JP4509509B2

JP4509509B2 - 放電加工装置

Info

Publication number: JP4509509B2
Application number: JP2003300357A
Authority: JP
Inventors: 昭彦今城; 知子千代; 達志佐藤; 昭弘後藤; 智鈴木; 国吉石井; 岩男横井; 正裕岡根; 雅宏家澤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2023-08-25
Also published as: JP2005066760A

Description

この発明は放電加工装置に関し、特に、被加工物に多数の細穴をＮＣ装置による制御のもとで加工形成する細穴加工用の放電加工装置に関する。

従来の細穴を放電加工する放電加工機は、ベッドと、そのベッド上に水平面上で互いに直交するＸ軸及びＹ軸にそれぞれ移動制御されるサドルと、テーブルが載置されているＸＹクロステーブルとによって構成する。サドルは、Ｘ軸モータで移動し、テーブルは、Ｙ軸モータで移動する。テーブル上に加工槽が設けられ、この加工槽中の底部に設けた定盤上に被加工物が定置される。ベッド上にコラムが立設され、このコラムに主加工軸であるＺ軸方向（鉛直方向）に昇降制御される加工ヘッドが設けられ、この加工ヘッドは加工主軸を回転自在に内蔵している。加工ヘッドは、Ｚ軸モータで昇降移動する。Ｚ軸モータは、加工主軸を回転させる主軸回転モータである。加工主軸の先端部（下端部）に電極ホルダチャックが取り付けられ、このチャックに電極ホルダが装着される。電極ホルダは、細穴加工用電極を把持し、この電極は円筒状である（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−３０１６２３号公報

従来の細穴加工の放電加工装置は、被加工物の表面をＸＹ平面と平行になるように置き、ＸＹ平面内の電極移動によって被加工物の表面をＸＹ平面に保ちながら、加工を進行させるため、ＸＹ平面に対して垂直でない曲面または多面体からなる表面を有する被加工物に、その表面に垂直または傾いた穴径の小さな細穴を加工できないという課題があった。

また、ＸＹ平面に対して垂直でない表面法線方向を有する半球形状の被加工物に穴径の大きな穴を加工する際、穴の側面と電極を進める方向とは傾いているので、その側面の放電加工においては、少しずつ電極を進め、さらに被加工物をＸＹ平面内で移動を繰り返す。そのため、加工速度と表面性状を両立できないという課題があった。

また、電極の消耗に対して、電極を送り出す機構がなく、多数の細穴を連続加工できないという課題があった。

この発明の目的は、薄い変質層と小さな表面粗さを有し、曲面または多面体からなる表面を有する被加工物の表面に多数の異形穴を連続加工できる放電加工装置を提供することである。

この発明の放電加工装置は、被加工物と近接しながら上記被加工物との間で放電を発生する電極と、上記電極と上記被加工物の相対位置をＸＹＺ直交３軸方向に移動させる移動手段と、上記被加工物の表面をＸＹ平面に対して可変に位置できるように上記被加工物を調整可能に支持する被加工物支持手段と、上記被加工物と上記電極との間に放電のための電力を供給する放電電源と、上記移動手段と上記被加工物支持手段とをあらかじめ設定した位置情報に従って位置制御するとともに、上記放電電源を用いて上記被加工物と上記電極との間に放電を発生させて放電加工を行う制御装置と、を備え、Ｚ軸の移動によって上記被加工物の穴を深さ方向に放電加工するとともに、Ｘ軸またはＹ軸の移動によって上記被加工物に異形穴を放電加工し、上記被加工物を２軸の周りに回転させることで該異形穴の深さ方向が上記被加工物の表面の法線方向となす角度を所望の角度になるように放電加工し、上記被加工物に対して互いに上記角度の異なった複数の異形穴を加工し、上記被加工物と上記電極との極間制御においては、２軸回りの回転制御を用いることなく、ＸＹＺ直交３軸の制御を用いる。

この発明に係わる放電加工装置の効果は、被加工物を傾けて３次元スキャニングの創成放電加工を行うことによって、曲面または多面体からなる表面を有する被加工物に垂直または傾いた異形穴を連続して形成することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明に係わる放電加工装置の構成を示す図である。図２は、図１の被加工物支持手段の詳細図である。図２（ａ）は、被加工物支持手段の正面図であり、図２（ｂ）はその側面図である。
図１において、この放電加工装置は、被加工物１を支持し、Ｃ軸（図２参照）まわりに回転するＣ軸テーブル２と、Ｃ軸テーブル２を支持し、Ｂ軸（図２参照）まわりに回転するＢ軸テーブル３と、Ｂ軸テーブル３を支持するベッド４とを備えている。

さらに、放電加工装置は、被加工物１との間に放電を発生させる電極５と、この電極５を保持する電極ホルダ６と、被加工物１の近傍で電極５の先端位置を決めるガイド７と、電極ホルダ６を保持するチャック８と、このチャック８を支持し、Ｚ軸方向に平行移動するヘッド９と、このヘッド９を支持し、Ｘ軸、Ｙ軸方向に移動するラム１０とを備えている。

さらに、放電加工装置は、その中に加工液を満たして被加工物１を加工液に浸漬する加工槽１１を備えている。この加工槽１１およびラム１０などはベッド４に支持されている。

さらに、放電加工装置は、Ｃ軸テーブル２、Ｂ軸テーブル３、ヘッド９およびラム１０をそれぞれ制御する制御装置としてのＮＣ制御装置１２を有している。ＮＣ制御装置１２は、目標加工形状をあらかじめＮＣデータとして記憶するＮＣデータ部１３と、ＮＣデータに基づきＣ軸テーブル２、Ｂ軸テーブル３、ヘッド９およびラム１０を制御する位置制御情報を生成するＮＣ位置制御手段１４とを有している。
なお、ＮＣデータにより放電加工を制御するＮＣ制御装置について説明するが、ＮＣデータではなくコンピュータコントロールデータなどを用いても同様の効果が得られるので限定されるものではない。

さらに、放電加工装置は、被加工物１と電極５との間に放電を発生する放電電圧を印加する放電電源１５を有している。

この放電加工装置における座標軸は、以下のように設定してある。基準面Ｆは、ベッド４の上面とし、ＸＹ平面に平行である。このベッド４の上面は、設置地面に水平に調整して設置してある。この上面上で幅方向をＸ軸方向とし、作業者にとって向かって右手方向を正、左手方向を負に設定してある。さらに、この上面上で奥行き方向をＹ軸方向とし、手前側を正、奥行き側を負に設定してある。この上面の法線方向をＺ軸方向とし、上方を正、下方を負に設定してある。

ヘッド９は、Ｚ軸方向に直線移動することができる。
ラム１０は、Ｘ軸−Ｙ軸の２軸を有する図示しない直線軸受けによって支持されている。
これら電極ホルダ６、ガイド７、チャック８、ヘッド９およびラム１０により電極移動手段１７を構成している。

図３は、この放電加工装置における被加工物１および電極５の周辺を拡大した斜視図である。被加工物１は、円筒１ａの片側の開口部を半球形状のドーム１ｂが一体として覆っている。放電加工は、このドーム１ｂに多数の後述する異形穴をドーム１ｂの表面の法線方向に中心軸を揃えて設けることである。
電極５は、電極ホルダ６で保持され、さらに、被加工物１に近接した位置でガイド７によってＸ軸、Ｙ軸方向の位置が拘束されている。このようにガイド７で支持することによって、小さな径、例えば１ｍｍ以下の小径の電極５を用いることができる。
また、電極５がたわみやすい場合でも、電極５のＸ軸、Ｙ軸位置を正確に制御することができる。そして、電極ホルダ６は、ヘッド９で支持され、ガイド７は、ラム１０で支持されている。ヘッド９は、ラム１０で支持されているため、ラム１０のＸ軸、Ｙ軸位置を制御することにより、電極ホルダ６とガイド７のＸ軸、Ｙ軸方向位置を同期して制御できる。

また、放電加工装置では、ベッド４から垂直に立ち上がった図示しない支持部材に設けられたＢ軸に回転自在に支持されたＢ軸テーブル３は、所定な曲率半径Ｒを有し、Ｂ軸の周りに回転することができる。
Ｃ軸テーブル２は、Ｂ軸テーブル３上のＣ軸に対して（図２参照）回転自在に支持されている。
これらＣ軸テーブル２とＢ軸テーブル３とによって被加工物支持手段１６を構成している。

次に、この放電加工装置における被加工物１の表面の法線とＸ軸−Ｙ軸平面とのなす角度は、Ｂ軸テーブル３を所望の角度に成るように回転することにより設定される。

図４は、ドーム１ｂに放電加工で設ける異形穴の形状を説明した上面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。この図４で、異形穴の中心軸Ｌは、上面図（ａ）では中心の一点、断面図（ｂ）では一点鎖線で示されている。この中心軸Ｌは、Ｚ軸と平行になる。さらに、異形穴の中心軸Ｌと垂直な平面すなわちＸＹ平面における穴の内周の形状は円形と異なっている。図４では、ＸＹ平面上の穴の内周の形状は、十文字状である。このように中心軸Ｌに垂直な断面が円形と異なる形状においては、内接円と外接円とを定義する。内接円は、穴の内周の少なくとも１点が含まる最小の円である。また、外接円は、穴の内周のすべての点が含まれる最大の円である。この内接円の半径と外接円の半径との差が電極半径よりも大きい特異形状を異形と呼び、穴の内周の形状が異形のときの穴を異形穴と称す。
なお、図４（ｂ）に示すような被加工物１を貫通する穴とともに、図５に示すような被加工物１を貫通しない凹部も穴と称す。場合でも図５に示すように、図４に示した内接円の直径よりも凹部深さが大きい形状を穴と呼ぶ。このような異形穴は電極５をＸ軸、Ｙ軸方向に走査しながら、放電加工をＺ軸方向に進行させることによって形成できる。

図２０は、他の異形穴の例を示す説明図である。図２０（ａ）では、穴の内周の形状が矩形である穴を示す。内接円の半径と外接円の半径との差が電極半径よりも大きい。図２０（ｂ）では、穴の内周の形状が三角形である穴を示す。

次に、図１の放電加工装置を用いて図６に示す異形穴を被加工物１に対し放電加工により設ける動作について説明する。
まず、加工目標となる異形穴の形状に関して、図６を参照して説明する。図６（ａ）は、異形穴の断面図である。図６（ｂ）は、異形穴加工後の被加工物１の斜視図である。
図６に示すように、異形穴２０は、ドーム１ｂに設けるものである。Ｂ軸テーブル３を角度αだけ回転させることにより、異形穴２０の中心軸をドーム１ｂの表面の法線方向に合わせることができる。図６（ａ）の状態で異形穴２０を加工した後、Ｃ軸テーブル２を角度βだけ回転させて、異形穴２０を回転角βに応じた位置に加工できる。

図７に示すように、ＮＣ制御装置１２は、Ｂ軸テーブル３とＣ軸テーブル２とを位置制御して被加工物１をその目標加工形状の異形穴の中心軸と電極のＺ軸方向とを一致させる。このようにしてＢ軸テーブル３とＣ軸テーブル２をベッド４に固定して、それ以降の放電加工を進める。

次に、ＮＣ制御装置１２は、ヘッド９およびラム１０の位置を制御して電極５をスキャニングして被加工物１との間隔を調整する。同時に、放電電源１５を駆動して放電加工を行う。この説明では、電極５をスキャニングしたとき画かれる軌跡をスキャニング軌跡と呼ぶ。
次に、異形穴２０の創成加工における動作について説明する。
図８(ａ)は、電極５のスキャニングによって異形穴２０を加工するときのスキャニング軌跡を示す上面図である。図８（ａ）において、破線は、電極の中心のスキャニング軌跡である。点Ａから開始して、電極５はＹ軸負方向に移動され、Ｙ軸と平行な壁面のＸ軸正方向側を加工しながら点Ｂに達したら、電極５をＸ軸負方向に移動する。次に、電極５はＹ軸正方向に移動され、Ｙ軸と平行な壁面のＸ軸負方向側を加工しながら中央部に戻る。次に、点Ｃに向かってＸ軸負方向に移動され、Ｘ軸と平行な壁面のＹ軸負方向側を加工し、点Ｃに達したら、電極５はＹ軸正方向に移動される。次に、電極５はＸ軸正方向に移動されながら、Ｘ軸と平行な壁面のＹ軸正方向側を加工して中央部に戻る。次に、点Ｄに向かってＹ軸正方向に移動され、Ｙ軸と平行な壁面のＸ軸負方向側を加工し、点Ｄに達したら、電極５をＸ軸正方向に移動する。次に、電極５はＹ軸負方向に移動されながら、Ｙ軸と平行な壁面のＸ軸正方向側を加工して中央部に戻る。次に、点Ｅに向かってＸ軸正方向に移動され、Ｘ軸と平行な壁面のＹ軸正方向側を加工し、点Ｅに達したら、電極５をＹ軸負方向に移動する。次に、電極５はＸ軸負方向に移動されながら、Ｘ軸と平行な壁面のＹ軸負方向側を加工して中央の点Ｆに戻る。
この点Ａから点Ｆに至る１回のＸＹ平面内の移動距離に比例した深さだけＺ軸負方向に電極５を送り込むことにより、電極消耗を補正して、電極５の先端を一定の深さに保つことができる。すなわち、図８（ｂ）のスキャニング軌跡２３に示すように、異形穴２０の側面を一定の深さで電極５の先端が移動することになる。
点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの一巡動作の後、電極５をある一定値たとえば中空状電極の肉厚の２倍の長さだけＺ軸負方向に送り込み、図８（ａ）の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの一巡動作させることによって、図８(ｂ)のスキャニング軌跡２４を電極５の先端がたどり、異形穴２０が深くなる。このような動作を逐次繰り返して、異形穴２０を所望の深さまで加工することができる。

次に、異なったドーム１ｂの位置に異形穴２０を設けることについて説明する。
ドーム１ｂの同一の緯度上に異形穴２０を設けるときは、Ｂ軸テーブルはそのままに固定し、Ｃ軸テーブルだけを例えば図６に示すように角度βだけ回転し、固定すれば、その位置のドーム１ｂの表面の法線方向がＺ軸方向と平行にすることができる。
また、ドーム１ｂの異なった緯度上に異形穴２０を設けるときは、Ｂ軸テーブルを図６のように回転してその位置のドーム１ｂの表面の法線方向がＺ軸方向と平行にすることができる。

このような放電加工装置は、表面に曲面が設けられた被加工物にその表面に対して任意の角度を有する異形穴を設けることができる。

また、放電を安定に保つ被加工物と電極との極間制御にＢ軸テーブル、Ｃ軸テーブルを含めずに、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸のみの制御に限定することにより、極間制御に必要なＮＣ制御装置の演算量を軽減し、ＮＣ制御装置を安価に構成できる。

また、ガイドを設けたので、径の小さな電極を用いることができ、穴径の小さな異形穴を形成することができる。

さらに、ガイドを設けたので、たわみやすい電極を用いることができる。

なお、被加工物として半球状のドームを対象に説明したが、曲面を含んだ表面を有していればどうようにＢ軸テーブルおよびＣ軸テーブルにより穴の中心軸を調整することができる。また、複数の平面を含んだ表面を有していても同様に異形穴を設けることができる。

実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２に係わる放電加工装置の電源と電極を説明する図である。実施の形態１の放電加工装置とは、電極ホルダと放電電源とが異なっている。その他は、同様であるので、同様な部分の説明は省略する。
電極ホルダ６は、チャック８に支持され、チャック８は回転機構１８（図１参照）のモータにより回転している。電極ホルダ６は、電極５と、電極５と電気的に接続し、かつ電極５とともに機械的に回転するスリップリング３１と、このスリップリング３１と摺動しならが電流を供給するブラシ３２と、このブラシ３２に電流を供給するフィーダ線３３を有している。なお、電極５の材料は、熱伝導率が被加工物１よりも大きな真鍮など銅を含む金属を用いている。
また、放電電源１５は、メイン電源３４と、サブ電源３５と、メイン電源３４に直列に接続した抵抗を有する抵抗回路３６と、抵抗回路３６、バイパス回路３７およびサブ電源３５とを切り換えフィーダ線３３と接続する切り換え回路３８とを備えている。
被加工物１は、Ｃ軸テーブル２に取付冶具３９で保持される。取付治具３９は、放電電源１５とグランド線４０で接続する。
ＮＣ制御装置１２は、図１に示すように回転機構１８のモータを制御して電極の回転を調整する電極制御手段１９を有している。

図１に示すようにＮＣ制御装置１２は、荒放電加工手段４１と仕上げ放電加工手段４２とを有している。
荒放電加工手段４１は、切り換え回路３８を切り換え抵抗回路３６を電極５に直列に接続する。また、メイン電源３４の放電持続時間を長くする。
さらに、仕上げ放電加工手段４２は、切り換え回路３８を切り換えバイパス回路３７をメイン電源３４と電極５との間に挿入する。また、メイン電源３４の放電持続時間を短くする。
バイパス回路３７の抵抗値は抵抗回路３６の抵抗値よりも十分に小さい。このようにバイパス回路３７から抵抗回路３６へ切り換えることにより、長パルスの電流値を小さくして、電極消耗を抑制できる。
なお、短パルス波形においては、フィーダ線３３の自己インダクタンスが過渡的にインピーダンスとして作用し、電流の大きさが抑えられる。

図１０と図１１は、この発明の実施の形態２に係わる放電加工装置の放電電源の電源波形を示す。図１０は、荒放電加工手段４１により制御されたときの放電電源から発生する長パルス低ピークの電圧（ａ）、電流波形（ｂ）を示す。図１１は、仕上げ放電加工手段４２により制御されたときの放電電源から発生する短パルスの電圧（ａ）、電流波形（ｂ）を示す。

荒放電加工手段４１と仕上げ放電加工手段４２とも、被加工物１と電極５の間にサブ電源３５によって電圧を加え、加工液の絶縁破壊が起こって電流が流れ始めたときに、サブ電源３５からメイン電源３４に切り換える。

荒放電加工においては、メイン電源３４の放電持続時間をたとえば４μsと長く取り、被加工物１と電極５との間に直列に抵抗回路３６を入れる。そして、たとえばその抵抗の抵抗値を２３Ωとし、メイン電源電流を６Ａ程度の低い値とする。

仕上げ放電加工においては、メイン電源３４の放電持続時間をたとえば０．１μsと短くし、切り換え回路３８としてのリレーで切り換えて荒放電加工で用いた抵抗回路３６はバイパスして、電流値のピークはたとえば２０Ａと高くする。
仕上げ加工においては、変質層厚さが１５μｍ以下となるように放電持続時間を1μs未満とし、荒加工においては、放電持続時間を1μs以上とする。

図１２は、長パルス低ピークの電流波形で荒放電加工し、この荒放電加工の後に短パルスの電流波形で仕上げ放電加工するときのスキャニング軌跡を示す。図８では、電極５の中心の軌跡を示したが、この図１２では、電極５の側面の加工点の軌跡を示している。

図１２において、実線５２は荒放電加工における異形穴の内周形状を示し、一点鎖線５４は、仕上げ放電加工においてスキャニングする軌跡を示している。

荒放電加工における形状は、長パルス低ピークの電流波形を用いて加工しているため、被加工物の表面粗さが大きく、変質層が厚くなる傾向にある。次に、この表面粗さの大きい表層および変質層を短パルス電流波形の仕上げ放電加工で除去する。仕上げ放電加工のスキャニング軌跡を荒放電加工のスキャニング軌跡よりも穴を広げる方向にオフセットする。仕上げ放電加工においては、短パルス波形を用いるため、伝熱時間が短く、被加工物表面の放電痕は小さく、浅くなる。また、変質層も薄くなる。
このようなオフセットしたスキャニング軌跡で仕上げ放電加工することにより、荒放電加工の面を除去しつつ、面粗さを小さくし、変質層を薄くして仕上げ放電加工をすることができる。

図１３、図１４は、図１２の異形穴形状のＸＹ断面であり、加工表面を模式的に表している。
図１３は、荒放電加工後の断面である。荒放電加工後の被加工物１の表面は、面粗さが大きく、変質層５３が厚い。放電加工は、放電で被加工物を加熱して溶融させるとともに加工液の気化爆発によって、加熱溶融された被加工物を吹き飛ばして、除去し、加工を進行させる。過熱した被加工物１の材料が、たとえば、耐熱合金の場合、高温強度が高いので、放電で加熱され、気化爆発力を受けたときに、吹き飛ばされずに残存し、残存部分の突起が大きく、面粗さが大きくなる。また、吹き飛ばされる量が少ないために、変質層も厚くなる。その結果、図１３に示すように、面粗さが大きくなり、変質層が厚くなる。また、荒放電加工で長パルスを用いると、熱伝導時間が長くなり、変質層が厚く、放電痕が大きくなって、面粗さも大きくなる。図１３において、１点破線は、この荒放電加工の後に行う仕上げ放電加工のスキャニング軌跡５４を示す。

この厚い変質層５３を包含するように仕上げ放電加工のスキャニング軌跡５４を取って加工した結果が図１４である。図１４は仕上げ放電加工後の断面であり、図１３の荒放電加工に比べて、面粗さが小さく、変質層５３も薄くなる。短パルスを用いたため、熱伝導の時間が短く、変質層は薄くなる。また、放電痕も小さいため、面粗さが小さくなる。

このような放電加工装置は、荒放電加工において、印加電圧時間を長くして、１回の放電による被加工物１の放電痕を大きく、かつ、深くすることによって、単位時間あたりの被加工物１の除去体積を増して加工速度を上げることができる。

また、そのとき電流値を低く抑えることによって、電極の消耗を抑制できる。

また、電極材料は真鍮など銅を含む金属を用いて熱伝導率を被加工物よりも大きくすることにより、長パルス波形を用いたときに、加工速度を増しつつ電極消耗を抑制することができる。

また、長パルスの荒放電加工の電流値を小さくして、電極消耗を抑制しながら、加工速度を増すことができる。

このような放電加工装置は、荒放電加工では、十分に長いパルス波形を用いて加工速度を増し、仕上げ放電加工においては、短パルス波形を用いて、オフセットしたスキャニング軌跡で荒放電加工面を除去することにより、面粗さを小さく、変質層を薄くし、被加工物の表面をなめらかにし、クラック発生を抑制して、クラックに応力集中を発生させることなく、被加工物の強度を高めることができる。

このような放電加工装置は、電極や被加工物の材質、形状のばらつきなどの加工条件の変化に対して、ストレート下穴は一定の形状が確保できる。電極をスキャニングして加工する体積を小さくできるため、加工条件の変化に対して加工形状の変動を抑制できる。また、新たな材料、形状に対して、精度良く加工することができる。

実施の形態３．
図１５は、この発明の実施の形態３に係わる放電加工装置の電極ホルダを説明する断面図である。実施の形態１に係わる放電加工装置は、実施の形態１の放電加工装置と電極ホルダが異なっている。その他は同様であるので、同様な部分の説明は省略する。
電極ホルダ６は、チャック８で保持されるドローバー６１と、このドローバー６１に連結したケーシング６２と、このケーシング６２の中を加工液圧によって上下する加圧部材としての受圧可動子６３と、この受圧可動子６３の位置を戻す方向に働く復帰ばね６４と、電極５が貫通する孔を有し、受圧可動子６３によって変形して電極５をシールする可撓性シール部材としての樹脂シール６５と、電極５の挿入を案内するテーパワッシャ６６と、電極５を保持する掴み爪６７と、油圧ポンプなどからなる加工液を加圧する加圧手段６８とを有する。
さらに、電極制御手段１９は、電極ホルダ６を制御して電極の突き出し長さを調整する。

電極５は円筒状であり、円筒の内側を経由して加工液を被加工物１との放電個所に流すことによって、加工くずを排出し、放電加工を進行させる。

加工液は、ポンプ６８で高圧に、たとえば５ＭＰａに加圧し、ドローバー６１の内側から導入する。受圧可動子６３は、加工液の圧力を受けてＺ軸負方向に押し下げられる。受圧可動子６３の先端に接した樹脂シール６５は、テーパワッシャ６６との間で押しつぶされる。その結果、樹脂シール６５の孔の内側面と電極５の外側面とは密着する。このようにして樹脂シール６５と電極５との隙間がシールされるので、加工液は電極５の狭い内側、例えば内径Φ０．１２ｍｍの細い流路を通って、放電個所に到達する。放電加工中は掴み爪６７によって電極５を保持する。

一方、スキャニングによって創成放電加工を進行させるのに伴って、電極５が消耗する。この電極消耗に対して、電極５の先端を別機構(図示せず)で保持し、ヘッド９を上方(Ｚ軸正方向)に上げることによって、電極突き出し長さを長くする。このとき、樹脂シール６５と電極５とが密着していると、電極５をスムーズに引き出すことができないので、加工液のポンプ６８を止めて、加工液圧を下げ、受圧可動子６３を復帰ばね６４の力でＺ軸正方向に押し上げて、樹脂シール６５を元の形状に戻し、樹脂シール６５の内側面と電極５の外側面との間にすきまを設ける。また、電極引出しのときには、掴み爪６７を別の機構(図示せず)で開き、電極５を開放する。これら一連の動作はＮＣ制御装置１２の電極制御手段１９で行い、自動的に電極突き出し長さを調節する。

なお、電極５を最初に樹脂シール６５の内側に挿入するとき、下方(Ｚ軸負方向)から電極５を樹脂シール６５に挿入し、このときのテーパワッシャ６６のテーパ部によって電極５を樹脂シール６５の内側に案内する。テーパワッシャ６６は金属など樹脂よりも硬い材料とし、電極５の先端が当たることによる破損を防止する。

このような放電加工装置は、複数の異形穴を加工するときに、電極が消耗しても自動で電極を引き出すことにより、電極を付け替えることなく、連続して放電加工でき、加工中断時間を省略して加工時間を短縮でき、人手をかけることなく無人で多数個の異形穴を連続加工することができる。

実施の形態４．
次に、スキャニング軌跡のＺ軸方向ピッチについて説明する。
図１６は、パイプ状の電極５の断面および異形穴２０のテーパ部２０ａの加工途中の断面を示している。パイプ状の電極５の肉厚はｔ（ｍｍ）である。また、テーパ部２０ａを加工することにより電極５の先端に行くほどパイプの肉厚が減少する。肉厚が減少しだしている箇所と電極５の先端との長さをｐ（ｍｍ）とする。電極５はＺ軸と平行であるため、テーパ部２０ａの斜面（この斜面は異形穴２０の中心軸からγ（°）だけ傾いている。）のＺ軸に対する角度はγ−α（°）となる。（角度αは角度γと同じ傾きの方向にＢ軸が傾けられたときである。逆の傾きにＢ軸が傾けられたときはγ＋αとなる。）したがって、電極の摩耗部分の長さｐは式（１）で表される。
ｐ＝ｔ／tａｎ(γ−α)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
しかし、実際には、一点鎖線のような電極５の形状では、先端部分が薄くなるため、消耗量が増え、実線のように、少し丸くなる。このことによる先端長さの減少分をδ１（ｍｍ）とすると、スキャニング軌跡のＺ軸方向送りピッチｐ１を式（２）に従って与えることによって、滑らかなテーパ部２０ａの加工面が得られる。
ｐ１＝ｐ−δ１＋δ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
ここで、δはＺ軸方向の放電ギャップであり、δ１はδの１〜５倍の値である。式（２）をδで表せば、式（３）のように表すことができる。
ｐ１＝ｐ−ｋ×δ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
ここで、ｋは、１を超えて４未満の任意の実数である。式（３）に式（１）を代入すると式（４）が得られる。
ｐ１＝t／tａn（γ−α)−ｋδ・・・・・・・・・・・・・・・・（４）

スキャニングに用いる電極５の外径Ｄを、異形穴２０の最も狭い部分の幅より少しだけ小さくすることによって、電極５中心のスキャニング軌跡を短くすることができる。たとえば、目標形状に対して、放電ギャップだけ小さい電極径を用いるとよい。図１７に示すように、最も狭い部分であるストレート部のＸ軸方向の幅をＬ１、Ｘ軸ーＹ軸方向の放電ギャップをδｘ、電極径をＤとしたとき、Ｄ＝Ｌ１−２δｘから求まる電極径Ｄを選ぶことにより、ストレート部分の加工において、電極５をＸ軸方向に移動させることなく、所望形状が得られることになる。
また、電極径を極力大きくすることは、電極と被加工物の対向面積を増して放電面積を増やすこととなり、放電加工分野で広く知られている所謂面積効果によって、放電が安定し、加工速度が増す。
実際の電極５には、径の寸法ばらつきもあり、放電ギャップも加工条件で変化するため、その分余裕を持ち、Ｄ＝Ｌ１−１０δｘとなるように電極径Ｄを選定することが好ましい。

このような放電加工装置は、パイプ状電極の肉厚に対して、電極のＺ方向送り量を十分に大きく取ることにより、加工時間を短縮できる。
また、ディフューザーホールの穴断面形状に対して、十分大きな電極径を用いることにより加工時間を短縮できる。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係わる放電加工装置の電極位置決め機構を図１８に示す。ラム１０上にＷ軸位置決め機構８０が備えられている。Ｗ軸位置決め機構８０は、ラム１０上に設けられたサーボモータ６９と、サーボモータ６９に連結したボールねじ７０と、ボールねじ７０と平行にスライドする直動玉軸受７１と、直動玉軸受７１上に設置され、ボールねじ７０によってＺ軸方向に駆動されるＷ軸スライダ７２とを有する。Ｗ軸スライダ７２上にＺ軸位置決め機構８１が備えられている。Ｚ軸位置決め機構８１は、Ｗ軸スライダ７２上に設けられたサーボモータ７３と、サーボモータ７３に連結されたボールねじ７４と、ボールねじ７４と平行にスライドする直動玉軸受７５と、直動玉軸受７５上に設置されたヘッド９とを有している。ヘッド９は、ボールねじ７４によってＺ軸方向に駆動される。ヘッド９上に主軸７６を設け、主軸７６の回転軸に電極ホルダ６が連結されている。Ｗ軸スライダ７２上にはガイド７が搭載されている。
Ｗ軸位置決め機構８０の可動部は、Ｗ軸スライダ７２、サーボモータ７３、ボールねじ７４、直動玉軸受７５、ガイド７およびＸ軸位置決め機構８１である。Ｚ軸位置決め機構８１の可動部は、電極５、電極ホルダ６、ヘッド９および主軸７６である。

次に図１８の電極位置決め機構の動作について説明する。まず、所望の加工位置にガイド７を移動するために、ラム１０をＸ軸、Ｙ軸方向に動かしてガイド７のＸＹ軸方向の位置を決める。次に、サーボモータ６９によってＷ軸スライダ７２を動かしてＺ軸方向の位置を決める。次に、電極５の先端位置は、ＸＹ軸方向をガイド７で拘束し、サーボモータ７３によってヘッド９を動かすことでＺ軸方向の位置を決める。
加工開始とともに、電極５は、電極５と被加工物１との間の放電電圧の時間平均が一定になるようにＺ軸位置決め機構８１で位置制御される。このＺ軸位置決め機構８１とＷ軸位置決め機構８０とからなる電極位置決め機構では、Ｗ軸位置決め機構８０の位置制御帯域幅よりもＺ軸位置決め機構８１の位置制御帯域幅の方が大きくなるように位置制御系が構成される。このような構成にすることによって、放電加工中の電極位置決めをＷ軸位置決め機構８０を用いて行うよりもＺ軸位置決め機構８１を用いて高応答に電極５を動作させることができる。

Ｚ軸位置決め機構８１の位置制御帯域幅をＷ軸位置決め機構８０の位置制御帯域幅よりも大きくする方法としては、特開２００１−９６４２号公報に可動部質量を小さくするという発明が示されている。しかしながら、Ｚ軸位置決め機構８１の位置制御帯域幅を大きくするという観点から考えると、可動部質量を単に小さくするだけでは不十分である。

一般のフィードバック制御を用いた位置制御系では、制御系の安定性の指標である位相余裕とゲイン余裕を確保するために、位置決め機構系の固有振動数よりも低い周波数に位置制御帯域幅が決められる。逆に、位置制御帯域幅をさらに拡大したい場合には、位置決め機構系の固有振動数を所望の位置制御帯域幅に対して十分大きくしておく必要がある。
Ｚ軸位置決め機構８１を一自由度振動系とみなせば、この系の固有振動数Ｆ_Ｂは数１で表すことができる。

ここで、ｋはボールねじ、ボールねじナット部分の弾性変形を１個のばねで近似したときのばね定数、ｍはＺ軸並進系可動部質量である。この式から、位置決め機構系の固有振動数を大きくするためには、単に可動部質量ｍを小さくするだけでは十分でないことがわかる。位置決め機構系の固有振動数を大きくするには、可動部質量を小さくするとともに、固有振動数がＷ軸位置決め機構８０の位置制御帯域幅よりも高くなるようにばね定数ｋを適切に大きく設定する必要があることがわかる。

次に、Ｗ軸位置決め機構８０の位置制御帯域幅よりもＺ軸位置決め機構８１の位置制御帯域幅が大きくなるようにした図１８の放電加工装置の一構成例について述べる。
Ｗ軸位置決め機構８０の位置制御帯域幅は約２０Ｈｚ、固有振動数は約１００Ｈｚであり、Ｚ軸位置決め機構８１の固有振動数がこれよりも高くなるように構成する。ヘッド９にはアルミ材を用い、周囲にリブを配置して可動部質量ｍを２５ｋｇに軽量化し、ボールねじ７４の軸径はΦ２５ｍｍとすることで、Ｚ軸位置決め機構８１のばね定数を８２．５Ｎ／μｍとした。数１で求まるＺ軸位置決め機構８１の固有振動数は２８９Ｈｚである。
図１９は、Ｗ軸位置決め機構８０の位置制御系の交差周波数に対して、Ｚ軸位置決め機構８１の位置制御系の交差周波数を２．５倍に設定したときの、Ｚ軸位置決め機構８１の閉ループ周波数伝達特性を示す図である。比較のために、ボールねじ７４の径をΦ２５ｍｍにした場合（図(ａ)）と、ボールねじ７４の径をΦ１２ｍｍにした場合（図(ｂ)）を示している。
ボールねじ７４の径をΦ２５ｍｍと太くしたときは、Ｚ軸位置決め機構８１の固有振動数を高くすることができ、図１９(ｂ)の２００Ｈｚ付近で生じている共振ピークが図１９(ａ)ではかなり小さくなっている。
この共振ピークの低減によって、電極５を高速・高応答で動かしたときに生じる振動はかなり低減できるため、図１９(ｂ)の状態に比べると電極１と被加工物１との間に生じる放電状態を安定に維持しやすくなる。

以上に示したように、Ｗ軸位置決め機構８０とＺ軸位置決め機構８１とからなる電極位置決め機構をＷ軸位置決め機構８０単体よりも高速・高応答にするには、少なくともＷ軸位置決め機構８０の位置制御帯域幅よりも高い固有振動数と位置制御帯域幅を持つようにＺ軸位置決め機構８１を構成すればよい。
これによって、Ｗ軸位置決め機構８０のみで電極５を動かす場合よりも高速・高応答に電極５を動かすことが可能になるので、加工屑などによって生じる短絡を迅速に回避して安定な加工状態を高い効率で維持することが可能となり、加工速度を上げることができる。
また、位置制御帯域幅と固有振動数をあらかじめ決めてＺ軸位置決め機構８１を設計・製作することによって、機種ごとの電極位置決め性能のばらつきを小さくでき、安定した加工性能を得ることができる。

この発明に係わる放電加工装置の構成を示す図である。図１の被加工物支持手段の詳細図である。放電加工部分を拡大した斜視図である。放電加工を施す目標の異形穴の形状である。放電加工を施す目標の他の異形穴の形状である。被加工物の頂点から下がった部分に放電加工する様子を示す図である。被加工物を放電加工装置に固定した状態を示す図である。異形穴の放電加工の際の電極のスキャニング軌跡の様子を示す図である。この発明の実施の形態２に係わる放電加工装置の電源と電極とを示す図である。図９を用いて荒放電加工したときの電源波形を示す図である。図９を用いて仕上げ放電加工したときの電源波形を示す図である。図１１を用いた加工するときのスキャニング軌跡の様子を示す図である。図１０を用いて荒放電加工した後の断面の様子を示す図である。図１1を用いて仕上げ放電加工した後の断面の様子を示す図である。この発明の実施の形態３に係わる放電加工装置の電極ホルダを示す図である。異形穴のテーパ部と電極断面の関係を示す説明図である。異形穴の断面と電極径との関係を示す説明図である。この発明の実施の形態５に係わる電極位置決め機構の斜視図である。図１８のＺ軸位置決め機構の位置制御系の閉ループ周波数伝達特性を示す図である。この発明に係わる矩形異形穴、三角異形穴の説明図である。

符号の説明

１被加工物、１ａ（被加工物の）円筒、１ｂ（被加工物の）ドーム、２Ｃ軸テーブル、３Ｂ軸テーブル、４ベッド、５電極、６電極ホルダ、７ガイド、８チャック、９ヘッド、１０ラム、１１加工槽、１２ＮＣ制御装置、１３ＮＣデータ部、１４ＮＣ位置制御手段、１５放電電源、１６被加工物支持手段、１７電極移動手段、１８回転機構、１９電極制御手段、２０異形穴、２０ａ（異形穴の）テーパ部、２３、２４スキャニング軌跡、３１スリップリング、３２ブラシ、３３フィーダ線、３４メイン電源、３５サブ電源、３６抵抗回路、３７バイパス回路、３８切り換え回路、３９取付治具、４０グランド線、４１荒放電加工手段、４２仕上げ放電加工手段、５２荒放電加工のスキャニング軌跡、５３変質層、５４仕上げ放電加工のスキャニング軌跡、６１ドローバー、６２ケーシング、６３受圧可動子、６４復帰ばね、６５樹脂シール、６６テーパワッシャ、６７掴み爪、６８加圧手段、６９サーボモータ、７０ボールねじ、７１直動玉軸受、７２ W軸スライダ、７３サーボモータ、７４ボールねじ、７５直動玉軸受、７６主軸、８０Ｗ軸位置決め機構、８１Ｚ軸位置決め機構。

Claims

被加工物と近接しながら上記被加工物との間で放電を発生する電極と、
上記電極をＸＹＺ直交３軸方向に移動させる電極移動手段と、
上記被加工物を２軸の周りに回転支持する被加工物支持手段と、
上記被加工物と上記電極との間に放電のための電力を供給する放電電源と、
上記移動手段と上記被加工物支持手段とをあらかじめ設定した位置情報に従って位置制御するとともに、上記放電電源を用いて上記被加工物と上記電極との間に放電を発生させて放電加工を行う制御装置と、
を備え、
Ｚ軸の移動によって上記被加工物の穴を深さ方向に放電加工するとともに、Ｘ軸またはＹ軸の移動によって上記被加工物に異形穴を放電加工し、上記被加工物を２軸の周りに回転させることで該異形穴の深さ方向が上記被加工物の表面の法線方向となす角度を所望の角度になるように放電加工し、上記被加工物に対して互いに上記角度の異なった複数の異形穴を加工し、
上記被加工物と上記電極との極間制御においては、２軸回りの回転制御を用いることなく、ＸＹＺ直交３軸の制御を用いることを特徴とする放電加工装置。
上記被加工物支持手段は、
曲面を含む上記被加工物の表面をＸＹ平面に対して平行になるように上記被加工物を２軸の周りに回転支持することを特徴とする請求項１に記載の放電加工装置。
上記電極移動手段は、
上記電極の先端部をＸＹ軸方向に位置決めするガイドを有し、２軸回りの回転支持機構によって上記電極が移動するＺ軸方向と上記被加工物の表面の法線方向とがなす角度を所望の角度に設定した後に、ＸＹＺ直交３軸の制御で放電加工することを特徴とする請求項１または２に記載の放電加工装置。
上記電極の外径は、
上記被加工物に開ける異形穴の上記異形穴の中心軸に垂直な内周に対する内接円半径と外接円半径との差よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の放電加工装置。
上記電極の外径は、
上記異形穴の内接円の直径から放電ギャップの１０倍を引いて得た値と該直径から該放電ギャップの２倍を引いて得た値との間の値のいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の放電加工装置。
上記制御装置は、
上記被加工物の仕上げ放電加工に必要な電流ピーク値および放電持続時間の放電電流を用いて仕上げ放電加工する仕上げ放電加工手段と、
上記仕上げ放電加工に先立ち上記仕上げ放電加工に必要な電流ピーク値よりも小さい電流ピーク値で上記仕上げ放電加工に必要な放電持続時間より長い放電持続時間の放電電流で荒放電加工する荒放電加工手段と、
を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の放電加工装置。
上記放電電源は、
メイン電源から直接上記電極に電力を供給する仕上げ放電加工用のバイパス回路と
上記電極に流れる電流を減少するための抵抗を介してメイン電源から上記電極に電力を供給する荒放電加工用の抵抗回路と、
上記バイパス回路と上記抵抗回路とを切り換える切換回路と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の放電加工装置。
上記電極移動手段は、
上記電極の肉厚を上記被加工物に開ける穴の側面とＺ軸とがなす角度の正接で除して得た値から放電ギャップのｋ倍（ｋは１を超えて４未満の実数）を引いて得た値だけ上記電極をＺ軸方向に送り込むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の放電加工装置。
上記電極をＺ軸方向に位置決めするＺ軸位置決め機構と、
上記電極の先端部をＸＹ軸方向に位置決めするガイドをＺ軸方向に位置決めするＷ軸位置決め機構と、
を有し、
上記Ｚ軸位置決め機構は、上記Ｗ軸位置決め機構より軽量であり、かつ位置制御帯域幅が上記Ｗ軸位置決め機構より広いことを特徴とする請求項１に記載の放電加工装置。