JP4460132B2 - 異形穴の電解加工方法 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、中空管状の電極内に電解液を流通させながら、導電性金属材料からなる被加工物に異形穴を加工する電解加工方法に関し、特に電極の軸線方向の位置における横断面内形輪郭寸法が異なる異形穴を、高精度かつ高効率で加工することができる異形穴の電解加工方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、導電性材料からなる中空管状の電極を使用して、金属材料からなる被加工物に所定寸法の穴あけをする手段として、電極と被加工物との間に電解液を流通させると共に、電極と被加工物との間に直流電圧を印加することにより、被加工物側の金属を電解作用によって電解液中に溶出させて穴あけを行なう電解加工法は、いわゆるSTEM(Shaped Tube Electrochemical Machining) として知られている。
【0003】
図7はSTEMとして知られている従来の電解加工法の一例を示す説明図である。図7において、1は被加工物であり、例えば鉄鋼材料のような金属材料からなり、加工槽2内のテーブル3上に載置固定されている。4は電極であり、例えばチタンまたはチタン合金のような電解され難い導電性材料により、横断面外形輪郭を加工すべき穴の内形輪郭と対応させて中空管状に形成され、ホルダ5に支持されて被加工物1に対向して進退可能に設けられる。電極4およびホルダ5は一体に形成され、例えばラック・ピニオン6とサーボモータ7とからなる電極駆動装置によって制御駆動される。
【0004】
次に8は直流電源および制御装置であり、リード線9,10を介して電極4および被加工物1に所定の直流電圧を印加すると共に、サーボモータ7と電気的に接続され、サーボモータ7の駆動を制御するように構成されている。
【0005】
11はタンクであり、電解液12を貯留し、この電解液12は、ポンプ13、フィルタ14および流量調節弁15を介してホルダ5および電極4に供給され、更に加工槽2からの排出分はタンク11内に戻るように構成されている。
【0006】
図8は図7における電極4の先端部を示す拡大断面図である。図8において、電極4は芯管41の外周に耐酸性絶縁材料からなる被覆42が固着されると共に、電極4の先端部は傾角αなる円錐面に形成されている。この場合、αは10〜15°に設定される。
【0007】
上記の構成により、電解液12として例えば硝酸水溶液(濃度18重量%)を使用し、この電解液12をポンプ13を介して加工槽2とタンク11との間を循環させる一方、リード線9,10を介して直流電圧を印加し(被加工物(+)、電極(−))、電極4を被加工物1に対して制御送りすれば、被加工物1側の金属が電解作用によって電解液12内に溶出し、被加工物1に所定寸法の穴あけ加工を行なうことができる。
【0008】
上記の電解加工方法は、被加工物1に内部応力を発生することなく、冶金学的にも影響がない、例えば直径1mm以下の微細寸法の深穴を、深さ寸法対穴径比において最大300:1に加工することができ、特にガスタービンブレードに不可欠な微細径の多数の冷却穴を加工する場合に有効である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなガスタービンブレードの冷却穴は、冷却作用を向上させるために、近年においては等径の穴のみならず、その軸線方向の位置における横断面内形輪郭寸法が異なる異形穴が要求されるようになってきている。すなわち、穴の開口部よりもその内部における横断面内形輪郭寸法が大に設定されているものも少なくない。
【0010】
このような異形穴を上記のようなSTEMによって加工する場合には、電極の軸線方向の送り量および送り速度を微妙に制御し、かつ印加すべき直流電圧の制御も併せて行なう手段によれば、実験的には可能ではあるが、微細寸法の異形穴を多数加工すべき実際作業においては不可能に近く、しかも加工精度においても満足すべきものが得られていないのが現状である。
【0011】
本発明は、上記従来技術に存在する課題を解決し、軸線方向の位置における横断面内形輪郭寸法が異なる異形穴を、高精度かつ高効率で加工することができる異形穴の電解加工方法を提供することを課題とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明においては、
導電性材料からなる芯管の外表面に絶縁材料からなる被覆を設けてなる中空管状の電極内に電解液を流通させ、かつこの電解液を前記電極の先端から噴出させながら前記電極を金属材料からなる被加工物に対して電極の軸線方向に相対移動させ、前記電解液を介して電極と被加工物との間に電圧を印加して、前記電極の軸線方向の位置における横断面内形輪郭寸法が異なる穴を加工する異形穴の電解加工方法において、
初工程において電極の軸線方向の位置における横断面内形輪郭寸法が均一な穴を加工し、
以後の工程において、外表面の被覆の一部を除去して導電性材料からなる芯管の表面を露出させた電極を使用し、前工程における加工穴の一部を加工する、
という技術的手段を採用した。
【0013】
本発明において、電極の外表面の被覆の除去部位を電極の軸線と直交するスリット状に形成することができる。
【0014】
次に上記の発明において、電極の外表面の被覆の除去部位を電極の軸線方向に複数個設けることができる。
【0015】
また上記の発明において、電極の先端部の端面およびその近傍の内表面に絶縁材料からなる被覆を設けることができる。
【0016】
更に上記の発明において、電極および異形穴の横断面形状を円形とすることができる。
【0017】
また更に本発明において、電極の構成材料としてチタンまたはチタン合金を使用し、複数個の電極を使用して複数個の異形穴を同時に加工することができる。
【0018】
なお本発明において、電解液として硝酸水溶液、硫酸水溶液または塩酸水溶液を使用することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施の形態における加工対象である異形穴の例を模式的に示す縦断面端面図である。図1において、異形穴20は、直径D1 なる小径部21、直径D2 なる中径部22および直径D3 なる大径部23からなり、例えば上方の開口部から、大径部23−中径部22−小径部21−中径部22−大径部23−……の順に配列されている。
【0020】
図2は本発明の実施の形態における初工程の加工態様を示す要部拡大縦断面図であり、同一部分は前記図1および図8と同一の参照符号で示す。図2において、電極4の外径Dは、加工すべき穴20a(この場合は図1における小径部21に相当する)の直径D1 より若干小に形成する。そして前記図7に示す電解加工手段により、電極4を被加工物1に対して電極4の軸線方向に制御送りすれば、被加工物1に小径部21の直径D1 を有する等径の穴20aを加工することができる。
【0021】
図3は本発明の実施の形態における第2工程の加工態様を示す要部拡大縦断面図であり、同一部分は前記図2と同一の参照符号で示す。図3において、43はスリットであり、電極4の外周面の被覆42の一部を例えば円周方向に微細幅寸法に除去して芯管41を露出させた部位であり、例えば電極4の軸線方向にピッチPで複数個設ける。なおスリット43の設置位置は、前記図1に示す中径部22の位置と対応させて選定する。
【0022】
次に、電極4の下端面は、例えば電極4の軸線と直交する平面に形成すると共に、芯管41の下端面およびその近傍の内表面には、耐酸性絶縁材料からなる被覆42を設ける。
【0023】
上記の構成により、第2工程においては、まず電極4を初工程において加工した等径の穴20a内に図3に示すように挿入し、次に電解液を流通させると共に電極4と被加工物1との間に直流電圧を印加して、電極4を軸線方向に所定速度でS1 寸法上昇させ、必要に応じて上記範囲において電極4を往復制御送りする。上記の電極4の制御送りにより、スリット43によって露出した芯管41と被加工物1の穴20aの内面との間の電解作用により、鎖線にて示すように穴20aの内面の一部が直径D2 (図1における中径部22に相当)に加工される。
【0024】
図4は本発明の実施の形態における第3工程の加工態様を示す要部拡大縦断面図であり、同一部分は前記図3と同一の参照符号で示す。図4において、電極4に設けるべきスリット43の位置は、前記図1に示す大径部23の位置と対応させて選定する。
【0025】
上記の構成により、第3工程においては、電極4を第2工程において加工された異形穴20内に図4に示すように挿入し、前記第2工程と同様に電解液の流通および直流電圧の印加を行ない、電極4を軸線方向にS2 寸法の範囲内で制御送りすれば、鎖線にて示すように前記第2工程において加工された中径部22の一部が、直径D3 (図1に示す大径部23に相当)に加工され、図1に示す所定の異形穴20の電解加工を完了することができる。
【0026】
なお、異形穴20として図4に示すように、直径D1 なる小径部21と、直径D2 なる中径部22とからなるものとする場合には、第3工程を実施することなく、第2工程までで加工が完了することになる。
【0027】
【実施例】
まず直径2.85mmの電極4(図8参照)を使用し、初工程において耐熱鋼からなる被加工物1に対して等径の穴を電解加工によって形成した。この場合の加工条件は、直流電圧11V、電極4の送り速度1.5mm/分とし、電解液として濃度18%の硝酸水溶液を使用した。この結果、直径3.2mmの等径の穴が得られた。
【0028】
次に図5に示す電極4を使用して第2工程の加工を行なった。図5において、スリット43は例えば旋削加工によりピッチP=3.3mm、幅寸法W=0.1mmに形成し、芯管41が露出するように被覆42を除去した。この電極4を前記初工程において形成した等径の穴内に挿入し、電解加工を行なった。この場合の加工条件は、直流電圧11V、電極4の送り速度1.0mm/分とし、電極4の軸線方向に2.3mm上下往復させた。
【0029】
図6は上記電解加工によって形成された異形穴の例を示す要部縦断面図であり、同一部分は前記図3と同一の参照符号で示す。図5に示す電極4を使用することにより、スリット43によって露出した芯管41と被加工物1の穴の内面との間の電解作用によって、直径D2 =3.7mmの中径部22を形成することができる。なお初工程における穴は直径D1 =3.2mmの小径部21として、幅寸法W1 =0.6mmの段部を形成して残存し、異形穴20を得ることができた。
【0030】
上記の実施例においては、電極4として円管を使用した例について説明したが、横断面形状が円形以外の中空管を使用してもよい。またスリット43を等ピッチで複数個設けた例について説明したが、スリット43を1個としてもよく、またスリット43の設置間隔を変化させたものであっても本発明の適用が可能である。なお、電極4の外表面の被覆42の除去部位は、スリット状に限定されることなく、外周方向に不連続である部分的なものであってもよく、要するに所望の異形穴の形状に対応させて適宜選定すればよい。
【0031】
【発明の効果】
本発明は、以上記述のような構成および作用であるから、軸線方向の位置によって形状が異なる異形穴であっても、高精度かつ高効率で加工することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における加工対象である異形穴の例を模式的に示す縦断面端面図である。
【図2】本発明の実施の形態における初工程の加工態様を示す要部拡大縦断面図である。
【図3】図3は本発明の実施の形態における第2工程の加工態様を示す要部拡大縦断面図である。
【図4】本発明の実施の形態における第3工程の加工態様を示す要部拡大縦断面図である。
【図5】本発明の実施例における電極の例を示す要部正面図である。
【図6】本発明の実施例において形成された異形穴の例を示す要部縦断面図である。
【図7】STEMとして知られている従来の電解加工法の一例を示す説明図である。
【図8】図7における電極4の先端部を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
1 被加工物
4 電極
41 芯管
42 被覆
43 スリット
Claims (7)
- 導電性材料からなる芯管の外表面に絶縁材料からなる被覆を設けてなる中空管状の電極内に電解液を流通させ、かつこの電解液を前記電極の先端から噴出させながら前記電極を金属材料からなる被加工物に対して電極の軸線方向に相対移動させ、前記電解液を介して電極と被加工物との間に電圧を印加して、前記電極の軸線方向の位置における横断面内形輪郭寸法が異なる穴を加工する異形穴の電解加工方法において、
初工程において電極の軸線方向の位置における横断面内形輪郭寸法が均一な穴を加工し、
以後の工程において、外表面の被覆の一部を除去して導電性材料からなる芯管の表面を露出させた電極を使用し、前工程における加工穴の一部を加工すること、
を特徴とする異形穴の電解加工方法。 - 電極の外表面の被覆の除去部位を電極の軸線と直交するスリット状に形成したことを特徴とする請求項1に記載の異形穴の電解加工方法。
- 電極の外表面の被覆の除去部位を電極の軸線方向に複数個設けたことを特徴とする請求項1または2に記載の異形穴の電解加工方法。
- 電極の先端部の端面およびその近傍の内表面に絶縁材料からなる被覆を設けたことを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載の異形穴の電解加工方法。
- 電極および異形穴の横断面形状が円形であることを特徴とする請求項1ないし4の何れかに記載の異形穴の電解加工方法。
- 電極の構成材料としてチタンまたはチタン合金を使用し、複数個の電極を使用して複数個の異形穴を同時に加工することを特徴とする請求項1ないし5の何れかに記載の異形穴の電解加工方法。
- 電解液として硝酸水溶液、硫酸水溶液または塩酸水溶液を使用することを特徴とする請求項1ないし6の何れかに記載の異形穴の電解加工方法。
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