JP6990739B2 - ワイヤ放電加工装置 - Google Patents
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Description
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。
このことから、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を各部品に適用した放電加工装置(特許文献1、特許文献2)が知られている。
この問題を解決するために、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。
また、熱膨張率の異なる部品同士を結合する締結面に創意工夫を凝らすことで、内部応力を分散させることが可能な上側支持体を発明するに至った。
また本発明のワイヤ放電加工装置は、前記傾斜アーム、前記垂直アームおよび前記下側支持体は、セラミックスで形成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、前記傾斜アームの水平面に対する傾斜角度は、30°以上60°以下であることを特徴とする。
また「水平面」とは、X軸およびY軸によって形成されるXY平面のことを指すものとする。
さらに「軸方向」とは、X軸、Y軸、Z軸、U軸、V軸のいずれかの方向を指すものとする。
本発明によれば、上側支持体が傾斜アームおよび垂直アームから形成されておりさらに材質がセラミックスで形成されているため、熱による変形が少なく剛性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。
さらに、傾斜アームの水平面に対する傾斜角度を30°以上60°以下とすることで、上側支持体をより剛性の高い構造とすることができる。
しかしながら本発明によれば、アーム支持部の傾斜アームとの締結面に複数の溝が設けられているため、線膨張係数の違いによる伸びの差をアーム支持部側の曲げとして逃がし、締結面に応力が集中するのを防ぐことが可能となる。
本発明によれば、下側支持体と上側支持体との温度変化による変位量の差が小さくなり、下側支持体に支持された下側ガイドユニットに対する上側支持体に支持された上側ガイドユニットの温度変化による位置のずれをさらに抑制できる。
ここで「等しくなる」とは、変化量が必ずしも厳密に一致する必要はなく、放電加工における所望の加工精度を実現可能な範囲の近い値であればよい。例えば、下側支持体のコラムへの固定位置を基準位置として、下側支持体の温度変化による水平1軸方向の前記基準位置から下側ガイドユニットの水平1軸方向の端部までの長さの変化量と、上側支持体の温度変化による水平1軸方向の前記基準位置から上側ガイドユニットの水平1軸方向の端部までの長さの変化量の差が30%以下になるようにすることが好ましく、20%以下になるようにすることがより好ましく、10%以下になるようにすることがさらに好ましい。
(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る。図2は、ワイヤ放電加工装置100の上側支持体6の第1の実施形態を示す斜視図であり、図3は、ワイヤ放電加工装置100の上側支持体6の第1の実施形態を示す側面図である。
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には加工槽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。
また、Z軸ベース9には水平方向に伸延した上側支持体6が固定され、上側支持体6の他端には上側ガイドユニット82が固定されている。また、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、他端には下側ガイドユニット81が固定されている。
なおリニアガイド21,31,51a,52aは公知のものが適宜利用可能であり、コラム2、U軸サドル51、V軸スライダー52、Z軸ベース9、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。
上側水平部621および下側水平部623は、XY平面に対して平行に設けられ、傾斜部622はXY平面に対して傾斜角度θで傾斜した状態で設けられる。傾斜角度θは好ましくは30°以上60°以下がよい。
傾斜アーム62は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。
外部環境の変化により上側支持体6の温度が上昇すると、アーム支持部61と傾斜アーム62の材質の違いによる熱膨張率の差により、締結面に内部応力が発生する(図4)。傾斜アーム62の材質であるセラミックスは、アーム支持部61の材質である鋳鉄と比べると線膨張係数が約半分であるため、温度変化が大きい場合には締結面に平行に働く圧縮と引っ張り応力が大きくなり、比較的小さな衝撃が加えられた場合であっても締結部分がずれてしまう可能性がある。
よって、傾斜アーム取付面611に複数の溝612を設け、線膨張係数の違いによる伸びの差をアーム支持部61側の曲げとして逃がし、締結面に応力が集中しないように分散させる。溝612は、アーム支持部61と傾斜アーム62を接合するための複数の取付ボルト625の間に設ける(図5,図6)。
垂直アーム63も傾斜アーム62と同様にセラミックスで形成されている。
図7は、ワイヤ放電加工装置100の上側支持体6および下側支持体7の水平方向の長さの計算方法を示す説明図である。
本実施形態では、下側支持体7のコラム2への固定位置を基準位置Hとして、下側支持体7の温度変化による水平1軸方向の基準位置Hから下側ガイドユニット81の水平1軸方向の端部HLまでの長さの変化量と、上側支持体6の温度変化による水平1軸方向の基準位置Hから上側ガイドユニット82の水平1軸方向の端部HUまでの長さの変化量が等しくなるように、軸駆動部10、アーム支持部61、傾斜アーム62および垂直アーム63の長さを決定している。
基準位置Hから下側支持体7の端部までの温度変化による水平1軸方向の長さL21の変化量ΔL21と、下側ガイドユニット81の温度変化による水平1軸方向の長さL22の変化量ΔL22の和が、基準位置Hからアーム支持部61の端部までの温度変化による水平1軸方向の長さL11の変化量ΔL11と、傾斜アーム62および垂直アーム63の温度変化による水平1軸方向の長さL12の変化量ΔL12と、上側ガイドユニット82の温度変化による水平1軸方向の長さL13の変化量ΔL13の和と同じになるように、つまり下記式(1)が成立するように、軸駆動部10、アーム支持部61、傾斜アーム62および垂直アーム63の長さを決定する。
下記式(1a)では、軸駆動部10およびアーム支持部61を形成する材料である鋳鉄の線膨張係数をA11、傾斜アーム62、垂直アーム63および下側支持体7を形成する材料であるセラミックスの線膨張係数をA12、下側ガイドユニット81および上側ガイドユニット82を形成するステンレスの線膨張係数をA13、温度変化をΔtとすると、ΔL11=A11×L11×Δt、ΔL12=A12×L12×Δt、ΔL13=A13×L13×Δt、ΔL21=A12×L21×Δt、ΔL22=A13×L22×Δtと表すことができるため、これらを下記式(1)に代入して整理すると、結局、式(1)は、以下の式(1a)のように変形できる。
A11×L11+A12×L12+A13×L13=A12×L21+A13×L22
・・・・(1a)
このように構成することで下側支持体7と上側支持体6との温度変化による変位量の差が非常に小さくすることが可能で、下側支持体7に支持された下側ガイドユニット81に対する上側支持体6に支持された上側ガイドユニット82の温度変化による相対的な位置のずれを好適に抑制できる。
なお、上側支持体6の温度変化による水平1軸方向の変化量が、下側支持体7の温度変化による水平1軸方向の変化量の和と略等しいとは、必ずしも厳密に一致する必要はなく、放電加工における所望の加工精度を実現可能な範囲の近い値であればよい。
以下、図を用いて本発明の第2の実施形態について説明する。図8は、ワイヤ放電加工装置100の上側支持体26の第2の実施形態を示す斜視図であり、図9は、ワイヤ放電加工装置100の上側支持体26の第2の実施形態を示す側面図である。
本発明の第2の実施形態のワイヤ放電加工装置の上側支持体26は、第1の実施形態の上側支持体6を製品化するうえで検討用として作成した構造である。
上側支持体26は、アーム支持部261と、傾斜アーム62と、垂直アーム63から構成される。
アーム支持部261は、断面矩形状の本体2614と、本体2614の対抗する2側面に設けられた複数の補強板2613から構成されている。
第2の実施形態である上側支持体26を使用してシミュレーションを行い、第1の実施形態である上側支持体6の構造をさらに具体化し、製品化を行った。
第2の実施形態に係る上側支持体26と、傾斜していない水平アームを有する上側支持体500(比較例1、図10)および上側支持体600(比較例2、図11)について比較を行うために数値シミュレーションを行った。ここで、図10は、比較例1の上側支持体500を示す斜視図であり、図11は、比較例2の上側支持体600を示す斜視図である。
具体的には(1)周囲の温度を23℃から26℃に上昇させた場合、(2)周囲の温度を23℃から20℃に下降させた場合、(3)上側ガイドユニットに対してZ軸正方向(上方向)へ50Nの力を加えた場合、の3つの場合について、上側ガイドユニットのY方向変位(μm)、上側支持体の上端および下端のY方向変位(μm)、上側支持体のY方向からの傾き(長さ500μmあたりの傾き量(μm))をシミュレーションにて計算を行った。
(表1)は、周囲の温度を23℃から26℃に上昇させた場合の上側支持体500(比較例1、図10)、上側支持体600(比較例2、図11)および第2の実施形態である上側支持体26の上側ガイドユニットのY方向変位、上側支持体の上端および下端のY方向変位、上側支持体のY方向からの傾きを示したものである。
(表2)は、周囲の温度を23℃から20℃に下降させた場合の上側支持体500(比較例1、図10)、上側支持体600(比較例2、図11)および第2の実施形態である上側支持体26の上側ガイドユニットのY方向変位、上側支持体の上端および下端のY方向変位、上側支持体のY方向からの傾きを示したものである。
(表3)は、上側ガイドユニットの下端からZ軸正方向(上方向)へ50Nの力を加えた場合の上側支持体500(比較例1、図10)、上側支持体600(比較例2、図11)および第2の実施形態である上側支持体26の上側ガイドユニットのY方向変位、上側支持体の上端および下端のY方向変位、上側支持体のY方向からの傾きを示したものである。
また本実施形態においては、コラム2の上に設けられたU軸サドル51がU軸方向に移動する構成であったが、Z軸ベース9と上側支持体6,26の間にU軸スライダーを設けて、U軸スライダーにより上側支持体6,26をU軸方向に往復移動させる構成とすることもできる。
2 コラム
3 テーブル
4 加工槽
51 U軸サドル
52 V軸スライダー
6 上側支持体
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
9 Z軸ベース
W ワイヤ電極
100 ワイヤ放電加工装置
Claims (4)
- コラムに取り付けられ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、前記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、前記上側支持体を少なくとも1つの軸方向に移動させる軸駆動部を備えたワイヤ放電加工装置であって、
前記上側支持体が、前記軸駆動部に移動可能に固定されたアーム支持部と、前記アーム支持部から伸延し水平面に対して傾斜して配置された傾斜アームと、上端が前記傾斜アームに固定され、下端に前記上側ガイドユニットが設けられて、水平面に対して垂直となるように配置された垂直アームを備え、
前記下側支持体の温度変化による水平1軸方向の変化量と、前記上側支持体の温度変化による水平1軸方向の変化量が等しくなるように、前記軸駆動部、前記アーム支持部、前記傾斜アームおよび前記垂直アームの長さが構成されることを特徴とするワイヤ放電加工装置。 - 前記傾斜アーム、前記垂直アームおよび前記下側支持体は、セラミックスで形成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。
- 前記アーム支持部は鋳鉄で形成されており、前記傾斜アームとの締結面に複数の溝が設けら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。
- 前記傾斜アームの水平面に対する傾斜角度は、30°以上60°以下であ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。
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