JP6541287B1 - 放電加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】電流パルスのパルス幅が１μｓｅｃ未満の超微細加工の領域において、放電１発毎の電流パルスのパルス幅を正確に一定にして連続的に供給できる放電加工機を得る。
【解決手段】超微細加工回路２３において直流電源５の正極と加工間隙との間に直列に配置された第１のスイッチング素子３２と、超微細加工回路２３において直流電源５の負極と加工間隙との間に直列に、かつ第１のスイッチング素子３２と直列に配置された第２のスイッチング素子３３と、超微細加工回路２３において第１のスイッチング素子３２と加工間隙との間に直列に配置された検出抵抗３５と、予め設定されている休止時間の後にスイッチング素子３２、３３の両方または一方をオンにし、放電発生検出装置２４が加工間隙における放電発生を検出してから所定時間後にスイッチング素子３２、３３の両方または一方をオフにする制御装置２２とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は放電加工機に関し、特に詳細には、極短時間のパルス幅の電流パルスの波形を揃えて加工間隙に同じ放電エネルギの電流を繰返し供給する加工電源装置を備えた放電加工機に関するものである。

放電加工機は、例えば特許文献１や２に示されるように、所望の加工形状に形成された工具電極と被加工物とを所定の加工間隔を隔てて対向配置し、加工間隙に電圧を印加して放電を発生させ、その際の放電エネルギによって被加工物の材料を除去し、その繰り返しによって工具電極の形状を被加工物に転写して、被加工物を所望の形状に加工するように構成されている。

放電加工では、放電現象の中の特に火花放電と、その後の過渡アーク領域の放電とを利用して加工を行うので、放電加工に適する電流を供給できる時間の長さには限界がある。その限界の時間を超えて電流を供給し続けると、アーク放電状態に移行してしまい、電流が流れることによって生じる熱で工具電極または被加工物が溶解して、加工が失敗する。

そこで、放電を発生させる放電加工回路は、加工間隙に所定の電圧を印加して、加工に寄与する火花放電を発生させ、放電の発生から所定時間後に一旦電流の供給を休止し、所定の休止時間を設けて加工間隙を消イオン化して絶縁度を回復させてから、再び加工間隙に所定の電圧を印加して火花放電が発生するようにしている。

放電加工は、放電エネルギによって被加工物の材料を除去する加工方法であるので、理論上、１発の放電で除去できる材料の量は、放電１発毎の放電エネルギの大きさに概ね比例する。そして、放電のエネルギの大きさは、放電が発生したときに加工間隙に流れる電流の大きさ、言い換えれば、電流密度の大きさに依存する。

放電加工においては、放電によって材料が除去されると被加工物に、クレータ（放電痕）と称される穴が形成される。このクレータがより大きいほど、材料の除去量が多くなるが、加工面粗さはより粗くなる。そのため、通常、可能な限り大きい放電エネルギで大まかに材料を除去するように加工を行う荒加工工程と、それに続く仕上げ加工工程、つまり要求されている精細な加工面粗さになるまで段階的に放電エネルギを小さくして加工する工程を少なくとも１回行って、所望の精細な加工面が効率よく得られるようにしている。

クレータの大きさは、ばらつきが小さいほど、加工面がよりきめ細かくなる。したがって、良質の加工面を得る上では、多数のクレータの大きさが平均で表わされる面粗さの測定値が小さいことは勿論のこと、クレータの大きさのばらつきが小さいことも重要である。クレータの大きさは、放電のエネルギの大きさが一定であるならば、換言すると、繰り返される電流パルスの波形が一定ならば殆ど同じ、つまり、ばらつきが殆ど生じない。そこで、良質の加工面を得るために、放電１発毎の電流パルスの波形を一定に揃えることが望まれる。

放電１発毎の電流パルスの波形が一定になるように電流供給を制御するには、加工間隙に電圧を印加してから所定時間後にスイッチング素子をオフするようにすればよいはずである。しかしながら、実際には、加工間隙に電圧を印加してから無負荷時間あるいは放電待機時間と称される予測できない不特定の時間後に加工間隙に放電が発生して電流が流れ始めるので、予め決まっている所定時間後にスイッチング素子をオフするようにしても、放電１発毎の電流パルスのパルス幅（時間幅）は同じにならず、連続する電流パルスの波形を同じ波形に揃えることができない。

そこで、加工間隙に放電が発生したことを検出し、放電の発生から所定時間後にスイッチング素子をオフするように制御することによって、放電１発毎の電流パルスのパルス幅を一定に揃える技術が実施されている。以下、放電の発生を検出してから所定時間後にスイッチング素子をオフする方法をオンクランプ方式と総称する。前述した特許文献１にはその一例が開示されている。より詳しく説明すると、電流パルスの波形における立上がりおよび立下がり特性とピーク電流値は、概ね回路要素によって一様に定まることから、上記所定時間を適切に設定することによって放電１発毎の電流パルスのパルス幅を一定に揃えることができるならば、同じ波形の電流パルスを連続して供給することが可能になる。

しかし、この技術においては原理的に、放電の発生を検出してからスイッチング素子をオフするまでに経過する制御時間よりも短い繰り返し周期で電流パルスをオン、オフさせることは不可能である。換言すれば、放電発生を検出してからスイッチング素子をオフするまでに要する遅延時間（タイムラグ）よりも短いパルス幅の電流パルスを供給することは不可能である。とりわけ、放電加工回路中に存在する静電容量および抵抗成分によって電圧パルスの立上がりおよび立下がりの波形が緩やかになることから、上記の遅延時間はより大きくなる。そのため、現在の形彫放電加工機における仕上加工回路の構成で供給できる電流パルスのパルス幅の下限は、概ね１μｓｅｃ（秒）となっている。したがって、ナノ秒オーダの極めて短いパルス幅の電流パルスを供給して、特に微細なクレータを形成する、いわゆる“超微細加工”では、オンクランプ方式を適用できない。

そこで、超微細加工においては、いわゆるマルチ発振方式で電流パルスを供給するようにしている。マルチ発振方式は、放電の発生とは無関係に、予め電気的加工条件として設定されているオン時間とオフ時間に基づいて１ＭＨｚ以上の高周波のスイッチング周波数でスイッチング素子をオン、オフさせて電流パルスを供給する方式である。このマルチ発振方式によれば、電流パルスのパルス幅をナノ秒オーダにすることも可能であるので、加工面粗さをより小さくすることができる。しかし、マルチ発振方式では、不特定の無負荷時間によって電流パルスのパルス幅が一定にならないので、クレータの大きさにばらつきが生じて、加工面の質があまり良くならない。また、マルチ発振方式では、放電すべき期間に放電が発生しなかったり、加工に殆ど寄与しない放電が発生したりすることが多く、その結果、オンクランプ方式よりも却って加工効率が低く、加工速度が低下する傾向が認められる。

また、例えば、特許文献２に示されるように、直流電源と工具電極との間を第１の非導通素子により非導通としてから、所定時間遅延して第２の非導通素子により非導通とすることによって、極間に差分電圧を印加する技術も知られている。このような高速のスイッチング素子を使用して電流パルスを供給する技術によれば、パルス幅がナノ秒オーダの電流パルスを形成可能であると言われている。

特公昭４４−１３１９５号公報 特開２００３−１２７０２８号公報

しかし、ナノ秒オーダのパルス幅の電流パルスを連続して供給することができるいくつかの技術は、何れも放電の発生を検出してスイッチング素子のオフを制御することができないので、依然として放電１発毎の電流パルスのパルス幅を正確に一定にして連続的に供給することができない。したがって、放電加工における超微細加工の領域において、加工面の質を改善できる余地がある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、電流パルスのパルス幅が１μｓｅｃ未満の超微細加工の領域において、放電１発毎の電流パルスのパルス幅を正確に一定にして連続的に供給し、加工面の質を改善することができる放電加工機を提供することを目的とする。

本発明による放電加工機は、基本的には前述したオンクランプ方式を適用し、電流パルスのパルス幅を小さくする上での阻害要因を除くことにより、１μｓｅｃ未満の極めて短いパルス幅の電流パルスを供給可能にしたものである。すなわち本発明による放電加工機は、
工具電極と被加工物とで形成される加工間隙に直列に接続される直流電源を含む主放電加工回路と、
前記直流電源からの電流を１μｓｅｃ未満のパルス幅の電流パルスとして前記加工間隙に印加する超微細加工回路と、
前記超微細加工回路において、前記直流電源の正極と加工間隙との間に直列に配置された第１のスイッチング素子と、
前記超微細加工回路において、前記直流電源の負極と加工間隙との間に直列に、かつ前記第１のスイッチング素子と直列に配置された第２のスイッチング素子と、
前記加工間隙において放電が発生したことを検出する放電発生検出装置と、
前記超微細加工回路において、前記第１のスイッチング素子と前記加工間隙との間に直列に配置され、前記加工間隙における放電発生直後の不規則な電圧の降下の仕方を抑制する上で必要十分に小さい抵抗値とされた検出抵抗と、
前記放電発生検出装置に可能な限り近接して設けられ、予め設定されている休止時間の後に前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の両方または一方をオンにし、前記放電発生検出装置が前記放電の発生を検出してから所定時間後に前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の両方または一方をオフにする制御装置と、
を有することを特徴とするものである。

上記構成を有する本発明の放電加工機においては、主放電加工回路を、前記超微細加工回路および加工間隙から完全に切り離すリレースイッチ等がさらに設けられることが望ましい。

なお、一般に、放電加工機においては、被加工物を加工液に浸されるように加工槽に収容して工具電極と被加工物とを相対移動させて加工をする構造上、放電加工回路と加工制御装置とを含む加工電源装置と、駆動制御装置と、操作盤を含む数値制御装置は、放電加工装置の加工機本機（機械側）から離れた位置に設置される数値制御電源装置（電源側）に設けられている。ただし、放電発生検出装置は、主放電加工回路から離れて、破損を免れる範囲で機械側の可能な限り加工間隙に近い位置に設置されることが望ましい。

以下に、本発明による効果について、図４を参照して説明する。図４の（ａ）は、理想的な電圧パルス波形を示しており、時刻ｔ１１において瞬時に所定の電圧まで立ち上がり、時刻ｔ１２において加工間隙に放電が発生すると瞬時に電圧が放電電圧まで下降する。そこで、理論的には、図中にＴｈとして示す検出閾値を設定して加工間隙における電圧が検出閾値Ｔｈで示される所定の電圧まで降下したときに加工間隙に放電が発生したものと判定することによって放電の発生を検出し、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの間の所定時間、例えば上述したようなスイッチング素子等をオンさせることにより、一定のパルス幅（時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの所定期間の時間長さに等しい）の電流パルスを加工間隙に供給可能となる。

しかし実際には、放電加工回路中の静電容量や抵抗成分の影響で、図４の（ｂ）に示すような検出遅れｄｓが生じるので、放電の発生を検出してからスイッチング素子をオフさせるまでに要する制御時間を考慮すると、電流パルスのパルス幅が１μｓｅｃにも満たない極短時間である場合には、電流パルスを一定のパルス幅に制御することが困難になる。ここで、放電加工回路中の静電容量や抵抗成分を極力小さくすることにより、図４の（ｃ）に示すように、加工間隙の電圧の波形の立上がりと立下がりをより急峻にすることができる。その結果、電圧が検出閾値Ｔｈまで降下して放電が発生したことをより早期に検出することができるので、検出遅れｄｓを改善することができる。

ところが、放電加工回路中の静電容量や抵抗成分を極力小さくした場合は、加工回路中の抵抗成分の殆どが加工間隙における抵抗成分になるため、放電発生直後の電圧降下時の電圧の変化の仕方が、常に変動する加工間隙の状態の影響をより強く受けることによって不安定になる。そのため、図４（ｃ）に示されるように、加工間隙における放電発生直後の電圧の変化が検出電圧に直接反映されてしまって、放電の発生を検出する時刻が、例えば、ｔｓ１，ｔｓ２，ｔｓ３とばらつくことによって、加工間隙における放電発生を適確に検出することができず、結局は、電流パルスを一定のパルス幅に制御することが困難になる。もっとも、現在までのところ、実用上、超微細加工の領域において、オンクランプ方式を行うことができなかったことから、放電の発生を検出するタイミングが不安定であることによって放電の発生を安定して検出することができなくなることも殆ど知られていないと言える。

本発明の放電加工機は、適確な放電の発生の検出を妨げる阻害要因までを突き止めた末に得られたもので、電圧の立上がりと立下がりを急峻にしパルス幅が１μｓｅｃ未満の電流パルスを供給できる超微細加工回路に、加工間隙における放電発生直後の電圧の不安定な降下の仕方を阻止する上で必要十分に小さい抵抗値の検出抵抗を設けている。このような検出抵抗を設けたことにより、加工間隙における電圧の波形は図４の（ｄ）に示すように、立上がるまでの時間が図４の（ｃ）の電圧の波形に比べると僅かに遅れるものの、電圧パルス毎の放電発生直後における不規則な電圧の降下の仕方が抑えられる。それにより本発明の放電加工機は、ナノ秒オーダ、例えば１００ｎｓｅｃ程度の極めて短いパルス幅の電流パルスであって、パルス幅が一定で波形が揃えられた電流パルスを加工間隙に供給することができる。

また、図１に示される実施の形態の放電加工機は、放電発生検出装置が高インピーダンスの分圧回路を含むように構成されているので、検出電圧が小さい場合でも検出遅れが殆どない適確な検出電圧を取得することができ、放電の発生をより確かに検出することができる。

以上のとおり、本発明によると、パルス幅が１μｓｅｃ未満の極めて小さい電流パルスによる超微細加工領域において、均一の大きさのクレータが形成され、小さい加工面粗さで均質な面質の優れた加工面を得ることができる。とりわけ、放電１発毎に立上がりと立下がりの急峻な電圧パルスを供給することができるので、形成される均一な大きさのクレータは、面積が比較的大きく深さが浅い縁の滑らかなクレータであって、うねりが緩やかな滑らかな加工面を得ることができ、例えば、金型において、離型性が向上する。また、マルチ発振方式に比べて加工効率が向上するという効果を奏する。

本発明の一実施形態による放電加工機を示すブロック図 上記放電加工機の外観を示す正面図 上記放電加工機の効果を説明する加工間隙の電圧と電流および制御信号の波形の概略図 従来の放電加工機と本発明の放電加工機における作用を説明する加工間隙の電圧の波形の概略図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態による放電加工機の放電加工回路を含む加工電源装置を示す回路ブロック図であり、図２はこの放電加工機の外観を示す正面図である。まず図２を参照して、放電加工機の全体構成について説明する。この放電加工機は一例として形彫放電加工機であって、基本的に、加工機本機１０と、数値制御電源装置２０とから構成されている。

加工機本機１０は、例えばリニアモータのようなサーボモータによって、ヘッド１１を加工深さ方向（Ｚ軸方向）、ラム１２を前後方向（Ｙ軸方向）、テーブル１３を横方向（Ｘ軸方向）にそれぞれ往復移動させて、工具電極ＥＬと被加工物ＷＰとを少なくとも鉛直１軸方向と水平２軸方向の同時３軸方向に相対移動可能に構成されている。そのような相対移動を実現するより具体的な機構としては、公知の種々の機構が適用可能である。

工具電極ＥＬは、ヘッド１１の下端に設けられた取付板に固定され、被加工物ＷＰは加工槽１４に囲まれたテーブル１３の上に設置された定盤に取り付けられている。数値制御電源装置２０は、加工機本機１０から例えば数ｍ程度離して設置されており、同軸ケーブルＣＢを通して電力と制御信号を加工機本機１０に供給する。

次に、本実施形態による放電加工機の加工電源装置の構成について説明する。図１に示される加工電源装置における放電加工回路は、少なくとも、主放電加工回路２１と、超微細加工回路２３とを有している。主放電加工回路２１は、可変の直流電源５を共有する荒加工回路から仕上加工回路までを含んでなるが、詳しい説明は省略する。また、放電加工回路は、工具電極１と被加工物２とで形成される加工間隙を含む。なお、工具電極１は図２に示した工具電極ＥＬに相当し、被加工物２は同じく図２に示した被加工物ＷＰに相当する。図１に示される放電加工回路は加工間隙における静電容量（コンデンサ成分）３と、線間インダクタンスを含むインダクタンス成分４とを含んでいる。

加工電源装置は、図２に示される数値制御電源装置２０に設けられ、主放電加工回路２１、主加工制御装置２２、および超微細加工回路２３を有する。なお、図１中では分かりやすく可変の直流電源５と別に主放電加工回路２１を示しているが、本発明における主放電加工回路２１は、直流電源５も含むものとする。超微細加工回路２３は、超微細加工回路２３の専用の放電発生検出装置２４および超微細加工回路２３の専用の制御装置である制御器２５を含んでいる。超微細加工回路２３のスイッチング回路を含む主回路と、放電発生検出装置２４と、制御器２５との間は、それぞれ電気的に絶縁されていて、誘導電流の影響を防いでいる。

放電発生検出装置２４と制御器２５を含む超微細加工回路２３は、電路を短くして抵抗値をより小さくするとともに応答性をより高くするために、機械側の加工間隙に可能な限り近い位置に設けられることが望ましい。ただし、１μｓｅｃ未満の一定のパルス幅に制御されている電流パルスを供給することができる範囲で、例えば、制御器２５を電源側に設けられる主加工制御装置２２の中に含むように構成することができる。または、制御装置が十分に損傷から保護できる範囲で、制御器２５を含む主加工制御装置２２を機械側に設けることも可能である。

また、図１に示される放電加工回路は、上記加工間隙と可変の直流電源５とを接続する経路に介設されたリレースイッチ３０を有する。リレースイッチ３０の主放電加工回路２１側の１組のリレースイッチ３０Ａと超微細加工回路２３側の１組のリレースイッチ３０Ｂとは、互いに排他的に、つまり、一方が導通状態にされると他方が非導通状態となるように、例えば主加工制御装置２２によって操作される。

放電発生検出装置２４は、超微細加工回路２３に設けられており、加工間隙に加わる電圧をより高速に正確に検出可能に構成されている。放電発生検出装置２４が出力する、放電の発生を示す検出信号は、極短時間に制御器２５に入力される。制御器２５は、ＦＰＧＡ（プログラマバブルゲートアレイ）でなり、主加工制御装置２２が出力する加工条件の設定データと、超微細加工回路２３の第１のスイッチング素子３２および第２のスイッチング素子３３をオンオフ制御するゲート信号の設定信号を受けて、一対のスイッチング素子３２およびスイッチング素子３３のそれぞれにゲート信号を出力する。スイッチング素子３２およびスイッチング素子３３はそれぞれ、上記ゲート信号を受けるとオン状態つまり、可変の直流電源５からの電圧を加工間隙に印加させる状態に設定される。

なお本実施形態では、前述したようにナノ秒オーダの極めて短いパルス幅の電流パルスを加工間隙に供給する超微細加工と、それよりも長いパルス幅の電流パルスを加工間隙に供給する荒加工から仕上げ加工までとを選択して実行可能とされている。すなわち、超微細加工時は、図１に示されるように、主放電加工回路２１と超微細加工回路２３とを切り替えるためのリレースイッチ３０における主放電加工回路２１側の１組のリレースイッチ３０Ａが非導通状態にされ、超微細加工回路２３側の１組のリレースイッチ３０Ｂが導通状態にされる。それにより、スイッチング素子３２とスイッチング素子３３とでオン、オフが制御される極めて短いパルス幅の電圧パルスが加工間隙に印加される。それに対して荒加工時には、リレースイッチ３０Ａが導通状態にされ、リレースイッチ３０Ｂが非導通状態にされる。それにより、主放電加工回路２１の中にある図示しない互いに並列に接続されている複数のスイッチング素子によってオン、オフが制御される比較的長いパルス幅の電圧パルスが加工間隙に印加される。

ここで、スイッチング素子３２と加工間隙との間に検出抵抗３５が直列に配置されている。

図１に示される実施の形態の加工電源装置の超微細加工回路２３においては、切換スイッチ３４が設けられ、互いに並列に接続される複数の検出抵抗３５を選択的に導通できるようにして、工具電極１の大きさ、あるいは、要求される電流パルスのパルス幅を含む加工条件に合わせて切換スイッチ３４を入切して、オンクランプ方式で電流パルスを供給し得る十分に早い電圧の立上がりを得ると同時に、検出の時刻がばらつく原因になるような放電発生直後の電圧の降下時の不安定で不規則な変化の仕方を阻止するために必要十分に小さい抵抗値になるように検出抵抗３５の抵抗値を調整することができる。

なお、超微細加工回路２３の専用の放電発生検出装置２４および制御器２５を含む超微細加工回路２３は、全体として、可能な限り静電容量および抵抗要素が小さくされている。また、放電発生検出装置２４は、可能な限り加工間隙の近くに設けられ、高インピーダンスの分圧回路２４Ａを含むように構成されている。

以下、上記構成を有する本実施形態の放電加工機の作用について説明する。まず、荒加工工程について説明する。この場合、リレースイッチ３０は、前述した荒加工時の状態に設定される。主加工制御装置２２は、荒加工の加工条件に従うゲート信号を主放電加工回路２１の図示しないスイッチング素子に出力する。

主放電加工回路２１の複数のスイッチング素子は、荒加工の加工条件に基づいてオン、オフを繰り返し、工具電極１と被加工物２との間の加工間隙に電圧パルスが印加される。荒加工工程によって工具電極１の形状が被加工物２に転写され、被加工物２が所望の形状に大まかに加工される。なお、この荒加工工程において、主加工制御装置２２には、図１に示されるように、加工間隙の電圧Ｖｇに基づく検出電圧が入力されているので、選択的にオンクランプ方式で電流パルスを供給するようにすることができる。また、主放電加工回路２１において、加工間隙に供給される電流パルスのパルス幅は、例えば１μｓｅｃ〜１００μｓｅｃ程度である。１回以上の仕上げ加工を行う場合は、仕上げ加工の加工条件に切り換えて、主加工制御装置２２から仕上げ加工の加工条件に従うゲート信号を主放電加工回路２１の図示しないスイッチング素子に出力する。仕上げ加工工程においては、すでに被加工物２に所望の加工形状に近い加工穴が形成されており、１回以上の仕上げ加工工程によって、加工形状を整えるとともに、加工面粗さを小さくするように放電加工する。

次に、主放電加工回路２１によって実施される荒加工工程から１回以上の仕上げ加工工程までを行った後に実施される超微細加工工程について説明する。まず、リレースイッチ３０を作動させて、主放電加工回路２１を放電加工回路から物理的に完全に切り離し、超微細加工回路２３を放電加工回路に接続する。図１に示されるように、主加工制御装置２２は、超微細加工の加工条件を示すパラメータのデータＣＮと基準のゲート信号ＡＧａｔｅおよびＢＧａｔｅとを制御器２５に送る。制御器２５は、上記加工条件に従って設定されたオン時間とオフ時間に従うゲート信号を、スイッチング素子３２とスイッチング素子３３とに同時にまたは時間をずらして出力する。

制御器２５から出力されるゲート信号は第１のスイッチング素子３２と第２のスイッチング素子３３のゲートにそれぞれ入力され、スイッチング素子３２とスイッチング素子３３がオン、オフを繰り返し、それにより、工具電極１と被加工物２との間の加工間隙に電圧パルスが印加される。電圧パルスを印加してから不特定の無負荷時間後に加工間隙に放電が発生し、その際の放電エネルギによって被加工物２の材料が除去される。この放電、および材料除去の繰り返しによって工具電極１の形状が被加工物２に転写され、被加工物２が所望の形状に加工される。超微細加工においては、前述したクレータを特に微細なものとするために、加工間隙に供給される電流パルスのパルス幅は、１μｓｅｃ未満と小さくて、しかも一定であることが望まれる。

実施の形態におけるスイッチング素子３２とスイッチング素子３３は、例えば、電解効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）であり、現在提供されているスイッチング素子３２またはスイッチング素子３３の応答速度自体は、すでに１μｓｅｃ以下のパルス幅の電流パルスの供給を実現できる性能を有している。しかし、従来装置では先に図４を参照して説明した通り、放電の発生を実際に検出し、それに基づいて電流パルスのパルス幅を一定にすることが困難になっていた。そこで本実施形態では、静電容量と抵抗成分を可能な限り取り除くことによって電圧の立上がりと立下がりに要する時間をより短くして極短時間で放電の発生を検出することを可能にした超微細加工回路２３において、パルス幅が１００ｎｓｅｃ以上１μｓｅｃ以下の一定のパルス幅の電流パルスを供給することができなくなるような電圧の立上がりと立下がりに要する時間が致命的に長くならない範囲で加工間隙における放電発生直後の電圧降下時の電圧の不安定で不規則な変化の仕方を阻止することができる必要十分に小さい抵抗値とされた検出抵抗３５を設けている。

検出抵抗３５を設けたことにより、加工間隙における電圧の波形は概略図４の（ｄ）に示したようなものとなる。つまり、検出電圧は、放電発生直後の十分に早い時刻に放電発生回路２４に入力されるとともに、電圧の降下の仕方が不安定で不規則になることが抑制できて、常に放電の発生から殆ど同じ時刻に放電の発生を検出することができ、放電の発生をより高速に適確に検出可能となる。それにより本実施形態の放電加工機は、ナノ秒オーダ、例えば１００ｎｓｅｃ程度の極めて短い一定のパルス幅の電流パルスを加工間隙に供給して、超微細加工の加工領域において、オンクランプ方式の電流パルスの供給が適用可能となる。そのため、ＪＩＳで規定される表面粗さＲｚを極めて小さくするだけでなく、クレータが均一できめ細かい面質の高い加工面を得ることができるとともに、表面粗さＲｓｍも著しく改善されてクレータが浅くて広い滑らかな加工面を得ることができるので、加工物の離形性も向上させることができる。

ここで、加工間隙における放電発生を正確に検出してから、一定のパルス幅の電流パルスを加工間隙に供給する点について、図３を参照して説明する。この図３の（ａ）〜（ｅ）は、時間ｔに沿った検出電圧等の変化の様子を概略的に示している。図３の（ａ）は、超微細加工回路２３における標準的な加工間隙の電圧Ｖｇの波形を示している。図示の通り、制御器２５がゲート信号ＡＧａｔｅおよびＢＧａｔｅに従って第１のスイッチング素子３２と第２のスイッチング素子３３を同時にオンするのと略同じ時間ｔ１に加工間隙の電圧Ｖｇが急峻に立ち上がり、不特定の無負荷時間後の時間ｔ２で放電が発生すると電圧Ｖｇが降下し始める。このとき、上述のような検出抵抗３５が設けられていることによって、電圧Ｖｇの降下の仕方が放電１発毎にばらつかないようにされている。

放電発生検出装置２４は、高インピーダンスの分圧回路２４Ａにおいて、入力する検出電圧が極めて小さくても、より安定して正しい検出電圧を高速に得ることができる。分圧回路２４Ａから出力される電圧信号は、オペアンプ２４Ｂとレベル変換回路２４Ｃを経てコンパレータ２４Ｄにおいて検出閾値Ｔｈと比較される。コンパレータ２４Ｄは、図３の（ｃ）に示されるように、加工間隙の電圧Ｖｇに基づく電圧信号が検出閾値Ｔｈを上回ったときに放電の発生を示す信号（以下、オンクランプ信号という）ＯＣを制御器２５に出力して放電の発生の検出を開始する。そして、電圧信号が検出閾値Ｔｈを下回ったときに、オンクランプ信号ＯＣの出力を停止する。本実施の形態の放電発生検出装置２４においては、オペアンプ２４Ｂ、レベル変換回路２４Ｃ、コンパレータ２４Ｄは、それぞれ高速に動作するＩＣ（集積回路）で構成されており、数十ｎｓｅｃの極短時間で検出信号を転送する。

放電が発生すると、工具電極１と被加工物２とで形成される加工間隙における電流Ｉは、オンクランプ信号ＯＣに対応してスイッチング素子がオフするまでの時間ｔ２からｔ３までの期間中に図３の（ｂ）のような波形で流れる。より詳しくは、超微細加工回路２３は、以下のように動作する。放電発生検出装置２４は、放電発生直後にオンクランプ信号ＯＣの出力を停止する。放電発生検出装置２４がオンクランプ信号ＯＣを停止したら、制御器２５は、直ちにゲート信号ＡＧａｔｅ，ＢＧａｔｅの出力を停止して第１のスイッチング素子３２と第２のスイッチング素子３３を同時にオフする。このとき、図３の（ｃ）および（ｄ）に示されるように、放電の発生を検出してから一対のスイッチング素子３２，３３をオフするまでには、図３の（ｂ）に示されるように、少なくとも５０ｎｓｅｃほどの僅かな期間ｔｄを要し、この僅かな期間ｔｄ中に加工間隙に電流Ｉが流れてピーク電流値に到達する。一対のスイッチング素子３２，３３をオフすると、電流Ｉは急峻に立ち下がる。以上により、例えば、加工間隙の電圧Ｖｇから放電の発生を検出してから一対のスイッチング素子３２，３３をオフするまでの時間を調整することによって１００ｎｓｅｃから１μｓｅｃ程度のまでの極めて短い一定のパルス幅の電流パルスが加工間隙に供給されるようになる。

なお、直流電源５と加工間隙との間にスイッチング素子が１個だけしかないと、スイッチング素子をオフしたときに、直流電源５のプラス側またはマイナス側と加工間隙とが繋がったままの状態になって放電回路を完全に遮断できないので、加工間隙における電流の降下が遅れてしまって、図３の（ｂ）に示すような急峻な立下がりによるパルス幅の短い電流パルスを得ることができない。本発明においては、この時間遅れが問題になる可能性があるので、超微細加工回路２３において、２個一対のスイッチング素子３２とスイッチング素子３３とを同時にオフさせて直流電源５と加工間隙との間を完全に切り離すようにしている。

第１のスイッチング素子３２と第２のスイッチング素子３３とは、別々に動作させても構わない。ＭＯＳ−ＦＥＴは、飽和領域でオンオフさせるものであるので、小さいピーク電流に対して長いパルスを供給したいときは、時間をずらしてオン、オフさせる。ただし、それら一対のスイッチング素子を別々に動作させる場合も、パルス幅の安定した電流波形を得るために、オフするときは同時にオフさせる。

本実施形態の超微細加工回路２３は、主放電加工回路２１から完全に切り離されることができるとともに、放電発生検出装置２４と制御器２５とを超微細加工回路２３の一対のスイッチング素子３２，３３を含む主回路の直近に配置して、加工間隙の電圧Ｖｇに基づく検出信号を得てからゲート信号ＡＧａｔｅ，ＢＧａｔｅを出力するまでの時間を可能な限り短縮するようにしている。また、放電発生検出装置２４と制御器２５を含む超微細加工回路２３を加工機本機１０に設ける、言い換えると、加工間隙により近い位置に設けることによって、電線に含まれる静電容量、抵抗成分、インダクタンス成分をより小さくして、電圧パルスと電流パルスのそれぞれの立上がりと立下がりをより急峻にして、電圧パルスと電流パルスを供給する時間を短縮している。その結果、１μｓｅｃ未満のパルス幅の電流パルスを供給できるというだけではなく、一定の電流パルス幅で供給して、電流パルスの波形を揃えることができるようにしている。また、本実施形態の超微細加工回路２３は、制御器２５によって、１００ｎｓｅｃ以上１μｓｅｃ以下のパルス幅を１０ｎｓｅｃ単位で細かく制御して供給することができる。

１ 工具電極
２ 被加工物
５ 直流電源
１０ 加工機本機
２０ 数値制御電源装置
２１ 主放電加工回路
２２ 主加工制御装置
２３ 超微細加工回路
２４ 放電発生検出装置
２５ 制御器
３０ リレースイッチ
３２ 第１のスイッチング素子
３３ 第２のスイッチング素子
３４ 切換スイッチ
３５ 検出抵抗

Claims (4)

1. 工具電極と被加工物とで形成される加工間隙に直列に接続される直流電源を含む主放電加工回路と、
   前記主放電加工回路から切り離され静電容量と抵抗成分を可能な限り取り除き前記直流電源からの電流を１μｓｅｃ未満のパルス幅の電流パルスとして前記加工間隙に印加する超微細加工回路と、
   前記超微細加工回路において、前記直流電源の正極と加工間隙との間に直列に配置された第１のスイッチング素子と、
   前記超微細加工回路において、前記直流電源の負極と加工間隙との間に直列に、かつ前記第１のスイッチング素子と直列に配置された第２のスイッチング素子と、
   前記加工間隙において放電が発生したことを検出する放電発生検出装置と、
   前記超微細加工回路において、前記第１のスイッチング素子と前記加工間隙との間に直列に配置され、前記加工間隙における１００ｎｓｅｃ以上１μｓｅｃ未満の前記電流パルスのパルス幅よりも短い立上がり時間と短い立上がり時間を要する電圧パルスを前記加工間隙に供給するとともに前記電圧パルスの波形における放電発生直後の電圧の降下が安定して規則的である前記電圧パルスを前記加工間隙に供給する大きさの抵抗値を有する検出抵抗と、
   前記放電発生検出装置に可能な限り近接して設けられ、予め設定されている休止時間の後に前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の両方または一方をオンにし、前記放電発生検出装置が前記放電の発生を検出してから所定時間後に前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の両方または一方をオフにする制御装置と、
   を有する形彫放電加工機。
2. 前記放電発生検出装置が、前記主放電加工回路を含む電気側とは離して、機械側に設置されている請求項１記載の形彫放電加工機。
3. 前記放電発生検出装置は分圧回路を含む請求項１または請求項２に記載の形彫放電加工機。
4. 前記加工間隙と前記直流電源とを接続する経路であって、前記主放電加工回路側と前記超微細加工回路側とにそれぞれ介設され、一方が導通状態にされると他方が非導通状態となるようにされたリレースイッチをさらに有する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の形彫放電加工機。