JP5279951B2 - 放電加工装置および放電加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、放電加工装置および放電加工方法に関する。

放電加工装置の加工条件、揺動条件等は、工具電極の形状や加工時の放電エネルギによって決められる。例えば、荒加工では大きなエネルギの加工条件が、仕上げ加工では小さなエネルギの加工条件が用いられる。小さいエネルギの加工条件では、放電間隙制御や放電の分散性の問題で加工面積に制約があり、加工面積の増大とともに仕上げ加工性能が低下することが一般に知られている。

この問題に関して、例えば特許文献１には、加工間隙に金属粉末を供給する技術が提案されている。金属粉末を供給して放電点を分散させることにより、加工の安定性を向上させ、加工面積が増大しても仕上げ加工性能の低下の改善を図ることとしている。

特開平６−１９８５１６号公報

金属粉末を用いる放電加工方法では、金属粉末の取り扱いによる作業性の低下が課題となる。例えば、微細な金属粉末に対して、防塵対策が必要となる。加工後の清掃では、放電加工装置、工具電極、被加工物に残留した金属粉末を取り除く作業が必要となる。また、加工中は加工屑回収装置が金属粉末も回収してしまうため、回収された金属粉末の使用ができなくなる。金属粉末の投入量には最適値があるため、金属粉末の濃度管理が必要となる。この他、放電加工中に金属粉末も放電されてしまうことや、金属粉末の寿命管理なども問題となる。

仕上げ加工では、制御される放電間隙が０．０１ｍｍ以下となる場合がある。この放電間隙より大きい粒径の金属粉末が混入すると加工に悪影響を及ぼすこととなる。

従来の金属粉末混入加工は、仕上げ加工のみならず、比較的エネルギの大きな荒加工においても放電分散効果が得られるため、活用することがある。荒加工では、仕上げ加工で使用するより大きな粒径の金属粉末を適用する場合がある。エネルギが大きいと、金属粉末自体が加工されることで金属粉末の寿命が縮まるだけでなく、回収されない粗大な加工屑が加工に悪影響を及ぼすことになる。

そこで、例えば特開平４−２９４９２６号公報のように、金属粉末に代えて気泡を用いる放電加工方法が提案されている。但し、気泡の活用によって実際に加工性能を向上させるには、安定して膨大な数の気泡を加工間隙に供給する必要がある。従来の提案では、気泡の径や供給量に関する明確な言及がなされていないことから、所望の加工性能を得ることが困難な場合があり得る。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、気泡を用いて、高い加工性能での放電加工を可能とする放電加工装置および放電加工方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、加工電極と被加工物との加工間隙に加工液を供給して放電加工を行う放電加工装置であって、加工液中に気泡を発生させる気泡発生手段と、前記気泡発生手段で発生させた前記気泡を含む前記加工液を貯蔵する貯蔵手段と、前記貯蔵手段を流動する前記加工液の流速を調整する流速調整手段と、を有し、前記流速調整手段は、前記被加工物が設置された加工槽へ供給する前記加工液に含める前記気泡の径に応じて、前記流速を調整することを特徴とする。

本発明にかかる放電加工装置および放電加工方法は、気泡を用いて、高い加工性能で放電加工ができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる放電加工装置の概略構成図である。 図２は、粉末混合加工における粉末の代替として、加工液中に投入する気泡の量と気泡径との関係の例を示す表である。 図３は、Ｓｔｏｋｅ式による気泡径、気泡の上昇速度およびレイノルズ数の関係を示す表である。 図４は、加工液タンク、気泡発生装置、気泡貯蔵装置および気体供給装置と、その周辺の構成とを示す図である。 図５は、実施の形態の変形例を示す図である。 図６は、図５に示す構成のうち気泡貯蔵装置とその周辺の構成との概略上面図である。 図７は、平面形状での荒加工に本発明の放電加工装置を適用した例における加工結果を示す表である。 図８は、リブ加工に本発明の放電加工装置を適用した例における加工結果を示す表である。 図９は、穴加工に本発明の放電加工装置を適用した例における加工結果を示す表である。

以下に、本発明にかかる放電加工装置および放電加工方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる放電加工装置の概略構成図である。本実施の形態にかかる放電加工装置は、例えば、工具電極（加工電極）Ｅと被加工物Ｗとを対峙させて加工を行う、形彫放電加工機である。放電加工装置は、工具電極Ｅと被加工物Ｗとを相対移動させつつ、工具電極Ｅおよび被加工物Ｗの間に放電を生じさせて加工を行う。本発明の放電加工装置は、形状演算装置によって得られた形状情報と加工条件とを用いた放電加工を行うものであれば良く、工具電極Ｅをワイヤ線とするワイヤ放電加工機や、工具電極Ｅを棒状電極や中空棒状電極とする細穴放電加工機であっても良い。

放電加工装置は、主軸１に保持する工具電極Ｅと、加工槽３に設置された被加工物Ｗとの加工間隙に加工液を供給して、放電加工を行う。駆動装置２は、位置制御装置４による制御に応じて主軸１を駆動する。なお、加工槽３内は、必ずしも加工液で満たされている場合に限られない。

制御装置６は、位置制御装置４、電源制御装置５および気泡制御装置７を有する。位置制御装置４は、水平方向（ＸＹ方向）、垂直方向（Ｚ方向）、回転方向（Ｃ方向）などについて、主軸１の位置を制御する。工具電極Ｅおよび電源制御装置５の間、被加工物Ｗおよび電源制御装置５の間には、それぞれ給電線が配されている。電源制御装置５は、電圧印加により、工具電極Ｅおよび被加工物Ｗの間に放電現象を生じさせる。制御装置６は、放電加工条件設定、気泡に関する条件設定のためのインターフェースを有する。

加工液タンク９は、加工液排出弁８を開くことにより加工槽３から排出された加工液を貯留する。気泡発生装置１０は、加工液中に気泡を発生させる気泡発生手段として機能する。気体供給装置１３は、空気を取り込み、気泡発生装置１０へ供給する。気泡発生装置１０としては、例えば、ディフューザや旋回流式バブラーを使用する。気泡貯蔵装置１１は、気泡発生装置１０で発生させた気泡を含む加工液を貯蔵する貯蔵手段として機能する。気泡貯蔵装置１１は、例えば直方体形状をなしている。加工液供給口１２は、気泡貯蔵装置１１からの加工液を加工槽３へ供給する。

本実施の形態における放電加工に用いる気泡は、従来の粉末混入放電加工に使用される金属粉末と同様、例えば数μｍ以下の径であって、いわゆるマイクロバブル、ナノバブルと呼ばれるものである。微細な気泡は、気泡発生装置１０へ導入された加工液が気泡発生装置１０を通過する際に、負圧効果で気体を巻き込むことにより、加工液中に混合される。

図２は、粉末混合加工における粉末の代替として、加工液中に投入する気泡の量と気泡径との関係の例を示す表である。ここでは、平均粒径０．００５ｍｍ程度のシリコン（Ｓｉ）粉末を濃度１ｇ／ｌとする場合、および２０ｇ／ｌとする場合に対応して投入されるべき概ねの気泡量を表している。気泡は、１リットル当たり１０^６個から１０^１６個程度と、膨大な量の投入が求められることになる。

図３は、Ｓｔｏｋｅ式による気泡径、気泡の上昇速度およびレイノルズ数の関係を示す表である。ここでは、２０℃の水における気泡の場合を例とする。気泡は、浮力によって上昇し、液面で消滅する。上昇による気泡の消滅を抑制するために、気泡貯蔵装置１１は、気泡径に応じて調整された流速で加工液を常時流動させる。気泡発生装置１０で発生させた気泡は、気泡の供給を停止させる間や、加工液とともに加工間隙へ気泡を供給する間、気泡貯蔵装置１１において保存される。これにより、膨大な量の気泡を含んだ加工液の供給を可能とする。

図４は、加工液タンク、気泡発生装置、気泡貯蔵装置および気体供給装置と、その周辺の構成とを示す図である。図中、加工液の基本的な流れは右から左とする。加工液タンク９と気泡貯蔵装置１１との間には、ポンプ２１と気泡発生装置１０とが設けられている。

ポンプ２１は、加工液タンク９から気泡発生装置１０へ加工液を供給する気泡生成用加工液供給手段として機能する。ポンプ２１の作動によって気泡発生装置１０へ送られた加工液は、気泡発生装置１０で気泡が混合され、気泡貯蔵装置１１へ供給される。ポンプ２１は、気泡発生装置１０へ加工液を送る流路と、気泡発生装置１０を経ずに気泡貯蔵装置１１へ直接加工液を送る流路とに、加工液の進行ルートを切り替え可能とされている。

ポンプ２１は、気泡制御装置７（図１参照）によって制御される。気泡の生成の停止を指示する信号が気泡制御装置７から送られた場合、ポンプ２２は、加工液タンク９から気泡貯蔵装置１１へ直接加工液を供給する。気泡の生成を指示する信号が気泡制御装置７から送られた場合、ポンプ２１は、加工液タンク９から気泡発生装置１０へ加工液を供給する。気泡発生装置１０では、気体供給装置１３からの気体が加工液に混合され、気泡径が均一でない気泡混在加工液が生成される。

気泡量センサー２０は、気泡貯蔵装置１１に貯蔵されている加工液に含まれる気泡の量を検知する気泡量検知手段として機能する。加工液は、気泡が混在することで、透明な状態から濁色状態に変化する。気泡量センサー２０としては、例えば反射型光学センサーなどを使用して、加工液の濁りの程度により気泡量を検知する。

気泡量センサー２０は、加工液に混在する気泡が、例えば図２に示すように決められた量となるように、気泡の過不足を判断する。気泡が過剰であることを検知した場合、気泡量センサー２０は、気泡の生成を停止する旨の信号を気泡制御装置７へ送る。気泡が不足していることを検知した場合、気泡量センサー２０は、気泡を生成する旨の信号を気泡制御装置７へ送る。ポンプ２１は、気泡量センサー２０による検知結果に応じて、気泡発生装置１０への加工液の供給および供給の停止が制御される。これにより、気泡貯蔵装置１１の加工液に混在する気泡の量が調整される。制御装置６は、気泡量センサー２０による検知結果に応じて、気泡の過不足の状態を表示することとしても良い。

気泡制御装置７は、設定された気泡径に応じて、仕切り板移動装置１８の駆動を制御する。気泡径分別仕切り板１７は、仕切り板移動装置１８の駆動により、上下に移動する。気泡径分別仕切り板１７は、気泡貯蔵装置１１を深さ方向について仕切ることで、気泡貯蔵装置１１から流出させる加工液に含める気泡の径を選別する気泡径選別手段として機能する。仕切り板移動装置１８は、選別する気泡の径に応じて、深さ方向における気泡径分別仕切り板１７の位置を調整する。

加工液循環装置１６は、気泡貯蔵装置１１を流動する加工液の流速を調整する流速調整手段として機能する。加工液循環装置１６は、加工槽３へ供給する加工液に含める気泡の径に応じて、気泡貯蔵装置１１において加工液を循環させる流速を調整する。ポンプ２３は、気泡貯蔵装置１１のうち気泡径分別仕切り板１７より深い部分から加工槽３へ加工液を供給する。ポンプ２２は、気泡貯蔵装置１１のうち気泡径分別仕切り板１７より浅い部分から加工液タンク９へ加工液を送り戻す。

加工液に混在している気泡は、Ｓｔｏｋｅ式の関係から、加工液の流速に応じて、加工液中を浮上するものと、加工液とともに流動するものとに分けられる。加工液循環装置１６は、所望とする気泡径に応じて、気泡貯蔵装置１１内の加工液の流速を制御する。

例えば、気泡径を１０μｍと設定した場合、図３に示す関係から、加工液の流速を５４．４μｍ／ｓｅｃとする。気泡発生装置１０によって生成された気泡のうち、１０μｍより大きい径の気泡は、気泡径分別仕切り板１７に到達する以前に浮上し、液面で消滅する。１０μｍ以下の径の気泡は、加工液が流動する間は浮上せず、加工液とともに流動し、存続する。

気泡貯蔵装置１１から加工槽３へ加工液を送り出す流出口は、気泡貯蔵装置１１の底面あるいはその近傍に設けられている。気泡同士は、互いに結合することにより大きな気泡を形成する場合がある。気泡貯蔵装置１１の底面あるいはその近傍から加工液を流出させる構成とすることで、大きな気泡が流出することを抑制させる。

気泡貯蔵装置１１の流出口から送り出された加工液は、加工液供給口１２から加工槽３へ供給され、加工に使用される。加工液供給口１２の先は、加工内容に応じて、ノズル、ポット状の容器などを配置しても良く、加工液供給口１２から加工槽３へ加工液を直接流入することとしても良い。加工液を流動させる装置が加工槽３に設けられている場合、気泡制御装置７での設定情報に応じて、加工槽３においても気泡径に適した流速で加工液を流動させることとしても良い。これにより、加工槽３においても所望の径の気泡を長く存続させることが可能となる。

本実施の形態にかかる放電加工装置は、所望の径の気泡を安定かつ充分に加工間隙に供給し、高い加工性能での放電加工が可能となる。

図５は、本実施の形態の変形例を示す図である。図６は、図５に示す構成のうち気泡貯蔵装置とその周辺の構成との概略上面図である。気泡貯蔵装置１１は、円筒形状をなしている。回転式加工液循環装置１９は、気泡貯蔵装置１１を流動する加工液の流速を調整する流速調整手段として機能する。回転式加工液循環装置１９は、気泡貯蔵装置１１において加工液を旋回させる流速を調整することで、気泡貯蔵装置１１から流出させる加工液に含める気泡の径を選別する。

加工液は、回転式加工液循環装置１９の作動によって、気泡貯蔵装置１１内で渦状の流れを作る。加工液に混在している気泡は、Ｓｔｏｋｅ式の関係から、加工液の流速に応じて、加工液中を浮上するものと、加工液とともに流動するものとに分けられる。回転式加工液循環装置１９は、所望とする気泡径に応じて、気泡貯蔵装置１１内の加工液の流速を制御する。

例えば、気泡径を１０μｍと設定した場合、図３に示す関係から、加工液の流速を５４．４μｍ／ｓｅｃとする。気泡発生装置１０によって生成された気泡のうち、１０μｍより大きい径の気泡は、流速が５４．４μｍ／ｓｅｃ以下の場所で浮上し、液面で消滅する。１０μｍ以下の径の気泡は、加工液が流動する間は浮上せず、加工液とともに流動し、存続する。本変形例においても、大きな気泡が流出することを抑制させるために、気泡貯蔵装置１１から加工槽３へ加工液を送り出す流出口は、気泡貯蔵装置１１の底面あるいはその近傍に設けられている。ポンプ２２は、気泡貯蔵装置１１のうち浅い部分から加工液タンク９へ加工液を送り戻す。

本変形例の場合も、所望の径の気泡を安定かつ充分に加工間隙に供給し、高い加工性能での放電加工が可能となる。

図７は、平面形状での荒加工に本発明の放電加工装置を適用した例における加工結果を示す表である。図８は、リブ加工に本発明の放電加工装置を適用した例における加工結果を示す表である。図９は、穴加工に本発明の放電加工装置を適用した例における加工結果を示す表である。

各例では、本実施の形態で説明する微細気泡を混在させない場合と、混在させた場合とを比較している。また、各例では、標準条件による加工結果と、気泡用条件による加工結果とを示している。標準条件とは、放電加工装置のデータベースが備える基本的な加工条件とする。気泡用条件とは、加工間隙へ微細気泡を導入し易くするようにジャンプ設定を調整した場合の加工条件とする。加工結果としては、加工時間、電極消耗長さ、面あらさ（Ｒｚ）と、備考として加工面質を示している。

図７に示す平面形状での荒加工では、微細気泡を用いることにより、電極消耗の軽減、および加工面質の改善を図ることができた。図８に示すリブ加工とは、薄板電極による深溝加工である。リブ加工の場合、加工間隙へ微細気泡を充分に供給することが困難であって、顕著な効果は得られていない。

図９に示す穴加工の結果は、予めφ１０ｍｍの下穴を設け、その下穴へ微細気泡を供給して加工を実施したものである。穴加工では、微細気泡を用いることにより、加工時間の短縮、および加工面質の改善を図ることができた。

本発明の放電加工装置および放電加工方法では、粉末混入放電加工に用いる金属粉末の代替として微細気泡を採用することで、放電点の分散を促進可能とし、金属粉末を使用する場合と同様に安定した加工が可能である。また、気泡は、防塵対策や加工後の清掃が不要であるなどの点で、金属粉末に比べて扱いが容易であることから、金属粉末に代えて気泡を使用することで作業性の大幅な改善が可能となる。

以上のように、本発明にかかる放電加工装置および放電加工方法は、金属粉末を使用する放電加工と同等の加工性能での加工が可能である点で有用である。

１ 主軸
２ 駆動装置
３ 加工槽
４ 位置制御装置
５ 電源制御装置
６ 制御装置
７ 気泡制御装置
８ 加工液排出弁
９ 加工液タンク
１０ 気泡発生装置
１１ 気泡貯蔵装置
１２ 加工液供給口
１３ 気体供給装置
１６ 加工液循環装置
１７ 気泡径分別仕切り板
１８ 仕切り板移動装置
１９ 回転式加工液循環装置
２０ 気泡量センサー
２１、２２、２３ ポンプ
Ｅ 工具電極
Ｗ 被加工物

Claims (6)

1. 加工電極と被加工物との加工間隙に加工液を供給して放電加工を行う放電加工装置であって、
   加工液中に気泡を発生させる気泡発生手段と、
   前記気泡発生手段で発生させた前記気泡を含む前記加工液を貯蔵する貯蔵手段と、
   前記貯蔵手段を流動する前記加工液の流速を調整する流速調整手段と、を有し、
   前記流速調整手段は、前記被加工物が設置された加工槽へ供給する前記加工液に含める前記気泡の径に応じて、前記流速を調整することを特徴とする放電加工装置。
2. 前記貯蔵手段を深さ方向について仕切ることで、前記貯蔵手段から流出させる前記加工液に含める前記気泡の径を選別する気泡径選別手段を有し、
   前記気泡径選別手段は、選別する前記気泡の径に応じて、前記深さ方向における位置を調整可能とされたことを特徴とする請求項１に記載の放電加工装置。
3. 前記流速調整手段は、前記貯蔵手段において前記加工液を旋回させる流速を調整することで、前記貯蔵手段から流出させる前記加工液に含める前記気泡の径を選別することを特徴とする請求項１に記載の放電加工装置。
4. 前記気泡発生手段へ前記加工液を供給する気泡生成用加工液供給手段と、
   前記貯蔵手段に貯蔵されている前記加工液に含まれる前記気泡の量を検知する気泡量検知手段と、を有し、
   前記気泡生成用加工液供給手段は、前記気泡量検知手段による検知結果に応じて、前記気泡発生手段への前記加工液の供給および供給の停止が制御されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の放電加工装置。
5. 前記貯蔵手段から前記加工槽へ前記加工液を送り出す流出口は、前記貯蔵手段の底面あるいはその近傍に設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の放電加工装置。
6. 加工電極と被加工物との加工間隙に加工液を供給して放電加工を行う放電加工方法であって、
   加工液中に気泡を発生させる気泡発生工程と、
   前記気泡発生工程にて発生させた前記気泡を含む前記加工液を貯蔵する貯蔵工程と、
   前記貯蔵工程において貯蔵された前記加工液が流動する流速を調整する流速調整工程と、を含み、
   前記流速調整工程では、前記被加工物が設置された加工槽へ供給する前記加工液に含める前記気泡の径に応じて、前記流速を調整することを特徴とする放電加工方法。

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