JP5264514B2 - ワイヤ放電加工機用の給電ダイス - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤ放電加工機用の給電ダイスに関する。より具体的には、表面に有機絶縁膜を有し、加工液中で放電加工を繰り返しても不純物が付着しにくいワイヤ放電加工機用の給電ダイスに関する。

ワイヤ放電加工機は、髪の毛ほどの太さのワイヤを使って主に金属等の導電性被加工物（金属製被工作物）を加工する機械である。加工原理は、電気の力（主に放電現象に伴って発生する熱）を用い、対象金属性被加工物を溶かして切断することによる。すなわち、ワイヤ放電加工は、被加工物と接触しない非接触加工かつ溶融加工である。

ワイヤ放電加工機の一般的な構成を、図１に示す。供給リール１から繰り出されるワイヤ２は、図１中の→の方向に走行し、上部給電ダイス３ａ、上部ガイド４ａ、下部ガイド４ｂ、下部給電ダイス３ｂを経て、排出部５へと排出される。なお、ワイヤの移動方向は、図１中に矢印で示しているとおりである。

上部給電ダイス３ａ及び下部給電ダイス３ｂは、電源装置６に接続されている。上部給電ダイス３ａ及び下部給電ダイス３ｂは、ワイヤ２と接触しているため、ワイヤ２も帯電する。

一方、作業テーブル７も電源装置６に接続されている。そして、作業テーブル７上に設置された金属製の被加工物８も帯電している。その結果、ワイヤ２と被加工物８とが最も接近する部位において、放電スパーク９が発生し、被加工物表面が溶融、飛散、除去され、切断等の処理が行われる。

通常、放電加工を行う際には、イオン交換水１０（加工液）によって被加工物８が完全に水没した状態で加工を行う。これは、放電スパーク９付近の絶縁保持、加工屑の除去のためである（特許文献１参照）。

この場合、被加工物はプラスに帯電しているため、表層の電解腐食が生じやすく、放電加工中に加工部分以外の部分の表層が劣化する畏れがある。こうした被加工物の表層の劣化を防止するため、被加工物にワックス等のさび止め処理剤を塗布する技術が、特許文献２に開示されている。

また、給電ダイスは、耐久性が必要であるために、その材質は超硬合金であることが一般的であるが、超硬合金は固有電気抵抗値が大きいために、超硬給電ダイスとワイヤとの間で電源から供給される電力の一部がジュール熱として散逸し、エネルギーの一部が無駄に消費されることになる。

この問題を解決する手段として、給電ダイスを超硬合金よりも電気抵抗の小さな導電材料とすることが、特許文献３に開示されている。

特開平６−３２０３３９号公報 特開昭５９−１６９７１５号公報 特開平４−１０５８２１号公報

イオン交換水は不純物がほとんど取り除かれているが、特許文献１に開示されているような被加工物をイオン交換水に水没させる放電加工の場合、被加工物が切断等されることによって、被加工物に由来する金属イオンがイオン交換水中に溶出する。ワイヤ放電加工機では、ワイヤ２は図１に示すように、被加工物８に対して上方から下方へと垂直に走行しており、下部給電ダイス３ｂもイオン交換水に水没した状態である。

下部給電ダイス３ｂは、マイナスに帯電しているため、イオン交換水中に溶出した金属イオン及び極微量に存在する不純物が電気的に引き寄せられ、表層に付着するという現象が生じる。この不純物は剥離しにくく、電気抵抗が大きい。

図１に示すようなワイヤ放電加工機では、ワイヤと給電ダイスとが図２に示すような状態で接触している。ここでは、ワイヤ２は、矢印で示すように、上から下へと移動しているが、給電ダイス１１のワイヤ２との接触部分は、摩擦によって摩耗する。この状態で１回目の加工を終え、２回目の加工を同磨耗部に接触させて加工を再開すると、ワイヤと給電ダイスが上手く接触しなくなり放電が安定しなくなる。このため、図２(a)に示す第１回目の加工が終われば、第１回目の加工によって生じた溝１２とワイヤ２とが接触しないように、図２(b)に示すように給電ダイス２を回転させて第２回目の加工を行う。

さらに、第２回目の加工が終われば、第２回目の加工によって生じた溝１３とワイヤ２とが接触しないように、図２(c)に示すように給電ダイス２を再び回転させて第３回目の加工を行う。このようにして、毎回、未使用部分とワイヤ２とが接触するように給電ダイスを回転させれば、１個の給電ダイスを繰り返し使用することが可能である。

ところが、イオン交換水中に溶出した金属イオン等に由来する不純物が給電ダイス表層に付着すると、図２に示すように給電ダイスを回転させても、ワイヤ２と接する給電ダイス表面の通電性が付着物によって低下する。すると、放電加工開始時には、給電ダイスからワイヤへと適切な給電ができなくなり、加工精度が低下する。その結果、本来の寿命を待たずに高価な給電ダイスを交換しなければならなくなり、放電加工コストが上昇することに繋がる。

本発明は、イオン交換水等の加工液中で放電を発生させるワイヤ放電加工機に使用しても、不純物が付着しにくい給電ダイスの提供を目的とする。

本発明者等は、超硬合金製の給電ダイスについて、特許文献２に開示されているような有機絶縁被膜で覆うことを試みたが、マイナス電気を帯びる給電ダイスに不純物が付着することを防止することは困難であった。一方、不純物の付着を防止するために有機絶縁被膜を厚くすると、放電加工時にワイヤを給電ダイスに当接させて走行させても、有機絶縁皮膜を完全に除去することができず、放電が不安定となってしまった。

しかし、鋭意研究を続けた結果、超硬合金製の給電ダイスの表面を、特定パラメータを示すように有機絶縁膜で被覆することによって、イオン交換水等の中でも不純物の付着が起こらず、かつ、放電も安定することを見出し、本発明を完成させるに至った。

具体的に、本発明は、
超硬合金からなる本体と、
本体を均一に被覆する有機絶縁膜とを有し、
加速電圧15kVでエネルギー分散型Ｘ線分析を行った場合における炭素量が、タングステン、コバルト、炭素及び酸素からなる４元素の合計重量に対して、2.8重量％以上16重量％以下であることを特徴とする。

超硬合金製である給電ダイスを有機絶縁膜で被覆する場合、上述したように、有機絶縁膜は薄くても厚くても問題が生じる。また、有機絶縁膜による不純物の付着量と導電性とは、給電ダイス本体の材質（超硬合金そのもの）によっても影響を受けるため、単純に有機絶縁膜の厚みを調整するだけでは、不純物の付着を防止しつつ、放電性能を安定化することは不可能である。

しかし、超硬合金製の本体を有機絶縁膜で被覆した状態で、加速電圧15kVという条件で分析を行い、その測定条件における炭素量が、タングステン、コバルト、炭素及び酸素からなる４元素の合計重量に対して2.8重量％以上16重量％以下となるように、給電ダイス中の炭素量と有機絶縁膜の厚みを調整すれば、イオン交換水中における給電ダイスへの不純物の付着を防止しつつ、放電性能を安定化することがはじめて可能となる。

有機絶縁膜としては、ポリエステル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等を使用することができ、その材質は特に限定されない。なお、有機絶縁膜の厚みは、Ｘ線分析による炭素重量の比率で限定され、特定の厚みによって限定されるのではない。

本発明のワイヤ放電加工機用の給電ダイスは、イオン交換水中で連続使用しても不純物が表面に付着しにくく、放電性能も高い。

市販の超硬合金製給電ダイス（三菱電機社製ワイヤ放電加工機、型番PX05の純正部品の給電ダイス、型番DP478A）の表面を、有機絶縁膜としてポリスチレン樹脂で被覆し、複数個の絶縁ダイスを作製した。

作製した絶縁ダイスは、堀場製作所製エネルギー分散型Ｘ線分析装置EX-220を用いて、加速電圧15kV、視野倍率500倍という条件で炭素、タングステン、コバルト及び酸素を測定した（これら４元素の合計重量が100％となるように測定した）。なお、１つの絶縁ダイスについて５箇所測定し、その平均値を算出した。

その後、絶縁ダイスは、上記ワイヤ放電加工機に２個ずつ（上部給電ダイス及び下部給電ダイス）取り付けた。イオン交換水を加工水として使用し、被加工物（超硬）及び下部給電ダイスがイオン交換水に水没した状態で、放電加工を100時間行った。ワイヤは、（沖電線社製の黄銅ワイヤ、線径0.2mm、型番OB-10P（φ0.1mm））を使用した。

放電性能については、放電加工開始時に給電が安定しているか否かを、オシロスコープを用い短絡の発生有無で判断するという方法で確認した。また、付着物の有無については、加工終了後、下部給電ダイスを取り外し、表面状態を目視観察し、変色があった場合に付着物があると判断した。

作製した絶縁ダイスの平均炭素量（重量％）、変色の有無、放電性能を、表１に示す。なお、表１における従来例１及び従来例２は、どちらも有機絶縁被膜を有しない。

従来例１及び従来例２の給電ダイスは、有機絶縁膜を有しておらず、平均炭素量は超硬合金のみの炭素量を示している。比較例１の給電ダイスは、平均炭素量が従来例１及び従来例２の中間である。これらの給電ダイスは、放電性能は安定していたが、変色が認められたため、連続使用すると給電ダイスを回転させた２回目以降の使用ができなくなるという問題を生じうる。

有機絶縁皮膜を有し、かつ、平均炭素量が2.8重量％以上15.9重量％である実施例１〜実施例１１の給電ダイスは、放電加工後に変色は認められなかった。また、放電性能も安定していた。

一方、有機絶縁皮膜を有し、かつ、平均炭素量が16.1重量％以上である比較例２〜比較例４の給電ダイスは、放電加工後の変色は認められなかったが、放電性能が不安定であった。このため、比較例２〜比較例４の給電ダイスは、実用性が低いと判断された。

なお、実施例１〜実施例１１の給電ダイスの有機絶縁膜の厚みは、0.5μｍ以上5μｍ以下の範囲内であった。

このように、本発明のワイヤ放電加工機用の給電ダイスは、特定パラメータを示すように、超硬合金製の本体を有機絶縁膜で被覆させることにより、イオン交換水中における不純物の付着が防止され、長期間の使用が可能である。しかも、有機絶縁膜による放電特性への悪影響も見られない。

本発明のワイヤ放電加工機用の給電ダイスは、金属加工等の分野において有用である。

ワイヤ放電加工機の一般的な構成を説明する図である。 ワイヤ放電加工機のワイヤと給電ダイスとの接触部分の拡大図であり、(a)は第１回目の加工時、(b)は第２回目の加工時、(c)は第３回目の加工時を示す。

１：供給リール
２：ワイヤ
３ａ：上部給電ダイス
３ｂ：下部給電ダイス
４ａ：上部ガイド
４ｂ：下部ガイド
５：排出部
６：電源装置
７：作業テーブル
８：被加工物
９：放電スパーク
１０：イオン交換水（加工液）
１１：給電ダイス
１２：第１回目の加工時に生じた溝
１３：第２回目の加工時に生じた溝

Claims (1)

1. 超硬合金からなる本体と、
   本体を被覆する有機絶縁膜とを有するワイヤ放電加工機用給電ダイスであって、
   加速電圧15kVでエネルギー分散型Ｘ線分析を行った場合における表層部の炭素量が、タングステン、コバルト、炭素及び酸素からなる４元素の合計重量に対して、2.8重量％以上16重量％以下であることを特徴とする、ワイヤ放電加工機用の給電ダイス。

Images