JP5021474B2 - 放電加工装置及び放電加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物（加工対象物）と加工電極とを微小な加工間隙を介して対向させ、被加工物と加工電極との間隙にパルス状電圧を印加して加工を行う放電加工装置及び放電加工方法に関する。

放電加工は、放電によって発生する熱による被加工物の溶融現象と、加工液の爆発的な気化膨張で溶融部分が飛散する作用とを利用する加工方法である。この放電加工により飛散し切れずに残存した溶融部分は、冷却凝固して被加工物と質の異なった溶融再凝固層を形成する。再凝固層は、急熱と急冷を受けることからクラックを含み硬くて脆いものとなり、被加工物の亀裂進展、割れ、及び強度低下の原因となる。また、放電加工では、加工による金属屑、水、カルボン酸の発生等により加工液が変質して加工液の体積抵抗率が低下する。この体積抵抗率の低下により異常放電が生じてアーク電流が流れるようになると、加工速度の低下や被加工物表面の変質などの問題が生じる。

上記のような異常放電を回避するために、特許文献１に記載の放電加工装置は、加工間隙の電圧をモニタリングし、その電圧が基準値から外れるとサーボコントロールによって、正常放電が可能となるように加工間隙に対するサーボ基準電圧を与える。また、上記のような溶融再凝固層に関して従来の放電加工方法では、溶融再凝固層を少なくしようとする場合できるだけ放電時間の短い条件を選択するのがよい、とされている。
特許第３２１３１１６号公報（図１、図５）

上記特許文献１に記載の放電加工装置により、確かに異常放電の回避は可能となる。しかし、特許文献１に記載の発明は、放電時間に対する定性的な指針を示すに過ぎず、放電時間や休止時間等の加工条件の最適化には触れていない。従って、該放電加工装置では、適切な加工特性を得ることや溶融再凝固層を相応に低減することはできない。なお、ここでの放電加工装置の加工特性は、加工速度、低電極消耗、及びワーク面質（被加工物面質）の３つの特性を少なくとも含むものである。

本発明は、様々な種類の様々な変質度の加工液を利用しつつも、異常放電の発生を回避し、被加工物上に形成される溶融再凝固層を相応に薄くし、更に、加工速度、低電極消耗、及びワーク面質（被加工物面質）などの加工特性を適切なものとする放電加工装置及び放電加工方法を得ることを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するためになされたものである。本発明に係る放電加工装置は、
使用中の加工液の体積抵抗率を検出する体積抵抗率検出部と、
新品加工液を用いた場合の体積抵抗率及びサーボ基準電圧と、使用中の加工液の体積抵抗率との関係から、使用中の加工液に適用可能なサーボ基準電圧を求めるサーボ基準電圧演算部と、
サーボ基準電圧と、無負荷放電時間では無い第１の放電時間との関係式を用いて、上記サーボ基準電圧演算部で求めたサーボ基準電圧により第１の放電時間を求めること、溶融再凝固層厚さと第１の放電時間と放電電流との関係式を用いて上記第１の放電時間と予め設定された溶融再凝固層厚さにより放電電流を求めること、並びに、休止時間と第１の放電時間との関係式を用いて上記第１の放電時間により休止時間を求めることを行う、放電電流、第１の放電時間、及び休止時間を含む加工条件を求める加工条件演算部と
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、加工液の物性に応じた放電電流、放電時間、休止時間及びサーボ基準電圧等の最適加工条件を求め、その加工条件で被加工物を加工することにより、加工液の変質度合いに応じて、適切な加工特性を得られる効果がある。

以下、図面を参照して本発明に係る好適な実施の形態を説明する。

実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る放電加工装置の構成を示すブロック図である。図１において、加工槽８内には、ｉ−パラフィン系炭化水素等の加工液１８が満たされ、その中にワーク（被加工物）６が配置されている。ワーク（被加工物）６の上方に配置されるサーボモータ２の先端には、加工用電極４が設けられている。加工用電極４に印加されるサーボ基準電圧は、サーボコントロール部１６により決定・発生される。更にそのサーボ基準電圧により、加工用電極４とワーク（被加工物）６との間隙が決定（制御）される。加工用電極４に電圧が印加されると、加工用電極４から加工液１８を介してワーク（被加工物）６に対して放電が発生しワーク（被加工物）６が加工される。

体積抵抗率検出部１０は、使用中の加工液１８の体積抵抗率を検出する。加工条件計算部１２に含まれるサーボ基準電圧演算部１１は、後で詳しく説明するように、使用中の加工液１８に対する適用可能なサーボ基準電圧の範囲を求める。更に、加工条件計算部１２に含まれる加工条件演算部１３は、後で詳しく説明するように加工条件（放電電流、放電時間、休止時間およびサーボ基準電圧）を求める。加工条件データベース記憶部１４は、（後で説明する）加工条件を決定する関係式を記憶している。求められた加工条件は制御装置１５からサーボコントロール部１６に与えられ、サーボコントロール部１６はその加工条件でサーボモータ２及び加工用電極４を制御する。また、制御装置１５は、（後で説明する）パルス発生条件をパルスコントロール部１７に与え、該パルスコントロール部１７はパルス発生条件に従ってパルス電源１９に対して加工用電極４でのパルスの発生を指示する。

図１に示す放電加工装置は、特に形彫放電加工で利用される。形彫放電加工で利用される加工液（形彫放電加工液）として、低粘度の炭化水素系化合物の加工液、若しくは低粘度の炭化水素系化合物に酸化防止剤や冷却特性向上剤等を添加した加工液が、一般に使用されている。しかし、加工液は、放電エネルギーにより熱変性や酸化変性を受け、分解物、重合物、脂肪酸、脂肪酸金属塩等を生成するため、使用時間に応じて物性が変化していく。

図２は、加工速度Ｖ_ｗと加工液の体積抵抗率ρとの関係を示す特性図であり、図３は、仕上げ面粗さＲ_ｓと加工液の体積抵抗率ρとの関係を示す特性図である。これらの特性図は、本発明の発明者らが、形彫放電加工液の新品と変質品とに関して、加工特性（即ち、加工速度、及び加工後の被加工物の仕上げ面粗さ）と加工液物性（即ち、体積抵抗率）とを詳しく分析・評価した結果である。なお、図２及び図３において、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、商業的に入手可能な放電加工装置用の加工液である。加工液には、変質品も含まれている（ＡとＣ）。

図２に示すように、加工液の変質に伴い体積抵抗率ρが低下すると、加工速度Ｖ_ｗは向上する。例えば、体積抵抗率ρが１．０×１０^１４Ω・ｃｍから１．０×１０^１３Ω・ｃｍに低下すると、加工速度はＶ_ｗ約１．６倍に増大している。これは、加工液は、放電エネルギーにより熱変性や酸化変性を受けて、分解物、重合物、脂肪酸、脂肪酸金属塩等や加工屑（金属粉）を生成するため体積抵抗率が低下するが、このとき通電性は向上することになるから絶縁破壊までの時間が短くなり、その結果、加工速度が向上するからである、と考えられる。

また、図３に示すように、体積抵抗率ρが低下すると仕上げ面粗さＲ_ｓは大きくなる。即ち、面の凹凸が増加する。これは、加工液が変質して体積抵抗率が低下すると絶縁性が十分には回復しにくくなり集中放電が生じやすくなってワークにシミ（黒い点）等が発生するため、加工面質が低下し面粗さが大きくなるからである、と考えられる。

図４は、やはり本発明の発明者らが、加工エネルギー（Ｉｐ×Ｔ_ＯＮ）と溶融再凝固層厚さｄとを分析・評価した結果の特性図である。ここでの加工エネルギーは「放電電流×放電時間」と定義している。図４に示すように、加工エネルギー（Ｉｐ×Ｔ_ＯＮ）が増加すると溶融再凝固層厚さｄが厚くなっている。これは、体積抵抗率が低下すると通電性が向上し絶縁破壊までの時間が短くなり一定時間内に被加工物に与えられるエネルギーが増加し、一方で体積抵抗率の低下により再凝固層の厚さは厚くなるからである、と推定される。

このように、加工液の種類や加工液の変質により加工液の体積抵抗率が変化すると、他の条件を変化させずに保持しても同じ加工特性が得られなくなる。従って、所望の加工特性を維持するためには、加工液の体積抵抗率に応じて加工条件を変更していく必要がある。例えば、上述のように体積抵抗率が低下した変質加工液では、新品加工液と比較して絶縁回復が遅いため集中放電が発生しやすい。従って、集中放電の発生を回避して新品加工液と同等の加工特性を得るには、加工液の体積抵抗率に応じた加工条件を設定することが必要になる。

図５は、本発明の実施の形態１に係る放電加工装置の加工条件最適化の処理を示すフローチャートである。また、図６は、放電加工における一般的な正常放電時（図６（ａ））と異常放電時（図６（ｂ））との電圧波形を示す波形図である。図１、図５、図６を参照しつつ放電加工装置の加工条件最適化の処理を示す。

先ず、加工条件計算部１２は、加工槽８内で用いられる加工液１８が新品加工液ならば、その新品加工液に応じた加工条件を設定し、使用済みの加工液ならば、前回使用時の最新（最終）の加工条件を設定する（ステップＳＴ１）。ここで、加工条件とは、放電電流、放電時間、休止時間、及びサーボ基準電圧であり、各加工条件の具体的な値は、加工条件データベース記憶部１４に記憶されたデータを読み出すことにより得られる。加工条件データベース記憶部１４には、加工液及び被加工物別のデータが蓄積されている。

体積抵抗率検出部１０は、使用している加工液の体積抵抗率を検出する（ステップＳＴ２：体積抵抗率検出工程）。

加工条件計算部１２に含まれるサーボ基準電圧演算部１１は、以下の関係式（数１）から、体積抵抗率検出部１０で検出された体積抵抗率Ｒ_１と、新品加工液の体積抵抗率Ｒ_０及びサーボ基準電圧Ｖ_Ｓ０とにより、使用中の加工液に応じたサーボ基準電圧Ｖ_Ｓ１の範囲を求める（ステップＳＴ３：サーボ基準電圧演算工程）。なお、下式における「α」は、種々の実験の評価から経験的に決定される係数である。

新品加工液の体積抵抗率Ｒ_０及びサーボ基準電圧Ｖ_Ｓ０は、加工条件データベース記憶部１４に記憶されている。サーボ基準電圧演算部１１は、上式（数１）に使用中の加工液の体積抵抗率Ｒ_１を代入してサーボ基準電圧Ｖ_Ｓ１を求める。求められたサーボ基準電圧Ｖ_Ｓ１の例えば±１０％を適用可能な範囲とする。

次に、加工条件計算部１２に含まれる加工条件演算部１３は、ステップＳＴ３で求められたサーボ基準電圧と、本発明の発明者が導出した以下に示した関係式（数２〜数４）とから、加工条件を求める（ステップＳＴ４：加工条件演算工程）。下式において、Ｔ_ＯＮは放電時間、Ｔ_ＯＦＦは休止時間、Ｖ_Ｓはサーボ基準電圧、Ｉｐは放電電流、ｄは溶融再凝固層厚さを示す。

（β、γは係数で、β＝０．８〜１．５、γ＝０．２〜０．３）

（Ｃ、Ｄは係数で、Ｃ＝２５〜３５、Ｄ＝０．０１〜０．０２）

（Ｅ、Ｆは係数で、Ｅ＝２００〜２５０、Ｆ＝０．２〜０．４）

つまり、ステップＳＴ３で求められたサーボ基準電圧Ｖ_Ｓ１を（数４）のＶｓに代入すると、先ずＴ_ＯＮが求まる。次に、（数２）において、予め設定された溶融再凝固層厚さｄと上記Ｔ_ＯＮを代入すると放流電流Ｉｐが求まる。ここでの溶融再凝固層厚さｄは加工条件データベース記憶部１４の情報を基にして被加工物面質や加工速度との兼ね合いで設定されるのが好ましい。同様に、（数３）において上記Ｔ_ＯＮを代入すると、休止時間Ｔ_ＯＦＦが求まる。このように加工条件のサーボ基準電圧Ｖ_Ｓ、放電時間Ｔ_ＯＮ、休止時間Ｔ_ＯＦＦ、放電電流Ｉｐが決まる。ここで、Ｉｐ＞５Ａ／ｃｍ^３であれば異常電流が発生するとしてＩｐをこの値以下に限定してもよい。

上記（数２）〜（数４）に示した関係式は、加工条件データベース記憶部１４に記憶されている。加工条件計算部１２に含まれる加工条件演算部１３は、（数１）で求めたサーボ基準電圧値（±１０％の範囲）と、予め設定される溶融再凝固層の厚さの値とから、適切な放電電流Ｉｐ、放電時間Ｔ_ＯＮ、休止時間Ｔ_ＯＦＦ、及びサーボ基準電圧Ｖ_Ｓを求めることができる。

放電加工装置では、算出された加工条件に従って、制御装置１５がサーボコントロール部１６及びパルスコントロール部１７を介して電極保持部２および加工用電極４を制御して、加工を行う（ステップＳＴ５）。加工時において、サーボコントロール部１６は、設定されたサーボ基準電圧Ｖ_Ｓをサーボモータ２に発生させ、同時に加工用電極４とワーク（被加工物）６の間隙を制御する。更に、制御装置１５がパルスコントロール部１７を介して、図６（ａ）に示すように、加工用電極４に無負荷電圧Ｖ_０を印加することにより、無負荷放電時間Ｔｄ後に加工用電極４及びワーク（被加工物）６間における加工液１８を絶縁破壊して放電させる。続いて制御装置１５は設定された放電時間Ｔ_ＯＮだけ放電電圧Ｖｅｇおよび放電電流Ｉｐを発生させ、この放電電流Ｉｐによりワーク（被加工物）６が溶解され加工される。加工によりワーク（被加工物）６の加工屑が発生するが、加工中における加工液１８の気化・爆発によりその加工屑が吹き飛ばされる。その結果、加工液１８の絶縁が低下するが、制御装置１５は設定された休止時間Ｔ_ＯＦＦだけ電圧の発生を休止させることにより、加工液１８の絶縁を回復させる。その後制御装置１５はパルスコントロール部１７を介して繰り返して加工用電極８に無負荷電圧Ｖ_０を印加する。

ところで、本発明で利用するような形彫放電加工装置では、放電電流Ｉｐが一定になるように回路設計されているので、加工液１８が変質して異常放電が発生する状態では、加工液１８の体積抵抗率Ｒが低下しており平均放電電圧が低下する。図６（ｂ）は、そのような異常放電時の電圧波形を示す。

ここで、複数の加工特性（加工速度、低電極消耗、及びワーク面質）が予め設定しておいた条件を満たしているか所定の検査装置（図示せず。）により検査される。複数の加工特性のうちのいずれかが満たされていない場合、加工条件設定に不備があるものとして、ステップＳＴ２に戻り、加工条件の最適化の処理がやり直される。複数の加工特性が全て満たされている場合、加工条件の最適化の処理が終了される（ステップＳＴ６、ＳＴ７）。なお終了時には、算出された加工条件を加工条件データベース記憶部１４に逐次記録し、継続して同一の加工液を使用する場合のために最新の加工条件を記憶しておく。

以上のように、実施の形態１に係る放電加工装置は、使用中の加工液の体積抵抗率を検出し、体積抵抗率とサーボ基準電圧の関係式と、検出された体積抵抗率、新品加工液の体積抵抗率、及び実際のサーボ基準電圧の夫々の値とにより、使用中の加工液に応じたサーボ基準電圧の範囲を求める。更にそのサーボ基準電圧と、加工条件データベース記憶部１４に記憶された関係式とにより、加工液１８の物性に応じた最適な加工条件を算出した上で、放電加工を行う。従って、実施の形態１に係る放電加工装置は、様々な種類の様々な変質度の加工液を利用しつつも、加工速度、低電極消耗、及びワーク面質に関する所望の条件を満たすことができる。

また、放電加工中に図５に示した加工条件の最適化の処理を所定時間毎に逐次行えば、加工液物性が時々刻々と変化しても、被加工物において加工液の変質度合いに応じて、適切な加工特性を得られる。

本発明の実施の形態１に係る放電加工装置の構成を示すブロック図である。 加工速度と体積抵抗率との関係を示す特性図である。 仕上げ面粗さと体積抵抗率との関係を示す特性図である。 加工エネルギーと溶融再凝固層厚さとの関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態１に係る放電加工装置の加工条件最適化の処理を示すフローチャートである。 正常放電時と異常放電時との電圧波形を示す波形図である。

符号の説明

２ サーボモータ、４ 加工用電極、６ ワーク（被加工物）、８ 加工槽、１０ 体積抵抗率検出部、１１ サーボ基準電圧演算部、１２ 加工条件計算部、１３ 加工条件演算部、１４ 加工条件データベース記憶部、１５ 制御装置、１６ サーボコントロール部、１７ パルスコントロール部、１８ 加工液、１９ パルス電源。

Claims (4)

1. 加工液を用いて被加工物を放電加工する放電加工装置において、
   使用中の加工液の体積抵抗率を検出する体積抵抗率検出部と、
   新品加工液を用いた場合の体積抵抗率及びサーボ基準電圧と、使用中の加工液の体積抵抗率との関係から、使用中の加工液に適用可能なサーボ基準電圧を求めるサーボ基準電圧演算部と、
   サーボ基準電圧と、無負荷放電時間では無い第１の放電時間との関係式を用いて、上記サーボ基準電圧演算部で求めたサーボ基準電圧により第１の放電時間を求めること、溶融再凝固層厚さと第１の放電時間と放電電流との関係式を用いて上記第１の放電時間と予め設定された溶融再凝固層厚さにより放電電流を求めること、並びに、休止時間と第１の放電時間との関係式を用いて上記第１の放電時間により休止時間を求めることを行う、放電電流、第１の放電時間、及び休止時間を含む加工条件を求める加工条件演算部と
   を備えることを特徴とする放電加工装置。
2. 上記サーボ基準電圧演算部がサーボ基準電圧を求め上記加工条件演算部が加工条件を演算した後、算出された加工条件に従って被加工物を放電加工し、その後、複数の加工特性が予め設定された条件を満たしているか否か検査され、
   複数の加工特性のうちのいずれかが予め設定された条件を満たしていない場合、
   上記体積抵抗率検出部による使用中の加工液の体積抵抗率の検出と、上記サーボ基準電圧演算部によるサーボ基準電圧の算出と、上記加工条件演算部による加工条件の算出とが繰り返されることを特徴とする請求項１に記載の放電加工装置。
3. 上記サーボ基準電圧演算部は、数１の新品加工液を用いた場合の体積抵抗率及びサーボ基準電圧と、使用中の加工液の体積抵抗率との関係式から、使用中の加工液に適用可能なサーボ基準電圧を求め、
   上記加工条件演算部は、数２〜数４の放電電流、第１の放電時間、休止時間、サーボ基準電圧、及び溶融再凝固層厚さの関係式に従って、上記加工条件を求めることを特徴とする請求項２に記載の放電加工装置。
   

   

   （Ｒ_０は新品加工液の体積抵抗率、Ｖ_Ｓ０は新品加工液のサーボ基準電圧、Ｒ_１は使用中の加工液体積抵抗率）
   （Ｖ_Ｓ１は、使用中の加工液に適用可能なサーボ基準電圧）
   （αは、係数）
   

   

   （ｄは、溶融再凝固層厚さ）
   （Ｗは“Ｔ_ＯＮ×Ｉｐ”であり、Ｔ_ＯＮは第１の放電時間、Ｉｐは放電電流）
   （β、γは係数で、β＝０．８〜１．５、γ＝０．２〜０．３）
   

   

   （Ｔ_ＯＦＦは休止時間）
   （Ｃ、Ｄは係数で、Ｃ＝２５〜３５、Ｄ＝０．０１〜０．０２）
   

   

   （Ｖ_Ｓはサーボ基準電圧）
   （Ｅ、Ｆは係数で、Ｅ＝２００〜２５０、Ｆ＝０．２〜０．４）
4. 加工液を用いて被加工物を放電加工する放電加工方法において、
   使用中の加工液の体積抵抗率を検出する体積抵抗率検出工程と、
   新品加工液を用いた場合の体積抵抗率及びサーボ基準電圧と、使用中の加工液の体積抵抗率との関係から、使用中の加工液に適用可能なサーボ基準電圧を求めるサーボ基準電圧演算工程と、
   サーボ基準電圧と、無負荷放電時間では無い第１の放電時間との関係式を用いて上記サーボ基準電圧演算工程で求めたサーボ基準電圧により第１の放電時間を求めること、溶融再凝固層厚さと第１の放電時間と放電電流との関係式を用いて上記第１の放電時間と予め設定された溶融再凝固層厚さにより放電電流を求めること、並びに、休止時間と第１の放電時間との関係式を用いて上記第１の放電時間により休止時間を求めることを行う、放電電流、第１の放電時間、及び休止時間を含む加工条件を求める加工条件演算工程と、
   算出された加工条件に従って被加工物を放電加工する放電加工工程と、
   複数の加工特性が予め設定された条件を満たしているか否か検査する加工特性検査工程とを含み、
   上記加工特性検査工程にて、複数の加工特性のうちのいずれかが予め設定された条件を満たしていないと判断した場合に、上記体積抵抗率検出工程と、上記サーボ基準電圧演算工程と、上記加工条件演算工程と、上記放電加工工程とを繰り返すことを特徴とする放電加工方法。

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