直流電源Ｅ１および抵抗Ｒ１を通らないようにバイパスするものである。

充電電流Ｉ１によってインダクタンスＬに蓄えられた磁気エネルギが、加工電流Ｉ２が流れて消失すると、該加工電流Ｉ２が流れなくなる。すると、ダイオードＤ１の順方向電圧がゼロになり、トランジスタＴはオフ状態になり、電流Ｉ３はトランジスタＴによって遮断される。すると、棒状磁歪線１０の磁歪効果の収縮もなくなり、針金状電極１及び被加工物５の間のギャップもなくなり、針金状電極１及び被加工物５の間は再び接触することになり、前述した充電電流Ｉ１が再び流れることになる。

該接触の以後は、この第１実施形態の作用の説明において、前述した針金状電極１及び被加工物５の間が接触した後と同様の作用になる。このようにして、針金状電極１及び被加工物５の間が接触したりギャップ形成したりの繰り返し、又該繰り返しに伴って、電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３のそれぞれが流れたり遮断されたりの繰り返しがなされ、被加工物５の放電加工がなされていくことになる。

ここで、該繰り返しの動作を１回繰り返すたびに、必ず放電が一回起こることは明らかである。従って、放電確率は厳密に１００％となる。

又、このような繰り返しにおいて、針金状電極１及び被加工物５の間が接触してからギャップ形成されて、この後に再び接触するまでの時間（周期）は、Ｒ１とＬによる時定数に依存する時間や、磁歪が波動として磁石の位置から針金状電極１の先端まで伝わる時間などの合計となる。従って、該繰り返しの頻度は、該合計の時間の逆数となる。該繰り返し頻度は、５０ｋＨｚくらいにすることができる。これは放電発生率が１００％であることを考えると、十分速いものと言える。これは、トランジスタ式では５ＭＨｚのパルスで放電発生率１％に相当する。トランジスタに５ＭＨｚのような高い周波数のパルスを与えることは、放電加工においては極めて稀である。

次に、第２実施形態は、前述の第１実施形態と同様に、ダイオードＤ１及びトランジスタＴを中心とするギャップ形成補助回路を備えたものである。しかしながら、第２実施形態は、第１実施形態の棒状磁歪線１０のような、磁歪により長さ方向で収縮する手段は備えず、該第１実施形態に対する比較例となっている。
この第２実施形態は、ワイヤ状の電極２の側線部を被加工物５の加工部に向けて、これら側線部及び加工部の間の放電によって加工を行う。これら側線部及び加工部の間隔調整や接触は、被加工物５を移動させる微動送り機構７を駆動することによって行う。ワイヤ状電極２は、２つのワイヤガイド１６及び１７による緊張によって、被加工物５側に対する位置が規定されている。該ワイヤ状電極２は、ワイヤガイド１６及び１７によって案内されながら、図示されていない送り機構によって、図中上方から下方に一定速度で走行されている。ワイヤガイド１６及び１７の問隔は、被加工物を切断するのに余裕のある広さとする。ワイヤ状電極２は、できる限り強い張力をかけておく。又、これらワイヤガイド１６及び１７の中間位置には、厚みのある馬蹄形の永久磁石１４が設けられており、これによってワイヤ状電極２には磁界が与えられている。

本第２実施形態の作用も前述した第１実施形態の作用と同様であり、放電間隙形成機構、及び該放電間隙形成機構の作用が異なるだけである。

本第２実施形態においても、被加工物５が置かれている移動テーブルの微動送り機構７をゆっくり操作して被加工物５をワイヤ状電極２に接触させる。すると、第１実施形態と同様に、破線矢印Ｉ１で示されるような、充電電流Ｉ１が流れることになる。該充電電流Ｉ１が流れると、ダイオードＤ１には順方向電圧が発生し、トランジスタＴのべース及びエミッタには順方向バイアス電圧が印加され、これによって該トランジスタＴはオン状態になり、別途準備された直流電源Ｅ２より、抵抗Ｒ２を介して大きな電流Ｉ３が流れることになる。

本第２実施形態においては、この電流Ｉ３がワイヤ状電極２に、永久磁石１４により発生する磁界の磁力線と直交するように、図２において上方から下方に流れると、フレミングの左手の法則に従って、図中矢印で示されるような電磁力が発生し、ワイヤ状電極２が一点鎖線のように移動させられる。又、該移動によって、ワイヤ状電極２及び被加工物５の間には、ギャップが得られ、該ギャップによってこれら間の放電が消沈する。なお、やや強めの放電を消沈する必要があれば、例えば該電流Ｉ３を２０Ａとすれば、２μｍのギャップが得られ、該ギャップによって放電を消沈することができる。

該電流Ｉ３によってワイヤ状電極２が移動すると、今まで接触していたワイヤ状電極２と被加工物５とが引き離され、充電電流Ｉ１が流れる回路が遮断される。又、該回路遮断によって、充電電流Ｉ１によってインダクタンスＬに蓄えられた磁気エネルギにより、該インダクタンスＬには逆起電力が発生し、ワイヤ状電極２及び被加工物５の間にはこの逆起電力によるスパークが起き、図２において破線矢印Ｉ２で示すような加工電流（放電電流）が流れる。このスパークのエネルギが加工エネルギとなる。

ワイヤ状電極２の中央付近にある永久磁石１４は、磁力線を発生していて、その磁力線はワイヤ状電極２と直角に交わっている。電流Ｉ１流れると、これに伴って電流Ｉ３が流れ、該電流Ｉ３は、永久磁石１４の磁力線と作用して力を発生する。いわゆるフレミング左手の法則である。その方向は、磁力線に直角で、かつワイヤ状電極２の方向にも直角な方向である。この力の向きをワイヤ状電極２が被加工物から離れる向きにすれば、自動的に該ワイヤ状電極２の接触・遮断を繰り返し放電加工が進行する。

この収縮・収縮からの復帰動作を一回繰り返すたびに必ず放電が一回起こることは明らかである。従って放電確率は厳密に１００％となる。

又、このような繰り返しにおいて、ワイヤ状電極２及び被加工物５の間が接触してからギャップ形成されて、この後に再び接触するまでの時間（周期）は、Ｒ１とＬによる時定数に依存する時間や、ワイヤ状電極２がワイヤガイド１６及び１７の間において共振振動する際の周期の時間などの合計となる。従って、該繰り返しの頻度は、該合計の時間の逆数となる。両ガイドの問隔が４０ｍｍ程度であれば、該繰り返し頻度は、５０ｋＨｚくらいにできる。これは放電発生率が１００％であることを考えれば十分速いと言える。

以上に説明したように、上述の第１実施形態によれば、本願発明を効果的に適用することができる。又、第２実施形態についても、第１実施形態と同様の放電発生回路を備え、本願発明の効果を一部得ることができる。

又、これら実施形態においては、放電電流が極めて小さい放電を実現することができる。更に、放電発生率を１００％に保つことができる。よって加工速度が低下することなく、亜鏡面の品質の良い微細加工面が得られる。

本願発明が適用された第１実施形態の放電加工機の一部斜視図を含む回路図 本願発明が一部適用された第２実施形態の放電加工機の一部斜視図を含む回路図

符号の説明

１…針金状電極
２…ワイヤ状電極
５…被加工物
７…微動送り機構
１０…棒状磁歪線
１２…トロイダル状磁石
１４…永久磁石
１６、１７…ワイヤガイド
Ｒ１、Ｒ２…抵抗
Ｔ…トランジスタ
Ｄ１、Ｄ２…ダイオード
Ｅ１、Ｅ２…直流電源
Ｌ…インダクタンス

Claims (2)

1. 直流電源より、インダクタンス及び抵抗を直列に介して、被加工物及び電極の間に電圧を印加する電気回路を備えると共に、
   電気的導通を伴って前記電極が被加工物側に接着された棒状磁歪線、及び、該棒状磁歪線に磁場を与えるように該棒状磁歪線が貫通配置されるトロイダル状の磁石を有し、被加工物及び電極を、まず接触状態にして前記インダクタンスに電流（以下充電電流と呼ぶ）を流し、この後、磁場が与えられる前記棒状磁歪線に前記充電電流が流れることで、該棒状磁歪線が長さ方向で収縮することによって、前記接触状態を空間的に引き離すことで、これら間に放電を生じせしめる、該引き離し動作を行うための放電間隙形成機構を備えることを特徴とする放電加工機。
2. 請求項１において、更に、
   前記充電電流の経路に設けられるバイアス用ダイオードと、
   該ダイオードによってベース・エミッタ間が順バイアスされ、前記充電電流が流れると、前記棒状磁歪線に流れる電流を増加するように制御するトランジスタと、
   によって構成されるギャップ形成補助回路を備えることを特徴とする放電加工機。

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