WO2014046149A1 - ワイヤ放電加工用の電源装置 - Google Patents

Abstract

仕上げ前の工程において、加工速度を犠牲にすることなく面粗さを向上すべく、本発明では、ワイヤ放電加工用の電源装置は、第１の直流電源（１１）と、第１の直流電源と加工間隙（７）との間に設けられた第１のスイッチング素子（１２、１８）と、第２の直流電源（２１）と、第２の直流電源と加工間隙との間に設けられた第２のスイッチング素子（２２）と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを制御するパルス発生装置（４０）とを含み、パルス発生装置は、加工間隙に放電を発生させるため第２のスイッチング素子をオンにして第２の直流電源の電圧を加工間隙に印加し、放電発生検出信号（Ｓｔ）に応答して第１のスイッチング素子を所定の周波数で間欠的にオンにして加工間隙に一連の電流パルスを供給し、電流パルスが基準電流（Ｉｒ）に到達しないとき一連の電流パルスの供給を停止する構成とした。

Description

ワイヤ放電加工用の電源装置

本発明は、ワイヤ電極とワークとの間に形成される加工間隙に間欠的に放電を発生させてワークを加工するワイヤ放電加工装置に関する。特に、本発明は、スイッチング素子の制御によって加工間隙に電流パルスを繰り返し供給する電源装置に関する。

コンデンサ（capacitor）の放電によって加工間隙に放電を発生させるコンデンサ式の電源装置が知られている。コンデンサは加工間隙に並列に接続されている。コンデンサ式の電源装置は、立ち上がりが比較的急峻な電流パルスを供給できる。しかしながら、電流パルスの供給がコンデンサの充放電に依存する。そのため、電流パルスの波形が不揃いであり、面粗さが不均一になってしまう。また、コンデンサ式の電源装置では、加工間隙の絶縁を回復するために比較的長いオフ時間を必要とする。また、電流パルスの立ち上がり時間の短縮に限界があるので、加工速度を向上させることが難しい。

一方、非コンデンサ式の電源装置はコンデンサを含まず、加工間隙に直列に接続されたスイッチング素子の制御によって電流パルスを加工間隙へ供給する。電流パルスのパルス幅と電流ピークが容易に制御可能なので、電流パルスによって形成されるクレータ（crater）状の穴のサイズが均一となる。その結果、面粗さがより小さく、好ましい。

一般的なワイヤ放電加工では、一つの製品を製作するために、加工条件が異なる多数の工程が実行されている。最初に、所望の輪郭が大まかにワークに形成される。次に、輪郭の寸法が要求値を満たすように、余分な材料が切断面から高精度に除去される。最後に、切断面の粗さを向上するための仕上げが行われる。工程が仕上げに近づくほど、エネルギがより小さい電流パルスが使用される。仕上げ前の工程では、多くの非コンデンサ式の電源装置は、一定の長いパルス幅を有する台形状の電流パルスを加工間隙へ供給している。そのような電流パルスは加工速度を向上する。しかし、それは面粗さを向上できないので仕上げに要する時間が大きくなってしまう。

電流パルスが１ＭＨｚ以上の高周波で加工間隙へ供給されると、面粗さが向上することが知られている。特許文献１は、交流電圧の印加によって電流パルスを高周波で加工間隙へ供給することを開示している。

国際公開２００２－５８８７４号

しかしながら、そのような電流パルスが切断面に形成する穴は微細であるが、不均一であり好ましくない。本発明の目的は、仕上げ前の工程において、加工速度を犠牲にすることなく面粗さを向上することである。他の目的や本発明の利点は、後に続く説明において述べられている。

本発明は、第１の直流電源（１１）と、
第１の直流電源と加工間隙（７）との間に設けられた第１のスイッチング素子（１２、１８）と、
第２の直流電源（２１）と、
第２の直流電源と加工間隙との間に設けられた第２のスイッチング素子（２２）と、
加工間隙に放電が発生したことを示す検出信号（Ｓｔ）を発生する放電発生検出器（４２）と、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを制御するパルス発生装置（４０）とを含むワイヤ放電加工用の電源装置に関する。

パルス発生装置は、加工間隙に放電を発生させるため第２のスイッチング素子をオンにして第２の直流電源の電圧を加工間隙に印加し、放電発生検出器の検出信号に応答して第１のスイッチング素子を所定の周波数で間欠的にオンにして加工間隙に一連の電流パルスを供給し、電流パルスが基準電流（Ｉｒ）に到達しないとき一連の電流パルスの供給を停止する。

電流が第１の直流電源から第１のスイッチング素子を介して加工間隙へ流れる回路は、電流制限抵抗を含んでいないことが好ましい。所定の周波数は１ＭＨｚ以上であればよい。

図１は、本発明の電源装置を示すブロック図である。 図２は、図１のパルス発生装置の動作を示すタイミングチャートである。 図３は、実際の間隙電圧と間隙電流を示す図である。

図１を参照して、本発明のワイヤ放電加工用の電源装置の一実施例が説明される。図１中の電源装置は仕上げ前の工程に適している。電源装置は、主電源回路１０と補助電源回路２０とを含んでいる。加工間隙７がワイヤ電極５とワーク６との間に形成されている。主電源回路１０は、加工間隙７に放電が発生して放電電流が流れ始めたときに加工のための主たる放電電流を供給する。主電源回路１０中の抵抗とインダクタンスは可能な限り小さくされている。補助電源回路２０は、加工間隙７に放電を誘起するための電圧を印加する。主電源回路１０が補助電源回路２０の機能を含む場合は、補助電源回路２０は省略されてもよい。

主電源回路１０は、第１の直流電源１１と、第１のスイッチング素子１２、１８と、検出抵抗１３と、検出抵抗１４とを含んでいる。第１のスイッチング素子１２、１８は加工間隙７に流れる電流を制御するために設けられている。第１の直流電源１１の出力電圧は可変である。第１のスイッチング素子１２は、第１の直流電源１１の正極と加工間隙７との間に設けられ、第１のスイッチング素子１８は、第１の直流電源１１の負極と加工間隙７との間に設けられている。検出抵抗１３は加工間隙７に並列に第１の直流電源１１へ接続されている。検出抵抗１４は加工間隙７と第１のスイッチング素子１２との間に直列に設けられている。主電源回路１０は、不可避的に、加工間隙７から物理的に離れている。低インダクタンス線１５が主電源回路１０と加工間隙７とを接続している。主電源回路１０は、検出抵抗１４と低インダクタンス線１５との間に設けられた逆流阻止ダイオード１６をさらに含んでいる。

第１の直流電源１１は、１５Ｖ～４５０Ｖの直流電圧を発生する。第１のスイッチング素子１２は、立ち上がり性能と耐圧性能に優れるＭＯＳＦＥＴである。低インダクタンス線１５は、同軸ケーブルである。逆流阻止ダイオード１６は、加工間隙７に発生する逆起電圧に因る電流が第１の直流電源１１に還流することを防ぐ。主電源回路１０は、加工間隙７における抵抗と抵抗値が小さい検出抵抗１４とを除いて電流制限抵抗を含んでいない。したがって、主電源回路１は実質的な抵抗要素を含んでおらず、電流の損失が低減されている。その結果、主電源回路１０は、より高いピークの電流パルスを高周波で提供できる。また、主電源回路１０はコイルまたはインダクタンス素子を有しておらず、低インダクタンス線１５を介して加工間隙７へ接続されている。そのため、主電源回路１０では、より急峻な立ち上がり縁をもつ電流パルスを提供できる。その結果、主電源回路１０は、高周波の電流パルスを提供できる。

補助電源回路２０は、第２の直流電源２１と、第２のスイッチング素子２２と、電流制限抵抗２３と、逆流阻止ダイオード２４と、極性切換回路２５とを含んでいる。第２の直流電源２１は第１の直流電源１１に並列に接続されている。第２のスイッチング素子２２は、加工間隙７に印加される電圧を制御するため第２の直流電源２１と加工間隙７との間に設けられている。電流制限抵抗２３は、加工間隙７と第２の直流電源２１との間で第２のスイッチング素子２２へ直列に接続されている。逆流阻止ダイオード２４は第２の直流電源２１へ直列に接続されている。極性切換回路２５は第２の直流電源２１と第２のスイッチング素子２２との間に設けられ、スイッチング素子のブリッジ回路から成る。

第２の直流電源２１は、８０Ｖの直流電圧を発生する。第２のスイッチング素子２２はＭＯＳＦＥＴである。逆流阻止ダイオード２４は、突入電流が第２の直流電源２１へ還流することを防止する。極性切換回路２５は、第２の直流電源２１の直流電圧の極性を、正極性と逆極性との間で切り換える。正極性ではワイヤ電極が負極でワークが正極となる。逆極性ではワイヤ電極が正極でワークが負極となる。

検出抵抗１３は加工間隙７の電圧（「間隙電圧」）Ｖｇを検知している。間隙電圧Ｖｇはデジタルコンパレータ（Digital Comparator）４２の入力端子Ａへ供給されている。制御装置１００が基準電圧Ｖｒをデジタルコンパレータ４２の入力端子Ｂへ供給している。基準電圧Ｖｒは第２の直流電源２１の出力電圧Ｖｏよりもわずかに低い値に定められている。例えば、第２の直流電源２１の出力電圧Ｖｏが９０Ｖのとき、基準電圧は８７Ｖである。制御装置１００は基準電圧Ｖｒを変更することができる。デジタルコンパレータ４２は間隙電圧Ｖｇを基準電圧Ｖｒと比較し、放電発生検出器を構成している。間隙電圧Ｖｇが基準電圧Ｖｒ以下になったとき、デジタルコンパレータ４２は加工間隙７に放電が発生したことを示すインパルス信号Ｓｔを出力する。

検出抵抗１４の両端にかかる検出電圧は、加工間隙７に流れる電流（「間隙電流」）Ｉｓを示し、差動増幅器４６の一方の入力端子（－）へ供給されている。可変抵抗が差動増幅器４６の他方の入力端子（＋）へ接続され、基準電圧Ｖｄが差動増幅器４６の他方の入力端子へ供給されている。制御装置１００は切換信号によって基準電圧Ｖｄを変更できる。基準電圧Ｖｄは電流ピークの設定値Ｉｐを示している。電流ピークは加工条件の一つで、電流パルスのピーク値を示す。間隙電流Ｉｓが電流ピークの設定値Ｉｐ以下であるとき、差動増幅器４６は第２の基準信号Ｓｉをパルス発生装置４０へ供給している。

間隙電流Ｉｓを示す検出電圧はピークホールド回路４７へも供給されている。ピークホールド回路４７は、間隙電流Ｉｓを示す検出電圧の所定周期における最大値を保持する。ピークホールド回路４７は所定周期毎に最大電圧を示す矩形波を連続的にデジタルコンパレータ４８の入力端子Ａへ供給する。したがって、ピークホールド回路４７は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器の機能を果たしている。制御装置１００は、第１の基準電流Ｉｒを示す電圧をデジタルコンパレータ４８の入力端子Ｂへ供給している。第１の基準電流Ｉｒは電流ピークの設定値Ｉｐより低い。不均一な電流パルスは面粗さにとって好ましくないので、第１の基準電流Ｉｒは設定値Ｉｐの１／２よりも高いことが好ましい。デジタルコンパレータ４８は、所定周期毎に間隙電流Ｉｓを第１の基準電流Ｉｒと比較している。間隙電流Ｉｓが第１の基準電流Ｉｒよりも低いとき、デジタルコンパレータ４８は第１の基準信号Ｓｒを発生している。

制御装置１００は、オフ時間ＯＦＦを含む加工条件をパルス発生装置４０へ提供している。パルス発生装置４０は、第１のゲート信号Ｇａｔｅ１を第１のスイッチング素子１２、１８へ供給し、第２のゲート信号Ｇａｔｅ２を第２のスイッチング素子２２へ供給している。第１のゲート信号Ｇａｔｅ１が発生している間だけ、第１のスイッチング素子１２、１８はオンである。第２のゲート信号Ｇａｔｅ２が発生している間だけ、第２のスイッチング素子２２はオンである。第１のゲート信号Ｇａｔｅ１がオフになり第１のスイッチング素子１２、１８がオフになると、主電源回路１０は加工間隙７から実質的に切り離される。その結果、電流パルスは急峻に立ち下がるので好ましい。

パルス発生装置４０は、第２の基準信号Ｓｉを受け取っているときは、第１および第２のゲート信号Ｇａｔｅ１、Ｇａｔｅ２をスイッチング素子１２、１８、２２へ供給していない。言い換えれば、間隙電流Ｉｓが電流ピークの設定値Ｉｐを超えると、パルス発生装置４０はスイッチング素子１２、１８、２２をオフにして間隙電流Ｉｓを上限値である電流ピークＩｐに制限している。

図２を参照して、パルス発生装置４０の動作が説明される。図２は、第２のゲート信号Ｇａｔｅ２、間隙電圧Ｖｇ、放電発生検出信号Ｓｔ、第１のゲート信号Ｇａｔｅ１、および間隙電流Ｉｓを示している。操作者は、加工条件を制御装置１００に設定する。加工条件の設定値は、制御装置１００の記憶装置に記憶される。加工条件は、例えば、オフ時間ＯＦＦ、周波数Ｍｏ、パルス幅Ｍａ、電圧Ｖｏ、および電流ピークＩｐである。周波数Ｍｏは１ＭＨｚ以上である。

加工に先だって、制御装置１００は、オフ時間ＯＦＦ、周波数Ｍｏ、およびパルス幅Ｍａをパルス発生装置４０へ提供する。制御装置１００は、切換信号を第１の直流電源１１へ供給して直流電源１１の出力電圧を電圧Ｖｏへ設定する。制御装置１００は、基準電圧Ｖｒをデジタルコンパレータ４２の入力端子Ｂへ供給する。制御装置１００は、切換信号を可変抵抗に供給し、電流ピークの設定値Ｉｐを示す基準電圧Ｖｄが差動増幅器４６他方の入力端子へ供給される。また、制御装置１００は、第１の基準電流Ｉｒを示す電圧をデジタルコンパレータ４８の入力端子Ｂへ供給する。

パルス発生装置４０は、オフ時間ＯＦＦが経過した時刻ｔ１で、第２のゲート信号Ｇａｔｅ２を発生する。その結果、スイッチング素子２２がオンして、放電を誘起するための直流電圧が第２の直流電源２１から加工間隙７に印加される。間隙電圧Ｖｇは急峻に無負荷電圧Ｖｏまで上昇する。無負荷電圧Ｖｏは放電が加工間隙７で発生するまで維持される。時刻ｔ１から待機時間Ｔｗが経過した時刻ｔ２で、放電が加工間隙７に発生すると、間隙電流Ｉｓが加工間隙７に流れ始め間隙電圧Ｖｇが急激に降下する。間隙電流Ｉｓが流れない待機時間Ｔｗは、予見が困難な時間である。放電電流Ｉｓは、補助電源回路２０の電流制限抵抗２３は十分に大きいので、徐々に増大する。

間隙電圧Ｖｇが基準電圧Ｖｒ以下になると、デジタルコンパレータ４２は放電の発生を示すインパルス信号Ｓｔをパルス発生装置４０へ供給する。デジタルコンパレータ４２はインパルス信号Ｓｔによってリセットされる。パルス発生装置４０は、インパルス信号Ｓｔに応答して、所定の放電周波数で、第１のゲート信号Ｇａｔｅ１を間欠的に発生し一連の電流パルスを加工間隙へ供給する。時刻ｔ２から少しの遅延時間が経過した時刻ｔ３で、パルス発生装置４０は第１のゲート信号Ｇａｔｅ１を発生する。その結果、第１のスイッチング素子１２、１８がオンして第１の直流電源１１から大きい電流が加工間隙７へ供給される。このとき第２のゲート信号Ｇａｔｅ２のオン状態が維持されているので、間隙電流Ｉｓは電流ピークＩｐまで急峻に立ち上がる。

時刻ｔ３から所定時間が経過した時刻ｔ４で、パルス発生装置４０は第１のゲート信号Ｇａｔｅ１と第２のゲート信号Ｇａｔｅ２をオフにする。所定時間はパルス幅Ｍａに基づき、例えば、パルス幅Ｍａの半分である。間隙電圧Ｖｇはが急速に降下し、時刻ｔ５で零になる。間隙電流Ｉｓも電流ピークＩｐから急激に立ち下がって、時刻ｔ５で消弧する。

間隙電流Ｉｓが電流ピークの設定値Ｉｐを超えて立ち上がる場合、差動増幅器４６は第２の基準信号Ｓｉの供給を停止する。その結果、パルス発生装置４０は、スイッチング素子１２、１８、２２の全てをオフにして、間隙電流Ｉｓを制限する。その場合、電流パルスの波形は三角形ではなく台形となる。しかしながら、電流ピークが高い電流パルスを１ＭＨｚ以上の高周波で供給することが意図され、そのための加工条件が設定されている。実際には、間隙電流Ｉｓがパルス幅Ｍａの期間中に電流ピークＩｐに到達することは稀である。本発明の電源装置は、図３に示されるような鋭い三角波の電流パルスを連続して供給している。

時刻ｔ４から休止幅τｏｆｆが経過した時刻ｔ６で、パルス発生装置４０は再び第１のゲート信号Ｇａｔｅ１を発生する。時刻ｔ６で、間隙電圧Ｖｇは急峻に上昇すると共に間隙電流Ｉｓは待機時間なく上昇する。休止幅τｏｆｆは周波数Ｍｏとパルス幅Ｍａによって決定される時間である。休止幅τｏｆｆは加工間隙７の絶縁を回復するためのオフ時間ＯＦＦよりもずっと短い。パルス発生装置４０は周波数Ｍｏとパルス幅Ｍａに従って第１のゲート信号Ｇａｔｅ１を１ＭＨｚ以上の高周波で繰り返し発生する。

電流パルスは時間の経過とともに減衰していく。電流パルスがパルス幅Ｍａの期間中に第１の基準電流Ｉｒに到達しない場合、パルス発生装置４０は一連の電流パルスの供給を停止し、オフ時間ＯＦＦの計測を開始する。図２では、時刻ｔ７でパルス発生装置４０は第１のゲート信号Ｇａｔｅ１をオフにしている。時刻ｔ７からオフ時間ＯＦＦが経過した時刻ｔ８で、パルス発生装置４０は再び第２のゲート信号Ｇａｔｅ２を発生する。

一方で、本発明の電源装置はパルス幅が小さい電流パルスを加工間隙７へ供給するので、一発の電流パルスがワークの表面に形成するクレータ状の穴が小さくなり、面粗さが大きくならない。その結果、仕上げに要する時間が短縮される。他方で、本発明の電源装置は、電流ピークが高い電流パルスを１ＭＨｚ以上の高周波で発生できるので、加工効率を犠牲にすることがない。

追加的に、所定期間Ｔを設定することも可能である。例えば、図２中に網掛で示される電流パルスＷｖは、第１のゲート信号Ｇａｔｅ１が発生している期間中に第１の基準電流Ｉｒに到達しない。しかしながら電流パルスＷｖのすぐ後に、第１の基準電流Ｉｒに到達する電流パルスが発生する可能性がある。そこで、所定期間Ｔの間に第１の基準電流Ｉｒに到達する電流パルスが発生するか否かが判断される。その結果、オフ時間ＯＦＦが短縮され、加工速度の低下が抑えられる。

本発明の電源装置は、仕上げ前の工程において、加工速度を犠牲にすることなく、面粗さを小さくすることができる。従来の仕上げ前の工程では、３．５ｍｍ／ｍｉｎの加工速度で、面粗さが１８μｍＲｚへ減少していた。従来と加工と同じ電流ピークが設定された本発明の電源装置は、４．５ｍｍ／ｍｉｎの加工速度で面粗さを８μｍＲｚへ減少させた。

本発明の電源装置は、開示された形に限定されることが意図されていない。上述の記述を参照して、多くの改良および変形が可能である。例えば、第１のスイッチング素子１２、１８のいずれか一つだけが設けられても良い。

５　　　　　　　　　　　ワイヤ電極
６　　　　　　　　　　　ワーク
７　　　　　　　　　　　加工間隙
１０　　　　　　　　　　主電源回路
１１　　　　　　　　　　第１の直流電源
１２、１８　　　　　　　第１のスイッチング素子
１３　　　　　　　　　　検出抵抗
１４　　　　　　　　　　検出抵抗
１５　　　　　　　　　　低インダクタンス線
１６、２４　　　　　　　逆流阻止ダイオード
２０　　　　　　　　　　補助電源回路
２１　　　　　　　　　　第２の直流電源
２２　　　　　　　　　　第２のスイッチング素子
２３　　　　　　　　　　電流制限抵抗
２５　　　　　　　　　　極性切換回路
４０　　　　　　　　　　パルス発生装置
４２　　　　　　　　　　デジタルコンパレータ
４６　　　　　　　　　　差動増幅器
４７　　　　　　　　　　ピークホールド回路
４８　　　　　　　　　　デジタルコンパレータ
１００　　　　　　　　　制御装置

Claims (4)

1. 第１の直流電源と、
   前記第１の直流電源と加工間隙との間に設けられた第１のスイッチング素子と、
   第２の直流電源と、
   前記第２の直流電源と前記加工間隙との間に設けられた第２のスイッチング素子と、
   前記加工間隙に放電が発生したことを示す検出信号を発生する放電発生検出器と、
   前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを制御するパルス発生装置とを含むワイヤ放電加工用の電源装置において、
   前記パルス発生装置は、前記加工間隙に放電を発生させるため前記第２のスイッチング素子をオンにして前記第２の直流電源の電圧を前記加工間隙に印加し、前記検出信号に応答して前記第１のスイッチング素子を所定の周波数で間欠的にオンにして加工間隙に一連の電流パルスを供給し、前記電流パルスが基準電流に到達しないとき前記一連の電流パルスの供給を停止するワイヤ放電加工用の電源装置。
2. 電流が前記第１の直流電源から前記第１のスイッチング素子を介して前記加工間隙へ流れる回路は電流制限抵抗を含んでいない請求項１に記載のワイヤ放電加工用の電源装置。
3. 前記所定の周波数は１ＭＨｚ以上である請求項１に記載のワイヤ放電加工用の電源装置。
4. 前記第２の直流電源は前記第１の直流電源に並列に接続されている請求項１に記載のワイヤ放電加工用の電源装置。

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