JP6484182B2 - 電解加工装置、電解加工方法および工具電極 - Google Patents

Description

本発明は、電解加工装置、電解加工方法および工具電極に関する。

予め穿孔した下孔に、加工したい異形孔の形状に合わせて形成した電極を挿通して異形孔を形成する電解加工方法が知られている（例えば、特許文献１）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開平６−１９０６４０号公報

ストレート孔でない異形孔を形成したい場合には、特殊形状の電極を異形孔の形状ごとに用意する必要があった。特に、径が小さな異形孔を形成することが非常に困難であった。また、電解加工に限らず、孔の奥側に向かって断面積が大きくなる、いわゆる逆テーパ形状の異形孔を形成することが難しかった。

本発明の第１の態様における電解加工装置は、工作物に設けられた孔に挿通する工具電極と、孔の内壁と工具電極の表面との間に流す電流を制御する制御部とを備え、表面における単位面積あたりの電気抵抗が挿通方向に沿って連続的に変化するように表面加工が施された工具電極により、孔の内壁面に流れる電流の電流密度を工具電極の挿通方向に沿って変化させる。

本発明の第２の態様における電解加工方法は、工作物に孔を形成する孔形成工程と、孔に工具電極を挿通する挿通工程と、孔の内壁と工具電極の表面との間に流れる電流の電流密度が工具電極の挿通方向に沿って変化するように通電する通電工程とを有する。

本発明の第３の態様における電解加工装置に用いる工具電極は、表面における単位面積あたりの電気抵抗が挿通方向に沿って連続的に変化するように表面加工が施されている。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

加工対象物であるノズル本体と加工前後の様子を示す模式図である。 本実実施例に係る電解加工装置の全体構成を説明する模式図である。 テーパ加工中における工具電極近傍の部分拡大図である。 第１実施例に係る工具電極の外観模式図である。 第２実施例に係る工具電極の外観模式図である。 第３実施例に係る工具電極の外観模式図である。 第４実施例に係る工具電極の断面模式図である。 第１実施例に係る工具電極を用いた場合のシミュレーションデータである。 第５実施例に係る矩形孔を加工する例を説明する模式図である。 工具電極の電気抵抗の変化を説明する模式図である。 第６実施例に係る工具電極の外観模式図である。 第７実施例に係るワーク断面を説明する模式図である。 第８実施例に係る工具電極とワークを示す模式図である。 第９実施例に係る工具電極の外観模式図である。 第９実施例に係る工具電極を用いた場合の孔形状を説明する図である。 第１０実施例に係る工具電極の外観模式図である。 第１０実施例に係る工具電極を用いた場合の孔形状を説明する図である。 第１１実施例に係るワーク断面を説明する模式図である。 第１２実施例に係る工具電極の作成方法を説明する模式図である。 孔の目標形状の断面プロファイルを説明する図である。 第１２実施例に係る工具電極における導電部の螺旋ピッチの設定を説明する図である。 第１２実施例に係る工具電極を用いた場合のシミュレーションデータである。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、加工対象物であるノズル本体５００と、その加工前後の様子を示す模式図である。本実施形態における第１実施例では、ノズル本体５００を電解加工による加工対象物の例として説明する。図１（ａ）は、ノズル本体５００の斜視図である。ノズル本体５００は、ディーゼルエンジンのインジェクターを構成する部品であり、燃料を噴出させる噴孔５１１を複数有する。ノズル本体５００は、ロート状の先端部５１０と円筒状のシリンダー部５２０とが一体的に形成されて成る。その内部は、燃料が充填される空洞空間になっており、先端部５１０に形成された噴孔５１１により外部と連通する。インジェクターの組み立て時には、この空洞空間に弁針が配置される。本実施例におけるノズル本体５００は、例えばステンレス鋼、ステライトを素材とする。

ディーゼルエンジンに用いられるインジェクターの噴孔の直径は、従来１２０μｍ程度であったが、ＮＯｘおよびＰＭ等の排出量を大幅に低減するために、１００μｍ以下にすると良いことがわかってきた。しかも、超高圧により円滑な燃料の噴出を行うために、噴孔は、燃料の入口直径よりも出口直径の方が小さい逆テーパ孔であることが好ましい。

しかし、工作物であるワークに対して、例えばドリルの進入側の径が大きな順テーパ孔であれば加工としては比較的容易であるものの、逆テーパ孔をドリルで形成することは難しい。ましてや、１００μｍのオーダーでドリル加工を行うことは事実上不可能である。特に、ノズル本体５００の空洞空間のように、内部側から加工を施すことが難しい形状であると、レーザ加工等の他の加工方法によっても逆テーパ形状を形成することができなかった。

本実施例においては、図１（ａ）の噴孔５１１近傍の加工前の拡大断面図である図１（ｂ）のような下孔５１６を、電解加工により、同じく加工後の拡大図である図１（ｃ）のような完成孔５１７に加工する。図１（ｂ）に示すように、下孔５１６は、先端部５１０の肉厚である噴孔長分の長さを有するストレート孔である。下孔５１６は、例えば放電加工、レーザ加工により予め形成される。図１（ｃ）に示すように、完成孔５１７は、ノズル本体５００の空洞空間側である噴孔入口５１３の入口直径が、ノズル本体５００の外側空間側である噴孔出口５１２の出口直径よりも大きい逆テーパ孔である。なお、本実施例においては、噴孔出口５１２から噴孔入口５１３へ向かう奥行きに比例して連続的に直径が大きくなる逆テーパ孔を例に説明するが、逆テーパ形状はこれに限らない。例えば、噴孔出口５１２から噴孔入口５１３へ向かう奥行きの二乗に比例して直径が大きくなる形状であっても良いし、連続的ではなく段階的に直径が大きくなる形状であっても良い。

図１（ｂ）の加工前の状態から図１（ｃ）の加工後の状態へ加工する加工装置と加工手順について説明する。図２は、本実実施例に係る電解加工装置１００の全体構成を説明する模式図である。電解加工装置１００は、基台１２０と、基台１２０に支えられ、重力方向であるｚ軸に直交するｘｙ方向に移動するステージ１４０と、ステージ１４０の移動を妨げない位置に配置され、基台１２０からｚ軸方向へ伸びる支柱１３０を備える。支柱１３０は、ｚ軸方向へ移動できるようにヘッド１１０を支持し、ヘッド１１０は、工具電極２１０をｚ軸周りに回転可能に支持する。ステージ１４０の水平移動、ヘッド１１０の垂直移動および工具電極２１０の回転移動は、それぞれに設けられたアクチュエータによって行われる。これらアクチュエータの駆動は、制御ユニット１９０によって、駆動ユニット１８０を介して実行される。

ステージ１４０上には、電解液槽１５０が載置される。電解液槽１５０は、電解液３１０を満たしている。本実施例においては、電解液３１０としてＮａＮＯ_３の１０重量％溶液を用いる。電解液３１０は、濃度が一定に保たれるように外部の貯蔵槽および排水槽との間で循環させても良い。

電解液槽１５０は、対象とする工作物であるノズル本体５００が電解液３１０に沈む程度の大きさを有する。また、ノズル本体５００を一定の姿勢に保って固定する固定具１６０を備える。具体的には、固定具１６０は、例えばチャック１６１によりシリンダー部５２０を挟み込み加工対象となる下孔５１６がｚ軸方向に沿う姿勢で、ノズル本体５００を電解液３１０の中で固定する。駆動ユニット１８０は、下孔５１６が工具電極２１０の直下に位置するようにステージ１４０を移動する。

工具電極２１０は、詳しくは後述するが、下孔５１６に挿通される円柱形状を成す。工具電極２１０は、交換可能にヘッド１１０に装着される。ヘッド１１０は、電源ユニット１７０とグランド線１７２によって接続され、工具電極２１０は、ヘッド１１０を介して接地電位に保たれる。一方、固定具１６０は、電源ユニット１７０と電力線１７１によって接続され、ノズル本体５００は、固定具１６０を介して正電位の印加制御を受ける。制御ユニット１９０は、電源ユニット１７０を介して、電力供給のオン／オフ、オン時の電位、パルス制御を行う場合にはデューティ比等を制御する。

制御ユニット１９０は、駆動ユニット１８０を介してヘッド１１０をｚ軸方向に押し下げ、工具電極２１０を矢印方向に移動させて下孔５１６に挿通させる。そして、電源ユニット１７０を介して電力供給をオンすることにより、電解加工によるテーパ加工を開始させる。

図３は、テーパ加工中における工具電極２１０近傍の部分拡大図である。制御ユニット１９０は、電力供給を開始させると共に、工具電極２１０のｚ軸周りの回転を開始させる。具体的な構造は後述するが、工具電極２１０は、下孔５１６への挿通方向に沿ってその単位面積当たりの電気抵抗が変化するように表面加工が施されている。特に、逆テーパ孔を形成すべく、先端へ向かうほど電気抵抗が小さくなるように加工されている。ここで、単位面積当たりの電気抵抗とは、工具電極表面の単位面積において単位時間当たりに授受できる電荷量の逆数に比例する値である。すなわち、当該表面領域における電解反応のおこりにくさを表す。本実施形態における各実施例の工具電極では、導電領域の面積と絶縁領域の面積あるいは絶縁性素材の厚さを調整し、見かけ上の単位面積あたりの電気抵抗を調整する。

このような表面加工により、噴孔入口５１３近傍では、工具電極２１０とノズル本体５００との間で比較的大きな電流が流れて電解反応が速くなる。一方、噴孔出口５１２近傍では、工具電極２１０とノズル本体５００との間で比較的小さな電流が流れて電解反応が遅くなる。つまり、単位面積あたりの電流量である電流密度が、噴孔入口５１３近傍では大きく、噴孔出口５１２近傍では小さい。したがって、工具電極２１０の挿通方向に沿って逆テーパ孔が形成される。すなわち、下孔５１６は、工具電極２１０の挿通方向に直交する断面の断面積が、工具電極２１０の先端へ向かうほど大きくなるように拡張される。

制御ユニット１９０は、点線で示す完成孔５１７の形状となるまで、ノズル本体５００と工具電極２１０との間の通電を制御する。そして、ヘッド１１０を引き上げて工具電極２１０を電解液３１０から退避させて加工を終了する。

次に、工具電極２１０の具体的な構造について説明する。図４は、第１実施例に係る工具電極２１０の外観模式図である。工具電極２１０は、基材として例えばタングステンが用いられる。タングステン以外にも超硬合金等を採用し得る。導電部２１１は、基材としてのタングステンが露出した部分であり、電解液３１０との間でイオン交換が許容される領域である。絶縁部２１２は、基材としてのタングステンを絶縁材が覆う部分であり、電解液３１０との間のイオン交換が遮断される領域である。

導電部２１１および絶縁部２１２は、工具電極２１０の表面を軸周りに螺旋状に形成されている。より具体的には、ヘッド１１０に装着される側を基端側とし、反対側を先端側とすると、導電部２１１の線幅Ｗが一定で、軸方向における先端側のピッチＰ_１よりも基端側のピッチＰ_２の方が大きくなっている。このような螺旋構造を採用することにより、工具電極２１０の表面における単位面積あたりの電気抵抗を、先端側で小さく、基端側で大きくしている。

表面に導電部２１１および絶縁部２１２を形成する表面加工は、さまざまな手法を採用し得る。例えば、基材としてのタングステン柱のうち加工に利用する軸部表面を加熱して酸化タングステン膜を形成する。酸化タングステン膜は、絶縁膜として機能する。そして、微細放電加工機の電極を周方向から近接させつつ、タングステン柱を軸周りに一定速度で回転しながら軸方向には徐々に速度を速めて送ると、螺旋状に酸化タングステン膜が除去されて基材のタングステンが再び露出し、上述の導電部２１１が形成される。酸化タングステン膜が残った部分は、絶縁部２１２となる。酸化タングステン膜の除去は、放電加工によらず、レーザ加工、エッチング加工等の他の加工方法も採用し得る。また、基材を酸化して絶縁膜を形成する場合に限らず、例えば絶縁素材を塗布して形成しても良い。また、絶縁膜を除去して基材を再露出させることにより導電部２１１を形成する場合に限らず、絶縁部２１２を直接的に螺旋状に形成することもできる。例えば、上述の送り操作を行いながら、周方向から絶縁塗料をインクジェット方式により吹き付けることにより形成することができる。

工具電極表面における単位面積あたりの電気抵抗が軸方向に沿って変化する構造およびその表面加工方法は、さまざまなバリエーションが存在する。以下にいくつかの実施例を説明する。

まず、導電部２１１と絶縁部２１２の割合により軸方向に電気抵抗を変化させるバリエーションについて説明する。図５は、第２実施例に係る工具電極２２０の外観模式図である。工具電極２２０は、工具電極２１０の派生構造である。工具電極２１０では、導電部２１１の線幅Ｗを一定にして螺旋のピッチＰを変化させたが、工具電極２２０では、導電部２１１の螺旋のピッチＰを一定にして線幅Ｗを変化させている。具体的には、先端側の線幅Ｗ_１よりも基端側の線幅Ｗ_２の方を小さくしている。このような螺旋構造を採用しても、工具電極２１０の表面における単位面積あたりの電気抵抗を、先端側で小さく、基端側で大きくできる。

工具電極２２０の製造方法も、工具電極２１０の製造方法とほぼ同様である。例えば微細放電加工に依る場合には、タングステン柱を軸周りに一定速度で回転しながら軸方向にも一定速度で送りつつ、近接させる電極の有効面積を徐々に小さくして導電部２１１を形成すれば良い。

工具電極２１０、２２０は、導電部２１１を螺旋形状として形成した。導電部２１１を比較的大きなピッチによる螺旋形状として形成した場合には、工作物側に螺旋パターンが転写される恐れがあるので、テーパ面を滑らかに形成すべく、図３を用いて説明したように、工具電極を回転させる。工具電極を回転させることにより、周方向に対する電解反応のむらを解消する。

工具電極表面の導電部２１１と絶縁部２１２のパターンとしての偏りを実質的に無くすことによっても、周方向に対する電解反応のむらを解消できる。図６は、第３実施例に係る工具電極２３０の外観模式図である。

工具電極２３０は、導電部２１１を微細なドットパターンとして有する。具体的には、単位面積あたりのドットの個数を先端側で多くし、基端側で少なくすることにより、工具電極２３０の表面における単位面積あたりの電気抵抗を、先端側で小さく、基端側で大きくしている。なお、図においては模式的にドットを大きく示しているが、単位面積当たりのドットの個数をドット密度とした場合に、先端側から基端側へ向かってドット密度が連続的に小さくなるようにドットを形成すると良い。導電部２１１としてのドットは、例えば、基材としてのタングステン柱の表面に酸化タングステン膜を形成した後に、タングステン柱を軸周りに一定速度で回転しながら軸方向には徐々に速度を速めて送りつつ、スポットレーザを間欠的に照射して酸化タングステン膜を除去することにより形成する。もちろん、上述のエッチング加工等の他の加工方法も採用し得る。

また、単位面積あたりの電気抵抗を変化させるという観点においては、ドットの個数を変化させる場合に限らず、ドットの大きさを軸方向に徐々に変化させても良い。具体的には、先端側でドットの大きさを大きくし、基端側で小さくすれば、工具電極２３０の表面における単位面積あたりの電気抵抗を、先端側で小さく、基端側で大きくできる。加工寸法に対して十分小さなドットを採用すれば、実質的に導電部２１１と絶縁部２１２の境界が電解反応のむらを生じさせる原因とはならなくなるので、工具電極２３０を回転させなくても滑らかなテーパ面を形成することができる。

工具電極２１０，２２０，２３０は、導電部２１１と絶縁部２１２の割合により軸方向の電気抵抗を変化させた。すなわち、電解液３１０との間でイオン交換を許容する領域と遮断する領域の割合で電気抵抗を変化させた。軸方向の電気抵抗を変化させる方法はこれに限らず、電解液３１０との間でイオン交換を段階的に制限する方法もある。図７は、第４実施例に係る工具電極２４０の、中心軸を含む断面による断面模式図である。工具電極２４０では、イオン交換を完全に遮断する絶縁部を表面に形成するのではなく、工作物との間に同じ電位差があってもイオン交換される割合が軸方向に沿って変化するように、絶縁性膜２４２を導電性の軸部２４１上に、軸方向に沿って厚さを変化させて形成する。絶縁性膜２４２は、イオン交換を完全に遮断するのではなく、厚さによってイオン交換量が変化する高抵抗材料の膜である。具体的には、膜厚を先端側で薄くし、基端側で厚くすることにより、工具電極２３０の表面における単位面積あたりの電気抵抗を、先端側で小さく、基端側で大きくしている。

絶縁性膜２４２は、例えば、基材としてのタングステン柱のうち加工に利用する軸部表面を加熱する場合に、先端側より基端側へ向かって徐々に加熱温度を上げて形成する。加熱温度が高いほど酸化が進行するので、基端側に向かってより厚い酸化タングステン膜が形成される。また、加熱温度を一定にしても、基端側へ向かうほど加熱時間を長くすれば、同様に基端側に向かってより厚い酸化タングステン膜が形成される。もちろん、基端側へ向かうほど絶縁材を厚く塗布する加工も採用し得る。

なお、絶縁性膜２４２の厚さを変化させる変化領域２４３に隣接させて、厚さを一定とする一定領域２４４を基端側に設けることが好ましい。このように一定領域２４４を形成することにより、工作物のうち加工対象外（下孔部の壁面以外）の部分との導通を制限することができる。

次に、シミュレーション結果について説明する。図８は、第１実施例に係る工具電極２１０を用いて行ったシミュレーションのデータである。工作物として直径１４０μｍのストレート孔を設けた１ｍｍ厚の鉄板を用い、電解液としてＮａＮＯ_３の１０重量％溶液を用い、Ｔｉ基材の直径１００μｍの工具電極を２０ｒｐｍで回転しつつ工作物との間に５Ｖの電位差を与える条件によりシミュレートした。横軸は、拡張した径の大きさを表し（単位はｍｍ）、縦軸は、下孔の奥行を表す（単位はｍｍで、０が工具電極２１０の先端側に対応する）。

また、実線が加工前の形状を表し、細かい点線が２０秒間加工を継続した場合の形状を表し、粗い点線が４０秒間加工を継続した場合の形状を表す。加工が進むにつれ、逆テーパが形成され、径が拡張する様子がわかる。

以上の各実施例においては、円柱形状の工具電極を用いて、工具電極の挿通方向に直交する断面形状が円である円孔を形成する場合を説明した。しかし、電解加工における一つの利点は、円柱以外にもさまざまな形状の工具電極を用いることができ、当該形状を工作物に転写できることである。そこで、円孔加工以外の例として角柱電極を用いて矩形孔を加工する例を以下に説明する。

図９は、第５実施例に係る矩形孔を加工する例を説明する模式図である。図９（ａ）に示すように、工作物としてのワーク６００には、予め矩形の下孔６１６が設けられている。下孔６１６は、貫通方向に直交する断面が矩形である。

角柱形状の工具電極２５０は、電解加工装置１００のヘッド１１０に装着され、図２を用いて説明した例と同様に位置決めされて、下孔６１６に挿通される。そして、電解加工が実行されると、下孔６１６は、図９（ｂ）に示すように、工具電極２５０の挿通側の開口である第１口６１２が反対側の開口である第２口６１３よりも狭い、逆テーパを有する完成孔６１７に仕上げられる。なお、図２の例においては、工具電極２１０をｚ軸周りに回転させたが、本実施例においては工具電極２５０を回転させない。

図１０は、工具電極２５０の電気抵抗の変化を説明する模式図である。工具電極２５０も、以上の実施例で説明した各工具電極と同様に、表面における単位面積あたりの電気抵抗が先端側で小さく、基端側で大きくなるように表面加工を施している。電気抵抗を変化させる具体的な構造は、以上の実施例で説明した各工具電極のいずれをも採用し得る。

ここで、軸方向に直交する周方向における単位面積当たりの電気抵抗が一様であると、図１０（ａ）に示すように、孔の軸方向に直交する断面形状は、シャープな矩形にはならない場合がある。すなわち、矩形の四隅である角部６２１は工具電極２５０との距離が大きく、一方で四辺である辺部６２２は工具電極２５０との距離が小さいので、角部６２１よりも辺部６２２の方が相対的に加工の進行が速い。すると、断面形状が次第に丸みを帯びてくることになる。

そこで、本実施例においては、軸方向のみならず、周方向においても単位面積当たりの電気抵抗を変化させる。具体的には、角部６２１側が辺部６２２側よりも加工が進みやすいように、図１０（ｂ）の断面図で示すように、工具電極２５０の四隅側の電気抵抗を低くし、辺の中央側の電気抵抗を高くする。このように表面加工された工具電極２５０によれば、図１０（ｃ）に示すように、孔の断面形状は、よりまっすぐな辺部６２２とより直角な角部６２１に仕上がる。

これまでの各実施例においては、下孔の加工を別の加工機を用いて行うことを前提に説明した。しかし、下孔の加工も電解加工装置１００で行っても良い。すなわち、工具電極を用いて下孔を電解加工により形成する。この場合、工具電極の交換作業を省くべく、以下のような工具電極を採用することができる。図１１は、第６実施例に係る工具電極２６０の外観模式図である。

工具電極２６０は、これまで説明したテーパ加工を行うテーパ加工部２６１と、下孔加工を行う下孔加工部２６２と、この間を接続する接続部２６３とが一続きに構成されている。テーパ加工部２６１は、以上に説明した各工具電極のいずれとも置換し得る。接続部２６３の表面は絶縁加工が施されている。

下孔加工部２６２は、先端部においてワークと対向し、ワーク溶出の進行とともに軸方向に送られることにより、穴加工を実現する。したがって、下孔加工部２６２の表面は、全体が導電部である。また、下孔加工部２６２は、下孔加工における消耗を考慮して、テーパ加工部２６１よりも相対的に軸方向に長く作られている。

下孔加工部２６２が下孔を完成させると、当該下孔の壁面にテーパ加工部２６１の表面が対向するように、工具電極２６０の全体が押し下げられる。そして、連続的に逆テーパ孔の加工が開始される。このとき、表面が絶縁加工された接続部２６３が存在するので、下孔加工部２６２が工作物の加工対象でない部分と導通することを制限することができる。

また、電解加工装置１００が、電解液３１０と加工油とを置き換える機能を有し、加工油中の工作物に対してアーク放電を発生させる放電加工装置としての機能も有する構成であれば、工具電極２６０の下孔加工部２６２を用いて放電加工により下孔を形成することもできる。また、工具電極２６０の下孔加工部２６２がドリルとして形成されていれば、ヘッド１１０が工具電極２６０をｚ軸周りに回転させて、ドリル加工により下孔を形成することができる。いずれの加工方法を採用し得るかは、加工する孔のサイズ、ワークの材質等による。

図１２は、第７実施例に係るワーク断面を説明する模式図である。以上で説明した各実施例においては、工具電極の表面における単位面積当たりの電気抵抗を軸方向に沿って変化させることにより、下孔の内壁と工具電極の表面との間に流す電流の電流密度を工具電極の挿通方向に沿って変化させた。しかし、工具電極の表面を加工する限りではなく、工作物側を加工することにより、当該電流密度を工具電極の挿通方向に沿って変化させても良い。具体的には、単位面積あたりの電気抵抗が工具電極の挿通方向に沿って変化するように、下孔の内壁に絶縁性膜を形成する。

図１２は、図１（ｃ）に対応する図である。ノズル本体５００の導電部である先端部５１０に設けられた下孔５１６の内壁表面は、穿孔直後において導電性を有する。そこへ、ヘッド１１０に装着された円柱状の加熱工具８１０をゆっくり挿通する。そして、あらかじめ定められた時間の経過後に引き抜く。加熱工具は、工作物表面を酸化させる程度に熱せられている。すると、下孔５１６のうち加熱工具８１０の進入側ほど加熱工具８１０と対向している時間が長くなるので、進入側ほど厚い絶縁性膜５１８が下孔５１６の内壁に形成される。

このように下処理された下孔５１６に対して電解加工を施すと、表面が一様に導電性を有する従来の工具電極を用いても、逆テーパ孔である完成孔５１７を形成することができる。つまり、本実施例は、図７を用いて説明した第４実施例における工具電極２４０と下孔５１６の関係が、絶縁性膜を形成する観点において逆転したものである。なお、下処理として形成するのは絶縁性膜５１８に限らず、絶縁部と導電部をパターンで区分する例でも構わない。例えば、下孔の内壁を部分的にマスクして絶縁塗料を塗布する加工を施すことができる。

なお、以上では電解加工装置１００が下孔５１６の内壁の表面加工を行うものとして説明したが、もちろん他の装置で当該表面加工を行っても良い。また、下孔５１６の穿孔時に加熱して絶縁性膜５１８を同時進行で形成しても良い。具体的には、例えばレーザ加工におけるレーザ出力を深さ方向に徐々で変化させて熱量を調整する。

以上の各実施例においては、ヘッド１１０に一本の工具電極が装着される場合について説明したが、ヘッド１１０に装着される工具電極は、一本に限らない。図１３は、第８実施例に係る工具電極２７０とワーク７００を示す模式図である。例えば、インクジェットプリンタのノズルヘッドのように、噴射孔がマトリックス状に複数配列されている加工対象物があり得る。この場合、一度の電解加工工程で多数の逆テーパ孔を形成できれば、生産性向上に寄与する。

そこで、工具電極２７０は、ヘッド１１０に装着されるベース部２７１が複数の電極部２７２を支持している。ヘッド１１０が押し下げられて各電極部２７２が対応する下孔７１７にそれぞれ挿通され、通電されて電解加工が一定時間継続される工程は、上記の各実施例と同様である。また、それぞれの電極部２７２の表面に、下孔７１７への挿通方向に沿ってその単位面積当たりの電気抵抗が変化するように表面加工が施されている、あるいは第７実施例のように下孔７１７が予め下処理されている点も同様である。このような工具電極によれば、一度の電解加工工程で多数の逆テーパ孔を形成することができる。

以上各実施例を説明したが、本実施形態に係る加工対象は逆テーパ孔の形成に留まらず、ストレート孔以外のさまざまな孔の形成に適用し得る。例えば、孔の中ほどの直径が両端の入口の直径よりも広い孔または狭い孔を形成することもできる。すなわち、本実施形態の大きな特徴のひとつは、孔の内壁と工具電極の表面との間に流す電流の電流密度を工具電極の挿通方向に沿って変化させることにより、挿通方向に直交する断面の大きさを所望の大きさに調整する点にある。

図１４から図１７を用いて、逆テーパ以外の複雑な形状の孔を加工する場合の実施例について説明する。特に、孔形状の一例として、上述した孔の中ほどの直径が両端の入口の直径よりも広い孔または狭い孔について説明する。なお、孔の中ほどの直径が両端の入口の直径よりも広い孔を樽型、孔の中ほどの直径が両端の入口の直径よりも狭い孔を鼓型と記して説明する。なお、重複した記載を避けるべく、既に説明した内容については記載を省略する。

まず、図１４および図１５を用いて、加工する孔形状が樽型である実施例について説明する。図１４は、第９実施例に係る工具電極２８０の外観模式図である。工具電極２８０は、第１実施例と同様に基材としてタングステンが用いられている。また、工具電極２８０は、基材表面に螺旋状に形成された導電部２１１、絶縁部２１２を有する。

工具電極２８０は、樽型の孔を形成すべく、下孔５１６の両端の入り口から孔の中ほどへ向かうほど電気抵抗が小さくなるように加工されている。具体的には、工具電極２８０の表面において、螺旋状に形成された導電部２１１の螺旋ピッチは、Ｂ領域のピッチＰ_１よりも、Ａ領域およびＣ領域のピッチＰ_２の方が大きくなっている。更に詳細には、工具電極２８０のＡ領域からＣ領域に向かう方向において、導電部２１１の螺旋ピッチは、Ｂ領域におけるピッチＰ_１を最小ピッチとし、Ａ領域およびＣ領域におけるピッチＰ_２を最大ピッチとするような分布をもつ。このような螺旋構造を採用することにより、工具電極２８０の表面における単位面積あたりの電気抵抗を、Ｂ領域で小さく、Ａ領域およびＣ領域で大きくしている。

図１５は、第９実施例に係る工具電極を用いた場合の孔の形成を説明する図である。図１５（ａ）のように、ヘッド１１０に装着された工具電極２８０を、予め穿孔された下孔５１６へ挿通する。下孔５１６の長さＬとした場合に、工具電極２８０のＢ領域がＬ／２の位置に位置するように配置する。

そして、図１５（ｂ）のように、工具電極２８０を軸周りに回転させながら予め定められた時間通電を行う。工具電極２８０のＢ領域近傍、すなわち下孔５１６の中ほどでは、対向する下孔５１６の内壁との間で比較的大きな電流が流れて電解反応が速くなる。一方、Ａ領域およびＣ領域近傍、すなわち下孔５１６の両端の入り口付近では、工具電極２８０と対向する下孔５１６の内壁との間で比較的小さな電流が流れて電解反応が遅くなる。つまり、単位面積あたりの電流量である電流密度が下孔５１６の中ほどでは大きく、下孔５１６の両端の入り口近傍では小さい。したがって、工具電極２８０の挿通方向に沿って樽型の完成孔５２１が形成される。すなわち、工具電極２８０の挿通方向に直交する断面の断面積が、下孔５１６の中ほどへ向かうほど大きくなるように加工される。

次に、図１６および図１７を用いて、加工する孔形状が鼓型である実施例について説明する。なお、図１４および図１５における説明と重複する記載は省略する。

図１６は、第１０実施例に係る工具電極２９０の外観模式図である。工具電極２９０は、Ａ領域およびＣ領域のピッチＰ_２よりも、Ｂ領域のピッチＰ_１の方が大きくなっている。更に詳細には、工具電極２９０は、Ａ領域からＣ領域に向かう方向における螺旋ピッチの分布が、Ｂ領域におけるピッチＰ_１を最大ピッチとし、Ａ領域およびＣ領域におけるピッチＰ_２を最小ピッチとするような分布をもつ。このような螺旋構造を採用することにより、工具電極２９０の表面における単位面積あたりの電気抵抗を、Ａ領域およびＣ領域で小さく、Ｂ領域で大きくしている。

図１７は、第１０実施例に係る工具電極を用いた場合の孔形状を説明する図である。図１７（ａ）のように、ヘッド１１０に装着された工具電極２９０を、予め穿孔された下孔５１６へ挿通する。下孔５１６の長さＬとした場合に、工具電極２９０のＢ領域がＬ／２の位置に位置するように配置する。

そして、図１７（ｂ）のように、工具電極２９０を軸周りに回転させながら予め定められた時間通電を行う。工具電極２９０のＢ領域近傍、すなわち下孔５１６の中ほどでは、対向する下孔５１６の内壁との間で比較的小さな電流が流れて電解反応が遅くなる。一方、Ａ領域およびＣ領域近傍、すなわち下孔５１６の両端の入り口付近では、工具電極２９０と対向する下孔５１６の内壁との間で比較的大きな電流が流れて電解反応が速くなる。つまり、単位面積あたりの電流量である電流密度が下孔５１６の中ほどでは小さく、下孔５１６の両端の入り口近傍では大きい。したがって、工具電極２９０の挿通方向に沿って鼓型の完成孔５２２が形成される。すなわち、工具電極２９０の挿通方向に直交する断面の断面積が、下孔５１６の両端の入り口から中ほどへ向かうほど小さくなるように加工される。

図１４から図１７における第９実施例および第１０実施例では、図４で説明した第１実施例と同様の手法を用いて製造した工具電極について説明したが、製造方法はこれに限定されない。すなわち、図５から図７で説明した実施例２から実施例４と同様の手法にて製造してもよい。

図１４から図１７において、工具電極の表面を加工して、樽型および鼓型の孔形状を形成する例を紹介した。しかし、図１２に示した第７実施例で説明したように、工作物側を加工することによっても、これらの孔形状を形成することができる。図１８および図１９を用いて、孔形状が樽型および鼓型の形状である実施例について説明する。

図１８は、第１１実施例に係るワーク断面を説明する模式図である。本実施例では、図１２の第７実施例で説明したように、工作物側を加工することにより、当該電流密度を工具電極の挿通方向に沿って変化させて逆テーパ以外の形状の孔を加工することについて説明する。特に、本実施例においては、孔形状が樽型である場合について説明する。

本実施例では、穿孔された直後の下孔５１６にヘッド１１０に装着された円柱状の加熱工具８１２を挿通して、下孔５１６の内壁表面に絶縁性膜５１８を形成させる。図１８に示すように、加熱工具８１２は、その長さ方向において狭い加熱領域８１４を有する。

本実施例においては、加熱工具８１２を挿通する速度を制御することによって、下孔５１６の挿通方向において絶縁性膜５１８の厚みを連続的に変化させる。例えば、加熱工具８１２を、Ａ領域ではゆっくり、Ｂ領域では速く、そしてＣ領域ではゆっくりと挿通する。そして、あらかじめ定められた時間の経過後に引き抜く。

更に詳細には、Ａ領域からＢ領域に向かって徐々に加熱工具８１２の挿通速度を速めていく。続いて、Ｂ領域からＣ領域に向かって徐々に加熱工具８１２の挿通速度を緩めていく。すると、Ａ領域およびＣ領域よりもＢ領域において、加熱工具８１２と対向している時間が短くなるので、図１８に示すように、Ｂ領域に近づくほど薄い絶縁性膜５１８が下孔５１６の内壁に形成される。このように下処理された下孔５１６に対して、表面が一様に導電性を有する工具電極を用いて電解加工を施すと、点線に示すような樽型の孔形状である完成孔５２４を形成することができる。

このように、加熱工具８１２の挿通速度を調整することによっても、複雑な形状の孔を加工することができる。例えば、鼓型の孔を加工したい場合には、加熱工具８１２を、Ａ領域では速く、Ｂ領域ではゆっくり、そしてＣ領域では速く挿通する。更に詳細には、Ａ領域からＢ領域に向かって徐々に挿通速度を緩めていく。続いて、Ｂ領域からＣ領域に向かって徐々に挿通速度を速めていく。すると、Ａ領域およびＣ領域よりもＢ領域において、加熱工具８１２と対向している時間が長くなるので、Ｂ領域に近づくほど厚い絶縁性膜５１８が下孔５１６の内壁に形成される。このように下処理された下孔５１６に対して、表面が一様に導電性を有する工具電極を用いて電解加工を施すと、鼓型の孔形状を形成することができる。

なお、本実施形態においては、下孔５１６に対して、加熱工具８１２を挿通させる時に挿通速度を調整することによって、下孔５１６の内壁に形成される絶縁性膜５１８の厚みを挿通方向において連続的に変化させた。しかし、下孔５１６への挿通時には、素早く加熱工具８１２を挿通させて、引き抜き時に加熱工具８１２の引き抜き速度を調整することによって、下孔５１６の内壁に形成される絶縁性膜５１８の厚みを挿通方向において連続的に変化させてもよい。

これまで説明してきた実施例では、工具電極の基材として導電性のあるタングステンを使用し、基材表面における絶縁部２１２と導電部２１１との面積比を変化させることによって、単位面積当たりの電気抵抗を調節した。しかしながら、工具電極の基材として絶縁性の部材を使用して、当該基材表面に線状の導電性部材を配置することにより構成してもよい。このように構成する工具電極の製造方法について、図１９を用いて説明する。

図１９は、第１３実施例に係る工具電極３００の作成方法を説明する模式図である。本実施例では、工具電極３００の基材として絶縁性のある部材を使用する。本実施例においては、絶縁性基材３２０には、例えば、絶縁性の合成樹脂を使用することができる。また、本実施例においては、導電性部材３２２には、例えば、黄銅線を使用することができる。

図１９（ａ）に示すように、工具電極３００の絶縁性基材３２０の表面には、導電性部材３２２が嵌合する螺旋状の嵌合溝３２４が形成されている。そして、絶縁性基材３２０の先端部には、導電性部材３２２の一方の端部を係合して固定する孔部３２６が形成されている。螺旋ピッチＰは、所望の孔形状を形成するために、基材表面において予め定められた電流密度分布となるように設定されている。

本実施例に係る工具電極３００の絶縁性基材３２０の作成方法としては、絶縁性の合成樹脂の円筒形の棒材に対して、切削加工機により、表面に嵌合溝３２４を切削形成する方法が考えられる。例えば、切削加工機のバイトを絶縁性基材３２０に押し当てて、絶縁性基材３２０を軸周りに一定の速度で回転させつつ、軸方向に送り出すことによって一定の幅をもつ螺旋状の嵌合溝３２４を絶縁性基材３２０の表面に形成することができる。また、絶縁性基材３２０の送り出し速度を制御することにより、嵌合溝３２４の螺旋ピッチＰを変化させることもできる。

なお、絶縁性基材３２０の作成方法としては、上記に限定されない。例えば、別の基材の作成方法として、３次元物体を造形する３Dプリンターを使用して作成する方法もある。

次に、図１９（ｂ）に示すように、絶縁性基材３２０の端部に設けられた孔部３２６に、導電性部材３２２の一方の端部を係合させる。そして、絶縁性基材３２０の表面に形成された嵌合溝３２４に導電性部材３２２を嵌合させ固定する。固定方法としては、例えば、接着剤による固定する方法、嵌合時に溝部に熱を加えて基材を一部溶かし、導電性部材３２２を埋め込んで固定する方法などが挙げられる。しかしながら、使用に際して、導電性部材３２２が嵌合溝３２４より剥離しない限りにおいて、これらの方法に限定されない。工具電極３００の使用に際しては、導電性部材３２２の他方の端部を、例えば、図２で示した電源ユニット１７０と電気的に接続する。

本実施例において、導電性部材３２２の端部を係合する孔部３２６は、絶縁性基材３２０の先端側における嵌合溝３２４の端に形成されている。しかしながら、孔部３２６は、絶縁性基材３２０の円筒面上ではなく、底面部３２８に設けてもよい。孔部３２６を絶縁性基材３２０の底面部３２８に設けることによって、工具電極３００の端部における単位面積当たりの電気抵抗の滑らかな変化を実現しやすい。

次に、図２０から図２２を用いて、第１３実施例に係る工具電極３００を用いた場合のシミュレーション結果を示す。特に、工具電極３００を用いて樽型の孔形状を加工する場合を示す。工作物として直径５．３ｍｍのストレート孔を設けた５ｍｍ厚の鉄板を用い、電解液としてＮａＮＯ_３の１０重量％溶液を用い、直径５ｍｍの合成樹脂基材に直径０．５ｍｍのワイヤを巻きつけた工具電極を２０ｒｐｍで回転しつつ工作物との間に５Ｖの電位差を与える条件により加工した。

図２０は、孔の目標形状の断面プロファイルを説明する図である。横軸は、孔の挿通方向に対する垂直断面における径の大きさを表し（単位はｍｍ）、縦軸は、下孔の奥行を表す（単位はｍｍで、０が工具電極３００の先端側に対応する）。実際の孔の形状は、図２１に示したプロファイルを縦軸周りに３６０°回転させた樽型の形状となる。

図２１は、第１３実施例に係る工具電極における導電部の螺旋ピッチの設定を説明する図である。横軸は、導電部の螺旋ピッチを表し（単位はｍｍ）、縦軸は、工具電極３００の軸方向の位置を表す（単位はｍｍで、０が工具電極３００の先端側に対応する）。図２１に示した断面プロファイルと対応するように、孔の挿通方向における中心部において螺旋ピッチが最大となるように設定されていることがわかる。すなわち、孔の中心部に位置する工具電極３００の表面において、電流密度が最大となるように設定されている。

図２２は、第１３実施例に係る工具電極を用いた場合のシミュレーションデータである。横軸は、拡張した孔の径の大きさを（単位はｍｍ）、縦軸は、下孔の奥行を表す（単位はｍｍで、０が工具電極３００の先端側に対応する）。また、実線が加工前の形状を表し、細かい点線が１５秒間加工を継続した場合の形状を表し、粗い点線が３０秒間加工を継続した場合の形状を表す。また、太い実線が目標形状を表す。時間の経過とともに加工が進み、目標形状である樽型の孔が形成される様子がわかる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。また、各実施例を組み合わせた実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ得る。

請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、および方法における動作、手順、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。

１００ 電解加工装置、１１０ ヘッド、１２０ 基台、１３０ 支柱、１４０ ステージ、１５０ 電解液槽、１６０ 固定具、１６１ チャック、１７０ 電源ユニット、１７１ 電力線、１７２ グランド線、１８０ 駆動ユニット、１９０ 制御ユニット、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０、２９０、３００ 工具電極、２１１ 導電部、２１２ 絶縁部、２４１ 軸部、２４２ 絶縁性膜、２４３ 変化領域、２４４ 一定領域、２６１ テーパ加工部、２６２ 下孔加工部、２６３ 接続部、２７１ ベース部、２７２ 電極部、３１０ 電解液、３２０ 絶縁性基材、３２２ 導電性部材、３２４ 嵌合溝、３２６ 孔部、３２８ 底面部、５００ ノズル本体、５１０ 先端部、５１１ 噴孔、５１２ 噴孔出口、５１３ 噴孔入口、５１６ 下孔、５１７、５２１、５２２，５２４ 完成孔、５１８ 絶縁性膜、５２０ シリンダー部、６００、７００ ワーク、６１２ 第１口、６１３ 第２口、６１６ 下孔、６１７ 完成孔、６２１ 角部、６２２ 辺部、７１７ 下孔、８１０、８１２ 加熱工具、８１４ 加熱領域

Claims (25)

1. 工作物に設けられた孔に挿通する工具電極と、
   前記孔の内壁と前記工具電極の表面との間に流す電流を制御する制御部と
   を備え、
   前記表面における単位面積あたりの電気抵抗が前記挿通方向に沿って連続的に変化するように表面加工が施された前記工具電極により、前記孔の内壁面に流れる前記電流の電流密度を前記工具電極の挿通方向に沿って変化させる電解加工装置。
2. 前記工具電極は、前記表面に形成された絶縁部と導電部の割合により、前記電気抵抗が前記挿通方向に沿って連続的に変化する請求項１に記載の電解加工装置。
3. 前記工具電極は、前記表面に螺旋状に設けられた前記導電部の前記挿通方向におけるピッチおよび線幅の少なくともいずれかが変化することにより、前記電気抵抗が前記挿通方向に沿って変化する請求項２に記載の電解加工装置。
4. 前記工具電極は、前記表面を覆って設けられた絶縁性膜の厚さが前記挿通方向に沿って連続的に変化することにより、前記電気抵抗が前記挿通方向に沿って変化する請求項１に記載の電解加工装置。
5. 前記工具電極は、前記電気抵抗が前記挿通方向に直交する周方向に沿っても変化するように形成される請求項１から４のいずれか１項に記載の電解加工装置。
6. 前記工具電極は、前記電気抵抗が前記挿通方向に沿って変化する第１軸部よりも先端側に前記孔を形成する第２軸部を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の電解加工装置。
7. 前記第２軸部を用いて電解加工とは異なる加工により前記孔を形成する請求項６に記載の電解加工装置。
8. 前記工具電極は、円柱形状であって前記挿通方向の軸周りに回転される請求項１から７のいずれか１項に記載の電解加工装置。
9. 前記工具電極は、前記挿通方向に直交する断面が円以外の形状である請求項１から７のいずれか１項に記載の電解加工装置。
10. 前記工具電極は、前記挿通方向における先端側ほど前記電気抵抗が小さい請求項１から９のいずれか１項に記載の電解加工装置。
11. 単位面積あたりの電気抵抗が前記挿通方向に沿って変化するように前記孔の内壁に絶縁部および絶縁性膜の少なくともいずれかを形成する形成部を備える請求項１から１０のいずれか１項に記載の電解加工装置。
12. 前記工作物に設けられた複数の前記孔に同時に挿通する複数の前記工具電極を備える請求項１から１１のいずれか１項に記載の電解加工装置。
13. 工作物に設けられた孔に挿通する工具電極と、
    前記孔の内壁と前記工具電極の表面との間に流す電流を制御する制御部と、
    単位面積あたりの電気抵抗が前記挿通方向に沿って変化するように前記孔の内壁に絶縁部および絶縁性膜の少なくともいずれかを形成する形成部と
    を備える電解加工装置。
14. 前記工具電極は、前記表面における単位面積あたりの電気抵抗が前記挿通方向に沿って連続的に変化するように表面加工が施されている請求項１３に記載の電解加工装置。
15. 工作物に孔を形成する孔形成工程と、
    前記孔に工具電極を挿通する挿通工程と、
    前記孔の内壁と前記工具電極の表面との間に流れる電流の電流密度が前記工具電極の挿通方向に沿って変化するように通電する通電工程と
    を有し、
    前記通電工程は、前記表面における単位面積あたりの電気抵抗が前記挿通方向に沿って連続的に変化するように表面加工が施された前記工具電極を用いて行う電解加工方法。
16. 単位面積あたりの電気抵抗が前記挿通方向に沿って変化するように前記孔の内壁に絶縁部および絶縁性膜の少なくともいずれかを形成する形成工程を有する請求項１５に記載の電解加工方法。
17. 工作物に孔を形成する孔形成工程と、
    単位面積あたりの電気抵抗が工具電極の挿通方向に沿って変化するように前記孔の内壁に絶縁部および絶縁性膜の少なくともいずれかを形成する形成工程と、
    前記孔に前記工具電極を挿通する挿通工程と、
    前記孔の内壁と前記工具電極の表面との間に流れる電流の電流密度が前記工具電極の挿通方向に沿って変化するように通電する通電工程と
    を有する電解加工方法。
18. 表面における単位面積あたりの電気抵抗が挿通方向に沿って連続的に変化するように表面加工が施された、電解加工装置に装着される工具電極。
19. 前記表面に形成された絶縁部と導電部の割合により、前記電気抵抗が前記挿通方向に沿って連続的に変化する請求項１８に記載の工具電極。
20. 前記表面に螺旋状に設けられた前記導電部の前記挿通方向におけるピッチおよび線幅の少なくともいずれかが変化することにより、前記電気抵抗が前記挿通方向に沿って変化する請求項１９に記載の工具電極。
21. 前記表面を覆って設けられた絶縁性膜の厚さが前記挿通方向に沿って連続的に変化することにより、前記電気抵抗が前記挿通方向に沿って変化する請求項１８に記載の工具電極。
22. 前記電気抵抗が前記挿通方向に直交する周方向に沿っても変化するように形成される請求項１８から２１のいずれか１項に記載の工具電極。
23. 前記電気抵抗が前記挿通方向に沿って変化する第１軸部よりも前記挿通方向における先端側に、工作物に孔を形成するための第２軸部を有する請求項１８から２２のいずれか１項に記載の工具電極。
24. 前記挿通方向に直交する断面が円以外の形状である請求項１８から２３のいずれか１項に記載の工具電極。
25. 前記挿通方向における先端側ほど前記電気抵抗が小さい請求項１８から２４のいずれか１項に記載の工具電極。

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