WO2001032342A1

WO2001032342A1 - Dispositif d'alimentation destine a un usinage par etincelage, et procede d'usinage par etincelage

Info

Publication number: WO2001032342A1
Application number: PCT/JP1999/006068
Authority: WO
Inventors: Takashi Yuzawa
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2001-05-10
Also published as: TW458831B

Description

明細書放電加工用電源装置及び放電加工方法技術分野

この発明は、電極と被加工物との極間に加工電力を供給して被加工物の加工を行う放電加工に用いる、放電加工用電源装置及び放電加工方法の改良に関するものである。背景技術

電極と被加工物との極間に加工電力を供給して被加工物の加工を行う放電加工に用いる放電加工用電源装置により、電極と被加工物との極間に発生する放電電流波形としては、第 1 2図に示すような一定電流パルス幅方式による波形が一般的に用いられている。この方式によれば、放電電流パルス幅を一定時間 Tにすることができるため、加工特性を均一にすることが可能である。また、このような放電加工用電源装置のパルス発生回路において、放電電流パルスの形状パラメ一夕を変更することにより、放電加工特性を向上することが可能である。

例えば、加工速度を向上させるためには、第 1 2図に示す放電電流パルスのピーク値 I Pを大きくすればよい。ただし、放電電流パルスのピーク値 I Pを大きくすると、加工面粗さが粗くなり、電極消耗比が増大する。

電極消耗を低減させるためには、放電電流パルス幅 Tを大きくすればよい。この場合も、放電電流パルス幅 Tの増大に伴い加工面粗さが徐々に増大する。また、加工速度は、放電電流パルス幅が所定の大きさを超えるまでは増大し、放電電流パルス幅が所定の大きさを超えると加工が不安定となるため低下する。また、第 1 3図に示すように、放電電流パルスの立ち上がり部分をスロープ化することにより電極消耗を低減させることも行われている。

加工面粗さを向上させるためには、放電電流パルスのピーク値 I pを小さくするか、放電電流パルス幅 Tを小さくする必要がある。前者の場合には、放電電流パルスのピーク値 I pの減少により加工速度が低下する。また後者の場合には、放電電流パルス幅 Tの減少に伴って電極消耗比が増大する。

以上のように、放電電流パルス波形によって加工特性は大きく変化するため、所期の加工特性に応じて、放電電流パルスの形状パラメ一夕を適切な値に設定する必要がある。

第 1 4図は、日本国特開昭 6 4 - 5 8 4 2 6号公報において開示された、従来の放電加工用電源装置の回路構成図であり、図において、 1は電極、 2は被加工物、 3は第 1のパルス電源回路、 4は第 2のパルス電源回路、 5は極間電圧を検出することにより放電状態を検出する放電状態検出回路、 6はこの放電状態検出回路 5の出力信号により第 1のパルス電源回路 3及び第 2のパルス電源回路 4を制御する制御回路である。また、第 1のパルス電源回路 3は、直流電源 7、スイッチング素子 8 、抵抗 9、インダク夕ンス素子 1 0、パルス制御回路 1 1及びダイオード 1 2 、 1 3により構成され、第 2のパルス電源回路 4は、直流電源 1 4、ィンダク夕ンス素子 1 5、抵抗 1 6、スィツチング素子 1 7、パルス制御装置 1 8及びダイオード 1 9 、 2 0から構成されている。

第 1のパルス電源回路 3は所望の低速立ち上がり電流特性で、電極 1 と被加工物 2との極間に放電電流を供給し、第 2のパルス電源回路 4は、第 1のパルス電源回路 3のオフと同時にオン状態となって放電電流を供給開始し、その供給電流に、第 1のパルス電源回路 3のオフ後、放出されるインダク夕ンス素子 1 5に蓄えられたエネルギを合成させることにより、台形状波形の放電電流を極間に与えるものである。このような 2 つのパルス電源回路により、放電電流パルス波形を第 1 5図のような立ち上がり特性の緩やかな台形状波形として、電極の消耗を少なくするものである

第 1 2図、第 1 3図及び第 1 5図のような放電電流パルス波形は、一般的に被加工物が鉄系の材料である場合に用いられるが、超硬合金（W C一 C o ) のような硬度の高い焼結体においても、導電性であれば放電加工を行うことが可能である。ただし、被加工物が鉄系の材料である場合と比較して加工速度は遅く、加工が不安定となりやすいため、加工面にクラック等が頻発し、加工面性状は悪化する。そのため、超硬合金等の焼結体では、例えば第 1 6図のような三角波形状の高ピークかつ短パルス幅の放電電流パルスにより加工を行っている。このような高ピークかつ短パルス幅の放電電流パルス形状により、高速加工が可能であり、第 1 2図、第 1 3図及び第 1 5図の放電電流パルスと比較して、面対加ェ速度の向上を図ることができる。しかし、高速加工を行うことができるものの、電極消耗は極めて大きいものとなる。電極消耗を低減させるためには、例えば銅タングステン電極、銀タングステン電極等の使用が行われているが、電極消耗の大幅な低減には至っていない。また、銅夕ングステン電極、銀タングステン電極等の高価な電極を使用して加工を行う場合には、加工コスト低減のために、電極消耗低減に対する要求が非常に大きい。

このように、高ピークかつ短パルス幅の放電電流パルスにより超硬合金（W C— C o ) 等を加工する場合には、電極消耗の低減が大きな課題となっているが、高ピークかつ短パルス幅の放電電流パルスのため、矩形状のパルスのようにパルス幅を大きくすること、第 1 3図のように矩部分をスロープ化すること、あるいは、第 1 5図のように放電電流パルスを立ち上がり特性の緩やかな台形状波形とすること等の電極消耗低減のための方法を採用することはできない。

発明の開示

この発明は前記の課題を解決するためになされたものであり、三角波形状等の高ピークかつ短パルス幅の放電電流パルスにより超硬合金（W

C一 C o ) 等を加工する場合において、電極消耗低減と加工速度の向上とを両立することができる放電加工用電源装置及び放電加工方法を得ることを目的とする。

また、超硬合金等の焼結体において、加工面のクラックの発生を抑制し、加工面性状を良好に仕上げることができる放電加工用電源装置及び放電加工方法を得ることを目的とする。

この発明に係る放電加工用電源装置は、電極と被加工物との極間に高ピークかつ短パルス幅の高エネルギ放電電流パルスの供給と休止を繰り返して、前記被加工物を加工する放電加工に用いる放電加工用電源装置において、前記放電電流パルスの供給前に、前記極間に低ピークの低ェネルギ放電電流パルスを供給するための補助電源と、前記極間に前記高エネルギ放電電流パルスを供給するための主電源と、前記補助電源による放電発生を検出する放電検出手段と、前記検出手段による放電発生検出後の経過時間を計測するための時間計測手段と、前記時間計測手段による計時が電極消耗率が略一定値に収束する所定の待ち時間経過後、前記主電源により前記極間に前記高工ネルギ放電電流パルスを供給させる制御手段とを備えたものである。

また、前記所定の待ち時間が、放電アーク柱が十分に形成されェネルギ密度が小さい状態となるために十分な時間であるものである。また、前記高ピークかつ短パルス幅の高工ネルギ放電電流，

三角波形状であるものである。

また、前記主電源により前記極間に前記高工ネルギ放電電流パルスを供給すると共に前記補助電源からのエネルギ供給を遮断する制御手段を備えたものである。

また、放電電流パルス幅を、予め加工条件に合わせて決定した加工面にクラックが発生しない範囲の所定の放電電流パルス幅以下としたものである。

また、前記所定の待ち時間と前記所定の待ち時間と異なる時間とを所定の周期により切り替え可能な時間設定手段を備えたものである。

この発明に係る放電加工方法は、電極と被加工物との極間に高ピークかつ短パルス幅の高工ネルギ放電電流パルスの供給と休止を繰り返して、前記被加工物を加工する放電加工方法において、前記放電電流パルスの供給前に、前記極間に低ピークの低エネルギ放電電流パルスを供給し、前記低エネルギ放電電流パルスによる放電検出後、電極消耗率が略一定値に収束する所定の待ち時間経過後、前記極間に前記高工ネルギ放電電流パルスを供給するものである。

また、前記所定の待ち時間が、放電アーク柱が十分に形成されェネルギ密度が小さい状態となるために十分な時間であるものである。

また、前記高ピークかつ短パルス幅の高工ネルギ放電電流パルスが、三角波形状であるものである。

この発明は、前記のように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。

この発明に係る放電加工用電源装置及び放電加工方法は、被加工物が超硬合金のような硬度の高い焼結体である場合においても、電極消耗低減と加工速度の向上を両立することができる。また、超硬合金等の焼結体において、加工面のクラックの発生を抑制し、加工面性状を良好に仕上げることができる。

また、加工特性を加工速度重視あるいは電極低消耗重視に簡単に変更することができる。図面の簡単な説明

第 1図は、この発明の実施の形態 1に係る放電加工用電源装置を示す回路構成図である。

第 2図は、この発明の実施の形態 1に係る放電加工用電源装置の放電検出手段の回路構成の一例を示す図である。

第 3図は、この発明の実施の形態 1に係る放電加工用電源装置の信号の流れを示したタイミングチヤ一卜、極間電圧波形及び極間電流波形を示す図である。

第 4図は、この発明の実施の形態 1に係る放電加工用電源装置による放電電流パルス波形の説明図である。

第 5図は、この発明の実施の形態 1に係る放電加工用電源装置における補助電源投入から主電源投入までの待ち時間を変化させた場合の電極消耗率の変化を示す図である。

第 6図は、パルス幅を変化させた場合のクラックの発生の有無の例を示す図である。

第 7図は、この発明の実施の形態 2に係る放電加工用電源装置を示す回路構成図である。

第 8図は、この発明の実施の形態 2に係る放電加工用電源装置による放電電流パルス波形の説明図である。

第 9図は、この発明に係る放電加工用電源装置におけるスロープの有無による電極消耗率の比較を示す図である。第 1 0図は、この発明の実施の形態 3に係る放電加工用電源装置を示す回路構成図である。

第 1 1図は、この発明の実施の形態 3に係る放電加工用電源装置における待ち時間設定手段により待ち時間の周期を変えた場合の加工速度及び電極消耗率の変化を示す図である。

第 1 2図は、従来の一定電流パルス幅方式による放電電流パルス波形を示す図である。

第 1 3図は、従来の放電電流パルスの立ち上がり部分のスロープ化の説明図である。

第 1 4図は、従来の放電加工用電源装置の回路構成図である。

第 1 5図は、従来の立ち上がり特性の緩やかな台形状波形の放電電流パルス波形を示す図である。

第 1 6図は、従来の三角波形状の高ピークかつ短パルス幅の放電電流パルス波形を示す図である。発明を実施するための最良の形態

実施の形態 1 .

第 1図は、この発明の実施の形態 1に係る放電加工用電源装置を示す回路構成図であり、図において、 1は電極、 2は被加工物、 3 1は低ピ —クの低エネルギ放電電流パルスを供給するための補助電源、 3 2は加ェ開始後所定時間後により高ピークかつ短パルス幅の高工ネルギ放電電流パルスを供給するための主電源、 3 1 a及び 3 2 aは直流電源、 3 3 a、 3 3 b及び 3 3 cは補助電源 3 1から極間に流れる電流のピーク値を決定するための抵抗、 3 4 a、 3 4 b及び 3 4 cは補助電源 3 1を制御するためのスイッチング素子、 3 5 a及び 3 5 bは主電源 3 2を制御するためのスイッチング素子、 3 6 a及び 3 6 bはダイオード、 3 7 a 及び 3 7 bは抵抗、 3 8は放電検出手段、 3 9は時間計測手段、 4 0は予め設定された待ち時間、 4 1は比較手段、 4 2は主電源 3 2及び補助電源 3 1を制御する制御手段である電源制御回路である。

補助電源 3 1は、スイッチング素子 3 4 a、 3 4 b及び 3 4 cを選択的にオン · オフすることにより制御される。また、スイッチング素子 3 4 a、 3 4 b及び 3 4 cのスイッチングの制御は、電源制御回路 4 2からの信号に基づいて行われる。補助電源 3 1による放電電流パルスのピ一ク値は抵抗 3 3 a、 3 3 b及び 3 3 cによって決定することが可能である。

主電源 3 2はスィツチング素子 3 5 a及び 3 5 bをオン · オフすることによって制御される。また、スイッチング素子 3 5 a及び 3 5 bのスィツチングの制御は、電源制御回路 4 2からの信号に基づいて行われる。補助電源投入から所定時間経過後に、主電源 3 2のスイッチング素子 3 5 a及び 3 5 bがオンになると、電極 1 と被加工物 2の極間に直流電源 3 2 aが接続され、直流電源 3 2 aから極間にエネルギが供給される。この供給エネルギは時間と共に上昇し、時間に対する電流の増加は回路のインダク夕ンスにより決定される。その後、所定時間後にスィッチング素子 3 5 a及び 3 5 bをオフすることにより、極間のエネルギはダイオード 3 6 a及び 3 6 bを通って帰還され、抵抗 3 7 a及び 3 7 bによりエネルギの消費が行われることにより極間の電流が減少し、三角波が形成される。また、スイッチング素子 3 5 a及び 3 5 bのオン時間により、主電源投入時の放電電流パルスのピーク値が決定される。

また、極間電圧は放電検出手段 3 8によりモニタされており、放電検出信号が時間計測手段 3 9へ送信される。比較手段 4 1では設定待ち時間 4 0と計測時間を比較し、計測時間が設定待ち時間 4 0を超えた場合に、主電源 3 2を起動するための信号及び補助電源 3 1を停止するための信号を電源制御回路 4 2に出力する。

第 2図は、放電検出手段 3 8を実現するための回路構成の一例を示したものである。極間電圧は抵抗 4 3によって分圧され、電圧比較器 4 4 に送られる。また、基準電圧の設定を行うための抵抗 4 5により設定された基準電圧も電圧比較器 4 4に送られる。電圧比較器 4 4は、極間電圧と基準電圧を比較し、極間電圧が基準電圧を下回った場合に、放電したと認識して放電検出信号 4 6を出力する。

第 3図はこの発明の実施の形態 1に係る放電加工用電源装置の信号の流れを示したタイミングチヤ一卜、極間電圧波形及び極間電流波形を示したものである。信号 Sは補助電源 3 1の制御信号、信号 Mは主電源 3 2の制御信号、信号 Aは放電検出手段 3 8からの放電検出信号、信号 B は信号 Aと待ち時間に基づいて生成された、主電源 3 2の待ち時間制御信号、信号 Cは待ち時間制御信号 Bに基づいて主電源 3 2の制御信号 M の起動及び、補助電源 3 1の停止を行うための信号、 Vは放電電圧、 I は放電電流、 T pは放電電流パルス幅である。主電源 3 2の停止後、所定の休止時間のカウントが始まり、休止時間の終了後に補助電源 3 1が再度起動される。

第 3図においては、補助電源 3 1の停止を主電源 3 2の起動と同時に行っているが、補助電源 3 1の停止を主電源 3 2の起動から所定の遅れ時間経過後に行ってもよい。ただし、この発明においては主電源 3 2による高エネルギ放電電流パルス部分のパルス幅が特に短いため、補助電源 3 1による低エネルギ放電電流パルスの停止が、主電源 3 2による高エネルギ放電電流パルスの停止よりも遅れないように、制御手段である電源制御回路 4 2により制御することに注意する必要がある。補助電源 3 1による低エネルギ放電電流パルスの停止が、主電源 3 2による高工ネルギ放電電流パルスの停止より遅れた場合には、加工に寄与しない無駄時間が増加するため、好ましくないためである。

第 4図は、この発明の実施の形態 1に係る放電加工用電源装置による放電電流パルス波形の説明図である。各放電電流パルスによる加工の初期段階にピーク値の低い放電電流パルスが供給され、所定時間後に実加ェに寄与する放電電流パルスが供給される。なお、時間の経過に伴って変化する補助電源 3 1による放電痕の大きさと放電エネルギ密度の大きさも図中に示している。補助電源 3 1による放電エネルギ密度は、時間の経過と共に減少し、所定時間経過後にほぼ定常値をとることがわかる。従って、エネルギ密度が大きい状態（放電痕径が小さい状態）で主電源 3 2を起動させた場合には、極間におけるエネルギ密度はさらに大きくなり、電極消耗が非常に大きくなるが、エネルギ密度が小さい状態（放電痕径が大きい状態）で主電源 3 2を起動させた場合には、極間のエネルギ密度の上昇を抑えることができ、電極消耗を低減することができる。例えば、図中の破線のような放電電流を供給する場合に比べて、実線のような放電電流を供給する方が、エネルギ密度の増加を抑えることができ、従って電極消耗を低減することができる。特に、放電開始後のエネルギ密度が非常に高い領域を避けることにより、電極消耗を大幅に低減することが可能である。

第 5図は、補助電源投入から主電源投入までの待ち時間を変化させた場合の電極消耗率を示したものであり、第 5図の（a ) は電極が銅、被加工物が超硬合金（W C— C o ) である場合、第 5図の（b ) は電極が銅タングステン、被加工物が超硬合金（W C— C o ) である場合の例を示している。待ち時間を大きくしていくと、電極消耗率が大きく低減し、ほぼ一定値に収束する時間、即ち、これ以上待ち時間を大きくしても電極消耗率がほとんど低減しない待ち時間（図中 t ) が存在することがわかる。従って、待ち時間を t とすることにより、加工時間の減少を抑制して、電極消耗率を大幅に低減することができる。この待ち時間 tは、第 4図により説明した、補助電源 3 1による放電エネルギ密度がほぼ定常値をとる所定時間に相当するものである。このような電極消耗率の傾向を、被加工物材料及び電極材料等の条件ごとに、例えば実験により把握しておくことにより、所期の加工速度及び電極消耗に応じた、主電源投入のタイミング（即ち、第 1図における予め設定された待ち時間 4 0 ) を決定することができる。

また、第 4図からもわかるように、初期放電後、放電アーク柱が十分に形成され、エネルギ密度が小さい状態であれば、主電源により有消耗条件である高ピークの放電電流パルスを与えても電極消耗を大幅に低減することが可能であるため、電極消耗率が略一定値に収束する時間 t経過後に、主電源により高ピークの放電電流パルスを供給することにより、電極消耗低減と加工速度の向上を両立することができる。

一般に、放電電流パルス幅（例えば第 3図の T p ) を大きくしすぎると、焼結体の性質により、加工面にクラックが生じてしまう。第 6図は放電電流パルス幅 Τ を変化させた場合のクラックの発生の有無の一例を示すものであり、放電電流パルスのピーク値が 1 0 Α、休止時間が放電電流パルス幅 Τ ρと同じ場合についての実験結果を示している。放電電流パルス幅 Τ ρが所定の値以下であれば、加工面にクラックが発生しないことがわかる。この値は 1 0 /X s程度以下であり、被加工物材料及び電極材料等の条件ごとに、例えば実験により把握することができる。実施の形態 2 .

第 7図は、この発明の実施の形態 2に係る放電加工用電源装置を示す回路構成図である。第 7図は実施の形態 1における第 1図の補助電源 3 1に、抵抗 4 7とインダク夕ンス素子 4 8を付加したものである。また、第 8図はこの発明の実施の形態 2に係る放電加工用電源装置による放電電流パルス波形の説明図であり、図において I bはべ一ス電流値、 I p sは補助電源による放電電流パルスのピーク値、 I p mは主電源による放電電流パルスのピーク値を示している。第 7図の補助電源 3 1からの放電電流パルスは第 8図の（a ) のようになり、抵抗 4 7の値によりべ —ス電流値 I bを決定できる。ベース電流値 I bを小さくしすぎるとパルスが途中で途切れてしまいパルス割れ現象が発生するため、最適な値に設定する必要がある。また、ベース電流に到達後、インダク夕ンス素子 4 8のィンダク夕ンスの値によって、放電電流波形の立ち上がり部分に適切なスロープを付加することができる。

また、第 8図の（b ) に示すように、第 7図のスイッチング素子 3 4 の切り替えにより、放電電流パルスに階段状のスロープを付けることも可能である。この場合、放電加工用電源装置の構成は実施の形態 1における第 1図と同様になる。ただし、階段状のスロープの階段の数だけ電流ピーク値を設定可能にする必要があるため、必要数の抵抗及びスィッチング素子を接続し、所定の切り替えを行いながら階段状のスロープになるように放電電流波形の制御を行う。第 9図は、放電電流波形の立ち上がり部分のスロープの有無による電極消耗率の比較を示したものである。放電電流波形の立ち上がり部分にスロープを付けることにより、電極消耗率を低減することができる。

実施の形態 3 .

第 1 0図は、この発明の実施の形態 3に係る放電加工用電源装置を示す回路構成図であり、実施の形態 1の第 1図の設定待ち時間 4 0に、待ち時間設定手段 4 9を付け加えたものである。図に示すように、通常の待ち時間 Aとは別に、例えば待ち時間を少なくした設定を周期的に発生させている待ち時間 B及び Cがあり、 A〜（：を選択できるものである。また、第 1 1図は、前記の待ち時間を A〜Cに設定した場合の加工速度及び電極消耗率の比較を示す図である。通常の待ち時間 Aと比較して待ち時間が B又は Cの場合は、電極消耗率が若干増加するが、加工速度を若千改善することができる。従って、所期の加工速度及び電極消耗率に応じて、待ち時間の周期を所定の値に設定することにより、加工特性を加工速度重視あるいは電極低消耗重視に簡単に変更することができる。産業上の利用可能性

以上のように、この発明に係る放電加工用電源装置及び放電加工方法は、電極と被加工物との極間に加工電力を供給し被加工物を加工する放電加工作業に用いられるのに適している。

Claims

請求の範囲

1 . 電極と被加工物との極間に高ピークかつ短パルス幅の高工ネルギ放電電流パルスの供給と休止を繰り返して、前記被加工物を加工する放電加工に用いる放電加工用電源装置において、

前記放電電流パルスの供給前に、前記極間に低ピークの低エネルギ放電電流パルスを供給するための補助電源と、

前記極間に前記高工ネルギ放電電流パルスを供給するための主電源と、前記補助電源による放電発生を検出する放電検出手段と、

前記検出手段による放電発生検出後の経過時間を計測するための時間計測手段と、

前記時間計測手段による計時が電極消耗率が略一定値に収束する所定の待ち時間経過後、前記主電源により前記極間に前記高工ネルギ放電電流パルスを供給させる制御手段とを備えたこと特徴とする放電加工用電

2 . 請求の範囲 1において、前記所定の待ち時間が、放電アーク柱が十分に形成されエネルギ密度が小さい状態となるために十分な時間であることを特徴とする放電加工用電源装置。

3 . 請求の範囲 1において、前記高ピークかつ短パルス幅の高工ネルギ放電電流パルスが、三角波形状であることを特徴とする放電加工用電

4 . 請求の範囲 1において、前記主電源により前記極間に前記高エネルギ放電電流パルスを供給すると共に前記補助電源からのエネルギ供給を遮断する制御手段を備えたことを特徴とする放電加工用電源装置。

5 . 請求の範囲 1において、放電電流パルス幅を、予め加工条件に合わせて決定した加工面にクラックが発生しない範囲の所定の放電電流パルス幅以下としたことを特徴とする放電加工用電源装置。

6 . 請求の範囲 1において、前記所定の待ち時間と前記所定の待ち時間と異なる時間とを所定の周期により切り替え可能な時間設定手段を備えたことを特徴とする放電加工用電源装置。

7 . 電極と被加工物との極間に高ピークかつ短パルス幅の高工ネルギ放電電流パルスの供給と休止を繰り返して、前記被加工物を加工する放電加工方法において、

前記放電電流パルスの供給前に、前記極間に低ピークの低エネルギ放電電流パルスを供給し、

前記低エネルギ放電電流パルスによる放電検出後、電極消耗率が略一定値に収束する所定の待ち時間経過後、前記極間に前記高工ネルギ放電電流パルスを供給することを特徴とする放電加工方法。

8 . 請求の範囲 7において、前記所定の待ち時間が、放電アーク柱が十分に形成されエネルギ密度が小さい状態となるために十分な時間であることを特徴とする放電加工方法。

9 . 請求の範囲 7において、前記高ピークかつ短パルス幅の高工ネルギ放電電流パルスが、三角波形状であることを特徴とする放電加工方法。