JP4763717B2 - 工作物を加工するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、工作物を加工するための方法、及び工作物を加工するための装置に関する。

従来技術
いわゆるＥＤＭ（Electrical Discharge Mashining；放電加工）プロセスによって、工作物に材料除去を生ぜしめ、それによって工作物に孔を穿孔することが可能である。このような形式の、工作物の電気浸食加工においては、電極と工作物の加工箇所との間に電界が加えられ、しかもこの加工箇所に適当な処理液が供給される。

国際公開第０３／０４１９００号明細書には、磁石ギャップ調整装置を備えたＥＤＭ法について記載されている。この場合、定常磁界によって、電極と工作物の加工箇所との間の間隔が調整される。この場合、電極が、電流の流れる導体として構成されていて、磁界内に配置されている。磁界によって生ぜしめられ、かつ導体に作用するローレンツ力に基づいて、この導体は、垂直方向に配置された円形ガイド内で変位せしめられ、それによって導体は軸方向運動を実施する。これによって、電極と工作物との間に流れる電流に関連して最適な間隔が調節される。この電流が大きければ大きいほど、導体に作用するローレンツ力及びそれに基づく変位が大きくなる。従って、導体を流れる電流が大きければ大きいほど、導体の端部は、工作物から軸方向でより大きく遠ざかる。

このような背景から、本発明の独立請求項の特徴を有する方法及び装置が提案されている。

発明の利点
工作物を加工するための本発明の方法においては、導体の長手方向軸線に沿って、時間的に変化する電流が流れ、前記導体が上方のガイド及び下方のガイドによってガイドされる。上方のガイドと下方のガイドとの間に磁界が生ぜしめられ、この場合、上方のガイドを磁界の上方に間隔ｙ（ｏ）を保って配置し、下方のガイドを磁界の下方に間隔ｙ（ｕ）を保って配置するようにした。導体の電流に作用する磁界に基づいて、導体にローレンツ力が作用し、このローレンツ力によって、導体の少なくとも一次元的な運動又は振動が生ぜしめられる。

この場合、電流が流れる導体は、例えば回転する磁界によって楕円形又は円形の運動に置き換えられる。このような形式の回転する磁界は、導体を巡って回転する少なくとも１つの永久磁石によって、又は導体に対して垂直に配置された複数の電磁石（適当な形式で給電される）によって生ぜしめられる。

磁界は、この方法を実施する際に、例えば一定の角速度で少なくとも１回だけ３６０゜回転せしめられるか、又は３６０゜の回転を適当に複数回実施することができる。従って、金属の工作物を電気浸食によって加工する場合、工作物に円筒形左右対称の孔を穿孔することができ、この場合、このような形式の孔の退出開口は円形に構成されていて、この孔の円形の侵入開口よりも大きい曲率半径を有している。

定常磁界を各位置間で段階的に回転させることも考えられる。この場合、導体はまず第１の方向に振動せしめられ、この場合工作物に楕円形の孔（この孔の半軸は前記第１の方向に沿って方向付けされている）が穿孔される。次いで定常磁界が回転せしめられ、それによって導体は第２の方向に振動せしめられる。このような手段は、定常磁界を種々異なる角度でさらに整列させて継続することができる。これによって、２つ又はそれ以上の楕円形の孔若しくは、所定の角度でずらされた著しく多くの円弧を有する孔のオーバーラップが生じる。

上方のガイドと下方のガイドとの間でガイドされ、この際に導体の長手方向軸線が磁界に対して十分に垂直に整列された、磁界内に位置する導体の領域は、導体を通って流れる電流の相互作用の産物としてのローレンツ力によって、磁界に運動を与える。導体が上方のガイドと下方のガイドとの間でガイドされることによって、導体の端部（工作物の加工箇所に向いていて、下方のガイドの下に位置している）も運動せしめられるか又は振動せしめられる。下方のガイド及び上方のガイドの各位置を適当に選択することによって、２つのガイド間の導体の運動の振幅、及びひいては導体の端部の運動の振幅も調節され、それによって工作物における加工箇所の大きさが質的に及び／又は量的に調整される。この方法を実施する際に、２つのガイドの位置及びひいては間隔ｙ（ｏ）及びｙ（ｏ）が変化せしめられる。

導体内を流れる電流によって、導体の端部と工作物の加工箇所との間に電界が加えられる。しかも加工箇所に、典型的な形式で処理液例えば誘電体が供給される。このような形式のＥＤＭ（Electrical Discharge Machining）法において、加工箇所で工作物は材料除去される。これによって工作物は、例えば孔を穿孔するために電気浸食で加工することができる。

円錐形のマイクロ穿孔は、従来のＥＤＭ法によっては限定的にしか製作することができない。現在では、大量生産の範囲内で、穿孔の退出開口から侵入開口を差し引いた分に相当する１５μｍまでの円錐形性が１ｍｍの長さの穿孔に繰り返し可能に製作することができる。これは１．５のｋファクターに相当する。しかしながら機能的な要求に基づいて、例えば噴射ノズルの孔のために、１．５よりも大きいｋファクターを有する円錐形性が要求された場合、このような形式の孔は例えばレーザ穿孔によって製作することができる。勿論、レーザ穿孔の際には、プロセス安定性および穿孔品質は一般的に不十分である。

本発明の方法によって、非常に大きい円錐形性を有する孔を製作することができる。このような形式の孔は、１０．０までのｋファクターを有することができる。

この方法によれば、導体は、工作物を電気浸食的に処理するための電極の機能を有している。この場合、導体はワイヤ状に構成されていて、長手方向で工作物の加工箇所に整列させることができる。この場合、導体の端部は、工作物の表面に対して十分に直角を成しているが、必要であれば導体の端部は、工作物の表面に対して斜めに方向付けされてもよい。

本発明の方法は、導体、特に工作物の加工箇所に向けられた導体の端部の振動又は変位が、導体を直接負荷する付加的な機械的手段なしに実現される、という利点を有している。これによって、このような形式の機械的な手段の慣性によって制限されることなしに、導体の運動に迅速かつフレキシブルに影響を及ぼすことができる。この場合、導体は比較的高い回転数の運動に置き換えられる。

さらに、導体に、電源を介して変化する電流を供給することができる。この電源は、コンデンサを備え、かつ並列配置された静的なパルス発生器を有していて、振動回路を介してパルス化された電流を生ぜしめ、それによって導体は静的な磁界内において既に変位せしめられる。

工作物を加工するための本発明による装置は、導体と、上方のガイドと下方のガイドとを有しており、これらのガイドによって導体がガイドされ、これらの導体間に、少なくとも１つの磁石によって生ぜしめられた磁界が存在し、この場合、上方のガイドが、磁界の上方に間隔ｙ（ｏ）を保って配置され、下方のガイドが、磁界の下方に間隔ｙ（ｕ）を保って配置されている。この装置は、導体を運動又は振動させるために構成されていて、従来の浸食機に組み込むか、又はこのような形式の浸食機において使用することができる。それによって、処理液の存在する所で、工作物に、比較的大きいｋファクターを有する円錐形のマイクロ穿孔を形成することができる。本発明による装置は、処理液の供給を適当に補うことによって浸食機を形成することも考えることができる。

この装置は、例えば、導体を中心にして回転する少なくとも１つの磁石を有していてよい。それによって、適当な形式で導体に対して相対的に移動するか、又は導体の領域に適当に給電することによって２つの空間方向で変化する磁界を生ぜしめる、任意の永久磁石又は電磁石を使用することができる。

この装置は、時間的に変化する、導体を流れる電流を供給する電源を備えることができる。この電源は、コンデンサを備え、かつ並列配置された静的なパルス発生器を有していて、共振回路（Schwingkreis）を介してパルス化された電流を生ぜしめることができる。

本発明のその他の利点及び実施態様は、以下の説明及び添付の図面に記載されている。

前記の、及び以下にも詳しく説明されている特徴は、それぞれ提供された組み合わせだけでなく、その他の組み合わせでも又は単独でも、本発明の枠を逸脱することなしに使用することができる。

図面
本発明を以下に図示の実施例を用いて具体的に説明する。

図１は、本発明の装置の第１実施例の概略図、
図２は、穿孔の侵入開口及び退出開口の第１実施例の概略図、
図３は、本発明の装置の技術的な逆転を示す概略図、
図４は、穿孔の侵入開口及び退出開口の別の実施例を示す概略図である。

図面は、概略的かつ包括的に示されており、同じ部材には同じ符号が付けられている。

図１に概略的に示した装置１は、部分的に示したワイヤ状の導体３を有しており、この導体３は工作物５を電気浸食的に処理するために構成されている。この電気浸食的な処理若しくはＥＤＭ（Electrical Discharge Machining）加工においては、時間的に変化する電流が導体３を流れ、それによって、導体３の端部７と工作物５の処理箇所との間に電界が発生する。適当な処理液例えば誘電体を供給することによって、工作物５は材料除去され、それによって工作物に孔９が穿孔される。

しかもこの方法においては、導体３は電極として用いられる。さらに導体３は、装置１の上方のガイド１１と下方のガイド１３との間でガイドされる。これら２つのガイド１１、１３間に、導体３を包囲する２つの磁石１５（概略的に図示されている）が配置されている。矢印で示された、磁石１５によって生ぜしめられた磁界Ｂは、導体３の長手方向軸線に対して垂直に方向付けられている。

導体３を通って時間的に変化する電流が流れると、導体３内を流れる電荷に、磁界に対して垂直、かつ前記電荷が流れる方向に対して垂直な、２重矢印で示したローレンツ力Ｆが生ぜしめられる。これによって、導体３は、その長手方向軸線に対して垂直な方向に、若しくは軸方向に、運動又は振動せしめられ、それによって導体３の端部７も、工作物５に対して相対的に、運動又は振動せしめられる。

磁界Ｂが、導体３の長手方向軸線に対して垂直な方向で２つの空間方向に変化すると、導体３は軸方向で運動せしめられ、同様に導体３の端部７も運動せしめられるか、若しくは工作物５に対して相対的に、２次元的な振動にさらされる。

これは図示の実施例では、磁石１５が導体３を中心にして回転せしめられることによって得られる。この装置１によって、プロセス（作業工程）時間が著しく減少せしめられると共に、比較的大きいｋファクターを有する高品質の円錐形の孔９を工作物５に穿孔することができる。この場合、導体３の運動は、緩慢な又は故障しやすい機械手段なしで生ぜしめることができる。

磁界Ｂは、上方のガイド１１と下方のガイド１３との間に設けられる。磁石的なパラメータ、つまり２つの空間方向における磁界Ｂの強さ、磁界の方向及びその時間的な変化、並びに導体３を通って流れる電流の適当な時間的変化の他に、上方のガイド１１と磁界Ｂとの間の上方の間隔ｙ（ｏ）、並びに磁界Ｂと下方のガイド１３との間の下方の間隔ｙ（ｕ）が重要となる。２つのガイド１１と１３との間の間隔によって、これらのガイド１１，１３間に存在する、導体３の部分の変位若しくは振幅、並びに導体３の同様に運動する端部７の振幅が影響を受ける。これらの間隔ｙ（ｏ）及びｙ（ｕ）は、２つのガイド１１，１３の位置変化によって同様に変化させることができる。これによって、孔９が存在する工作物５の加工箇所における、導体３の端部７の並進運動（平行移動運動）又は振動発生が、適当な形式で影響を受けるようになっている。

図２において、左上には、工作物１５の穿孔の侵入開口１７、左下には退出開口が示されている。この穿孔は、図１に示された装置１を用いてＥＤＭ法によって、空間的に変化しない磁界及び、導体３内で時間的に変化する電流で加工される。右側に示された工作物２１はＥＤＭ法で加工される。ＥＤＭ法においては電極若しくは導体が、図１に示された装置１によって、２つの空間方向で変化する磁界によって２つの空間方向に変位せしめられる。このために、この工作物２１内に形成される穿孔の、侵入開口２３が右上に示されていて、退出開口２５が右下に示されている。

左に示された工作物１５の穿孔の侵入開口１７は円形であって、これに対して退出開口１９は楕円形に形成されている。これは、導体３若しくは電極によって、時間的に変化する電流が静的な磁界においてガイドされるので、それによって生ぜしめられるローレンツ力に基づいて、導体の一端部は、２重矢印の方向で振動又は運動を行う。

穿孔を形成するために導体３が付加的に回転する磁界にさらされる第２の工作物２１においては、侵入開口２３も退出開口２５も円形であって、この場合退出開口２５は侵入開口２３よりも大きい直径を有している。これは、装置１を適当に幾何学的かつ磁気的に設計すると共に、それによって生じる、電極に作用するローレンツ力が３６０゜回転せしめられるように、磁界が回転せしめられることによって得られる。ローレンツ力の常に変化する整列方向によって、若しくはローレンツ力に基づく、導体３に作用する変位力（空間的に変化する磁界によって生ぜしめられる）の常に変化する整列方向によって、例えば工作物１５の退出開口１９の楕円形の形状（左側）から、右側の円錐形性を有する工作物に孔の円形の退出開口２６が形成される。

装置１のプロセス技術的な設計と共に、つまり電流が導体３によって時間的に変化し、磁界が場合によっては２つの空間方向で導体３に対して垂直に移動する状態と共に、間隔ｙ（ｏ）及びｙ（ｕ）を介して、導体３の端部７の振動が生ぜしめられる。この間隔ｙ（ｏ）及びｙ（ｕ）を適当に選択することによって、工作物に穿孔しようとする孔の大きさに量的な影響を与えることができる。この場合、侵入開口のためにも、また退出開口のためにも、楕円形の開口における大きい又は小さい半軸のための寸法、或いは円形の開口のための曲率半径が調節される。この方法を実施する際に、磁石１５を任意の回転数で回転させることができる。

図３は、この方法を実現するための、若しくは図１に示した装置を技術的に置き換えるためのその他の装置が概略的に示されている。図３に部分的に示されているワイヤ状の電極２９は、上方のガイド３１と下方のガイド３３との間でガイドされている。また電極２９は、詳しく図示していない複数の磁石によって包囲されている開口３５によってガイドされている。しかも、ロータ３９を駆動するために構成された空気タービンのベーン３７は、開口３５の周囲を巡って回転するように配置されている。

２つのガイド３１，３３は、保持装置５１に沿って摺動可能に固定されている。ガイド３１，３３は、レール４３に沿って摺動可能である。保持装置５１はロッド４５に固定されている。図示の装置２７は、従来のすべての浸食機に組み込むことができ、ベーン３７の回転に基づいて、電極２９の端部（図３に示されていない工作物側に向いている）は、工作物に対して相対的に回転運動を実施し、処理液の存在する所に（この場合ワイヤ状の導体として構成された電極２９によって）、電流が流れ、工作物に円錐形の孔が穿孔される。

図４には、図１若しくは図３の装置１又は２７のいずれかによって浸食式の金属処理法によって製作される穿孔が示されている。

この場合、それぞれ左側に退出開口４７が示されており、この退出開口４７は、定常磁界及び可変電流の影響によって導体内に形成され、十分に長円形又は楕円形の横断面を有している。

導体がガイドされる下方のガイドと工作物との間の間隔を大きくすることによって、退出側においても、磁界において作用するローレンツ力に応じて長円形の退出開口４７を形成することが可能である。このためには、下方のガイドの間隔ｙ（ｏ）を、孔の深さに対して連続的に減少させる必要がある。孔の円錐形性は、磁界内の変位力及び孔の深さに直接比例している。

上方のガイドの並進運動（平行移動運動）と磁界の回転運動との組み合わせは、円錐形性、円筒形性及びこれと類似のその他の孔形状に関連して可能である。

この場合、図４においては、定常磁界のもとで穿孔された左上の退出開口４７から、磁界の回転によって、右上に図示された退出開口４９が形成される。右下に形成された退出開口５１は、左下の退出開口４７から、段階的に９０゜回転せしめられた磁界によって形成される。この退出開口５１は、２段階で穿孔され、この場合、導体の端部は、９０゜回転した２つの方向でそれぞれ同じ振幅で実施される。

前記方法若しくは前記装置によって、噴射システム、例えばディーゼル噴射システム又は噴射弁の噴射孔付きディスクのノズルのための孔加工が可能である。

本発明の装置の第１実施例の概略図である。 穿孔の侵入開口及び退出開口の第１実施例の概略図である。 本発明の装置の技術的な逆転を示す概略図である。 穿孔の侵入開口及び退出開口の別の実施例を示す概略図である。

Claims (10)

1. 時間的に変化する電流が前記導体（３，２９）の長手方向軸線に沿って該導体を通って流れるようになっており、前記導体（３，２９）を上方のガイド（１１，３１）及び下方のガイド（１３，３３）によってガイドし、この上方のガイドと下方のガイドとの間に磁界を生ぜしめ、上方のガイド（１１，３１）を磁界の上方に間隔ｙ（ｏ）を保って配置し、下方のガイド（１３，３３）を磁界の下方に間隔ｙ（ｕ）を保って配置するようにする、導体（３，２９）を用いて工作物（５）を加工するための方法において、
   前記２つの間隔ｙ（ｏ），ｙ（ｕ）のうちの少なくとも一方を変えることを特徴とする、工作物を加工するための方法。
2. 磁界を回転させる、請求項１記載の方法。
3. ２つの間隔ｙ（ｏ），ｙ（ｕ）を選択することによって、導体（３，２９）の端部の運動の振幅を調整する、請求項１又は２記載の方法。
4. 導体（３，２９）の端部（７）と工作物（５）の加工箇所との間に電界を加え、前記加工箇所において処理液の存在する所で工作物（５）から材料を除去する、請求項１記載の方法。
5. パルス化された電流を導体（３，２９）によって伝達する、請求項１記載の方法。
6. 電流の方向を変える、請求項１記載の方法。
7. 導体（３，２９）と、上方のガイド（１１，３１）と下方のガイド（１３，３３）とを有する、工作物（５）を加工するための装置であって、これらのガイドによって導体（３，２９）がガイドされ、これらの導体間に、少なくとも１つの磁石（１５）によって生ぜしめられた磁界が存在し、この場合、上方のガイド（１１，３１）が、磁界の上方に間隔ｙ（ｏ）を保って配置され、下方のガイド（１３，３３）が、磁界の下方に間隔ｙ（ｕ）を保って配置されている形式のものにおいて、
   前記２つのガイド（１１，１３，３１，３３）のうちの少なくとも１つが可動であることを特徴とする、工作物を加工するための装置。
8. 少なくとも１つの回転可能な磁石（１５）を有している、請求項７記載の装置。
9. 導体（３，２９）を通って流れる、時間的に変化する電流を生ぜしめる１つの電源が設けられている、請求項７又は８記載の装置。
10. 前記電源が、コンデンサを備え、かつ並列配置された静的なパルス発生器を有していて、共振回路を介してパルス化された電流を生ぜしめる、請求項９記載の装置。

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