JP4456865B2 - 工作物の放電材料加工法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、米国特許第４７７１１５７号明細書に基づき公知のような、独立請求項の上位概念に記載の形式の工作物の放電材料加工法及び装置に関する。

放電材料加工（この場合、この専門用語は導電性の工作物の材料除去を、少なくとも部分的に放電作用によって規定する加工法に関するものである。）では、工具電極は工作物に対して作業ギャップを介して間隔をあけて対向位置させられる。この作業ギャップは作業液によって洗われ、一般に連続した電気パルスの形の侵食加工電流が、工具電極と工作物との間に流れる。このようにして、工作物の材料を除去するためには、液体によって洗われる作業ギャップを介して連続した放電が発生させられる。材料除去の進行に対応して、工具ヘッドによって保持された工具電極が調節システムによって前進させられ、これにより、さもなければ拡大する恐れのある作業ギャップがほぼ一定に保たれる。

侵食プロセスに際して、工具電極の加工面の侵食摩耗が生じる恐れもある。更に、各放電後に、誘電体の特性変化に基づいた、例えば導電性を変化させる汚れ、温度等の、作業ギャップにおける条件の変化が生じる。電気的なパラメータの他に、洗浄も侵食プロセスに影響を及ぼす。大きなアスペクト比を有する孔の場合、除去産物を最早ギャップから除去することができないので、除去プロセスがストップしてしまうということがしばしば発生する。これに基づき、通常の火花放電の他に、除去若しくは摩耗に著しく影響を及ぼす、いわゆる退化が生じる。この場合の退化には、特に空転パルス（作業ギャップ大きすぎ）、エラー放電（作業ギャップ小さすぎ）及び短絡パルス（作業ギャップ＝０）が含まれる。

良好な侵食プロセスを保証できるようにするためには、短絡、エラー放電及び空転パルスの発生をできるだけ排除する、理想的な放電条件を作業ギャップ内に形成しなければならない。この場合の重要な基準は、目下のプロセス状態を判断するための適当なプロセス特性値に基づいた障害検出である。この場合、様々な目標関数を有していてよい複数の異なる戦略が、機械の調整値の適当なフォローアップをもたらす。

前掲の米国特許第４７７１１５７号明細書に基づき公知の方法では、侵食プロセスは短絡検出器によって監視し、入力データに対応して調節システムを介して工具電極を軸方向で運動させ、これにより、作業ギャップをほぼ一定に保つことができるようにする。

最近では、制御装置の公式化によるファジー論理の使用が、多変数制御システムを形成するための種々様々なパラメータのコンビネーションを可能にしている。このようにして、所望の作業結果をもたらす機械パラメータを、その時々のプロセス状態に更に良好に適合させる。

但し、調節システムが、プロセス状態に応じて工具電極を迅速且つ正確に所望の位置へもたらすことは極めて重要である。従って、常により迅速でとりわけ高価な調節システムが使用される。調節システムの惰性を低下させるためには、調節システムの可動構成部材の質量を更に大幅に減らすことが試みられている。この目的のために、多くの装置は２つの調節システムを有している。即ち、工具電極を工作物の大体近くにもたらす調節システムと、次に作業ギャップの微調整を規定する、より正確で、とりわけより迅速な調節システムである。別の問題は、工具電極が非常に細く、２０μｍ〜２００μｍの直径を有する「マイクロ火花侵食」(Mikrofunkerosion）に関する。今日まで、０．１ｍｍよりも小さく且つ直径と深さのアスペクト比が１：１０のマイクロ孔におけるマイクロ火花侵食は、大量生産では定着しなかった。このようなディメンションは、今日でも電極操作を困難にしている。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の方法及び装置を改良して、作業ギャップ制御用の直接的で迅速且つ簡単な調節システムを得ることであり、この場合、工具電極自体が調節システムの能動的な構成部材である。本発明の別の課題は、簡単な電極操作である。つまり、所望の開口を形成するために工作物を連続的に加工するための工具電極の収容部、位置調整部及び緊張部は、大量生産が可能になるように構成されているのが望ましい。この場合、前記開口には特にいわゆるマイクロ孔が含まれており（但しこれだけではない）、この場合、電極直径は２０μｍ〜２００μｍである。

上で述べた課題は、本発明に基づき独立請求項の特徴部分に記載の構成手段によって解決される。

本発明の有利な構成は、従属請求項に記載されている。公知の装置と比較して、本発明による放電加工装置は、工具電極の側方変位により、自由端部部分の軸方向運動が惹起され、これにより、作業ギャップの迅速且つ正確な微調整が得られるという利点を有している。この有利な構成は、電流の通流する導体は磁界内で変位されるという物理的な法則に基づいている。この目的のために、工具電極の一部が磁界作用に晒される。工具電極は、工具ヘッドによって保持される、例えばワイヤの形等の、通走する細長い工具の形を有していてよい。工具ヘッドから突出しているワイヤ部分は規定された長さを有しており、この長さは、磁界内に位置するワイヤ電極が弾性変形され得るということを可能にする。それというのも、侵食プロセス中にワイヤ電極を通って侵食加工電流が流れ、これにより、電極軸線に対して横方向の変位力が発生するからである。この変位力は、電極ガイドにおいて自由端部部分の軸方向運動に変換される、ワイヤ電極の弾性的な変位運動を生ぜしめることができる。

この場合の大きな利点は、正に工具電極自体が電磁的な変換器の可動部分であるということにある。これにより、変換器の構成は極めて簡略化され且つ位置決め精度が高められる。それというのも、最早伝達部材は必要無いからである。位置決め速度も増大する。それというのも、可動部分の質量が最小限に減少されるからである。更に、工具電極の軸方向運動が、主として作業ギャップによって規定される侵食加工電流強度に直接に対応しており、これにより、侵食加工電流に関連した作業ギャップの直接的な比例制御も得られるということが大きな利点である。

電極ガイドは、ワイヤ電極の変位を可能にするが同時に制限もする楕円形の中空室と、この楕円形の中空室内で生ぜしめられるワイヤ電極の側方変位運動が自由端部部分の軸方向運動に変換される滑り通路とを有している。当該電極ガイドの側方には磁気源の各極が収納されており、これらの極は均質な磁界を中空室内に発生させる。電極ガイドと工作物との間にはギャップが位置しており、このギャップの幅の大きさは、加工液が作業ギャップを十分に洗い流せる程度に過ぎない。このようにして、ワイヤ電極の突出している自由端部部分は、工作物に良好に近づけられている。

電極送り駆動機構は、ワイヤ電極を除去及び摩耗に対応して、このワイヤ電極だけが給電され得るようにフォローアップするという課題を有している。この場合、作業ギャップの最適化は、ワイヤ電極の変位によって極めて迅速且つ正確に行われる。従って、電極送り駆動機構は、大体の低速の過程に関してのみ設定されており且つ比較的簡単且つ廉価に製作することができる。ワイヤ電極のガイドへの手繰り込みは、電極送り駆動機構によって自動的に行われ、この場合、ワイヤ電極は工具ヘッド内のリールにリザーブとして蓄えられている。

磁界内のワイヤの長さ及び外側の磁界の磁界強度が一定に保持される場合、変位力は侵食加工電流に比例して関連し、この侵食加工電流もやはり作業ギャップに関連しているので、Ｐ制御器が付加的な手間無しで得られる。電磁石を用いて、強さが侵食プロセッサにより制御される外側の磁界が形成される場合は、別の制御システムを使用することもできる。

ワイヤ電極は、特に比較的深い穴の場合、加工プロセス中により良い洗浄のため、並びに滑り通路とワイヤ電極との間の摩擦補償のために回転されてよい。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１に示した装置は、例えば０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍの厚さを有する銅製の通走するワイヤの形の工具電極を使用している。図面によれば、ワイヤ電極１は、符号２で示した工具ヘッドに設けられた電極ガイド１５内で延在しており且つこの電極ガイド１５から突出している自由端部部分１ｃを有しており、この自由端部部分１ｃは加工電極面１ｄで終わっており、この加工電極面１ｄは間隔Ｇをおいて工作物３に対向位置しており、これにより、図面では孔が加工される。工具ヘッド２はスピンドル６に固定されており、このスピンドル６は、場合によっては工具ヘッド２を回転させるためにも役立つ。通走するワイヤ電極は、工具ヘッド２にピン５によって回転可能に保持されたリール４に蓄えられている。更に、工具ヘッド２内には、電極送り機構が収納されたブシュ１３が位置している。このブシュ１３は、間にワイヤ電極１の保持された連行ローラ８と圧着ローラ７並びにリール４からガイドされるワイヤ電極１を軸方向運動させるための伝動装置（図示せず）を介して前記連行ローラ８を回転させるための駆動モータ９を有している。更に、ブシュ１３は、送り運動に際してワイヤ電極がガイドされ且つ形状接続的に保持される孔１４を有している。工具ヘッド２と電極ガイド１５との間には、ブシュ１３と電極ガイド１５との間の相対運動を可能にするために、空隙Ｆが設けられている。

電極ガイド１５の側方には、磁石１７の極１７ａ，１７ｂが収納されており、これらの極１７ａ，１７ｂは、有利には電磁石に起因しており且つ均質な磁界１８を電極ガイド１５の楕円形の中空室１５ａ内に発生させる。電極ガイド１５は、有利には非磁性且つ導電性の材料から製作されている。電極ガイド１５と工作物３との間にはギャップＨが存在しているので、加工液は作業ギャップＧを十分に洗い流すことができる。

全体として符号４２で示した入力／出力モジュールが設けられており、この入力／出力モジュールはスピンドルモータ３３、電極送りモータ９及び電磁石１７のための制御ユニットとして働く。ワイヤ電極１は、入力／出力モジュール４２及びコンタクト１１を介して直流電源４４にも接続され且つ作業液によって洗われる作業ギャップＧに基づいて、ワイヤ電極１の自由端部部分１ｃに設けられた加工面１ｄと工作物３との間で連続的な放電を発生させるために、接続及び遮断される。作業液は、液体源と結合された１つ又は複数のノズル２４によって作業ギャップＧに導入され得る。工作物３は、工作物テーブル３０に不動に組み付けられている。プロセスコンピュータ４０は入力／出力モジュール４２と接続されており且つプロセスを規定する調整値を処理する。

次に、図２に基づいて機能原理を説明する。ブシュ１３から延びるワイヤ電極１は、楕円形の中空室１５ａ内の変位部分１ａ、滑り通路１５ｂ内のガイド部分１ｂ及び電極ガイド１５から突出している、加工面１ｄで終わる自由端部部分１ｃを有している。中心の変位部分１ａは長さｌを有しており、磁界Ｂ内に位置しており且つ侵食加工電流Ｉを供給されている。次いで、変位部分１ａに、電極軸線に対して横方向の力Ｆが作用し且つ当該の変位部分１ａを矢印Ｆの方向に変位させようとする。変位力Ｆは以下のように算出され得る。即ち：
Ｆ＝Ｂ*Ｉ*ｌ
この場合、Ｂ＝磁束密度、Ｉ＝侵食加工電流、ｌ＝磁界内に位置するワイヤ電極の長さである。

例えば作業ギャップＧが極端に小さく、従って侵食加工電流Ｉが増大されているので力Ｆが十分に大きな場合に、変位部分１ａは軸線から値ｗだけ変位される。電極軸線に対して横方向のこの運動は、滑り通路１５ｂにおける軸方向運動への変換により、矢印Ｐの方向に変えられるので、作業ギャップＧは値ｚだけ拡大され、これにより、ワイヤ電極１は反対側を工具ヘッド２内の連行ローラ８及び圧着ローラ７によってしっかりと保持される。作業ギャップＧが拡大すると、直ちに侵食加工電流Ｉ及び変位力Ｆも低下するので、変位部分１ａはワイヤ電極１の弾性力に基づいて再びまっすぐになり、作業ギャップＧは再び小さくなる。この過程は、前記力が補償されるまで繰り返される。

本発明を適用して通走するワイヤ電極を用いた放電加工装置を、具体的に説明するために部分的に断面図及び回路図として概略的に示した図である。 図１に示した電極ガイドの拡大概略図である。

符号の説明

１ ワイヤ電極、 １ａ 変向部分、 １ｂ ガイド部分、 １ｃ 自由端部部分、 １ｄ 加工電極面、 ２ 工具ヘッド、 ３ 工作物、 ４ リール、 ６ スピンドル、 ７ 圧着ローラ、 ８ 連行ローラ、 ９ 駆動モータ、 １１ コンタクト、 １３ ブシュ、 １４ 孔、 １５ 電極ガイド、 １５ａ 中空室、 １５ｂ 滑り通路、 １７ 磁石、 １７ａ，１７ｂ 極、 １８ 磁界、 ２４ ノズル、 ３０ 工作物テーブル、 ３３ スピンドルモータ、 ４０ プロセスコンピュータ、 ４２ 入力／出力モジュール、 ４４ 直流電源、 Ｂ 磁界、 Ｆ 空隙、 Ｇ 加工ギャップ、 Ｈ ギャップ、 Ｉ 侵食加工電流、 ｌ 長さ

Claims (7)

1. 細長い工具電極を用いた工作物の放電材料加工法であって、工具ヘッド内の電極送り駆動機構によって前記工具電極を、前記工具電極の加工電極面を形成する自由端部部分が間隔をあけて工作物に対向位置し且つ前記自由端部部分と工作物との間で、加工液によって洗われる作業ギャップが制限されるように保持し、放電加工式で工作物の材料を除去するために、前記工具電極と工作物との間に侵食加工電流を印加する形式のものにおいて、
   前記工具電極を、工具ヘッドと自由端部部分との間で工具電極ガイドに手繰り込ませ、前記工具電極の自由端部部分を、前記工具電極ガイドから軸方向に運動可能に突出させ、前記工具電極を、工具ヘッドと自由端部部分との間で、侵食加工電流の給電された前記工具電極の、電極軸線に対して横方向の変位を生ぜしめる磁界作用に晒し、前記工具電極ガイドにおいて前記工具電極を作業ギャップの最適化のために横方向に変位させて、自由端部部分の軸方向運動に変換することを特徴とする、工作物の放電材料加工法。
2. 工具ヘッド内の電極送り駆動機構を用いて作業ギャップの粗調整を生ぜしめ且つ前記工具電極の横方向の変位によって作業ギャップの微調整を生ぜしめる、請求項１記載の方法。
3. 前記工具電極を、電極送り駆動機構によって保持し且つ前記工具電極ガイドに手繰り込ませる、請求項１記載の方法。
4. 工作物の放電材料加工装置であって、細長い弾性変形可能な工具電極及び前記工具電極を保持するための工具ヘッドが設けられており、前記工具ヘッドにより、前記工具電極の加工電極面を形成する自由端部部分が、間隔をあけて工作物に対向位置させられ且つ加工液によって洗われる作業ギャップが制限されるようになっており、更に、工作物の放電加工式の材料除去の目的で、前記工具電極と工作物との間に侵食加工電流を印加するための電流供給装置が設けられている形式のものにおいて、
   侵食プロセスにおいて最適な作業ギャップを維持するために、侵食加工電流を、前記工具電極の自由端部部分の軸方向運動に直接に変換するための電磁式の変換器が設けられており、該電磁式の変換器が、工具ヘッドと自由端部部分との間で、侵食加工電流の給電された前記工具電極を、電極軸線に対して横方向に変位させる磁界作用に晒すことを特徴とする、工作物の放電材料加工装置。
5. 前記電磁式の変換器が、極間に前記工具電極の位置する磁石と、電極ガイドとを有している、請求項４記載の装置。
6. 前記電極ガイドが、工具ヘッドと工作物との間で延びる管であり、中央に楕円形の中空室を有する側と、工作物に面して滑り通路を有する側とにそれぞれ空隙が設けられている、請求項４又は５記載の装置。
7. 前記電極ガイドの楕円形の中空室の領域に磁石の極が収納されている、請求項４又は５記載の装置。

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