JP6854953B1 - ワイヤ放電加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単かつ最小限の改良で温度変化によって生じる上側ガイドユニットの相対位置のずれを抑制し、精度の高いワイヤ放電加工装置を提供する。【解決手段】ワイヤ電極Ｗを上側で案内する上側ガイドユニット８２を支持する上側支持体６を備えたワイヤ放電加工装置１００であって、上側支持体６は、下端に上側ガイドユニット８２が設けられたアーム６１と、アーム６１を少なくとも１つの軸方向に移動させるとともにセラミックスよりも線膨張係数が大きい材料から形成された軸駆動部５１と、アーム６１と軸駆動部５１を連結するとともにセラミックスで形成された調整ブロック６２を備え、調整ブロック６２は、軸駆動部５１と調整ブロック６２の締結面に発生するバイメタル効果により上側支持体６の伸縮による上側ガイドユニット８２の変位が抑えられる位置に固定されていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、ワイヤ電極を用いて放電加工を行うワイヤ放電加工装置に関し、特に、上下に延びるコラムから横に延びてワイヤ電極を上側で案内する上側ガイドユニットを支持する上側支持体と、コラムから横に延びてワイヤ電極を下側で案内する下側ガイドユニットを支持する下側支持体とを備えた放電加工装置に関する。

従来、ワイヤ電極を用いて被加工物を放電加工するワイヤ放電加工装置が知られている。ワイヤ放電加工装置は、被加工物とワイヤ電極の間の放電現象を利用して加工を行うため、切削加工では切断することが困難な硬い金属やセラミックス等の高硬度材を精密加工することができる。
近年、耐久性向上の観点から高硬度材が金型等の様々な部品に使用されるようになり、ワイヤ放電加工装置には高いレベルでの加工精度の実現が要求されるようになってきた。

汎用のワイヤ放電加工装置においては、コラム側から水平方向に配置されるように支持されている上側支持体および下側支持体の先端にそれぞれ上側ガイドユニットと下側ガイドユニットが取り付けられている。ただし、上側支持体は、ワイヤ放電加工装置の全体の構成上、一般的にアームと軸駆動部を含む１以上の構成部品を含んで形成されている。ワイヤ放電加工装置において被加工物を加工するときは、上側ガイドユニットの中に収容されている上側ワイヤガイドと下側ガイドユニットの中に収容されている下側ワイヤガイドとの間にワイヤ電極を所定の張力をもって張架し、走行するワイヤ電極と被加工物との間に形成される加工間隙に放電を発生させながら、上側ガイドユニットおよび下側ガイドユニットを被加工物に対して相対移動させることによって被加工物を任意の形状に切断加工する。また、上側ガイドユニットと下側ガイドユニットとの相対的な位置制御を行うことで、ワイヤ電極を所望の角度に配置して放電し精密な形状に被加工物を加工する、いわゆるテーパカットが可能である。

このようなワイヤ放電加工装置においては、上側支持体と下側支持体がそれぞれ種々の要因で変形して、先端に取り付けられている上側ガイドユニットないし下側ガイドユニットの位置決め精度に誤差を与える。例えば、外力に対しては、高剛性の素材を使用することによって誤差を低減するようにされている。また、熱変位に対しては、熱膨張係数のより小さい素材を使用することによって誤差を低減するようにされている。しかしながら、発熱や外部環境の温度の変化により装置の温度が上昇または下降すると、材質の異なる構成部品の締結面に熱変位による熱膨張差が発生し、機械精度や加工精度に悪影響を及ぼすことがある。具体的には、上側ガイドユニットおよび下側ガイドユニットを支持する支持体の温度が変化した場合、支持体が膨張または収縮して熱変形が生じ、上側ガイドユニットと下側ガイドユニットの相対的な位置ずれが発生して位置決め精度や加工精度の低下を引き起こすという問題が生じていた。

構成部品の熱変位を防止するために、上下の支持体に加工液を流通させるものが知られている（特許文献１）。具体的には、ワイヤ電極を支持する上側支持体および下側支持体を同一温度に制御するように内部に加工液を流通させるものであり、上下の支持体が常時同一温度に保たれることにより、両者の膨張や収縮が同じとなるため、加工精度の悪化を防ぐことができる。
また、温度を検出する温度検出センサを複数装置本体に配置して、ワイヤ放電加工を行う際に温度検出センサが検出した温度によって装置の熱変形量を算出し移動量を補正するものもある（特許文献２）。
さらに、材質の違いを考慮して上側支持体の温度変化による変化量と下側支持体の温度変化による変化量が等しくなるように各部品の水平方向の長さの選定を行うワイヤ放電加工装置に関する発明（特許文献３）等が開示されている。

実公昭６３−４２９８１号公報 特開昭６２−１７６７３５号公報 特許第５９２２９９５号公報

しかしながら、特許文献１のように装置内部に加工液を流通させる方法は、装置が大型化するうえ、加工液の循環設備費や維持費がかかる。また特許文献２のように温度検出センサを使用する方法は、温度検出センサ等の追加部品の購入費用がかかり、さらに装置本体の正確な温度をリアルタイムに測定できない場合は補正値にタイムラグが生じ、補正に誤差が生じる可能性がある。

そこで本願発明者らが特許文献３に開示された発明をもとに鋭意検討を行った結果、構造に創意工夫を凝らすことで、シンプルかつ低コストで熱変位が最小限となる上側支持体を発明するに至った。

よって本発明は、簡単な構成かつ低コストで位置決め精度および加工精度を向上させることが可能な放電加工装置を提供することを目的とする。

本発明は、ワイヤ電極を上側で案内する上側ガイドユニットを支持する上側支持体を備えたワイヤ放電加工装置であって、前記上側支持体は、下端に前記上側ガイドユニットが設けられたアームと、前記アームの背面に設けられ、前記アームを少なくとも１つの軸方向に移動させるとともにセラミックスよりも線膨張係数が大きい材料から形成された軸駆動部と、前記アームと前記軸駆動部を連結するとともにセラミックスで形成された調整ブロックを備え、前記調整ブロックは、前記軸駆動部と前記調整ブロックの締結面に発生するバイメタル効果により前記上側支持体の伸縮による前記上側ガイドユニットの変位が抑えられる位置に固定されていることを特徴とする。

ここで、「軸駆動部」とはアームを軸方向に移動させるための駆動機構で、少なくともアームが調整ブロックを介して固定されている駆動機構を指す。具体的には本実施形態においては少なくともＵ軸スライダーを含む。
上側支持体の温度が変化すると、上側支持体全体が伸縮して、上側ガイドユニットと下側ガイドユニットの相対的な位置ずれが発生する。よって、アームと軸駆動部を直接固定せずに調整ブロックを介して固定することで、材質の異なるアームと軸駆動部に発生するバイメタル効果を利用して、上側支持体の伸縮方向と逆の向きの変位を発生させ、結果として上側ガイドユニットと下側ガイドユニットの相対的な位置ずれを抑えることが可能となる。

本発明のワイヤ放電加工装置は、前記調整ブロックの上面が前記軸駆動部の底面に固定されていることを特徴とする。

本発明の構造として、セラミックスで形成されている調整ブロックの上面をセラミックスよりも線膨張係数が大きい材料から形成された軸駆動部の底面に固定しており、アームは軸駆動部に直接固定されていない。このような構造とすることによって、調整ブロックと軸駆動部の締結面に発生するバイメタル効果により、上側支持体の温度の変化による伸縮方向とは逆の変位を上側ガイドユニットに発生させ、上側ガイドユニットの位置ずれを解消することが可能となる。

本発明のワイヤ放電加工装置は、前記調整ブロックが前記アームの背面から突出して設けられていることを特徴とする。
また本発明のワイヤ放電加工装置は、前記アームと前記調整ブロックが一体成形されていることを特徴とする。
さらに本発明のワイヤ放電加工装置は、前記アームと前記調整ブロックが全体として側面視で逆Ｌ字形状に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、調整ブロックがアームの背面から突出して設けられている構成や、アームと調整ブロックが全体として側面視で逆Ｌ字形状に形成されている構成等、簡単な構成かつ低コストで上側ガイドユニットと下側ガイドユニットの相対的な位置ずれを抑えることが可能となる。
さらに調整ブロックとアームを一体成形することで、製造工程を簡略化することが可能となる。

本発明のワイヤ放電加工装置は、セラミックスで形成された調整ブロックをセラミックスよりも線膨張係数が大きい材料から形成された軸駆動部に配置するだけで上側支持体の熱による膨張または収縮による上側ガイドユニットの変位を最小限にすることが可能であり、簡単かつ低コストで、温度変化によって生じる相対位置のずれを抑制し、精度の高いワイヤ放電加工装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係るワイヤ放電加工装置１００の概略を示す側面図である。 上記実施形態の上側支持体６の実施形態を示す斜視図である。 上記実施形態の上側支持体６の実施形態を示す側面図である。 上記実施形態の上側支持体６の実施形態を示す底面図である。 上記実施形態の調整ブロック６２を示す模式図である。 外気温上昇時の従来の上側支持体５００の変位を示す説明図である。 外気温上昇時の本発明の上側支持体６の変位を示す説明図である。 上記実施形態の上側支持体６のその他の例を示す側面図である。 上記実施形態の上側支持体６の外部環境の温度変化［℃］による垂直変位［μｍ］を示す説明図である。 従来の上側支持体５００を示す斜視図である。

＜１． 第１の実施形態＞
（１．１ ワイヤ放電加工装置１００の全体構成）
以下、図を用いて本発明の第１の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るワイヤ放電加工装置１００の概略を示す側面図であり、図２は、上記実施形態の上側支持体６の実施形態を示す斜視図である。図３は、上記実施形態の上側支持体６の実施形態を示す側面図である。以下の説明では、ワイヤ放電加工装置１００の機械本機において、Ｕ軸スライダー５１に垂直アーム６１が設けられている側の面（図１の紙面上、左側から機械本機をみた場合の面）を正面とする。そして正面に向かって後側を背面とし、正面に向かって右手側および左手側を側面とする。そして正面に向かって上側から機械本機をみた場合の面を上面とし、下側からみた場合の面を底面とする。

ワイヤ放電加工装置１００は、設置面に載置されたベッド１と、水平方向であるＹ軸方向に往復移動可能にベッド１上に設置されたコラム２と、このコラム２の上にＹ軸方向と平行な水平１軸方向（Ｖ軸方向）に往復移動可能に水平に設置されたＶ軸スライダー５２と、Ｖ軸スライダー５２の一端に設けられたＺ軸ベース９１と、Ｚ軸ベース９１にリニアガイド９３ａを介してＺ軸方向に往復移動可能に取り付けられたＺ軸スライダー９３と、Ｚ軸スライダー９３のＺ軸ベース９１に対向する面にリニアガイド５１ａを介してＸ軸方向と平行な水平１軸方向（Ｕ軸方向）に往復移動可能に水平に設置されたＵ軸スライダー５１と、垂直アーム６１と、Ｕ軸スライダー５１の底面に固定された調整ブロック６２を含む。
ここで、垂直アーム６１、調整ブロック６２、Ｕ軸スライダー５１およびＺ軸スライダー９３を総称して上側支持体６と記す。
垂直アーム６１の下端には上側ガイドユニット８２が固定され、コラム２の下方の側壁には、コラム２から延びた下側支持体７が固定されており、一端に下側ガイドユニット８１が固定されている。

またＹ軸方向と垂直な方向（Ｘ軸方向）に移動可能に設置されたテーブル３を備え、テーブル３の上には図示しない加工槽４が取り付けられ、被加工物を加工槽４内のワークスタンド上に載置することができる。

ベッド１の上部にはＹ軸方向に延びる複数のレール１１と、Ｘ軸方向に延びる複数のレール１３が固定され、レール１１はコラム２の底部に固定された複数のリニアガイド２１と係合し、レール１３はテーブル３の底部に固定された複数のリニアガイド３１と係合している。それによりコラム２はＹ軸方向に直線移動可能となっており、テーブル３はＸ軸方向に直線移動可能となっている。

コラム２の上部にはＶ軸方向に延びる複数のレール２２が固定され、これらのレール２２は、Ｖ軸スライダー５２の底部に固定された複数のリニアガイド５２ａと係合している。それによりＶ軸スライダー５２は、Ｖ軸方向に直線移動可能となっている。
Ｖ軸スライダー５２の一端にはＺ軸ベース９１が一体的に固定されている。

Ｚ軸ベース９１の正面には、Ｚ軸方向に延びる複数のレール９２が固定され、これらのレール９２は、Ｚ軸スライダー９３に設けられた複数のリニアガイド９３ａと係合している。これによりＺ軸スライダー９３は、Ｚ軸ベース９１に対して上下方向つまりＺ軸方向に直線移動可能となっている。

Ｚ軸スライダー９３の正面には、Ｕ軸方向に延びる複数のレール９４が固定され、これらのレール９４は、Ｕ軸スライダー５１に設けられた複数のリニアガイド５１ａと係合している。これによりＵ軸スライダー５１は、Ｚ軸スライダー９３に対してＵ軸方向に直線移動可能となっている。

なおリニアガイド２１，３１，５１ａ，５２ａ，９３ａは公知のものが適宜利用可能であり、コラム２、Ｕ軸スライダー５１、Ｖ軸スライダー５２、Ｚ軸スライダー９３、テーブル３は、モータ等の駆動部材により各方向に往復移動する。

Ｕ軸スライダー５１は、側面視で略矩形状をした部材である。Ｖ軸スライダー５２、Ｚ軸ベース９１、Ｚ軸スライダー９３およびＵ軸スライダー５１は製造上の制約からセラミックスよりも線膨張係数が大きい材料である鋳鉄で形成されている。

垂直アーム６１は、長尺の角柱形状の部材であって、背面に調整ブロック６２が固定され、下端にはステンレスで形成された上側ガイドユニット８２が設けられている。垂直アーム６１は、ＸＹ平面に垂直に設けられ、熱による変形が少なく剛性の高い素材であるセラミックスで形成されている。

下側支持体７は、コラム２の前面下部に固定されてコラム２から延びる角柱形状もしくは円柱形状の部材であって、先端に下側ガイドユニット８１が固定されている。下側支持体７はセラミックスで形成され、下側ガイドユニット８１は、鋳鉄の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する材料であるステンレスから形成される。

ワイヤ放電加工装置１００は、図示しない放電加工用の電源装置から被加工物とワイヤ電極Ｗとに加工電圧を供給しつつ、図示しない制御装置により、ワークスタンドに載置された被加工物を上側ガイドユニット８２と下側ガイドユニット８１の間に掛け渡されたワイヤ電極Ｗに対して所望の経路に沿って相対的に移動させ、放電加工を行うことができる。

（１．２ 調整ブロック６２の構成）
図４は、上記実施形態の上側支持体６の実施形態を示す底面図であり、図５は、上記実施形態の調整ブロック６２を示す模式図である。図６は、外気温上昇時の従来の上側支持体５００の変位を示す説明図であり、図７は、外気温上昇時の本発明の上側支持体６の変位を示す説明図である。図８は、上記実施形態の上側支持体６のその他の例を示す側面図であり、図１０は、従来の上側支持体５００を示す斜視図である。ここで図６および図７では垂直アーム６１，５６１および調整ブロック６２を分かりやすいように斜線で示している。
従来のワイヤ放電加工装置においては、垂直アーム５６１はＸＺ面に平行な締結面Ｍ１でとＵ軸スライダー５５１に固定されている（図６、図１０）。外部環境の変化により上側支持体５００の温度が変化すると、上側支持体６全体が正面方向へ伸長（Ｙ軸方向負の方向）または背面方向へ収縮（Ｙ軸方向正の方向）するため（Ｆ３）、垂直アーム５６１の下端に設けられた上側ガイドユニット５８２も上側支持体５００の伸縮に伴って正面方向または背面方向にずれ、上側ガイドユニット８２と下側ガイドユニット８１の相対的な位置ずれが発生する。それは、上側支持体６を構成するＺ軸スライダー９３およびＵ軸スライダー５１が製造上、セラミックスよりも線膨張係数が大きい材料である鋳鉄で形成されていることから、セラミックスで形成された下側支持体７と比較してより伸縮するからである。
また、Ｕ軸スライダー５５１と垂直アーム５６１の材質の違いによる熱膨張率の差により締結面Ｍ１に内部応力が発生する（バイメタル効果）。具体的には、垂直アーム５６１の材質であるセラミックスは、Ｕ軸スライダー５５１の材質である鋳鉄と比べると線膨張係数が約１／２〜約１／３であるため、温度上昇時、締結面Ｍ１に平行に働く圧縮と引っ張り応力が大きくなり、垂直アーム５６１に垂直方向から傾斜する力Ｆ１が発生し、上側ガイドユニット８２が正面方向へずれてしまう。また温度下降時は、垂直アーム５６１に垂直方向から傾斜する力Ｆ１とは反対の力が発生し、上側ガイドユニット５８２が背面方向へずれてしまう。
このように上側支持体６の熱による伸縮およびＵ軸スライダー５５１と垂直アーム５６１のバイメタル効果の二つの要因により、温度上昇時、上側ガイドユニット５８２は正面方向にずれ、温度下降時は背面方向にずれてしまう。

よって、本実施形態では、鋳鉄よりも熱膨張率の小さいセラミックスで形成された調整ブロック６２（図４、図５）の上面６２１をＵ軸スライダー５１の締結面Ｍ２である底面に固定し、調整ブロック６２の正面６２３に垂直アーム６１を固定する。Ｕ軸スライダー５１と垂直アーム６１は、調整ブロック６２を介して間接的に接続されており、直接的には接続されていない。
このような構造とすることで、温度上昇時、上側支持体６全体は熱によって正面方向へ伸長（Ｙ軸方向負の方向）するが（Ｆ３）、Ｕ軸スライダー５１と調整ブロック６２とのバイメタル効果により、垂直アーム６１に対して背面方向（Ｙ軸方向正の方向）に傾く力Ｆ２が作用し、上側ガイドユニット８２のずれを相殺することができる（図７）。また温度下降時は、上側支持体６全体は背面方向へ収縮（Ｙ軸方向正の方向）するが、Ｕ軸スライダー５１と調整ブロック６２とのバイメタル効果により、垂直アーム６１に対して正面方向（Ｙ軸方向負の方向）に傾く力が作用するため、上側ガイドユニット８２のずれを相殺することができる。
上側支持体６の温度が上昇または下降した場合であっても、調整ブロック６２を追加するという簡単な構造の改良で上側ガイドユニット８２のずれを解消することが可能となる。

本実施形態において調整ブロック６２の形状は方形状であるが（図５）、Ｕ軸スライダー５１と調整ブロック６２の締結面Ｍ２に発生するバイメタル効果を利用して、上側支持体６の伸縮による上側ガイドユニット８２のずれを相殺することができる形状であれば限定されるものではなく、例えば円柱状であってもよい。調整ブロック６２の形状やサイズを変更することで、締結面Ｍ２に発生するバイメタルの効果を調整し、垂直アーム６１の傾き量を決定することができる。
調整ブロック６２の材質は、Ｕ軸スライダー５１に使用されている材質よりも熱膨張率が小さいものであればよく、好ましくはセラミックスである。
また調整ブロック６２のＵ軸スライダー５１への取付位置は、Ｕ軸スライダー５１と調整ブロック６２の締結面Ｍ２に発生するバイメタル効果を利用して、上側支持体６の伸縮による上側ガイドユニット８２のずれを相殺することができる位置であれば特に限定されるものではない。
調整ブロック６２は、例えば垂直アーム６１の背面から突出して設けられていてもよいし（図３）、垂直アーム６１と調整ブロック６２は、全体として側面視で逆Ｌ字形状に形成されていてもよい（図８）。
また垂直アーム６１と調整ブロック６２は一体成形されていてもよい。

＜２．シミュレーション例＞
図９は、上記実施形態の上側支持体６の外部環境の温度変化［℃］による垂直変位［μｍ］を示す説明図である。
本実施形態に係る上側支持体６と、調整ブロック６２を有さない従来の上側支持体５００（比較例１、図６，図１０）について効果の比較を行うために数値シミュレーションを行った。
具体的には上側支持体６，５００の外気温度（室温）を３℃上昇させた状態と６℃上昇させた状態を繰り返し行い（図９の下のグラフ）、垂直アーム６１に取り付けられた上側ガイドユニット８２，５８２の垂直方向（Ｚ軸方向）の変位［μｍ］を計測した（図９の上のグラフ）。ここで、図９の上のグラフのうち、実線が本発明の実施形態の上側支持体６の垂直変位［μｍ］を示すグラフであり、破線は比較例１の従来の上側支持体５００の垂直変位［μｍ］を示すグラフである。

図９の上のグラフによれば、比較例１の上側支持体５００と比較して、調整ブロック６２を有する上側支持体６は、外気の温度が変化した場合であっても上側ガイドユニット８２の垂直方向のずれが少ないことがわかる。
このように上側支持体６は調整ブロック６２を取り付けるという簡単な構造により、垂直アーム６１の反りや変形を抑制することができる。

本実施形態では、上側支持体６をＵ軸、Ｖ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動させ、テーブル３をＸ軸方向に移動する構成であったが、テーブル３をＹ軸およびＸ軸方向に移動させる構成としてもよい。
本実施形態の構成においては、Ｖ軸スライダー５２の正面側にＺ軸スライダー９３が設けられ、Ｚ軸スライダー９３の正面側にＵ軸スライダー５１が設けられ、Ｕ軸スライダー５１の正面に垂直アーム６１が設けられた構成であったが、Ｖ軸スライダー５２、Ｕ軸スライダー５１、Ｚ軸スライダー９３がどのような位置で取り付けられていたとしても、一番正面側に取り付けられている軸駆動部に対して垂直アーム６１が正面側に配置されていれば、調整ブロック６２を使用して同様な効果を得ることができる。

以上説明した本発明は、この発明の精神および必須の特徴的事項から逸脱することなく他のいろいろな形態で実施することができる。したがって、本明細書に記載した実施例は例示的なものであり、これに限定して解釈されるべきものではない。

１ ベッド
２ コラム
３ テーブル
５１ Ｕ軸スライダー
５２ Ｖ軸スライダー
６ 上側支持体
６１ 垂直アーム
６２ 調整ブロック
７ 下側支持体
８１ 下側ガイドユニット
８２ 上側ガイドユニット
９１ Ｚ軸ベース
９３ Ｚ軸スライダー
Ｗ ワイヤ電極
１００ ワイヤ放電加工装置
５００ 従来の上側支持体

Claims (5)

1. ワイヤ電極を上側で案内する上側ガイドユニットを支持する上側支持体を備えたワイヤ放電加工装置であって、
   前記上側支持体は、下端に前記上側ガイドユニットが設けられたアームと、前記アームの背面に設けられ、前記アームを少なくとも１つの軸方向に移動させるとともにセラミックスよりも線膨張係数が大きい材料から形成された軸駆動部と、前記アームと前記軸駆動部を連結するとともにセラミックスで形成された調整ブロックを備え、
   前記調整ブロックは、前記軸駆動部と前記調整ブロックの締結面に発生するバイメタル効果により前記上側支持体の伸縮による前記上側ガイドユニットの変位が抑えられる位置に固定されていることを特徴とするワイヤ放電加工装置。
2. 前記調整ブロックは上面が前記軸駆動部の底面に固定されていることを特徴とする請求項１記載のワイヤ放電加工装置。
3. 前記調整ブロックは前記アームの背面から突出して設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のワイヤ放電加工装置。
4. 前記アームと前記調整ブロックは一体成形されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のワイヤ放電加工装置。
5. 前記アームと前記調整ブロックは、全体として側面視で逆Ｌ字形状に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のワイヤ放電加工装置。

Images