JP4530591B2 - 気中放電加工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工電極と被加工体とが対向して形成する放電間隙に流体状の加工媒体を流通介在させた状態で、加工電圧をパルス的に繰り返し印加し放電を発生させて被加工体を加工する放電加工方法の、前記加工媒体として被加工体材と化学反応をするガスを含有する気体を使用する気中放電加工方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
斯種の気中放電加工方法については、例えば本発明者等が発表した、
（１）１９９８年精密工学会誌、ＶＯＬ．６４、Ｎｏ．１２、ＰＰ１７３５〜１７３８、「気中放電加工」
や、本発明者等の出願になる
（２）特願平８−７１，０７１号（特開平９−２３９，６２２号公報参照）「気中放電加工方法」
等に詳しく開示されている。
そして、かかる気中放電加工方法によれば、
▲１▼工具電極の消耗が非常に小さい。
▲２▼アシストガスの種類により加工特性の向上が図れる。
▲３▼加工面のダメージが少ない。
▲４▼加工反力が小さいので、マイクロ加工に有利である。
▲５▼加工液を用いないので、その処理装置や加工槽を必要とせず、環境の汚染も少ない。
等の特徴が有り注目されてきていた。
即ち、従来形の液中放電加工方法では、電極消耗が大きく、加工速度が遅かった仕上げ加工の加工領域において、電極が低消耗乃至無消耗で加工速度が大きいと注目されていたものである。
【０００３】
上記気中放電加工の中仕上げ加工以下の仕上げ加工領域における加工速度（加工除去速度）等の加工性能は、被加工体材と化学反応をする酸素等のガスとの反応も相当に寄与しているものと思われるが、上記２文献中に於ける加工条件等のデータによれば、加工中における単位面積あたりの供給電気エネルギ（平均加工電流密度Ａ／ｃｍ^２）が、従来形の液中放電加工の場合の最大平均加工電流密度（２５〜３０Ａ／ｃｍ^２）に比べて相当大きくなっていることの寄与も大きいものと思惟される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
然る所、気中放電加工における中加工以上の荒加工では、放電パルス１あたりの加工除去量は、液中放電加工の場合に比べて殆ど差が無いにもかかわらず、加工屑の滞留、再附着等により放電間隙が小さく、短絡、または短絡放電の割合が極めて高くなって、加工状態が安定せず、放電加工間隙の間隙増大のために高電圧加工電源を使用するとか、間隙の高応答での制御保持の手段が講じられたが、放電間隙への電気エネルギの増大や被加工体材の供給ガスとの化学反応による作用等が、加工除去量等加工性能の向上に旨く利用される状況に無かった。
【０００５】
然るに本発明者等は、被加工体材と化学反応をするガスとの材質組み合わせにもよるが、放電パルスとなる電圧パルスによる放電間隙への電気エネルギの供給をある条件のもとで、通常電圧パルス間休止時間（τＯＦＦ）を減少させることにより増加させていくと、或る加工条件以上で、被加工体材と供給化学反応ガスとの化学反応が連続し、放電が連続アーク放電状態の制御不能の暴走状態となること、そして、前記電気エネルギの供給条件、及び／または前記化学反応条件の制御によって、前記暴走状態の直前の準暴走、準連続アーク放電状態の、被加工体材の加工除去量が急激に増大変化する遷移領域が有ること、そしてこの遷移領域を保つことにより加工が制御可能な超高速の加工となし得る可能性を見出したことにより本発明は提案される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述の本発明の目的は、（１）加工電極と被加工体とを微小間隙を隔てて相対向させ、前記間隙に被加工体材と化学反応をするガスを含有する気体を強制的に流通せしめた状態で、両者間に休止時間τＯＦＦを置いて間歇的な電圧パルスを印加して繰り返し放電パルスを発生させると共に、両者間に前記対向方向および／または前記対向方向と直角な平面方向の相対的な加工送りを与えて、被加工体に高速荒加工の加工条件の加工をする気中放電加工方法において、
前記放電パルスのパルス幅τＯＮ（μｓ）と放電電流振幅値Ｉｐ（Ａ）との積が、より大きい放電パルスを、より大きいデューティ・ファクタ（τＯＮ／τＯＮ＋τＯＦＦ）となる休止時間τＯＦＦ条件で供給して発生させ、前記放電間隙における供給ガスと被加工体材との化学反応が連続して生ずるようになって連続アーク放電状態となる直前の準連続アーク放電状態であって、被加工体材の加工除去量が急増変化する遷移領域の加工条件を保って前記の気中放電加工を継続させる気中放電加工方法とすることにより達成される。
【０００７】
前述の本発明の目的は、（２）前記放電パルスは、さらにパルス幅に対する放電電流振幅値の比（Ｉｐ／τＯＮ衝撃値）が０．５より大きい放電パルスであって、デューティ・ファクタが０．８０よりも大きい休止時間条件で供給されるものである前記（１）に記載の気中放電加工方法とすることにより達成される。
【０００８】
前述の本発明の目的は、（３）前記間隙に流通介在せしめられる気体中の被加工体材と化学反応をするガスの含有割合を変更して前記放電状態の遷移領域を制御する前記（１）または（２）に記載の気中放電加工方法とすることにより達成される。
【０００９】
前述の本発明の目的は、（４）前記被加工体の温度を、供給ガスと被加工体材との反応が連続化する前の放電状態が前記遷移領域にあるように冷却制御する前記（１）、（２）または（３）に記載の気中放電加工方法とすることにより達成される。
【００１０】
前述の本発明の目的は、（５）前記被加工体材と化学反応するガスが、被加工体材が鉄材であるときに酸素で、チタン材であるとき酸素と窒素の両方または何れか一方である前記（１）、（２）、（３）または（４）に記載の気中放電加工方法とすることにより達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の気中放電加工方法を実施する一実施例の全体構成説明図で、１は筒状加工電極、２は電極チャック、３はスピンドル主軸を介して電極１を中心軸または所望偏倚軸の廻りに回転させる回転装置、４は加工ヘッド、５は送りねじ、６は加工ヘッドの加工送り及び位置決め用の直流または交流サーボモータ、７は該サーボモータ６による電極１先端の送り位置（現在位置）を検出して検出信号を後述ＣＮＣ制御装置に供給するエンコーダ等の送りまたは現在位置等の送り位置検出装置、８は前記サーボモータ６の回転速度を検出して検出信号をＣＮＣ制御装置に供給する指速発電機やエンコーダ等の回転速度検出装置、９は被加工体、１０は被加工体９を装置する冷却等温度制御板兼用の加工テーブル、１１は加工テーブルが載置されたｘｙクロステーブル、１２および１３はクロステーブル１１を介し加工テーブル１０をｘｙ各軸方向に加工送りおよび位置決め送りする前記位置検出および回転速度検出装置の図示が省略されたｘｙ各軸の加工送りおよび位置決めサーボモータ、１４は前記各サーボモータ６、１２、および１３の駆動装置、１５は放電加工用のＣＮＣ、また、制御装置で、１５Ａはコンピュータ、１５Ｂはキーボード等の入力装置、１５Ｃは紙テープ、磁気テープ、フロッピィディスク、またはコンパクトディスク等の放電加工用のデータやプログラム等の外部記憶装置、１５Ｄは数値制御装置である。
【００１２】
また、１６は加工電極１と被加工体９間に間歇的な電圧パルスを供給する放電加工用パルス電源で、１７は直流電圧源、１８はＦＥＴ等のオン・オフ電子スイッチ素子、１９は前記スイッチ素子１８および電圧源１７と直列に接続され放電パルスの電流振幅Ｉｐ（Ａ）をＦＥＴの並列接続数と共に切り替え設定される電流制限抵抗、２０は前記電子スイッチ素子１８のオン時間τＯＮ（μｓ）および休止時間τＯＦＦ（μｓ）等をＣＮＣ制御装置１５からの信号で選択切換設定する電圧パルス条件設定装置、２１は逆電圧防止ダイオード、２２は電極１・被加工体９間の加工間隙の放電加工状態検出装置である。
【００１３】
また、２３はエアコンプレッサまたは圧縮若しくは液化気体ボンベまたはそれらの組み合わせからなり、被加工体材と化学反応をするガスを含有する圧縮気体供給装置、２４は必要に応じて設けられる水蒸気除去のエア・ドライヤ、２５は供給圧縮気体の減圧調整弁。また、２３Ａ、２４Ａ、および２５Ａは、必要に応じてもう１組設けられた圧縮気体供給装置で、混合調整手段２６を介し化学反応をするガスの濃度を所望に制御設定する。２７は被加工体９の温度を検出して検出信号をＣＮＣ制御装置１５に供給する１個以上の温度センサ、２８は温度制御板１０に温度制御媒体等を供給する温度制御装置で、センサ２７の検出信号によりＣＮＣ制御装置１５は、所定の温度制御を実行させる。
【００１４】
次に、本発明の気中放電加工方法の基になった、気中放電加工の現象について説明する。
被加工体として炭素鋼を用い、加工媒体の気体として、被加工体材と化学反応をするガスは１００％の酸素ガスを１．０ＭＰａで用いる。前記炭素鋼の被加工体は、外径φ７．０ｍｍ、肉厚０．５ｍｍのパイプとし、１８０ｒｐｍで回転させ、加工電極は銅ブロックとして揺動させ、前記間歇的な電圧パルス電源１６を正極性に接続した。この電圧パルス電源１６による放電間隙への単位時間あたりの供給エネルギを増大させるには、電圧パルスによる放電パルスとしてパルス幅τＯＮ（μｓ）と放電電流振幅Ｉｐ（Ａ）との積（Ｉｐ×τＯＮ）が或る程度以上大きい値のものであること、そしてこの放電パルスを電圧パルス間休止時間τＯＦＦ（μｓ）を小さい設定に切り換えていくように時間密度高く供給することが必要である。そして、さらにこの場合、前記の放電パルスは、パルス幅に対する放電電流振幅値の比（Ｉｐ／τＯＮ衝撃値）が或る程度大きいものであることが望ましい。なお、上記した本実験に於ける前記加工電極と被加工体との寸法、形状、形態が、被加工体をパイプ状態のものとするが如く、通常とは逆の設定になっているのは、加工の進行に伴う何等かのキャビティ形成により、気体のパイプ外周からの噴出の状態や加工屑排出等の加工態様の変化による加工への影響を避けるためである。
【００１５】
図２は、前記放電パルスの幅τＯＮ（μｓ）が４０μｓ、該放電パルスの放電電流振幅Ｉｐ（Ａ）を２４Ａ：□印、３２Ａ：▲印、および４０Ａ：●印に設定した各放電パルスを、放電パルス間休止時間τＯＦＦ（μｓ）を順次に小さい値に切り換え（横軸）て行った時の各体積加工速度（ｃｍ^３／ｍｉｎ、縦軸）と放電または加工の状態をプロットしたものである。なお通常の放電加工では、電圧パルスの幅τＯＮ（時間）と放電パルスの幅τＤとは、電圧パルスの印加時から、放電開始まで遅れ時間τＷ（μｓ）があるため一致しない（τＯＮ＝τＷ＋τＤ）ものであるが、本発明では、放電電流の振幅値Ｉｐ（Ａ）が放電パルスのパルス幅τＤ（μｓ）の値に対して比較的大きい値に設定されていること、および放電パルス間休止時間τＯＦＦ（μｓ）が通常に比べてより小さい設定での放電加工となっているので、上記遅れ時間τＷは通常充分小さいか、殆どτＷ≒０、従って、放電パルスの幅τＤは電圧パルスの幅τＯＮとほぼ同一（τＤ≒τＯＮ）であるから、τＯＮ１つで記載説明することとする。
例えば、即ち前記デューティ・ファクタは、正しくはτＤ／τＷ＋τＤ＋τＯＦＦであるが、τＯＮ／τＯＮ＋τＯＦＦと記載して説明するが如くである。
【００１６】
図から明らかなように、大きなエネルギの放電パルスであることを前提として、さらに衝撃値（Ｉｐ／τＯＮ）の大きい放電パルスのとき程、休止時間τＯＦＦが依然、より大きい値で（デューティ・ファクタがより小さい値で）あるうちから、放電間隙の放電状態は、主として被加工体材の鉄と化学反応をする酸素（Ｏ２）とが、前記化学反応を連続または継続して生ずる殆ど制御不能の暴走連続アーク放電状態になるのに対し、上記衝撃値（Ｉｐ／τＯＮ）が一番小さい放電パルス（□印）のときは、休止時間が３μｓ（デューティ・ファクタ約０．９３）より小さくても、放電間隙へ供給される単位時間当たりの放電エネルギの密度では、加工電極および被加工体の温度が、前記化学反応を連続して継続するまでには上昇していないので、上述暴走状態にはならないものと思われる。
【００１７】
上述の気中放電加工に於ける放電間隙の暴走状態は、被加工体の温度より高温になり過度な酸化反応状態となるためであるから、これを防止乃至は制御するためには、被加工体の放電点およびその近傍の温度を上述以上の高温とならないように冷却するか、放電間隙を流通する高速気体中の酸素濃度（含有割合）を適度に低下させるか、或いはまた、前記▲印と●印の放電加工の放電パルスの電気的条件、放電パルスの衝撃値（Ｉｐ／τＯＮ）と放電パルスの供給条件であるデューティ・ファクタ（τＯＮ／τＯＮ＋τＯＦＦ）の両方または一方を減少制御して、酸化反応をコントロールすればよいものと思われる。
【００１８】
図３は、前述図２中の▲印の気中放電加工の放電パルスの条件のものを、図２の場合と同一の純酸素ガス中の加工の場合と、使用気体を酸素が体積百分比で約２１％という空気を使用した場合の各加工状態を対比して示したものである。即ち、この場合の気中放電加工の条件は、放電パルスのパルス幅τＯＮが４０μｓ、放電電流振幅Ｉｐが３２Ａであるから、エネルギτＯＮ×Ｉｐ＝１２８０（Ａ・μｓ）で、衝撃値Ｉｐ／τＯＮ＝０．８（Ａ／μｓ）の放電パルスを供給して気中放電加工を行なう場合、気体が純酸素ガスである（●印）と、放電間隙の放電状態が暴走状態に移行する放電パルスの供給条件は、前述の如く休止時間τＯＦＦ＝５μｓ（デューティ・ファクタ約０．８９）であったものである。
しかるに、これに対し、酸素ガスの含有割合が約２１％の空気を用いるようにした場合（▲印）は、前述純酸素の場合に暴走状態となった休止時間５μｓ（デューティ・ファクタ約０．８９）で、加工除去量が急変増加し始め、休止時間４μｓ（デューティ・ファクタ約０．９１）では、前記休止時間５μｓ時以前の約４倍近くの加工速度に増大し、放電状態は依然前述の暴走状態にはなっていなかった。
【００１９】
即ち、気中放電加工に於いては、被加工体材質と該被加工体材と化学反応をするガスを含有する気体の前記ガスの種類との組み合わせおよびガスの濃度にもよるが、放電間隙への放電パルスによる電気エネルギの供給を単位時間あたりで増加していった場合、放電間隙の放電状態が、被加工体材とガスとの化学反応の進行状態との関係で、気中放電加工の状態から暴走状態に移行する臨界現象を生ずるものにおいては、その暴走状態に移行する直前の条件領域に、加工除去量が急激に増加変化する遷移領域が存在することが判った。
従って、この遷移領域を準暴走状態または準連続アーク放電状態と称呼するが、この場合放電間隙の観察によれば、アーク柱は被加工体全面に広がっておらず、放電パルス毎に形成されるアーク柱は局在しており、従って、加工面は局在したアーク柱により生成された放電痕の累積で形成されていると認められるからで、前記の所謂制御不能な暴走状態の放電間隙状態とは別異のものである。
しかしながら、前述の準暴走状態での加工除去量は、放電休止時間を短くして行って、放電頻度または電気エネルギの密度が増加した割合を指標等とするものでは説明がつかない位大きいものであるが、その理由は、放電点の化学反応が顕在化した活性化である。
【００２０】
次に、前記の準暴走状態による形状加工の例につき説明する。
外径φ４ｍｍ、肉厚１ｍｍのＣｕパイプ電極を用い、被加工体炭素鋼ブロックの表面に、幅６ｍｍ、深さ２ｍｍのスリットを、長さ６０ｍｍにわたって加工成形した。電極の回転数は１８０ｒｐｍ、揺動幅は電極肉厚の２０％、使用気体は圧縮乾燥空気供給圧力１ＭＰａで、電圧パルスの条件は、前述図２中の●印の気中放電加工の電圧パルスτＯＮ＝４０μｓ、放電電流振幅Ｉｐ＝４０Ａ（衝撃値１．０）で正極性とし、電圧パルスの供給条件は休止時間τＯＦＦ＝５μｓ（デューティ・ファクタ約０．８９）とした。
【００２１】
図４は、その結果の加工速度（ｃｍ^３／ｍｉｎ）と、電極消耗率（Ｅ／Ｗ％）を、従来の油中加工の結果と対比して示した。加工面粗度や形状精度等には未だ改善すべき余地は大きいが、前記電極消耗率は約１／３、そして加工速度は酸素ガスとの反応による化学的加工の寄与があるとはいえ、同一電気エネルギあたりで約１５．７倍の超高速になっており、放電荒加工としての利用の可能性を秘めている。
【００２２】
鉄系以外の金属でも準暴走状態を用いた高速化が可能であるか、２〜３の実験を行なった。先ず銅であるが、銅は熱伝導率が高く鉄に比べ放電箇所での表面温度は低いので、暴走状態になりにくいことが予想された。そこで前述最初の実験と同様に銅ブロック電極を陰極、陽極には銅パイプ被加工体（φ９ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ）を用いて加工を行なった。このとき、徐々に休止時間を短くしたときの加工速度を図５に示す。なお、電気的電圧パルス等の条件は、前述図４のものと同一である（以下同じ）。銅の純酸素加工では、熱伝導率が高く被加工体の温度がそれほど高温にならないため、予想通り暴走状態にならなかったが、休止時間τＯＦＦ＝６μｓから加工速度が急激に速くなることが分った。ところで観察によると、放電の発光色が青色から緑色へ変化する。これは酸化反応によって銅の炎色反応が現れたものと考えられる。結果として銅の酸素加工において準暴走状態は存在し、加工の高速化が可能であることが推測できた。
【００２３】
次に、チタンおよびチタン合金材の加工であるが、チタンは切削・放電加工を問わず加工の困難な材料とされている。放電加工においては加工速度が遅いことが問題となっている。原因はチタンがねばい性質を持っており、放電痕が盛り上がるため短絡が多発し、加工速度の低下に繋がるからである。また、チタンは窒素との親和力が非常に高い元素であって、酸素ではなく窒素でも、激しく化学反応を起こし準暴走状態を得ることが出来ると考えられる。窒素で準暴走加工が可能であるならば酸素を使うよりも危険度は少なく有利である。そこで銅ブロック電極を陰極、陽極にはチタンパイプ被加工体（φ９ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ）を用いて加工を行なった。ここで、加工条件は放電電流Ｉｐ＝４０Ａ、放電パルス幅τＯＮ＝４０μｓとした。供給気体が窒素および空気の場合の加工速度を図６に示す。これにより、予想通り窒素加工においても準暴走状態特有の加工速度の向上が見られる。また、空気加工の方が遥かに準暴走状態における加工速度が大きい。ところで、純酸素加工も行なったが、放電電流値の振幅Ｉｐ=４という非常に小さな値にしても、酸化反応が激しく生じて暴走状態に至ってしまい、別の制御の必要性を伺わせた。
【００２４】
以上述べてきたように、本発明の気中放電加工方法は、未だ研究開発途上ではあるが、中加工以上の荒加工における加工速度を格段に増大させ得るものであって従来形の石油系の加工液を使用する放電加工方法に対し、仕上げ加工条件でも電極消耗が殆ど無く加工速度も大きい等の特徴を有する気中放電加工を、仕上げ加工から荒加工までの全加工条件にわたって実用可能とする可能性を有する有用な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気中放電加工方法を実施する一実施例装置の全体構成の説明図である。
【図２】気中放電加工における異なる放電パルスの条件（電圧パルス幅τＯＮ（μｓ）に対する放電電流振幅値Ｉｐ（Ａ））と、その電圧パルス間休止時間τＯＦＦ（μｓ）小さくして行なったとき（デューティ・ファクタを大きくして行なったとき）の、加工速度と放電状態の説明図。
【図３】前記図２において、加工媒体として使用する気体中の被加工体材と化学反応をするガスの含有割合が相違したときの、加工速度と放電状態の比較説明図。
【図４】本発明の気中放電加工の加工条件を、被加工体の形状加工に適用した場合の加速度と電極消耗率を、従来形の液中加工のそれと対比して示した図。
【図５】本発明の気中放電加工方法を、鉄材以外の材料銅に適用した場合の可能性を説明するための加工速度特性図。
【図６】図５と同じく、他の材料チタン材に適用した場合の可能性を説明するための加工速度特性図。
【符号の説明】
１ ：加工電極
２ ：チャック
３ ：回転装置
４ ：加工ベッド
５ ：送りねじ
６ ：サーボモータ
７ ：位置検出装置
８ ：回転速度検出装置
９ ：被加工体
１０ ：温度制御板兼加工テーブル
１１ ：クロステーブル
１２、１３：ｘ、ｙ各軸サーボモータ
１４ ：サーボモータ駆動装置
１５ ：ＣＮＣ制御装置
１６ ：放電加工用パルス電源
１７ ：直流電源
１８ ：スイッチ素子
１９ ：電流制限荒源
２０ ：電圧パルス条件設定装置
２１ ：ダイオード
２２ ：放電加工状態検出装置
２３ ：圧縮気体供給装置
２４ ：エア・ドライヤ
２５ ：減圧調整弁
２６ ：混合調整手段
２７ ：温度センサ
２８ ：温度制御装置

Claims (5)

1. 加工電極と被加工体とを微小間隙を隔てて相対向させ、前記間隙に被加工体材と化学反応をするガスを含有する気体を強制的に流通せしめた状態で、両者間に休止時間τＯＦＦを置いて間歇的な電圧パルスを印加して繰り返し放電パルスを発生させると共に、両者間に前記対向方向および／または前記対向方向と直角な平面方向の相対的な加工送りを与えて、被加工体に高速荒加工の加工条件の加工をする気中放電加工方法において、
   前記放電パルスのパルス幅τＯＮ（μｓ）と放電電流振幅値Ｉｐ（Ａ）との積が、より大きい放電パルスを、より大きいデューティ・ファクタ（τＯＮ／τＯＮ＋τＯＦＦ）となる休止時間τＯＦＦ条件で供給して発生させ、前記放電間隙における供給ガスと被加工体材との化学反応が連続して生ずるようになって連続アーク放電状態となる直前の準連続アーク放電状態であって、被加工体材の加工除去量が急増変化する遷移領域の加工条件を保って前記の気中放電加工を継続させることを特徴とする気中放電加工方法。
2. 前記放電パルスは、さらにパルス幅に対する放電電流振幅値の比（Ｉｐ／τＯＮ衝撃値）が０．５より大きい放電パルスであって、デューティ・ファクタが０．８０よりも大きい休止時間条件で供給されるものであることを特徴とする請求項１に記載の気中放電加工方法。
3. 前記間隙に流通介在せしめられる気体中の被加工体材と化学反応をするガスの含有割合を変更して前記放電状態の遷移領域を制御することを特徴とする請求項１、または２に記載の気中放電加工方法。
4. 前記被加工体の温度を、供給ガスと被加工体材との反応が連続化する前の放電状態が前記遷移領域にあるように冷却制御することを特徴とする請求項１、２、または３に記載の気中放電加工方法。
5. 前記被加工体材と化学反応するガスが、被加工体材が鉄材であるときに酸素で、チタン材であるとき酸素と窒素の両方または何れか一方とすることを特徴とする請求項１、２、３、または４に記載の気中放電加工方法。

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