JP7371521B2

JP7371521B2 - 放電加工用電極線の製造方法

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Publication number: JP7371521B2
Application number: JP2020024185A
Authority: JP
Inventors: 孝光木村
Original assignee: Proterial Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2023-10-31
Anticipated expiration: 2040-02-17
Also published as: JP2021126745A

Description

本発明は、放電加工用電極線に関する。

金属ワイヤ（以下、単にワイヤと呼ぶ）を電極として用い、電極と被加工物（以下、ワークと呼ぶ）との間に放電を発生させながら走行させることにより、ワークを溶断加工する技術（放電加工技術）がある。ワイヤとして、例えば、特許文献１（特開平１１－３２０２６７号公報）には、表面に潤滑剤としての流動パラフィンが塗布された放電加工用電極線が記載されている。

特開平１１－３２０２６７号公報

放電加工では、加工時のワイヤの位置精度を向上させることが重要なので、ワイヤの位置をガイドにより制御する。この場合、ワイヤとガイドとが擦れてワイヤに由来する微細な金属粉が発生する場合がある。この金属粉の発生を抑制する方法として、ワイヤの表面を潤滑剤で覆い、ワイヤとガイドとの擦れを低減する方法がある。ところが、ワイヤの表面が潤滑剤に覆われている場合、絶縁材料である潤滑剤に起因して放電不良が発生する場合がある。

近年、ガイドの加工精度を向上させて、ワイヤに接するガイド面の平坦度を向上させることにより、ワイヤとガイド面とが接触した場合でも、金属粉が発生し難い放電加工装置もある。ただし、金属粉が発生し難い放電加工装置、すなわち、ワイヤの表面に潤滑剤を必要としない放電加工装置（以下、潤滑剤が不要な放電加工装置と記載する場合がある）に対して、表面に潤滑剤が厚く（例えば、０．３μｍ以上）塗布されたワイヤを用いた場合、潤滑剤に起因する放電不良の発生頻度が増大する。一方、金属粉が発生し易い放電加工装置、すなわち、ワイヤの表面に潤滑剤を必要とする放電加工装置（以下、潤滑剤が必要な放電加工装置と記載する場合がある）に潤滑剤が塗布されていないワイヤを用いた場合、金属粉の発生頻度が増大する。

このため、潤滑剤が不要な放電加工装置と、潤滑剤が必要な放電加工装置が共存している場合、加工装置毎に専用のワイヤを準備しておく必要が生じ、ワイヤの在庫管理が煩雑である。このような在庫管理の煩雑さを改善するためには、潤滑剤が不要な放電加工装置と、潤滑剤が必要な放電加工装置のいずれでも利用可能なワイヤが必要になる。

本発明の目的は、潤滑剤が不要な放電加工装置と、潤滑剤が必要な放電加工装置のいずれでも利用可能な放電加工用電極線を提供することにある。

一実施の形態である放電加工用電極線は、金属線と、前記金属線の表面を被覆する被覆層と、を有し、前記被覆層は、潤滑剤からなり、前記被覆層の厚さは、０．１５μｍ以下である。

例えば、前記被覆層は、前記潤滑剤が５０ｃｍ^２／秒以下の動粘度を有する。

例えば、前記被覆層の厚さの平均値を基準として、前記被覆層の厚さのバラつきは、±１５％以内である。

本発明の代表的な実施の形態による放電加工用電極線は、潤滑剤が不要な放電加工装置と、潤滑剤が必要な放電加工装置のいずれでも利用可能である。

一実施の形態である金属線の斜視断面図である。図１に示すワイヤを適用した放電加工装置の構成例を示す説明図である。図２に示す上部ガイドおよびワイヤの断面図である。図１に示すワイヤの製造装置の概要を示す説明図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、放電加工用電極線であるワイヤを、放電加工用電極線、ワイヤ、あるいは電極線と呼ぶ。

＜放電加工用電極線＞
図１は、本実施の形態の金属線の斜視断面図である。図１に示すワイヤ（放電加工用電極線）１０は、金属線１１と、金属線１１の表面を被覆する被覆層１２と、を有する。被覆層１２の厚さ１２Ｔは、０．１５μｍ以下である。より好ましくは、０．０１μｍ以上、０．１０μｍ以下である。

金属線１１は、例えば、真鍮などからなる。金属線１１の線径１１Ｄ（延在方向に直交する断面の直径）は、例えば、０．２ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下である。金属線１１の表面（被覆層１２で被覆される面）は、積極的に凹凸が形成されていない一様な面からなることが好ましい。

被覆層１２は、いわゆる流動パラフィンなどの潤滑剤で構成される絶縁材料からなる。ワイヤ１０は、上記の通り、被覆層１２の厚さ１２Ｔを０．１５μｍ以下に薄くすることにより、ワークを放電加工する際、ワークとワイヤ１０の金属線１１との間で発生する放電（アーク放電）が被覆層１２を介してワークまで到達しやすくなる。このため、ワイヤ１０は、潤滑剤が不要な放電加工装置と潤滑剤が必要な放電加工装置とのいずれにおいても、絶縁性の被覆層１２に起因する放電不良の発生を抑制できる。また、ワイヤ１０は、金属線１０の表面に被覆層１２を備えているので、放電加工時に、放電加工装置に設けられたガイドとワイヤ１０との摩擦による金属粉の発生を抑制できる。以下、本実施の形態のワイヤ１０を適用した放電加工方法を詳細に説明する。

図２は、図１に示すワイヤを適用した放電加工装置の構成例を示す説明図である。図２に示す放電加工装置２０は、放電加工用電極線であるワイヤ１０と、ワイヤ１０を供給する供給部２１と、ワイヤ１０を回収する回収部２２と、ワーク３０を経由して回収部２２にワイヤ１０を送る複数のローラ２３と、を有する。また、放電加工装置２０は、ワーク３０を固定するテーブル３１を有する。放電加工を行う際には、ワイヤ１０はワーク３０との間で繰り返し放電を発生させる。このため、放電のダメージにより、ワイヤ１０が損傷して放電不良が生じることを防止するため、放電加工時には、ワイヤ１０が供給部２１から回収部２２に向かって、順次送られる。

また、放電加工装置２０は、ワーク３０に近接する領域におけるワイヤ１０の位置を制御する上部ガイド２４および下部ガイド２５を有する。上部ガイド２４および下部ガイド２５は、ワーク３０を挟むように配置される。放電加工装置２０は、金型の製造など、複雑な形状の構造物の製造に用いられる。したがって、ワーク３０を固定するテーブル３１、上部ガイド２４、および下部ガイド２５のうち、少なくとも一つ以上は、Ｘ－Ｙ平面に沿って移動可能な状態で放電加工装置２０に取り付けられている。例えば、上部ガイド２４およびテーブル３１が、Ｘ－Ｙ平面に沿って互いに独立して移動可能になっており、下部ガイド２５は固定されている。なお、変形例として、下部ガイド２５がＸ－Ｙ平面に沿って上部ガイド２４およびテーブル３１とは独立して移動可能になっている場合もある。

また、放電加工装置２０は、ワイヤ１０とワーク３０との間に放電を生じさせるための電圧を印加する電源部４０を有する。電源部４０は、一方の電極が給電子４１に接続され、他方の電極がワーク３０に直接、あるいはテーブル３１を介して接続されている。放電加工を行う際には、電源部４０から給電子４１を介してワイヤ１０に第１電位が供給され、電源部からワーク３０に第２電位が供給される。この第１電位と第２電位の電位差が大きくなると、ワイヤ１０とワーク３０の間の領域で絶縁破壊が生じ、放電（アーク放電）が発生する。この放電を繰り返し発生させることにより、ワーク３０が溶断される。また、ワーク３０の溶断時に生じるスラッジはスラッジ形成後に生じる放電により周囲に飛ばされる。一方、ワイヤ１０は、上記したように、供給部２１から順次供給されるため、繰り返しの放電のダメージによる放電不良を抑制する。ワイヤ１０を用いた放電加工では、このように放電を繰り返すことにより、所定の形状に成形される。

図３は、図２に示す上部ガイドおよびワイヤの断面図である。放電加工装置２０は、上部ガイド２４および下部ガイド２５により、ワイヤ１０の位置を制御するので、上部ガイド２４および下部ガイド２５では、ワイヤ１０とガイドとが接触する。例えば、図３に示すように、上部ガイド２４は、貫通孔が形成されたワイヤガイドホルダ２４Ａと、ワイヤガイドホルダ２４Ａに保持されるワイヤガイド２４Ｂと、を備える。ワイヤガイド２４Ｂは、例えばサファイア、ダイアモンド、あるいはセラミックスなどの材料から成り、ワイヤ１０と対向するガイド面２４ｓは微細な凹凸がある。放電加工を行う際には、ワイヤ１０は、ガイド面２４ｓと接触する。

ここで、図３に対する検討例として、被覆層１２が存在せず、例えば真鍮などの金属材料から成る金属線１１が露出している場合、金属線１１とガイド面２４ｓとが接触する。このため、金属線１１とガイド面２４ｓとの接触界面での摺動の程度によっては、金属線１１の表面が削られて金属粉が生じる。図２に示すように、上部ガイド２４は、ワーク３０の上方に配置されるので、金属粉が生じた場合、金属粉がワーク３０に付着する可能性がある。

本実施の形態のワイヤ１０の場合、上記したように、金属線１１の周囲が被覆層１２に覆われ、被覆層１２の厚さ１２Ｔ（図１参照）は０．１５μ以下（好ましくは０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下）である。このため、ワイヤ１０の被覆層１２とガイド面２４ｓとが接触したとしても、金属線１１は被覆層１２に保護されるので、金属粉の発生を抑制できる。

ところで、被覆層１２を構成する材料は、例えば流動パラフィンなどの潤滑剤で構成される絶縁材料である。上記のように、金属線１１を保護する目的で利用される被覆層１２は、金属線１１の表面全体を覆っていることが重要である。金属線１１の表面全体を覆うためには、被覆層１２の厚さ１２Ｔ（図１参照）を厚くする傾向がある。例えば、検討例のワイヤとして、厚さのバラつきを考慮して、薄い部分でも０．３μｍ～０．５μｍ程度、厚い部分では数μｍ～１０数μｍ程度の厚さの被覆層により金属線が覆われている場合が考えられる。

この検討例のワイヤの場合、放電加工を行う際に放電不良が発生する場合がある。例えば、図２に示す給電子４１から電界を供給する際に、ワイヤは、厚い被覆層により絶縁されているため、給電不良が発生する場合がある。この場合、検討例のワイヤに対して電位が供給されないタイミングが生じるため、放電不良の原因になる。あるいは、被覆層の厚さが厚いことにより、検討例のワイヤとワーク３０との間で絶縁破壊を生じさせることができず、放電が生じない場合がある。このように、絶縁材料から成る被覆層は、安定的な放電を阻害する原因になる。

上記したように近年、図３に示すワイヤガイド２４Ｂの加工精度を向上させて、ガイド面２４ｓの平坦度を向上させることにより、金属線１１とガイド面２４ｓとが接触した場合でも、金属粉が発生し難い放電加工装置（潤滑剤が不要な放電加工装置）もある。ただし、上記したように潤滑剤が必要な放電加工装置と、潤滑剤が不要な放電加工装置が共存している場合、加工装置毎に専用のワイヤを準備しておく必要が生じ、ワイヤの在庫管理が煩雑である。したがって、金属粉が発生し易い放電加工装置と、発生し難い放電加工装置のいずれでも利用可能な放電加工用電極線が要求される。また、図２に示す給電子４１は、ワイヤ１０に電位を供給する際にワイヤ１０に接触する場合がある。この場合に、給電子４１の摩耗による損傷を低減する観点からは、図１に示すワイヤ１０のように、金属線１１が被覆層１２に覆われていることが好ましい。

本願発明者は、図１に示すように被覆層１２の厚さが薄ければ、放電不良が発生し難いという知見に基づき、被覆層１２の好ましい厚さについて検討を行った。この結果、図１に示す被覆層１２の厚さ１２Ｔが０．０１μｍ以上あれば、金属粉の発生頻度は実質的に問題が生じない程度まで低減できることが判った。また、被覆層１２の厚さ１２Ｔが０．１５μｍ以下の場合には、放電不良の発生頻度は実質的に問題が生じない程度まで低減できることが判った。

本願発明者は、ワイヤ１０の製造工程において、金属線１１の周囲に、被覆層１２を０．１５μｍ以下の厚さで薄く、均一にコーティングする方法を見出した。詳しくは後述する。なお、後述するコーティング方法は、一例であって、上記したワイヤ１０が得られる方法であれば後述する製造方法には限定されない。

ワイヤ１０の厚さ１２Ｔが上記した条件の範囲内であれば、金属粉の発生頻度、および放電不良の発生頻度を低減できるが、安定的に放電を生じさせる観点からは、厚さ１２Ｔのバラつきを低減することがより好ましい。後述するワイヤ１０の製造方法によれば、被覆層１２の厚さ１２Ｔのバラつきを低減できることが判った。詳しくは、被覆層１２の厚さ１２Ｔの平均値を基準として、被覆層１２の厚さ１２Ｔのバラつきは、±１５％以内である。なお、厚さ１２Ｔの平均値とは、例えばワイヤ１０の１つの横断面における任意の５点で各々の厚さを、光学電子顕微鏡を用いて測定した結果の平均値である。また、厚さ１２Ｔの算出方法は、ワイヤ１０の線径および金属線１１の線径１１Ｄを計測し、その差の半分の値を厚さ１２Ｔとすることができる。本実施の形態によれば、被覆層１２の厚さ１２Ｔのバラつきを低減することにより、放電の状態を安定化させることができる。放電の状態が安定すれば、放電加工されたワーク３０（図２参照）の加工精度（溶断表面の状態なども含む）を向上させることができる。

また、金属線１１の表面に、０．１５μｍ以下の厚さで薄く、均一に被覆層１２をコーティングするためには、被覆層１２を構成する潤滑剤（絶縁材料）の粘度（動粘度）が低いことが好ましい。詳しくは、図１に示すワイヤ１０の被覆層１２は、５０ｃｍ^２／秒以下の動粘度からなる潤滑剤で構成されることが好ましい。また、ワイヤ１０の被覆層１２は、動粘度が５０ｃｍ^２／秒以下の潤滑剤からなることにより、被覆層１２の厚さ１２Ｔを０．１５μｍ以下に薄くすることに有効である。このため、ワイヤ１０は、潤滑剤が不要な放電加工装置と潤滑剤が必要な放電加工装置とのいずれにおいても、放電を安定的に生じさせることができる。

なお、絶縁材料の絶縁破壊電圧は、絶縁材料の動粘度に比例して低下させることができる。例えば、被覆層１２として用いた流動パラフィン等の潤滑剤からなる絶縁材料の動粘度が１００ｃｍ^２／秒の場合と５０ｃｍ^２／秒の場合とを比較すると、絶縁破壊電圧を６５％に低減させることができる。すなわち、本実施の形態によれば、被覆層１２が５０ｃｍ^２／秒以下の動粘度からなる潤滑剤で構成されることにより、放電加工の際の絶縁破壊電圧を低減できるので、放電不良の発生を抑制できる。また、厚さ１２Ｔのバラつきを低減できるので、放電の状態を安定化させることができる。なお、動粘度は、例えば、毛細管粘度計法によって求められる。

＜放電加工用電極線の製造方法＞
次に、図１に示すワイヤ１０の製造方法について説明する。図４は、図１に示すワイヤの製造装置の概要を示す説明図である。なお、ワイヤ１０の製造方法には、図４に示す線材１５を製造する工程が含まれる。ただし、図４では線材１５の製造工程は図示を省略し、線材１５を加工してワイヤ１０を取得するまでの工程を示す。図４に示す放電加工用電極線の製造装置５０は、伸線装置６０、アニール装置７０、噴霧装置８０、送風装置９０、およびワイヤ巻取装置５１を有する。

まず、線材準備工程として、図４に示す線材１５を準備する。線材１５は金属線１１の原料となる金属線材である。線材１５の線径は、例えば、１．２ｍｍ程度である。線材１５は、例えば真鍮から成る。

次に、伸線加工工程として、線材１５の線径が所定の線径（例えば０．２～０．３ｍｍ）になるまで線材１５を引き伸ばし、仕掛り品である伸線材１６を得る。伸線装置６０において線材１５は引き伸ばされ、所定の線径の伸線材１６になる。伸線加工直後の伸線材１６は内部に歪が生じた状態である。

次に、アニール工程として、伸線材１６に熱処理を施し、伸線材１６の内部の歪を緩和させる。アニール装置７０は、熱処理部７１および冷却部７２を備える。伸線材１６は、熱処理部７１で加熱された後、冷却部７２で急激に冷却される。このアニール工程により伸線材１６の内部の歪は緩和され、ワイヤ１０の金属線１１として使用されるアニール材１７が得られる。

次に、被覆層コーティング工程を行う。被覆層コーティング工程は、噴霧装置８０によりアニール材１７に流動パラフィン等の潤滑剤１２Ｌを噴霧する噴霧工程、および噴霧工程の後、送風装置９０によりアニール材１７および潤滑剤１２Ｌに風を送り、余剰な潤滑剤１２Ｌを除去する送風工程を有する。上記したように、潤滑剤１２Ｌの動粘度は、例えば５０ｃｍ^２／秒以下と低粘度なので、噴霧装置８０から霧状にしてアニール材１７に吹き付けることができる。また、潤滑剤１２Ｌの噴霧後にアニール材１７に風を当てることにより、アニール材１７の周囲に付着した潤滑剤１２Ｌの層厚（図１に示す厚さ１２Ｔ）のバラつきを低減することができる。以上より、被覆層１２がアニール材に被覆されることになる。

図４に示すように、噴霧装置８０からの潤滑剤１２Ｌの噴霧、および送風工程の後、ワイヤ巻取装置５１によりワイヤ１０が巻き取られる。噴霧装置８０からの潤滑剤１２Ｌの噴霧および送風工程は、アニール装置７０とワイヤ巻取装置５１との間で、アニール材１７が緊張した状態で実施される。また、アニール材１７の進行速度は、ワイヤ巻取装置５１の巻取速度により制御可能である。このため、長尺のワイヤ１０であっても、金属線１１の周囲に、０．１５μｍ以下の厚さの薄い被覆層１２を安定的にコーティングすることができる。

なお、本実施の形態に係るワイヤ１０では、金属線１１を構成する金属材料の一例として真鍮を挙げ、被覆層１２を構成する潤滑剤として流動パラフィンを挙げた。ただし、金属材料の種類や潤滑剤の種類には種々の変形例がある。例えば、金属線１１の材料としては、真鍮の他、タングステン、モリブデンなどを用いることができる。また、潤滑剤として、流動パラフィンの他、潤滑性を備えるグリス、あるいは窒素化合物などを用いることができる。また、金属線１１の線径１１Ｄ（図１参照）を０．２～０．３ｍｍとして説明したが、線径にも種々の変形例がある。例えば細いものでは２０～３０μｍ程度の放電加工用電極線があり、太いものでは、０．３ｍｍより太いものもある。さらに、被覆層１２のコーティング方法として、本実施の形態では、アニール工程の後、噴霧装置８０から潤滑剤１２Ｌを噴霧する方法を説明したが、例えば、アニール装置７０の冷却部７２に設けられた図示しない冷却槽内の冷却液に、潤滑剤１２Ｌの成分（例えば上記した窒素化合物）を混入させる方法もある。この場合、図４に示す噴霧装置８０からの潤滑剤１２Ｌの噴霧は省略可能であり、送風工程のみを行うことで、被覆層１２が形成される。

本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１０ワイヤ（放電加工用電極線）
１１金属線
１１Ｄ線径
１２被覆層
１２Ｌ潤滑剤
１２Ｔ厚さ
１５線材
１６伸線材
１７アニール材
２０放電加工装置
２１供給部
２２回収部
２３ローラ
２４上部ガイド
２４Ａワイヤガイドホルダ
２４Ｂワイヤガイド
２４ｓガイド面
２５下部ガイド
３０ワーク
３１テーブル
４０電源部
４１給電子
５０製造装置
５１ワイヤ巻取装置
６０伸線装置
７０アニール装置
７１熱処理部
７２冷却部
８０噴霧装置
９０送風装置

Claims

金属線の表面を被覆する被覆層を有し、前記被覆層が潤滑剤で構成される絶縁材料からなり、前記被覆層の厚さが０．０１μｍ以上０．１５μｍ以下である放電加工用電極線の製造方法において、
伸線加工によって所定の線径を有する伸線材を得る伸線加工工程と、
前記伸線材に熱処理を施してアニール材を得るアニール工程と、
前記アニール工程で用いたアニール装置の冷却部に設けられた冷却槽内の冷却液に、前記潤滑剤の成分を混入させることにより、前記アニール材の表面に５０ｃｍ ² ／秒以下の動粘度を有する前記潤滑剤をコーティングする被覆層コーティング工程と、
前記被覆層コーティング工程の後に、前記アニール材の周囲に付着した余分な前記潤滑剤を送風によって除去する送風工程を、
を含む、放電加工用電極線の製造方法。