JP7056653B2 - ワイヤ放電加工用電極線 - Google Patents

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Description

本発明は、ワイヤ放電加工用電極線に関するものである。
本出願は、2017年5月16日出願の日本出願第2017-097092号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
ワイヤ放電加工においては、液体中に浸漬された被加工物と電極線との間に電圧が印加され、放電によって生じた熱によって被加工物が溶融することにより、被加工物が加工される。ワイヤ放電加工に用いられる電極線(ワイヤ放電加工用電極線)としては、鋼からなる芯線部の表面に銅-亜鉛合金(Cu-Zn合金)からなる被覆層が形成されたものが知られている(たとえば、特許文献1参照)。
特開2015-71221号公報
本開示に従ったワイヤ放電加工用電極線は、鋼からなる芯線部と、芯線部の外周側を覆い、銅-亜鉛合金からなり、ワイヤ放電加工用電極線の表面を含むように配置される被覆層と、を備える。被覆層は、γ相単相からなる。被覆層の周方向における表面粗さRaは0.08μm以下である。被覆層の長手方向における表面粗さRaは0.08μm以下である。
電極線の構造を示す概略図である。 長手方向に沿う断面を示す電極線の表面付近の概略断面図である。 長手方向に垂直な断面を示す電極線の表面付近の概略断面図である。 電極線の製造方法の概略を示すフローチャートである。 原料鋼線の長手方向に垂直な断面を示す概略断面図である。 伸線工程、Cu層形成工程およびZn層形成工程を説明するための概略断面図である。 第1熱処理工程を説明するための概略断面図である。 第1熱処理工程終了時の長手方向に垂直な断面の外形形状を示す模式図である。 減面率1%の平滑化伸線工程を実施した場合の長手方向に垂直な断面の外形形状を示す模式図である。 減面率4%の平滑化伸線工程を実施した場合の長手方向に垂直な断面の外形形状を示す模式図である。 減面率と導電率との関係を示す図である。
[本開示が解決しようとする課題]
ワイヤ放電加工においては、生産性向上の観点から高速加工が求められる。また、ワイヤ放電加工においては、加工によって作製される部材の寸法精度の向上、すなわち加工精度の向上が求められる。そこで、高速加工と高い加工精度との両立を可能とするワイヤ放電加工用電極線を提供することを目的の1つとする。
[本開示の効果]
上記ワイヤ放電加工用電極線によれば、高速加工と高い加工精度との両立を可能とするワイヤ放電加工用電極線を提供することができる。
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願のワイヤ放電加工用電極線は、鋼からなる芯線部と、芯線部の外周側を覆い、銅-亜鉛合金からなり、ワイヤ放電加工用電極線の表面を含むように配置される被覆層と、を備える。被覆層は、γ相単相からなる。
被覆層の周方向における表面粗さRaは0.08μm以下である。被覆層の長手方向における表面粗さRaは0.08μm以下である。
本願のワイヤ放電加工用電極線の被覆層は、γ相単相の銅-亜鉛合金からなる。これにより、高速加工が可能となっている。一方、本発明者らの検討によれば、被覆層をγ相単相の銅-亜鉛合金からなるものとした場合、周方向における粗さが大きくなって加工精度を低下させる場合がある。本願のワイヤ放電加工用電極線の被覆層においては、周方向における表面粗さRaが0.08μm以下とされることにより、加工精度の低下が抑制される。
また、本発明者らの検討によれば、被覆層をγ相単相の銅-亜鉛合金からなるものとした場合、周方向に延びるクラックが発生しやすい。このクラックによって長手方向における粗さが大きくなるとともに、導電率が低下する場合がある。また、被覆層をγ相単相の銅-亜鉛合金からなるものとした場合、周方向と同様に、長手方向における粗さも大きくなって加工精度を低下させる場合がある。本願のワイヤ放電加工用電極線の被覆層においては、長手方向における表面粗さRaは0.08μm以下とされることにより、導電率の低下が抑制されるとともに、加工精度の低下が抑制される。
このように、本願のワイヤ放電加工用電極線によれば、高速加工と高い加工精度とを両立させることができる。
上記ワイヤ放電加工用電極線において、被覆層の長手方向における表面粗さRzは0.50μm以下であってもよい。このようにすることにより、導電率の低下が一層抑制されるとともに、加工精度の低下が一層抑制される。
上記ワイヤ放電加工用電極線において、被覆層の表面を含む領域である表層領域における結晶粒は、ワイヤ放電加工用電極線の径方向に比べて長手方向に長い形状を有していてもよい。このようにすることにより、電極線の周方向における表面粗さが低減される。また、電極線の周方向に延びるクラックを抑制し、長手方向における表面粗さを低減するとともに、十分な導電率を確保することが容易となる。
上記ワイヤ放電加工用電極線において、表層領域における結晶粒は、表層領域よりも内周側に位置する内部領域における結晶粒に比べて、径方向に対する長手方向の長さの比が大きくなっていてもよい。このようにすることにより、電極線の周方向における表面粗さが低減される。また、電極線の周方向に延びるクラックを抑制し、長手方向における表面粗さを低減するとともに、十分な導電率を確保することが容易となる。
上記ワイヤ放電加工用電極線において、長手方向に垂直な断面における外周の真円度が0.25μm以下であってもよい。このようにすることにより、加工精度を一層向上させることができる。
上記ワイヤ放電加工用電極線において、ワイヤ放電加工用電極線の長手方向100μmの範囲のワイヤ放電加工用電極線の表面におけるクラックの数は10個以下であってもよい。このようにすることにより、十分な導電率を確保することが容易となる。
上記ワイヤ放電加工用電極線の導電率は8%IACS(International Annealed Copper Standard)以上20%IACS以下であってもよい。このようにすることにより、ワイヤ放電加工用電極線に適切な導電性を付与することができる。
上記ワイヤ放電加工用電極線において、表面硬度は300HV以上600HV以下であってもよい。このようにすることにより、被覆層に十分な強度を付与することができる。
表面硬度は、たとえば株式会社島津製作所製の硬度測定器(DUH-211)により測定することができる。
上記ワイヤ放電加工用電極線において、被覆層を構成する銅-亜鉛合金の亜鉛含有量は60質量%以上75質量%以下であってもよい。このようにすることにより、被覆層をγ相単相の銅-亜鉛合金からなるものとすることが容易となる。
[本願発明の実施形態の詳細]
次に、本発明にかかるワイヤ放電加工用電極線の実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
図1を参照して、本実施の形態におけるワイヤ放電加工用電極線である電極線1は、鋼からなる芯線部10と、芯線部10の外周側を覆い、銅-亜鉛合金からなり、電極線1の表面21を含むように配置される被覆層20とを備える。
芯線部10を構成する鋼は、たとえば0.6質量%以上1.1質量%以下の炭素を含む。芯線部10を構成する鋼としては、たとえばJIS規格G3502に規定されるピアノ線材を採用することができる。芯線部10を構成する鋼は、全域にわたって均一なパーライト組織を有する。
被覆層20を構成する銅-亜鉛合金は、たとえば60質量%以上75質量%以下の亜鉛を含む。被覆層20は、γ相単相からなる。すわなち、被覆層20を構成する銅-亜鉛合金は、γ相単相からなる。被覆層20を構成する銅-亜鉛合金は、添加元素として銀(Ag)、金(Au)、アルミニウム(Al)、カドミウム(Cd)および水銀(Hg)からなる群から選択される1種以上の元素を含んでいてもよい。被覆層20の厚みは、たとえば1μm以上8μm以下である。
被覆層20の周方向(矢印αに沿う方向)における表面粗さRaは0.08μm以下である。被覆層20の長手方向(矢印βに沿う方向)における表面粗さRaは0.08μm以下である。
本実施の形態の電極線1の被覆層20は、γ相単相の銅-亜鉛合金からなっている。これにより、高速加工が可能となっている。また、被覆層20においては、周方向における表面粗さRaが0.08μm以下とされることにより、加工精度の低下が抑制されている。さらに、被覆層20においては、長手方向における表面粗さRaが0.08μm以下とされることにより、導電率の低下が抑制されるとともに、加工精度の低下が抑制されている。その結果、電極線1は、高速加工と高い加工精度とを両立させることが可能なワイヤ放電加工用電極線となっている。
図2は、電極線1の長手方向(図1の矢印βに沿う方向)に沿う断面における電極線1の表面付近(被覆層20)の金属組織(ミクロ組織)の状態を示している。図3は、電極線1の長手方向(図1の矢印βに沿う方向)に垂直な断面における電極線1の表面付近(被覆層20)の金属組織(ミクロ組織)の状態を示している。
図2および図3を参照して、芯線部10の表面11に接触するように芯線部10を覆う被覆層20は、表面21を含む領域である表層領域28と、表層領域28よりも内周側に位置し、芯線部10の表面11に接触する領域である内部領域29とを含む。表層領域28および内部領域29は、いずれも複数の(多数の)結晶粒25A,25Bを含む多結晶構造を有する。
図2を参照して、表層領域28における結晶粒25Aは、電極線1の径方向に比べて長手方向(矢印βに沿う方向)に長い形状を有している。表層領域28における結晶粒25Aは、内部領域29における結晶粒25Bに比べて、径方向に対する長手方向の長さの比が大きい。このような金属組織を有することにより、本実施の形態の電極線1においては、周方向における表面粗さが低減される。また、周方向に延びるクラック31を抑制し、長手方向における表面粗さを低減するとともに、十分な導電率を確保することが可能となっている。具体的には、電極線1の長手方向100μmの範囲の電極線1の表面21におけるクラック31の数は10個以下となっている。
クラック31の数は、たとえば電極線1を長手方向に沿った断面で切断し、切断面を顕微鏡にて観察することにより調査することができる。電極線1の長手方向100μmの範囲を複数個所、たとえば5か所観察し、当該5か所の平均値をもって長手方向100μmの範囲のクラック31の数とすることができる。電極線1の長手方向100μmの範囲の電極線1の表面21におけるクラック31の数は5個以下であることが好ましく、0個、すなわちたとえば5か所の観察を行った場合にクラック31が観察されないことがより好ましい。
本実施の形態の電極線1において、被覆層20の周方向における表面粗さRaは0.06μm以下とすることが好ましく、0.04μm以下とすることがより好ましい。このようにすることにより、加工精度が一層向上する。
また、本実施の形態の電極線1において、被覆層20の長手方向における表面粗さRzは0.50μm以下とすることが好ましく、0.30μm以下、さらには0.20μm以下とすることがより好ましい。また、本実施の形態の電極線1において、被覆層20の長手方向における表面粗さRaは0.06μm以下とすることが好ましく、0.04μm以下とすることがより好ましい。これにより、導電率の低下が一層抑制されるとともに、加工精度の低下が一層抑制される。
なお、上記表面粗さRaおよび表面粗さRzは、JIS規格B0601に規定される表面粗さを意味する。また、本願において、周方向の表面粗さは、基準長さをワイヤ放電加工用電極線の周方向一周分の長さ(外周長さ)として測定されるものとする。
また、本実施の形態の電極線1において、長手方向に垂直な断面における外周の真円度(被覆層20の表面21の真円度)は0.25μm以下であることが好ましい。このようにすることにより、加工精度を一層向上させることができる。上記真円度は、0.15μm以下であることがより好ましく、0.10μm以下であることがさらに好ましい。真円度とは、電極線1の長手方向に垂直な断面における表面21の外形形状に対する外接円と内接円との半径の差を意味する。
また、本実施の形態の電極線1の導電率は8%IACS以上20%IACS以下であることが好ましい。これにより、電極線1に適切な導電性を付与することができる。電極線1の導電率は9%IACS以上であることがより好ましい。
また、本実施の形態の電極線1の表面硬度(被覆層20の表面21の硬度)は300HV以上600HV以下であることが好ましい。これにより、被覆層20に十分な強度を付与することができる。電極線1の表面硬度は、400HV以上であることがより好ましい。電極線1の表面硬度は、500HV以下であることがより好ましい。
電極線1の引張強さは、1800MPa以上3200MPa以下とすることが好ましい。これにより、ワイヤ放電加工において断線することが抑制される。電極線1の引張強さは、2000MPa以上3000MPa以下とすることがより好ましい。
電極線1の線径は20μm以上200μm以下とすることが好ましい。線径を20μm以上とすることにより、十分な強度を確保することが容易となる。線径を200μm以下とすることにより、精密な加工が容易となる。
電極線1の長手方向に垂直な断面において、被覆層20の面積率は10%以上45%以下とすることが好ましい。これにより、十分な引張強さを確保しつつ所望の導電性および放電性を得ることが容易となる。
次に、本実施の形態の電極線1の製造方法の一例について説明する。図4を参照して、本実施の形態における電極線1の製造方法では、まず工程(S10)として原料鋼線準備工程が実施される。この工程(S10)では、たとえばJIS規格G3502に規定されるピアノ線材からなる鋼線が準備される。具体的には、図5を参照して、所望の電極線1の線径を考慮して適切な線径を有する原料鋼線50が準備される。原料鋼線50の長手方向に垂直な断面は円形である。原料鋼線50は、たとえば圧延工程および伸線工程を含むプロセスにより準備される。
次に、工程(S20)として伸線工程が実施される。この工程(S20)では、工程(S10)において準備された原料鋼線50が伸線加工(引抜き加工)される。これにより、原料鋼線50の線径が、後述する工程(S60)が実施された後に所望の電極線1の芯線部10の線径となるように調整される。この原料鋼線50に対してパテンティング処理を実施してもよい。パテンティング処理は、原料鋼線50をオーステナイト化温度(A点温度)以上の温度域に加熱した後、マルテンサイト変態開始温度(M点温度)よりも高い温度域まで急冷し、当該温度域で保持することにより実施することができる。これにより、原料鋼線50の鋼組織がラメラ間隔の小さい微細パーライト組織となる。
次に、工程(S30)としてCu層形成工程が実施される。この工程(S30)では、工程(S20)が実施された原料鋼線50の表面に銅層(Cu層)が形成される。具体的には、図6を参照して、原料鋼線50の表面51を覆うように、銅層52が形成される。
銅層52は、たとえばめっきにより形成することができる。
次に、工程(S40)としてZn層形成工程が実施される。この工程(S40)では、工程(S30)が実施された原料鋼線50の表面に亜鉛層(Zn層)が形成される。具体的には、図6を参照して、原料鋼線50の表面51上に形成された銅層52の表面53を覆うように、亜鉛層54が形成される。亜鉛層54は、たとえばめっきにより形成することができる。
工程(S30)および(S40)において形成される銅層52および亜鉛層54の厚みは、被覆層20を構成する所望の銅-亜鉛合金の成分組成を考慮して決定することができる。また、銅層52および亜鉛層54の形成順は上記の順に限られず、亜鉛層54を形成した後に銅層52を形成してもよい。
次に、工程(S50)として第1熱処理工程が実施される。この工程(S50)では、工程(S30)および(S40)において形成された銅層52および亜鉛層54に対して合金化処理が実施される。具体的には、銅層52および亜鉛層54を有する原料鋼線50に対して、たとえば200℃以上500℃以下の温度域に加熱して1時間以上6時間以下の時間保持する熱処理が実施される。これにより、図6および図7を参照して、銅層52および亜鉛層54が合金化され、γ相単相からなる銅-亜鉛合金から構成される被覆層56が得られる。
次に、工程(S60)として平滑化伸線工程が実施される。この工程(S60)では、表面51を覆うように被覆層56が形成された原料鋼線50に対して、表面の平滑化を目的とした伸線加工(平滑化伸線加工)が実施される。具体的には、被覆層56が形成された原料鋼線50に対して、減面率1%以上5%以下という低い減面率の伸線加工が実施される。
次に、工程(S70)として第2熱処理工程が実施される。この工程(S70)では、工程(S60)において伸線加工された被覆層56に対して、たとえば200℃以上500℃以下の温度に加熱して1時間以上6時間以下の時間保持する熱処理が実施される。これにより、芯線部10と、芯線部10の表面11を被覆する被覆層20とを備える電極線1が得られる。原料鋼線50および被覆層56は、それぞれ電極線1の芯線部10および被覆層20に対応する。
ここで、本実施の形態の電極線1の製造方法では、工程(S50)における熱処理により、γ相単相からなる被覆層56(被覆層20)が形成される。γ相単相からなる被覆層56(被覆層20)の形成により、電極線1の表面21の凹凸が大きくなり、何ら対策を講じない場合、加工精度が低下するという問題が生じる。
これに対し、本実施の形態においては、工程(S60)において平滑化伸線工程が実施される。これにより、表層領域28内の結晶粒25Aが、電極線1の径方向に圧縮されるとともに長手方向に沿って伸ばされ、平滑化が達成される。γ相は脆いため、伸線加工における減面率が5%を超えると、周方向に延在するクラック31が多数形成される。その結果、周方向における表面粗さは小さくなるものの、長手方向における表面粗さはクラック31の影響により大きくなり、導電率も低下する。減面率を5%以下とすることにより、クラック31の形成を抑制しつつ、表面21の表面粗さを低減することができる。また、減面率を1%以上とすることにより、伸線時においてより確実に被覆層56(被覆層20)とダイスとの接触が全周において確保され、周方向における表面粗さをより確実に低減することができる。
さらに、本実施の形態では、工程(S70)として第2熱処理工程が実施される。この工程(S70)は必須の工程ではないが、これを実施することにより、工程(S60)においてクラック31が形成された場合でも、原子の拡散によりクラック31の一部または全部が修復され、クラック31がさらに低減される。
このように、本実施の形態の電極線1の製造方法によれば、高速加工と高い加工精度との両立を可能とする電極線1を製造することができる。なお、上記実施の形態においては、伸線工程が工程(S20)としてCu層形成工程およびZn層形成工程の前に実施される場合について説明したが、伸線工程は、Cu層形成工程およびZn層形成工程の後であって第1熱処理工程の前に実施されてもよい。
上記実施の形態における平滑化伸線工程の効果を検証する実験を行った。具体的には、上記実施の形態の電極線1の製造方法において、工程(S10)~(S50)が実施されたサンプル(サンプルA)を準備した。このサンプルAに対して、減面率1%の平滑化伸線工程を実施したサンプル(サンプルB)、および減面率4%の平滑化伸線工程を実施したサンプル(サンプルC)を作製した。そして、サンプルA~Cについて長手方向に垂直な断面で切断し、切断面の外形形状を調査する実験を行った。また、サンプルAに対して種々の減面率にて平滑化伸線工程を実施し、得られた電極線の導電率を測定する実験を行った。
図8、図9および図10は、それぞれサンプルA、BおよびCの外形形状を示す模式図である。また、図11は、平滑化伸線工程における減面率と、得られた電極線の導電率との関係を示す図である。
図8および図9を参照して、1%の減面率の平滑化伸線工程を実施することにより、周方向における凹凸は改善する。さらに図9および図10を参照して、4%の減面率の平滑化伸線工程を実施することにより、周方向における凹凸はさらに改善する。このように、減面率5%以下という減面率の小さい伸線加工であっても、周方向における凹凸を有効に改善することができる。
図11を参照して、平滑化伸線工程における減面率が大きくなるにしたがって、導電率が低下することが確認される。これは、減面率の大きい伸線加工を実施することにより、被覆層20にクラック31が多数形成されたためであると考えられる。そして、平滑化伸線工程における減面率を5%以下とすることにより、クラック31の発生が抑制され、実用上十分な導電率が確保できることが分かる。
以上の実験結果から、γ相単相からなる被覆層を採用し、減面率5%以下の平滑化伸線工程を実施することにより、高速加工と高い加工精度との両立を可能とするワイヤ放電加工用電極線を製造できることが確認される。
なお、上記実施の形態および実施例においては、被覆層20が芯線部10の表面に接触して形成される場合について説明したが、本願のワイヤ放電加工用電極線はこれに限られない。たとえば、被覆層20と芯線部10との間に、導電率向上を目的として純銅からなる銅層が配置されていてもよい。また、銅層と被覆層20との間には、亜鉛の拡散を阻害するブロック層として、たとえばニッケル(Ni)層が配置されていてもよい。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 電極線
10 芯線部
11 表面
20 被覆層
21 表面
25A,25B 結晶粒
28 表層領域
29 内部領域
31 クラック
50 原料鋼線
51 表面
52 銅層
53 表面
54 亜鉛層
56 被覆層

Claims (9)

  1. ワイヤ放電加工用電極線であって、
    鋼からなる芯線部と、
    前記芯線部の外周側を覆い、銅-亜鉛合金からなり、前記ワイヤ放電加工用電極線の表面を含むように配置される被覆層と、を備え、
    前記被覆層は、γ相単相からなり、
    前記被覆層の周方向における表面粗さRaは0.08μm以下であり、
    前記被覆層の長手方向における表面粗さRaは0.08μm以下であり、
    前記ワイヤ放電加工用電極線の引張強さは、1800MPa以上3200MPa以下である、ワイヤ放電加工用電極線。
  2. 前記被覆層の長手方向における表面粗さRzは0.50μm以下である、請求項1に記載のワイヤ放電加工用電極線。
  3. 前記被覆層の表面を含む領域である表層領域における結晶粒は、前記ワイヤ放電加工用電極線の径方向に比べて長手方向に長い形状を有する、請求項1または請求項2に記載のワイヤ放電加工用電極線。
  4. 前記表層領域における結晶粒は、前記表層領域よりも内周側に位置する内部領域における結晶粒に比べて、径方向に対する長手方向の長さの比が大きい、請求項3に記載のワイヤ放電加工用電極線。
  5. 長手方向に垂直な断面における外周の真円度が0.25μm以下である、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載のワイヤ放電加工用電極線。
  6. 前記ワイヤ放電加工用電極線の長手方向100μmの範囲の前記ワイヤ放電加工用電極線の表面におけるクラックの数は10個以下である、請求項1~請求項5のいずれか1項に記載のワイヤ放電加工用電極線。
  7. 導電率が8%IACS以上20%IACS以下である、請求項1~請求項6のいずれか1項に記載のワイヤ放電加工用電極線。
  8. 表面硬度が300HV以上600HV以下である、請求項1~請求項7のいずれか1項に記載のワイヤ放電加工用電極線。
  9. 前記被覆層を構成する銅-亜鉛合金の亜鉛含有量は60質量%以上75質量%以下である、請求項1~請求項8のいずれか1項に記載のワイヤ放電加工用電極線。
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