TWI492804B - 在工件上形成針點澆口的方法 - Google Patents

Description

在工件上形成針點澆口的方法

本發明有關於一種在工具電極與導電性的工件之間產生放電來對工件進行加工的放電加工方法。特別是，本發明有關於一種使用工具電極來在工件上形成針點澆口(pin point gate)的方法。

放電加工裝置是對包含鋼鐵或者超硬合金的工件精密地進行加工的工作機械。超硬合金是將金屬碳化物的粉末燒結而成的合金。工具電極通常安裝在放電加工裝置的主軸頭。工具電極的材料為例如石墨(graphite)、銅、銅合金。工件配置在貯存著介電液(dielectric fluid)的加工槽中。介電液為例如燈油(lamp oil)或者比電阻(specific resistance)高的水。使工具電極移動到非常接近於工件的位置。形成在工具電極與工件之間的微小的空隙被稱作“加工間隙”。

在放電加工中，放電加工裝置對加工間隙施加電壓脈衝(pulse)。其結果，介電液的絕緣受到破壞而在加工間隙產生放電。該放電也被稱作火花放電，將工件中的微量的材料熔融除去。通過反復進行放電，而在工件上形成形狀與工具電極一致的孔。放電加工裝置為將加工間隙維持在固定大小，伴隨工件材料的除去而使工具電極向工件前進。工具電極的前進方向通常為鉛直向下。

注射成形(injection molding)裝置是向模具的空腔(cavity)中注入樹脂并進行成形的機械。空腔的入口被稱作澆口(gate)或者注口(pouring gate)。向澆口導引樹脂的通道被稱作澆道(runner)或者注道。針點澆口是一種澆口，其具有φ為0.3 mm～1.2 mm的小開口。針點澆口也被稱作針澆口(pin gate)。圖1(I)中的參照編號44表示針點澆口的一例。針點澆口44伴隨有澆道43。

日本公開專利公報11-058114中，揭示有加工出針點澆口的特殊的中心鑽(center drill)。然而，一般而言，具有針點澆口的模具是通過放電加工裝置來製作的。圖3表示用以放電加工出針點澆口的工具電極的一例。由銅構成的工具電極10通過手柄(shank)8夾持在放電加工裝置的主軸頭(未圖示)。工具電極10具有20°角的前端。除前端以外工具電極10的側面傾斜2°。工具電極10具有較大的長寬比(aspect ratio)，因此其剛性較小。

工具電極在放電加工中會產生消耗。消耗率是工具電極的消耗重量(g)相對於工件的損耗量(g)的比率(%)。或者，消耗率是工具電極的長度的减少量(mm)相對於工件中所形成的孔的深度(mm)的比率(%)。對於具有較大的長寬比的工具電極10而言，採用後一消耗率。在大部分情况下，考慮到工具電極的消耗，為形成一個針點澆口而準備著多個工具電極。

日本公開專利公報2002-059316號中，揭示有一種用以使具有微細的直徑的工具電極成形的放電加工裝置。然而，此種放電加工裝置難以筆直地製作細長的錐形(tapered)工具電極。因此，細長的錐形工具電極是通過機械加工來製作的。進行此種機械加工的工作機械為例如車床或者加工中心機(machining center)。

圖4表示形成針點澆口的以往的方法。圖中的箭頭表示工具電極移動的方向。圖4中的工具電極11、12的形狀、大小及材質與圖3中的工具電極10相同。如圖4(A)中所示，第一個工具電極11移動到接近於工件2的位置。當對工具電極11與工件2之間施加電壓脈衝時，會在加工間隙產生放電。如圖4(B)中所示，通過反復進行放電而在工件2上形成孔。放電加工裝置為將加工間隙的大小維持於固定，使工具電極11一點點地向下方前進。

當工具電極11到達某深度時，結束使用工具電極11所進行的加工。某深度是考慮到消耗率等來規定的。如圖4(C)中所示，在工件2上形成形狀與工具電極11一致的孔41。如圖4(D)中所示，放電加工裝置使第二個工具電極12向孔41中移動。較為理想的是，在放電加工中，多數放電是在整個加工間隙中均勻地產生。

然而，有時在加工間隙的一部分集中產生放電。特別是，在新的工具電極插入先前形成的孔41中的情況下，放電產生部位容易偏移。如此一來，使新的工具電極向放電集中部位移動。其結果，工具電極彎曲，工件上所形成的孔也彎曲。圖4(E)誇張地表示彎曲的工具電極11。

特別是，推測通過機械加工來製作的工具電極因具有壓縮應力(compressive stress)而容易彎曲。本發明的目的在於提供一種使用通過機械加工製作的工具電極來筆直地形成針點澆口的放電加工方法。

根據本發明的一方面，在工件(2)上形成針點澆口(44)的方法依序包括如下步驟：通過機械加工來製作工具電極；使用工具電極對與工件相比消耗率小的犧牲材料(3、4)進行放電加工來向工具電極導入拉伸應力(tensile stress)；及使用工具電極來對工件進行放電加工。

針點澆口只要是具有φ小於等於1.2 mm的開口的澆口即可。工具電極包含銅，工件只要是包含鋼鐵或者超硬合金即可。犧牲材料只要是包含鋁或者鋅合金即可。優選在導入拉伸應力(tensile stress)的步驟中，形成在犧牲材料與工具電極之間的加工間隙被介電油充滿。

根據本發明的另一方面，在工件(2)上形成針點澆口(44)的方法包括如下步驟：通過機械加工來製作第1及第2工具電極(11、12)；使用第1工具電極(11)對工件進行放電加工而在工件中形成孔(41)；使用第2工具電極(12)對與工件相比消耗率小的犧牲材料(3、4)進行放電加工來向第2工具電極導入拉伸應力；及使用導入有拉伸應力的第2工具電極來將所述孔向更深處加工。

[發明的效果]

根據本發明，由於將拉伸應力導入到工具電極，因此，工具電極在工件的放電加工中，不會向放電集中的部位移動。其他優點將於以下的說明中部分性地記述。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

參照圖1對在工件上加工針點澆口的製程(process)進行說明。3個細長的錐形工具電極11、12、13的形狀、大小及材質與圖3中的工具電極10相同。這些工具電極11、12、13是通過使用車床或者加工中心機的機械加工來製作的。

第一個工具電極11安裝在放電加工裝置的主軸頭(未圖示)。工件2固定在貯存著介電油的加工槽(未圖示)中。如圖1(A)中所示，使工具電極11移動到接近於工件2的位置。形成在工件2與工具電極11之間的加工間隙被介電油充滿。工件2只要是包含適於注射成形用的模具的鋼鐵或者超硬合金即可。實施例中，工件2的材質是相當於日本工業標準的SKD11的鋼鐵。工件2的厚度為32 mm。

放電加工裝置對工具電極11與工件2之間施加電壓脈衝。其結果，介電油的絕緣受到破壞而在加工間隙產生放電。流過加工間隙的電流脈衝的峰值(peak)設定為9A。放電加工裝置為將加工間隙維持在固定的大小，伴隨工件2的材料的除去而使工具電極11向下方移動。當工具電極11到達設定深度時，結束使用工具電極11所進行的粗加工。設定深度是考慮到所推測的消耗率來規定的。如圖1(B)中所示，通過反復進行放電，而在工件2上形成形狀與工具電極11一致的孔41。孔41的加工所需的時間為約2.8小時。測定的結果為孔41的真直度在容許範圍內。

代替工具電極11，而將第二個工具電極12安裝在放電加工裝置的主軸頭。犧牲材料3固定在加工槽中。如圖1(C)中所示，使工具電極12移動到接近於犧牲材料3的位置。形成在犧牲材料3與工具電極12之間的加工間隙被介電油充滿。犧牲材料3只要是包含與工件2相比消耗率小的材質即可。犧牲材料3的材質為例如鋁或者鋅合金，實施例中為鋁。與工件2相同，犧牲材料3的厚度為32 mm。

放電加工裝置在工具電極12與犧牲材料3之間產生放電。對加工間隙供給電流脈衝的條件設定為與工件2的加工相同。如圖1(D)中所示，通過反復進行放電，而在犧牲材料3上形成形狀與工具電極12一致的孔51。孔51的加工所需的時間為約1小時。衆所周知，在介電油中作用有放電的面上存在拉伸應力。孔51的放電加工是向工具電極12的側面導入拉伸應力。

如圖1(E)中所示，使導入有拉伸應力的工具電極12向孔41中移動。放電加工裝置使用工具電極12再次對工件2進行粗加工。如圖1(F)中所示，在工件2上形成比孔41更深的孔42。測定的結果為孔41的真直度在容許範圍內。推測因拉伸應力而使得工具電極12不彎曲。

代替工具電極12，而將第三個工具電極13安裝在放電加工裝置的主軸頭。為將拉伸應力導入工具電極13的側面而使用形成著孔51的犧牲材料3。如圖1(G)中所示，使工具電極13向孔51中移動。在放電加工中，放電加工裝置不使工具電極13向下方移動，而是對工具電極13施加搖動(orbiting)。搖動是指工具電極在水平面內的規定的軌跡上移動。

圖1(G)中的箭頭表示搖動的軌跡為圓形。通過搖動而在工具電極13的側面的周圍產生放電。其結果，孔51的直徑擴大。伴隨著搖動的犧牲材料3的放電加工會向工具電極13導入拉伸應力。在工具電極13的整個側面的周圍產生放電所需的時間為約3.5分鐘。由於加工時間短，因此工具電極13幾乎不會產生消耗。可通過碳(carbon)的量來判斷是否在工具電極13的整個側面的周圍產生放電。在放電加工中，碳是通過介電油的熱分解而生成的，并附著在工具電極13上。

如圖1(H)中所示，使導入有拉伸應力的工具電極13向孔42中移動。放電加工裝置為形成貫穿孔而使用工具電極13來對工件2進行粗加工。貫穿孔的形成所需的時間為數分鐘。測定的結果為貫穿孔的真直度在容許範圍內。

放電加工裝置進行使貫穿孔的尺寸精度及表面粗糙度提高的精加工。第三個工具電極13也用於精加工。在工具電極13的消耗所無法容許的情況下，也可使用第四個工具電極。放電加工裝置對工具電極13的位置進行控制，以不使工具電極13的前端從工件2的底面突出超出0.39 mm。在精加工中，將能量(energy)小的電流脈衝供給到加工間隙。精加工分為5個階段，越靠後的階段，將越小的能量的電流脈衝供給到加工間隙。

貫穿孔的表面粗糙度被精加工至5 μmRz。以如此方式，如圖1(I)中所示形成伴隨著澆道43的針點澆口44。澆道43的入口與針點澆口44的軸心誤差為0.01 mm。

本發明幷不限定於所揭示的形式。顯而易見，本發明可進行多種改良及變形。例如，為以更高的精度形成針點澆口，也可使用犧牲材料來向第一個工具電極11導入拉伸應力。

犧牲材料的厚度也可不必與工件2相同。如圖2(A)中所示，為向第二個工具電極12導入拉伸應力，也可使用厚度小於工件2的犧牲材料4。犧牲材料4的材質為鋁，犧牲材料4的厚度為5 mm。

放電加工裝置在工具電極12與犧牲材料4之間產生放電而在犧牲材料4上形成貫穿孔。其後，如圖2(B)中所示，放電加工裝置一面對工具電極12施加搖動一面使工具電極12向下方移動。以如此方式在工具電極12的整個側面的周圍產生放電所需的時間為約10分鐘。工具電極12在更短的時間被導入有拉伸應力，因此幾乎不會產生消耗。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

2．．．工件

3、4．．．犧牲材料

8．．．手柄

10、11、12、13．．．工具電極

41、42．．．孔

43．．．澆道

44．．．針點澆口

51．．．孔

圖1(A)、(B)、(C)、(D)、(E)、(F)、(G)、(H)、(I)是表示形成針點澆口的本發明的方法的一例的圖。

圖2(A)、(B)是向工具電極導入拉伸應力的方法的另一例的圖。

圖3是表示工具電極的一例的圖。

圖4(A)、(B)、(C)、(D)、(E)是表示形成針點澆口的以往的方法的圖。

2．．．工件

12．．．工具電極

41．．．孔

Claims (11)

1. 一種在工件(2)上形成針點澆口(44)的方法，其特徵在於依序包括如下步驟：通過機械加工來製作細長的錐形之工具電極；使用所述工具電極對與所述工件相比消耗率小的犧牲材料(3、4)進行放電加工來向所述工具電極導入拉伸應力；及使用所述工具電極來對所述工件進行放電加工。
2. 如申請專利範圍第1項所述的在工件(2)上形成針點澆口(44)的方法，其中：所述針點澆口具有φ小於等於1.2mm的開口。
3. 如申請專利範圍第1項所述的在工件(2)上形成針點澆口(44)的方法，其中：所述工具電極包含銅，所述工件包含鋼鐵或者超硬合金。
4. 如申請專利範圍第1項所述的在工件(2)上形成針點澆口(44)的方法，其中：所述犧牲材料包含鋁或者鋅合金。
5. 如申請專利範圍第1項所述的在工件(2)上形成針點澆口(44)的方法，其中：在導入拉伸應力的步驟中，形成在所述犧牲材料與所述工具電極之間的加工間隙被介電油充滿。
6. 一種在工件(2)上形成針點澆口(44)的方法，其特徵在於包括如下步驟： 通過機械加工來製作細長的錐形之第1及第2工具電極(11、12)；使用所述第1工具電極對所述工件進行放電加工而在所述工件中形成孔(41)；使用所述第2工具電極對與所述工件相比消耗率小的犧牲材料(3、4)進行放電加工來向所述第2工具電極導入拉伸應力；及使用導入有拉伸應力的所述第2工具電極來將所述孔向更深處放電加工。
7. 如申請專利範圍第6項所述的在工件(2)上形成針點澆口(44)的方法，其中：所述針點澆口具有φ小於等於1.2mm的開口。
8. 如申請專利範圍第6項所述的在工件(2)上形成針點澆口(44)的方法，其中：所述第1及第2工具電極包含銅，所述工件包含鋼鐵或者超硬合金。
9. 如申請專利範圍第6項所述的在工件(2)上形成針點澆口(44)的方法，其中：所述犧牲材料包含鋁或者鋅合金。
10. 如申請專利範圍第6項所述的在工件(2)上形成針點澆口(44)的方法，其中：在導入拉伸應力的步驟中，形成在所述犧牲材料與所述所述第1及第2工具電極之間的加工間隙被介電油充滿。
11. 如申請專利範圍第6項所述的在工件(2)上形成 針點澆口(44)的方法，其中：所述第1及第2工具電極的大小及形狀相同。