JP6969774B2

JP6969774B2 - 複合加工装置

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Publication number: JP6969774B2
Application number: JP2017107578A
Authority: JP
Inventors: 正典国枝; 偉韓
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-05-31
Also published as: JP2018202503A

Description

本発明は、電解加工と放電加工とを切り替えて実施可能な複合加工装置に関するものである。

本発明者は、下記非特許文献１〜３に示されるように、パルス波形電源とコンデンサとを用いて両極性パルスを発生し、この両極性パルスを用いて放電加工あるいは電解加工を行う技術を提案している。

ここで、電解加工は、一般に次のような特性を持つ：
・加工面積の大小にかかわらず加工速度を一定にできるので、大面積に対する加工速度が比較的に速い；
・加工表面は電気分解により生成されるので、放電痕や残留応力の影響を排除できる；
・微細加工においては放電加工よりも加工効率が低いが、表面粗さを改善できるので、仕上げ加工に好適である。

一方、放電加工は、一般に次のような特性を持つ：
・加工面積に拘わらず単位時間当たりの放電回数が一定であるとすれば、大面積に対する加工速度は遅いが、微細加工における加工速度は速い；
・放電痕の影響（例えば放電時の発熱に起因する残留応力や表面改質）が加工表面に残りやすい。

したがって、一つの工作物に対して、放電加工と電解加工とを前後して行うことにより、それぞれの加工の特性に応じた利点を享受することができると予想される。

しかしながら、一般に、放電加工と電解加工は、通常、異なる電源や電解液を用いた異なる装置により実施される。このため、通常は、電解加工と放電加工を一つの工作物に対して行うためには、装置間で工作物を移動させなければならないという問題がある（下記特許文献１及び２参照）。

そこで、下記非特許文献５〜８では、放電加工と電解加工を一つの装置で実現する技術を提案している。しかしながら、これらの技術においても、例えば電源や電解液を加工モードに応じて変更あるいは調整しなければならず、モード変更の手間がかかるという問題がある。

特開２００３−２０５４２９号公報特開２００２−３４６８３７号公報

M. Kunieda, A. Hayasaka, X.D. Yang, S. Sano, and I. Araie. Study on Nano EDM Using Capacity Coupled Pulse Generator. CIRP Annals-Manufacturing Technology 2007; 56(1): 213-216. M. Kimori, M. Kunieda. Miniaturization of Micro EDM Using Electrostatic Induction Feeding Method. Journal of the Japan Society for Precision Engineering 2010; 76(10): 1151-1155. T. Koyano, M. Kunieda. Micro electrochemical machining using electrostatic induction feeding method. CIRP Annals- Manufacturing Technology 2013; 62(1): 175-178. R. Schuster, V. Kirchner, P. Allongue, G. Ertl. Electrochemical Micromachining. Science 2000; 289(5476): 98-101. Z. Zeng, Y. Wang, Z. Wang, D. Shan, X. He. A study of micro-EDM and micro-ECM combined milling for 3D metallic micro-structures. Precision Engineering, 2012, 36(3): 500-509. T. Kurita, H. Mitsuro. A study of EDM and ECM/ECM- lapping complex machining technology. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(14): 1804-1810. M.D. Nguyen, R. Mustafizur, S.W. Yoke. Simultaneous micro-EDM and micro-ECM in low-resistivity deionized water. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2012, 54: 55-65. M.D. Nguyen, R. Mustafizur, S.W. Yoke. Modeling of radial gap formed by material dissolution in simultaneous micro-EDM and micro-ECM drilling using deionized water. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2013, 66: 95-101. S. Maeda, N. Saito, Y. Haishi. Principle and Characteristics of Electro-Chemical Machining. Mitsubishi Denki Giho, 1967, 41(10): 1267-1279 (in Japanese).

本発明は、前記した状況に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、電解加工モードと放電加工モードとを、簡便に切り替えて実施できる技術を提供することである。

前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。

（項目１）
電解加工モードと放電加工モードとの切り替えに応じて電解加工又は放電加工を工作物に適用する複合加工装置であって、
両極性パルス発生部と、工具電極と、電解液と、電流制御部とを備えており、
前記両極性パルス発生部は、加工間隙を有して対向配置された前記工具電極と前記工作物との間に、両極性パルス電圧を印加する構成となっており、
前記両極性パルス電圧は、前記工具電極を陽極にするための正方向パルスと、前記工作物を陽極にするための逆方向パルスとを備えており、
前記工具電極及び前記工作物のうちの一方は、前記一方が陽極となったときに、前記電解液との接触部分において、前記一方の表面に酸化膜を形成する材料により構成されており、
前記電解液は、前記加工間隙を満たすように供給されており、
かつ、前記電解液は、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを含む水溶液となっており、
前記電流制御部は、前記工具電極及び前記工作物のうちの他方を陽極とする電圧が前記加工間隙に印加されたときに、前記加工間隙に流れるべき電流をバイパスし、又は阻止する構成となっており、
かつ、前記電流制御部は、前記電解加工モードと前記放電加工モードとの切り替えに応じて、着脱又はオンオフされる構成となっている
ことを特徴とする複合加工装置。

（項目２）
前記両極性パルス電圧は、前記正方向パルスと前記逆方向パルスとの間に挿入された電圧休止期間を有する構成となっている
項目１に記載の複合加工装置。

（項目３）
前記一方の素材は、タングステン、チタン、ニオブ、超硬合金からなる群のうちの一つ又は複数から選択されている
項目１又は２に記載の複合加工装置。

（項目４）
前記電解液は、前記酸化膜を分解する物質を、前記一方が陰極となったときに前記加工間隙を流れる電流により生成するものである
項目１〜３のいずれか１項に記載の複合加工装置。

（項目５）
前記両極性パルス発生部は、パルス電源と、このパルス電源に直列に接続された給電容量とを備えており、
前記給電容量は、前記パルス電源から生じたパルス波形電圧の立ち上がりと立ち下がりに応じて、前記両極性パルス電圧における前記正方向パルスと前記逆方向パルスとを発生する構成となっている
項目１〜４のいずれか１項に記載の複合加工装置。

（項目６）
前記電流制御部は、前記加工間隙と並列に挿入されたダイオードにより構成されている
項目１〜５のいずれか１項に記載の複合加工装置。

（項目７）
前記工具電極は、前記工具電極が陽極となったときに、前記電解液との接触部分において、前記工具電極自体の表面に前記酸化膜を形成する材料により構成されており、
前記電流制御部は、前記加工間隙に前記逆方向パルスが印加されたときに、前記加工間隙に流れるべき電流をバイパスし、又は阻止する構成となっている
項目１〜６のいずれか１項に記載の複合加工装置。

（項目８）
前記電解加工モードにおいて用いられる電流制御素子を備えており、
前記電流制御素子は、前記工具電極及び前記工作物のうちの前記一方を陽極とする電圧が前記加工間隙に印加されたときに、前記加工間隙に流れるべき電流をバイパスし、又は阻止する構成となっている
項目１〜７のいずれか１項に記載の複合加工装置。

（項目９）
前記電解液として、中性電解液が用いられている
項目１〜８のいずれか１項に記載の複合加工装置。

（項目１０）
項目１〜９のいずれか１項に記載の複合加工装置を用いた複合加工方法であって、
前記電解加工モードにおいては、
前記電流制御部を取り外し又はオフにした状態において、前記加工間隙に前記両極性パルス電圧を印加するステップを備えており、
前記放電加工モードにおいては、
前記電流制御部を取り付け又はオンにした状態において、前記加工間隙に前記両極性パルス電圧を印加するステップを備えており、
前記電解加工モードと前記放電加工モードとの切り替え時には、前記電流制御部の着脱又はオンオフを切り替えるステップを備えている
複合加工方法。

本発明によれば、電解加工モードと放電加工モードとを、電流制御部の着脱あるいはオンオフを用いて、簡便に切り替えて実施することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る複合加工装置の基本的な構成を説明するための説明図である。図（ａ）は、図１の装置の等価回路である。図（ｂ）の縦軸は、図（ａ）の回路におけるパルス電圧波形の電圧値、加工間隙間の電流値、加工間隙間の電圧値をそれぞれ示し、横軸は時間である。第１実施形態の加工装置を用いた電解加工モードでの動作を説明するための説明図であって、図（ａ）は工具電極が陽極のとき、図（ｂ）は工具電極が陰極のときを示す。第１実施形態の加工装置を用いた放電加工モードでの動作を説明するための説明図であって、図（ａ）は工具電極が陰極のとき、図（ｂ）は工具電極が陽極のときを示す。縦軸は、実験例１の電解加工モードにおけるパルス電圧波形の電圧値、加工間隙間の電流値、加工間隙間の電圧値をそれぞれ示し、横軸は時間である。図（ａ）及び図（ｂ）の縦軸は、実験例１の放電加工モードにおけるパルス電圧波形の電圧値、加工間隙間の電流値、加工間隙間の電圧値をそれぞれ示し、横軸は時間である。図６の放電加工モードにおける放電時の電圧及び電流波形を示すグラフである。実験例２の放電加工モードにおけるパルス電圧波形の電圧値、加工間隙間の電流値、加工間隙間の電圧値をそれぞれ示し、横軸は時間である。実験例２による放電加工により得られた微小穴の底面形状を示す図であり、図（ａ）は工具電極の送り速度が０．６μｍ／ｓのとき、図（ｂ）は工具電極の送り速度が１．２μｍ／ｓのときを示す。実験例２における工具電極の送り速度と放電頻度との関係を示すグラフである。放電加工モードでの加工前後における工具電極の形状変化を示す図であって、図（ａ）は加工前、図（ｂ）は加工後を示す。実験例３の加工装置の概略的な構成を示す説明図である。実験例３の電解加工モードにおけるパルス電圧波形の電圧値、加工間隙間の電流値、加工間隙間の電圧値をそれぞれ示し、横軸は時間である。図（ａ）は、パルス幅２０ｎｓの場合、図（ｂ）はパルス幅３５ｎｓの場合を示す。実験例３による電解加工により得られた微小穴の底面形状を示す図であり、図（ａ）はパルス幅２０ｎｓのとき、図（ｂ）はパルス幅２５ｎｓのとき、図（ｃ）はパルス幅３５ｎｓのとき、図（ｄ）はパルス幅４０ｎｓのときを示す。実験例３におけるパルス幅とインレットサイドギャップとの関係を示すグラフである。実験例４の電解加工モードにおけるパルス電圧波形の電圧値、加工間隙間の電流値、加工間隙間の電圧値をそれぞれ示し、横軸は時間である。実験例４による電解加工により得られた微小ロッドの側面形状を示す図であり、図（ａ）はパルス電圧値９０Ｖのとき、図（ｂ）はパルス電圧値１１０Ｖのとき、図（ｃ）はパルス電圧値１２０Ｖのとき、図（ｄ）はパルス電圧値１４０Ｖのときを示す。実験例５の放電加工モードにおけるパルス電圧波形の電圧値、加工間隙間の電流値、加工間隙間の電圧値をそれぞれ示し、横軸は時間である。実験例５による放電加工により得られた微小ロッドの側面形状を示す図であり、図（ａ）は給電容量１００ｐＦのとき、図（ｂ）は給電容量２２０ｐＦのとき、図（ｃ）は給電容量３５０ｐＦのときを示す。また、図１９中の右列は、対応する左列の図の拡大図である。実験例６による放電加工及び電解加工により得られた微小ロッドの側面形状を示す図であり、図中上側はロッド全体、図中ＥＤＭはロッド基端の拡大、図中ＥＣＭはロッド中間及び先端の拡大を示す。変形例３において用いるワイヤ状の工具電極を示す説明図であって、図（ａ）はワイヤを径方向に切断した状態の説明図、図（ｂ）は工作物を径方向に切断した状態の説明図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る複合加工装置（以、「加工装置」と略称することがある）について説明する。本実施形態の加工装置は、電解加工モードと放電加工モードとの切り替えに応じて電解加工又は放電加工を工作物に適用するためのものである。

（複合加工装置の構成）
本実施形態の複合加工装置は、両極性パルス発生部１と、工具電極２と、電解液３（図１参照）と、電流制御部４（後述の図４参照）とを、基本的な構成要素として備えている。

（両極性パルス発生部）
両極性パルス発生部１は、加工間隙Ａを有して対向配置された工具電極２と工作物５との間に、両極性パルス電圧を印加する構成となっている。両極性パルス電圧は、工具電極２を陽極にするための正方向パルスと、工作物５を陽極にするための逆方向パルスとを備えている。ここで、この明細書においては、工具電極２を陽極にするための電圧パルス又は電流パルスを正方向パルスとし、工作物５を陽極にするための電圧パルス又は電流パルスを逆方向パルスとする（後述の図２（ｂ）参照）。両極性パルス電圧は、正方向パルスと逆方向パルスとの間に挿入された電圧休止期間を有する構成となっている（後述の図２（ｂ）参照）。

両極性パルス発生部１は、パルス電源１１と、このパルス電源１１に直列に接続された給電容量１２とを備えている。給電容量１２は、パルス電源１１から生じたパルス波形電圧の立ち上がりと立ち下がりに応じて、両極性パルス発生部１における正方向パルスと逆方向パルスとを発生する構成となっている。両極性パルス発生部１の詳しい動作については後述する。なお、両極性パルス発生部１としては、同様のパルス電圧を発生できる、いわゆる高速バイポーラ電源を用いることもできる。

（工具電極）
工具電極２は、この工具電極２が陽極となったときに、電解液３との接触部分において、工具電極２の表面に酸化膜を形成する材料により構成されている。

具体的には、工具電極２の素材は、タングステン、チタン、ニオブ、超硬合金からなる群のうちの一つ又は複数から選択されている。ここでこれらの金属は、合金である場合と純金属である場合を含む。より具体的には、本実施形態の工具電極２は、純タングステンから構成されている。

（電解液）
電解液３は、加工間隙Ａを満たすように供給されている。より具体的には、本実施形態の電解液３は、加工中において、ノズル３１により加工間隙Ａに連続的に供給されるようになっている。ただし、所定の容器に電解液３を収納して、加工間隙Ａを電解液３中に配置する構成とすることも可能である。

本実施形態の電解液３は、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを含む中性の水溶液となっている。具体的には、本実施形態では、ＮａＮＯ_３の水溶液が用いられている。ただし、電解液３としては、これに限らず、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ，ＫＮＯ_２，ＫＮＯ_３，ＮａＣｌＯ_３，Ｎａ_２ＣＯ_３のいずれかの水溶液を用いることができる。

電解液３は、酸化膜を分解する物質、例えばＮａＯＨ又はＫＯＨを、工具電極２が陰極となったときに加工間隙Ａを流れる電流により生成するものである。

（電流制御部）
電流制御部４（後述の図４参照）は、工作物５を陽極とする電圧が加工間隙Ａに印加されたときに、加工間隙Ａに流れるべき電流をバイパスし、又は阻止する構成となっている。

電流制御部４は、電解加工モードと電加工モードとの切り替えに応じて、着脱又はオンオフされる構成となっている。電流制御部４のオンオフは、例えば図示しないスイッチにより行うことができる。

本例の電流制御部４は、加工間隙Ａと並列に挿入されたダイオードにより構成されている。

（工作物）
本例の工作物５の材質としては、導電性があり、かつ電気分解可能な材質であればよい。工作物５としては、一般には、導電性のある金属が用いられる。本実施形態では、工作物５の材質としてＳＵＳ３０４を前提とするが、これに制約されるものではない。

（本実施形態の動作）
次に、前記した加工装置の動作を説明する。

（両極性パルス発生部の動作）
まず、説明の前提として、本実施形態に係る両極性パルス発生部１の基本的な動作について説明する。図２に、図１の回路の概略的な等価回路を示す（前記した非特許文献４参照）。図２における符号の意味は下記の通りである。
Ｃ_１：給電容量１２；
Ｃ_ｄｌ：電圧印加により電解液中に生じる電気二重層の静電容量；
Ｒ_ｆ：電気二重層の抵抗成分；
Ｒ_ｇ：加工間隙の抵抗成分（極間抵抗。ただし、電解液の抵抗と、電極表面に形成される酸化被膜などの抵抗の和）；
Ｅ_０：パルス電源でのパルス状電源電圧（最大値）；
Ｔ：パルス周期；
Rise Time：立ち上がり時間；
Fall Time：立ち下り時間。

ここで、加工間隙Ａには電解液３が充填されているものとする。

この回路において、パルス電源１１からパルス電圧を加工間隙Ａに印加する（図２（ｂ）のパルス電圧波形を参照）。すると、加工間隙Ａには、パルス電圧の立ち上がりと立ち下がりに応じて、正方向パルス電圧と逆方向パルス電圧とが印加され、正方向パルス電流と逆方向パルス電流とが流れる（図２（ｂ）の電流波形と電圧波形を参照）。パルス周期あるいはデューティー比を調整することにより、パルス休止時間（加工間隙に電圧印加されない時間）を調整することもできる。

（電解加工モード）
次に、図３を参照して、電解加工モードにおける本実施形態の動作について説明する。このモードの場合は、電流制御部４（図４参照）が取り外された状態となっている。ここで、電流制御部４を取り外すことに代えて、電流制御部４を、図示しないスイッチを用いて、非動作状態としておくこともできる。

（正方向パルス印加時）
正方向パルス印加時には、工具電極２の表面に酸化膜２１が生成する（図３（ａ）参照）。この酸化膜２１は、工具電極２がタングステンの場合、ＷＯ_３である。この膜２１の成長により、極間抵抗Ｒ_ｇが増加し、加工間隙Ａを流れる電流が減少する。

（逆方向パルス印加時）
逆方向パルス印加時（図３（ｂ）参照）には、電解液３としてＮａＮＯ_３の水溶液を用いた場合、下記反応式によりＮａＯＨが生成する（前記した非特許文献９参照）。
２Ｎａ^＋＋２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ → ２ＮａＯＨ＋Ｈ_２（１）

この反応に伴い、電解液３中に気泡が発生する。また、工具電極２の酸化膜２１においては、下記反応が進行する。
ＷＯ_３＋２ＮａＯＨ → Ｎａ_２ＷＯ_４＋Ｈ_２Ｏ

これにより、酸化膜２１を溶解除去することができる。すると、極間抵抗Ｒ_ｇが低下し、逆方向の電流（工作物５を陽極とする電流）が増加する。その結果、工作物の電解加工を行うことができる。

（放電加工モード）
次に、図４を参照して、放電加工モードにおける本実施形態の動作について説明する。このモードの場合は、電流制御部４が取り付けられた状態となっている。

（逆方向パルス印加時）
逆方向パルス印加時（図４（ａ）参照）には、電流制御部４を介して電流が流れるので、加工間隙Ａにはほとんど電流は流れない。つまり、本実施形態では、電流制御部４により、加工間隙Ａに流れるべき電流をバイパスすることによって、加工間隙Ａにおける電流の発生を阻止することができる。したがって、逆方向パルス印加時は、工具電極２及び工作物５の状態はほとんど変化しない。

（正方向パルス印加時）
正方向パルス印加時（図４（ｂ）参照）には、電流制御部４には電流は流れず、加工間隙Ａに正方向の電圧が印加される。このとき、工具電極２に形成された酸化膜２１の厚さが十分厚ければ、工具電極２と工作物５とは絶縁される。そして、正方向パルスによって絶縁破壊が起きると、工具電極２と工作物５との間で放電を生じ、工作物５を放電加工することができる。

ここで、正方向パルス印加時において、酸化膜２１の厚さが不十分であり、加工間隙Ａに正方向の電流が流れたとする。この場合は、この電流により、工具電極２の表面に酸化膜２１を生成するので、酸化膜２１が厚くなり、工具電極２と工作物５との絶縁を実現することができる。その後は、前記したように、放電加工を行うことができる。

また、放電により、酸化膜２１が破壊され、その破壊部分において電流を生じた場合は、生じた電流により、破壊部分に酸化膜２１が生成される。このため、本実施形態では、酸化膜２１の厚さを自動的に回復することができ、放電を生じさせることができる。つまり、本実施形態の装置では、酸化膜２１の自己修復機能を発揮できるという利点がある。

（実験例１）
次に、前記した本実施形態の装置を用いて複合加工を行うための基礎的な実験例１を説明する。実験例１の条件は下記表１の通りである。

ここで、各項目の意味は下記の通りである。
Pulse voltage：パルス電源１１からのパルス波形電圧（パルス電圧値）
Amplitude：パルス波形電圧の振幅
Frequency：パルス波形電圧の周波数
Duty factor：パルス波形電圧のデューティー比
Rise/fall time：パルス波形電圧の立ち上がり及び立ち下がり時間
Feeding capacitance C₁：給電容量１２の容量
Electrolyte：電解液３の組成
Tool electrode rotation：工具電極２の軸回りでの回転量
Feed speed：工具電極の先端方向への送り速度

電流制御部４を取り外した状態（つまり電解加工モード）において、実験例により得られたパルス電圧波形（Pulse voltage）と、加工間隙間の電圧波形（Gap Voltage）と、電流波形（Gap Current）とを図５に示す。この図に示すように、この実験例では、休止時間を持つ両極性パルスを得ることができている。なお、この図５では、ギャップ電圧の５０Ｖとギャップ電流の１００ｍＡと加工時間の１μｓのスケールを示している。他の図においても適宜スケールを示している。

次に、電流制御部４を取り付けた状態（つまり放電加工モード）において、実験例により得られたパルス電圧波形と、加工間隙間の電圧波形と、電流波形とを図６に示す。この図に示すように、この実験例では、単極性のパルス電圧を発生させることができている。そのため、図６（ａ）では、１０μｓの間に２回の放電を発生し、図６（ｂ）では、４回の放電を発生している。したがって、本実施形態では、放電加工を実施可能であることがわかる。放電発生時の電圧波形と電流波形とを図７に示す。

（実験例２）
次に、前記した本実施形態の装置を用いて複合加工のうちの放電加工を行った例を実験例２として説明する。実験例２では、電流制御部４が取り付けられている。実験例２の説明においては、前記した実験例１と同様の内容については、説明を省略する。

実験例２の実験条件を下記に示す。

実験例２では、工具電極２の先端方向への送り速度を６種類に変化させている。

工具電極２の送り速度を１．２μｍ／ｓとした場合のパルス電圧波形（以下「パルス電圧」）と、加工間隙間の電流（以下「ギャップ電流」）と、加工間隙間の電圧（以下「ギャップ電圧」）とを図８に示す。この例では、１０μｓの間に、１０回の放電を観測することができた。また、放電加工の結果（送り速度０．６μｍ／ｓと１．２μｍ／ｓ）を図９に示す。これらの図では、放電によるクレーターが観察できる。また、図１０は、この実験における工具電極２の送り速度と放電頻度との関係を示す。送り速度が速いほど放電頻度が増すことがわかる。つまり両者には正の相関がある。図１１には、放電加工の前後における工具電極２の先端の消耗状況を示す。

（実験例３）
次に、前記した本実施形態の装置を用いて複合加工のうちの電解加工を行った例を実験例３として説明する。実験例３の説明においては、前記した実験例１と同様の内容については、説明を省略する。

実験例３では、電流制御部４は取り外されている。また、この例では、加工間隙Ａと並列に、電流制御素子９が接続されている（図１２参照）。電流制御素子９は、工具電極２が陽極となるときに、加工間隙Ａに流れる電流をバイパスあるいは阻止するようになっている。なお、電流制御素子９の極性は、前記した電流制御部４の極性とは逆になっている。本例の電流制御素子９としては、具体的にはダイオードが用いられている。図１２のように構成すると、正方向電圧が印加されたときに加工間隙Ａに流れる電流値を低く抑えることができるので、工具電極２の消耗を低く抑えることができるという利点がある。また、加工間隙Ａに逆方向電圧が印加されたときには、工作物５を陽極とする電流を流すことができ、その結果、工作物５の電解加工を行うことができる。なお、この実験例３で用いる工作物５としては、工作物５が陽極となったときにこの工作物５に酸化膜を生じる材料（例えばタングステン、チタン、ニオブ、超硬合金等）ではないことが好ましい。このような材質を工作物５として用いると、酸化膜での電気抵抗増加により、放電加工モードとなってしまうためである。

電流制御素子９は、電解加工モードにおいて使用されるものであり、放電加工モードにおいては、電流制御部４に置換される。ここで、電流制御部４としてダイオードを用いた場合、極性を反転して回路に接続することで、電流制御部９として使用できる。このようにすると、一つのダイオードを電流制御部４と電流制御素子９という二つの用途に使用できるという利点がある。

実験例３の実験条件を下記に示す。

実験例３では、パルス電圧波形の立ち上がり、立ち下がり時間（つまり両極性パルス電圧におけるパルス幅）を５種類に変化させている。

パルス幅を２０ｎｓとした場合と３５ｎｓとした場合におけるパルス電圧、ギャップ電流、及びギャップ電圧を図１３（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示す。なお、図１３は、他の図と比較して、パルス電圧とギャップ電流とギャップ電圧の極性を逆にした状態で測定されている。この例では、電流制御素子９を設けたために、加工間隙間における正方向での電流値（パルス電圧の立下り時の電流値）が、電流制御素子９を設けない場合（図５参照）よりも小さくなっている（図１３（ｂ）参照）。なお、図１３（ａ）では、共振を生じたためにギャップ電流及びギャップ電圧の値が大きくなっている。

パルス幅を変えて電解加工を行った結果を図１４に示す。特にパルス幅が２５ｎｓと３５ｎｓのときに、きれいな底面加工形状を得られた。また、パルス幅とインレットサイドギャップとの関係を図１５に示す。インレットサイドギャップｄ_ｇａｐは下記により定義される：
ｄ_ｇａｐ＝（Ｄ−ｄ）／２

ここで、
Ｄ：加工された穴の直径；
ｄ：工具電極の直径
である。図１５から、パルス幅が広いほど、インレットサイドギャップを小さくできることがわかる。つまり両者には負の相関がある。

（実験例４）
次に、前記した本実施形態の装置を用いて電解加工モードでの加工を行った例を実験例４として説明する。実験例４の説明においては、前記した実験例１と同様の内容については、説明を省略する。

実験例４では、電流制御部４は取り外されている。実験例４の実験条件を下記に示す。

実験例４では、パルス電圧波形の振幅を４種類に変化させている。なお、表４において、「with jump washing」とあるのは、工具電極２の供給時に、ジャンプ動作（前後方向に工具電極を揺らすことで電解液を撹拌する動作）を行うことを意味する。実験例４における実際の波形を図１６に示す。

各電圧値での電解加工により得られたロッド形状を図１７に示す。高電圧になるほど加工速度が速いことがわかる。

（実験例５）
次に、前記した本実施形態の装置を用いて放電加工モードでの加工を行った例を実験例５として説明する。実験例５の説明においては、前記した実験例２と同様の内容については、詳しい説明を省略する。

実験例５では、実験例２と同様に、電流制御部４が取り付けられている。実験例５の実験条件を下記に示す。

実験例５では、給電容量１２を３種類に変化させている。実験例５における実際の波形を図１８に示す。

各容量での放電加工により得られたロッド形状を図１９に示す。容量が小さいほど表面粗さが小さいことがわかる。

（実験例６）
次に、前記した本実施形態の装置を用いて、電解加工モード及び放電加工モードでの加工を行った例を実験例６として説明する。実験例６の説明においては、前記した実験例１及び２と同様の内容については、詳しい説明を省略する。

実験例６では、電解加工モードのとき、電流制御部４が取り外されており、放電加工モードのとき、電流制御部４が取り付けられている。電流制御素子９は、この例では用いていない。実験例６の実験条件を下記に示す。

実験例６では、荒加工を放電加工（ＥＤＭ）モードで行い、仕上げ加工を電解加工（ＥＣＭ）モードで行った。すなわち、微小ロッドの加工において、まずは放電加工モードで所望の径のロッド形状を形成し、その後、加工されたロッド表面に電解加工モードでの加工を施した。ここで、ロッドの材料はSUS304であり、加工されたロッド長さは８００μｍであり、最終的なロッド直径は５７μｍである。実験例６において得られた加工形状を図２０に示す。電解加工により表面粗さが改善されていることがわかる。

（変形例１）
次に、変形例１に係る加工装置について説明する。この変形例１の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する構成要素については、同一符号を付することにより、説明の煩雑を避ける。前記した第１実施形態の装置では、工具電極２の材料として、工具電極２が陽極のときに酸化膜を生成する材質、例えばタングステンとした。これに対して、変形例１の装置では、工作物５として、工作物５が陽極のときに酸化膜を生成する材質、例えばタングステンとした。そして、工具電極４として、導電性のある金属、例えばＳＵＳ３０４とした。

（電解加工モード）
電解加工モードにおいては、工作物５が陽極となるとき（つまり逆方向パルス印加時）に、工作物５の電解加工を行うことができる。なお、このとき、工作物５の表面に酸化膜が生成されるが、印加電圧に応じて、電解加工のために必要な電流を流すことができる。

一方、工具電極２が陽極となるとき（つまり正方向パルス印加時）には、ＮａＯＨが生成され、酸化膜が分解される。したがって、周期的にパルス電圧を印加することにより、酸化膜の厚さを低く抑えることが可能になる。なお、工具電極２が陽極になると、工具電極２の消耗を生じるが、工具電極２の消耗に応じて電極を繰り出すことにより、消耗の影響を抑制することができる。あるいは、工具電極２を、電気分解されない材料、例えば白金とすることにより、この問題を回避することもできる。なお、このモードでは、電流制御部４は取り外される。

（放電加工モード）
放電加工モードにおいては、電流制御部４を取り付けるが、その電流制御特性は、第１実施形態とは逆にする。つまり、変形例１における電流制御部４は、工具電極２を陽極とする電圧が加工間隙Ａに印加されたときに、加工間隙Ａに流れるべき電流をバイパスし、又は阻止する構成となっている。具体的には、この電流制御部４は例えばダイオードにより構成することができる。

変形例１の放電加工モードにおいて、工作物５が陽極になるとき（つまり逆方向パルスが印加されたとき）は、工作物５の表面に酸化膜が形成され、放電が生じる。この放電現象と、絶縁破壊時における被膜の自己修復機能については、極性が異なる以外は、前記した第１実施形態と同様である。

一方、工具電極２が陽極になるときは、電流制御部４を介して電流が流れるため、加工間隙Ａに流れる電流はほぼ０になる。

変形例１における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。

（変形例２）
次に、変形例２に係る加工装置について説明する。この変形例２の説明においては、前記した変形例１と基本的に共通する構成要素については、同一符号を付することにより、説明の煩雑を避ける。前記した変形例１では、工作物５として、工作物５が陽極のときに酸化膜を生成する材質、例えばタングステンとした。これに対して、この変形例２では、工具電極２も、工具電極２が陽極のときに酸化膜を生成する材質、例えばタングステンとした。なお、工具電極２と工作物５とが異なる材質（例えば一方がチタンで他方がタングステン）であってもよい。

（電解加工モード）
電解加工モードにおいては、正逆の極性の入れ替えにともなって、酸化膜生成とＮａＯＨの生成とが競合して発生する。このため、酸化膜が過剰に成長することなく、加工間隙Ａに電流を流すことができる。したがって、工作物５が陽極となるとき（つまり逆方向パルス印加時）に、工作物５の電解加工を行うことができる。

（放電加工モード）
放電加工モードにおいては、電流制御部４を取り付けるが、電流制御の特性は、第１実施形態と同様でもよいし、その逆（つまり変形例１と同様）でもよい。以下では、第１実施形態と同様の電流制御部４が取り付けられていると仮定する。

変形例２の放電加工モードにおいては、第１実施形態と同様に、工具電極２が陽極になるとき（つまり正方向パルスが印加されたとき）は、工具電極２の表面に酸化膜が形成され、放電を生じる。ただし、このとき、工作物５の近傍にはＮａＯＨが生成されるので、酸化膜の成長が抑制される。しかし、工具電極２と工作物５のどちらか一方に酸化膜が成長すれば、放電加工は可能である。この放電現象と、絶縁破壊時における被膜の自己修復機能については、極性が異なる以外は、前記した第１実施形態と同様である。

変形例２の放電加工モードにおいて、工作物５が陽極になるときは、電流制御部４により、第１実施形態と同様に、加工間隙Ａにはほとんど電流は流れない。工具電極２が陽極となるときは、工具電極２の表面に生成した酸化膜により、工具電極２と工作物５との間に放電を生じさせ、放電加工を行うことができる。

以上の放電加工モードにおける説明は、電流制御部４の電流特性が逆である場合も成立する。ただし、工具電極２と工作物５との関係は逆になり、工作物５が陽極になるときに放電を生じる。

変形例２における他の構成及び利点は、前記した変形例１と同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。

（変形例３）
次に、変形例３に係る加工装置について説明する。この変形例３の説明においては、前記した変形例１と基本的に共通する構成要素については、同一符号を付することにより、説明の煩雑を避ける。前記した変形例１では、工具電極２として、ロッド状のものを用いた。これに対して、この変形例３では、工具電極２を長尺のワイヤ電極とし、このワイヤ電極を長さ方向に繰り出しながら、ワイヤ電極の側面により加工を行う構成とした（図２１参照）。この例では、ワイヤ状の工具電極２の側面は、ガイド２２により支持されており、工具電極２は、ガイド２２の表面に接しながら、長さ方向に走行する。

変形例１の装置では、工具電極２が陽極となるとき、工具電極２の消耗を生じる。変形例３の装置によれば、工具電極２を走行させることにより、電極消耗の影響を回避することができるという利点がある。

なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。

１両極性パルス発生部
１１パルス電源
１２給電容量
２工具電極
２１酸化膜
３電解液
３１ノズル
４電流制御部
５工作物
５１酸化膜
９電流制御素子

Claims

電解加工モードと放電加工モードとの切り替えに応じて電解加工又は放電加工を工作物に適用する複合加工装置であって、
両極性パルス発生部と、工具電極と、電解液と、電流制御部とを備えており、
前記両極性パルス発生部は、加工間隙を有して対向配置された前記工具電極と前記工作物との間に、両極性パルス電圧を印加する構成となっており、
前記両極性パルス電圧は、前記工具電極を陽極にするための正方向パルスと、前記工作物を陽極にするための逆方向パルスとを備えており、
前記工具電極及び前記工作物のうちの一方は、前記一方が陽極となったときに、前記電解液との接触部分において、前記一方の表面に酸化膜を形成する材料により構成されており、
前記電解液は、前記加工間隙を満たすように供給されており、
かつ、前記電解液は、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを含む水溶液となっており、
さらに、前記電解液は、前記酸化膜を分解する物質を、前記一方が陰極となったときに前記加工間隙を流れる電流により生成するものであり、
前記電流制御部は、前記放電加工モードにおいて、前記両極性パルス電圧のうち、前記工具電極及び前記工作物のうちの前記一方を陽極とする電圧を前記加工間隙に印加させ、これによって、前記一方の表面に前記酸化膜を形成し、又は、前記酸化膜の膜厚を厚くして、前記工具電極と前記工作物との間の抵抗を増加させ、両者間での放電による放電加工を実施できる構成となっており、
かつ、前記電流制御部は、前記放電加工モードにおいて、前記工具電極及び前記工作物のうちの前記一方を陰極とする電圧が前記加工間隙に印加されたときに、前記加工間隙に流れるべき電流をバイパスし、又は阻止し、これによって、前記酸化膜を分解する物質の生成を抑制して、前記一方の表面に形成された酸化膜の膜厚の低下を抑制する構成となっており、
さらに、前記電流制御部は、前記電解加工モードにおいて、取り外され又はオフにされる構成となっており、これによって、前記加工間隙に前記両極性パルス電圧が印加されるようになっている
ことを特徴とする複合加工装置。
前記両極性パルス電圧は、前記正方向パルスと前記逆方向パルスとの間に挿入された電圧休止期間を有する構成となっている
請求項１に記載の複合加工装置。
前記一方の素材は、タングステン、チタン、ニオブ、超硬合金からなる群のうちの一つ又は複数から選択されている
請求項１又は２に記載の複合加工装置。
前記電解加工モードにおいて、前記加工間隙に、前記両極性パルス電圧のうちの逆方向パルスが印加されると、前記工作物への電解加工が行われるようになっている
請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合加工装置。
前記両極性パルス発生部は、パルス電源と、このパルス電源に直列に接続された給電容量とを備えており、
前記給電容量は、前記パルス電源から生じたパルス波形電圧の立ち上がりと立ち下がりに応じて、前記両極性パルス電圧における前記正方向パルスと前記逆方向パルスとを発生する構成となっている
請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合加工装置。
前記電流制御部は、前記加工間隙と並列に挿入されたダイオードにより構成されている
請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合加工装置。
前記工具電極は、前記工具電極が陽極となったときに、前記電解液との接触部分において、前記工具電極自体の表面に前記酸化膜を形成する材料により構成されており、
前記電流制御部は、前記加工間隙に前記逆方向パルスが印加されたときに、前記加工間隙に流れるべき電流をバイパスし、又は阻止する構成となっている
請求項１〜６のいずれか１項に記載の複合加工装置。
電解加工モードと放電加工モードとの切り替えに応じて電解加工又は放電加工を工作物に適用する複合加工装置であって、
両極性パルス発生部と、工具電極と、電解液と、電流制御部とを備えており、
前記両極性パルス発生部は、加工間隙を有して対向配置された前記工具電極と前記工作物との間に、両極性パルス電圧を印加する構成となっており、
前記両極性パルス電圧は、前記工具電極を陽極にするための正方向パルスと、前記工作物を陽極にするための逆方向パルスとを備えており、
前記工具電極及び前記工作物のうちの一方は、前記一方が陽極となったときに、前記電解液との接触部分において、前記一方の表面に酸化膜を形成する材料により構成されており、
前記電解液は、前記加工間隙を満たすように供給されており、
かつ、前記電解液は、ナトリウムイオン又はカリウムイオンを含む水溶液となっており、
前記電流制御部は、前記工具電極及び前記工作物のうちの他方を陽極とする電圧が前記加工間隙に印加されたときに、前記加工間隙に流れるべき電流をバイパスし、又は阻止する構成となっており、
かつ、前記電流制御部は、前記電解加工モードと前記放電加工モードとの切り替えに応じて、着脱又はオンオフされる構成となっており、
前記電解加工モードにおいて用いられる電流制御素子をさらに備えており、
前記電流制御素子は、前記工具電極及び前記工作物のうちの前記一方を陽極とする電圧が前記加工間隙に印加されたときに、前記加工間隙に流れるべき電流をバイパスし、又は阻止する構成となっている
複合加工装置。
前記電解液として、中性電解液が用いられている
請求項１〜８のいずれか１項に記載の複合加工装置。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の複合加工装置を用いた複合加工方法であって、
前記電解加工モードにおいては、
前記電流制御部を取り外し又はオフにした状態において、前記加工間隙に前記両極性パルス電圧を印加するステップを備えており、
前記放電加工モードにおいては、
前記電流制御部を取り付け又はオンにした状態において、前記加工間隙に前記両極性パルス電圧を印加するステップを備えており、
前記電解加工モードと前記放電加工モードとの切り替え時には、前記電流制御部の着脱又はオンオフを切り替えるステップを備えている
複合加工方法。