WO2002000383A1 - Procede d'usinage par fils a decharge electrique - Google Patents

Description

明 細 書 ワイヤ放電加工方法 技術分野

この発明は、 ワイヤ電極と被加工物との極間間隙に放電を発生させて 被加工物を加工する、 ワイヤ放電加工方法の改良に関するものである。 背景技術

放電加工は金型等の加工技術として確固たる地位を築いており、 自動 車産業、 家電産業、 半導体産業等の金型加工の分野において多用されて きた。

第 8図は、 放電加工のメカニズムの説明図であり、 図において、 1は 電極、 2は被加工物、 3はアーク柱、 4は加工液、 5は放電加工により 生成された加工屑である。 以下の （a ) 乃至 （e ) のサイクル （第 8図 の （a ) 乃至 （e ) に対応） を繰返しながら被加工物 2の放電による除 去加工が進行する。 すなわち、 （a ) 放電の発生によるアーク柱 3の形 成、 （b )放電の熱エネルギによる局部的溶融及び加工液 4の気化、 （c ) 加工液 4の気化爆発力の発生、 （d ) 溶融部 （加工屑 5 ) の飛散、 （e ) 加工液による冷却、 凝固、 極間の絶縁回復、 である。

この発明は、 放電加工の中でも、 く り貫き加工、 切断加工等に使用さ れるワイヤ放電加工に関するものである。 ワイヤ放電加工は、 特に高精 度化への要求が強まっており、 例えば、 半導体業界等で使用される高精 度金型の加工では、 1〜 2 z m程度の高い加工精度が要求されるように なってきている。

第 9図は、 ワイヤ放電加工の加工プロセスの例を示す説明 SIであり、 図において、 l aはワイヤ電極、 2は被加工物、 4 aは加工液である水、 6はイニシャルホールであり、 第 9図の （a ) は荒加工であるファース トカヅトを、 第 9図の （b ) は荒加工後の中仕上げ加工であるセカンド カットを、 第 9図の （c ) は最終仕上げ加工であるサードカツトの様子 を示している。

第 9図の （a ) のファーストカツ卜の加工例は、 イニシャルホール 6 にワイヤ電極 1 aを通し、 被加工物 2をく り貫く加工を示している。 こ のようなファース トカツトの場合、 後の加工で面耝さ及び精度を仕上げ るため、 それほど厳しい面粗さ及び精度は要求されず、 生産性向上のた めに特に加工速度を上げることが重要である。 ワイヤ放電加工において、 加工速度を上げるためには、 極間からの加工屑の排出を効率的に行うた め、 水 4 aを極間に強く吹きかけることが行われる。 また、 極間への水 4 aのかかりのむらを無くし、 ワイヤ電極 1 aの断線を防止するために、 図示しない加工槽の中に水 4 aを溜めて被加工物 2を浸漬する方法が用 いられる。

以上にような従来のワイヤ放電加工方法では、 ファーストカッ ト （第 9図の （a ) ) 後のセカンドカヅト （第 9図の （b ) ) 及びサードカツ ト （第 9図の （c ) ) 等の加工も、 加工液である水 4 a中で行われる。 第 1 0図は、 極間の電圧及び電流波形の一例を示したものであり、 図 において、 Vは極間電圧、 Iは極間電流、 tは時間である。 第 1 0図の タイミング T 1における状態は、 ワイヤ電極 1 aと被加工物 2の極間に 電圧がかかった状態である。 極間に電圧が印加されるとプラス極性とマ ィナス極性は互いに引き合う力が働くため、 この静電力により剛性の小 さいワイヤ電極 1 aは被加工物 2側に引っ張られることになる。 これが、 ワイヤ電極 1 aの振動の原因となり、 このような振動により高精度加工 が困難になるという問題点があった。 また、 第 1 0図のタイミング T 2における状態は、 放電エネルギによ り加工液の気化爆発力が発生した状態 （例えば、 第 8図の （c )' ) であ り、 ワイヤ電極 l aには、 加工液の気化爆発力により被加工物 2と反対 方向に大きな力が作用し、 振動が発生する。 このような振動により、 被 加工物 2の形状に凹凸が生じ、 精度の悪化につながるという問題点があ つた。

ワイヤ放電加工の利用分野である半導体業界等において、 例えば、 I Cリードフレームの金型等の加工においては、 形状精度が l A m、 面粗 さが 1〃mR m a x以下というような被加工物に対して極めて高精度か つ非常に滑らかな面粗さが求められると共に生産性の向上が必要な用途 が増加しており、 特にこのような用途では、 前記のようなワイヤ電極の 振動等に起因する問題点が顕著であった。 発明の開示

この発明は、 前記のような課題を解決するためになされたものであり、 高精度加工に適した生産性の高いワイヤ放電加工方法を得ることを目的 とする。

この発明に係るワイャ放電加工方法は、 ヮィャ電極と被加工物との極 間に放電を発生させて前記被加工物を加工するワイヤ放電加工方法にお いて、 加工液中での加工、 ミスト中での加工及び気中での加工の 3つの 加工の中の少なくとも 2つの加工を組み合わせて加工を行うものである < また、 この発明に係るワイヤ放電加工方法は、 前記被加工物の真直度 が所定の値となった場合に前記加工間の切り換えを行うものである。 また、 この発明に係るワイヤ放電加工方法は、 ワイヤ電極と被加工物 との極間に放電を発生させて前記被加工物を加工するワイヤ放電加工方 法において、 加工液中で放電加工を行う第 1の工程と、 ミスト中で放電 加工を行う第 2の工程と、 気中で放電加工を行う第 3の工程とからなる ものである。

また、 この発明に係るワイヤ放電加工方法は、 前記被加工物の真直度 が所定の値となった場合に前記工程間の切り換えを行うものである。 図面の簡単な説明

第 1図は、 この発明の実施の形態に係るワイヤ放電加工方法の一例を 示す説明図である。

第 2図は、 加工液中でのワイヤ放電加工を示す説明図である。

第 3図は、 ミスト中又は気中でのワイヤ放電加工を示す説明図である。 第 4図は、 ワイャ放電加工によるワイャ電極の寄せ量の説明図である。 第 5図は、 加工液中でのワイヤ放電加工の例を示す説明図である。 第 6図は、 ミスト中又は気中でのワイヤ放電加工の例を示す説明図で ある。

第 7図は、 加工液中での放電加工における被加工物の加工形状の説明 図である。

第 3図は、 放電加工のメカニズムの説明図である。

第 9図は、 ワイヤ放電加工の加工プロセスの例を示す説明図である。 第 1 0図は、 極間の電圧及び電流波形の一例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

第 1図は、 この発明の実施の形態に係るワイヤ放電加工方法の一例を 示す説明図であり、 図において、 l aはワイヤ電極、 2は被加工物、 4 aは加工液である水、 6はイニシャルホール、 7は水等のミスト、 8は 空気等の気体であり、 第 1図の （a ) は荒加工であるファーストカッ ト を、 第 1図の （b ) は荒加工後の中仕上げ加工であるセカンドカッ トを、 第 1図の （c ) は最終仕上げ加工であるサードカツトを示している。 フ ァ一ストカット、 セカンドカヅト及びサードカツ トは便宜上のものであ り、 必ずしもワイヤ放電加工が 3回の加工！!終了するものではない。 被 加工物への要求精度が低い加工では、 ファ一ストカットのみ、 あるいは、 ファーストカツ トとセカンドカツトのみで終了する場合もあり、 被加工 物への要求精度が高い加工では、 7回、 8回と加工を行う場合もある。 次に、 加工方法の概略について説明する。 第 1図の （a ) のファース トカットは、 イニシャルホール 6にワイヤ電極 1 aを通し、 被加工物 2 をく り貫く加工である。.ファーストカヅトでは、 後の加工で面粗さ及び 精度を仕上げるため、 それほど厳しい面粗さ及び精度は要求されず、 生 産性向上のために特に加工速度を上げることが重要であり、 背景技術の 第 9図の （a ) と同様に加工液である水 4 aを極間に介在させて加工を 行う。

通常のワイヤ放電加工では、 ファーストカット後も、 加工液中で加工 が進められるが、 背景技術に示したようにワイヤ電極の振動等の問題が あるため、 高精度加工には適さない。 この発明は、 仕上げ加工において、 極間に加工液を介在させずに加工を行い、 被加工物の精度及び面粗さを 改善するものである。

第 1図の （b ) の中仕上げ加工であるセカンドカットでは、 ワイヤ電 極 1 aの振動を抑えて加工形状精度を改善するために、 加工液 4 a中で の加工ではなく、 ミスト 7中での加工を行うものである。 ミスト 7中で の加工速度は加工液 4 a中での加工と比べてそれほど遜色はなく、 静電 力によるワイヤ電極 1 aの振動が抑制されるため加工精度が向上する。 ミスト 7中での加工は、 例えば図示しないミスト供給装置によりワイヤ 電極 1 aと被加工物 2の極間にミストを吹きかけることにより行うこと ができる。 また、 第 1図の （C ) の最終仕上げ加工であるサードカットの場合に は、 気体 8中での放電を使用することにより、 さらにワイヤ電極 l aの 振動を抑制することができる。 気体 8中での加工は、 大気中又は図示し ない気体供給装置によりワイヤ電極 1 aと被加工物 2の極間に所定の成 分の気体を吹きかけることにより行うことができる。

以上のようなミスト 7中及び気体 8中の放電加工により高い精度が得 られる理由は、 以下の通りである。 極間に電圧が印加されたときにワイ ャ電極 1 aと被加工物 2に作用する静電力は極間の誘電率に比例するた め、 同じ極間距離として計算すると、 極間の介在物が水 4 aである場合 に比べて、 極間の介在物がミスト 7又は気体 8である場合は、 前記静電 力が数十分の一となる （例えば、 誘電率は真空中が最も小さく、 水中で は真空中の約 8 0倍である） 。 また、 放電による気化爆発力は極間に介 在する液体により生ずるため、 極間にミスト 7又は気体 8しか存在しな い場合には、 ワイヤ電極 1 aは気化爆発力の影響をほとんど受けない。 したがって、 ミスト 7中又は気体 8中の放電により高精度なワイヤ放 電加工を行うことができる。

第 2図は、 加工液 4 a中でのワイヤ放電加工を示す説明図、 第 3図は ミスト 7中又は気体 8中でのワイヤ放電加工を示す説明図であり、 図に おいて、 l aはワイヤ電極、 2は被加工物、 Aは加工進行方向であり、 被加工物 2を加工するためにワイヤ電極 1 aは加工進行方向 Aに進む。 加工液 4 a中でのワイヤ放電加工である第 2図の例では、 加工液 4 a の粘性の影響等を強く受け、 第 2図の （b ) のように、 ワイヤ電極 l a を Y方向から見ると、 加工進行方向 Aとは反対方向 （図中矢印 B方向） に凸にワイヤ電極 1 aがたわむ現象が生じる。 この現象は、 極間距離を 制御する場合の応答の遅れに相当し、 このようなワイヤ電極 1 aがたわ む現象が発生した場合には迅速な極間距離の制御を行うことが不可能で あることを意味している。 また、 このようなワイヤ電極の追従遅れによ つて、 ワイヤ電極 1 aと被加工物 2との短絡が生じやすく、 短絡防止の ためにワイヤ電極 1 aの送り速度を遅くすることが一般的に行われてお り、 電源の性能以下の遅い速度で仕上げ加工を行っているのが実情であ る。 これに対して、 ミスト 7中又は気体 8中でのワイヤ放電加工である 第 3図の例では、 加工液の粘性等の影響が無いため、 高応答の極間距離 制御を行うことができるため、 仕上げ加工における加工速度を向上する ことができる。

さらに、 ミスト 7中又は気体 8中でのワイヤ放電は、 加工条件毎のヮ ィャ電極の寄せ量の許容範囲が広がるという利点がある。 第 4図は、 ヮ ィャ放電加工によるワイヤ電極の寄せ量 （ワイヤ電極を加工の回数に応 じて順次被加工物側にずらしていく量）の説明図であり、第 4図の （a ) はファーストカットを、 第 4図の （b ) はセカンドカットを、 第 4図の ( c ) はサードカツトを示している。 第 4図において、 1 aはワイヤ電 極、 2は被加工物、 Aは加工進行方向 （被加工物 2に対するワイヤ電極 l aの相対移動方向） である。 寄せ量は、 ある加工条件における加工量 により決定される値である。 しかし、 ある加工条件による加工量は、 ヮ ィャ電極の送り速度及び前条件の仕上がり具合等で大きく変わる量であ る。 そのため、 ワイヤ放電加工の加工条件は、 荒加工から仕上げ加工ま でワイヤ電極の寄せ量及びワイヤ電極の送り速度等を各種の加工テスト の結果から選ばれた条件による条件列を用いる必要がある。 このことは、 加工の融通が利かないことを示しており、 例えば、 加工量が少し少なく なり、 追加工を行い寸法を仕上げようとしても適切な加工が困難になる ( 第 5図は、 加工液中でのワイヤ放電加工の例を示す説明図であり、 図 において、 l aはワイヤ電極、 2は被加工物、 Aは加工進行方向である ₍ 第 5図の （a ) は最終仕上げ条件での加工の様子を示しており、 目標加 ェ位置まで加工することを目標としている。 しかし、 実際の加工結果は 目標と異なり、 第 5図の （a ) の例では少し取り残した場合を示してい る。 この目標加工位置と実際の加工位置との差を例えば 2 mとしたと き、 追加工としてワイヤ電極 1 aを被加工物 2側に 2 m寄せて加工を 行えば目標加工位置まで仕上がると考えがちであるが、 実際には、 前の 仕上げ加工の際の加工面の状態、 ワイヤ電極の送り速度等と、 追加工の 際のそれらとが異なるため、 ねらい通りの寸法には仕上がらない場合が 多い。 例えば、 第 5図の （b ) のように追加工での加工位置と目標加工 位置との間にはずれが生じる。

第 6図は、 ミスト中又は気中でのワイヤ放電加工の例を示す説明図で あり、 図において、 l aはワイヤ電極、 2は被加工物、 Aは加工進行方 向である。 第 5図と同様の加工を行う場合において、 第 6図の （b ) の ような追加工をミスト中又は気中において行うと、 放電ギャップ gが狭 いため、 狙った寸法により近い加工ができるようになる。 すなわち、 高 精度加工に適している。 この理由は、 加工寸法を精度よく出すためには、 加工前の面粗さ、 加工条件、 ワイヤ電極の移動速度等の合致した条件で 加工を行う必要があるが、 これらの条件が異なったときの誤差が、 放電 ギャップ gが狭いほど小さくなるためである。 このことは、 荒加工から 仕上げ加工までの一連の加工プロセスの中で、 狙った形状に加工ができ るということだけでなく、 形状寸法がずれてしまったときにも、 追加工 により簡単に形状修正ができるということを意味している。

以上のように、 仕上げ加工におけるミスト中又は気中のワイヤ放電加 ェの有効性は明らかである。 しかし、 特に気体 8中のワイヤ放電加工の 欠点としては、 加工速度が加工液中における加工と比べて遅くなる場合 があるということであり、 この主原因は、 放電により発生する加工液の 気化爆発力がなくなるだめ、 被加工物の除去量が減るためである。 したがって、 生産性及び被加工物に対する要求精度等に応じて、 加工 液中での加工、 ミスト中での加工及び気中での加工を組み合せて行うこ とにより要求仕様に適切に対応できる。

また、 特に高精度加工が要求される用途において、 生産性を考慮する と、 加工速度の必要な荒加工は加工液中での加工を採用し、 仕上げ加工 に行くに従い、 ミスト中での加工、 気中と順次行うの方法が効果的であ る。

この場合、 一連の加工のどのタイミングで加工液中の加工からミスト 中の加工へ切り換えるか （例えば、 第 1図の （a ) から （b ) への切り 換え） 、 また、 どのタイミングでミスト中の加工から気中の加工へと切 り換えるか （例えば、 第 1図の （b ) から （c ) への切り換え） という ' ことが問題となる。

第 7図は、 加工液中での放電加工における被加工物の加工形状の説明 図であり、 図において、 l aはワイヤ電極、 2は被加工物、 9はワイヤ ガイ ド、 V aはワイヤ電極 1 aの振動の振幅である。 荒加工の段階は加 ェ速度が要求されるため、 加工の速い加工液中での加工を行うが、 加工 液中での加工は、 ワイヤ電極 1 aに対して大きな反発力が加わるため、 第 7図の （a ) に示すように被加工物 2が凸形状になったり、 第 7図の ( b ) に示すように被加工物 2が凹形状になったりする。 例えば、 極間 サ一ボの基準電圧が低い場合は、 極間間隙が小さくなり放電頻度も増加 し比較的大きな反力が働く。 したがって、 ワイヤ電極の振動の中立線が 被加工物と反対方向に湾曲し凸形の切断面が得られる（第 7図の（a ) ) c また、 極間サーボの基準電圧が高い場合には、 極間間隙が大きくなり放 電頻度が低いため加工反力が小さい。 したがって、 ワイヤ電極の振動の . 中立線の湾曲が小さく凹形の切断面が得られる （第 7図の （b ) ) 。

加工液中での加工では、 極間に投入する放電エネルギが大きい荒加工 ほどワイヤ電極 1 aの振動が大きく、 被加工物 2の凸凹が大きくなり、 極間に投入する放電エネルギを小さくするに従い凸凹は小さくなり、 被 加工物 2の真直度は増す。 被加工物 2の凸凹が大きい状態でミスト 7中 の加工又は気体 8中の加工へと移行すると、 被加工物 2の出っ張った部 分のみしか加工できず、 加工効率が悪化するだけでなく、 面性状のむら にもつながる。 したがって、 加工液中での加工である程度の真直度を出 した上で、 加工液 4 a中の加工からミスト 7中の加工又は気体 8中への 加工へと移行することが望ましい。

このような、 加工液中 4 aでの加工からミスト 7中の加工又は気体 8 中の加工への移行のタイミングは、 被加工物 2の真直度で判断すること ができる。 すなわち、 被加工物 2の真直度が所定の値に達しているかど うかを、 加工中におけるリアルタイム測定又は予め実験で求めておいた 加工条件との対応データ等により判断し、 被加工物 2の真直度が所定の 値に達している場合に、 加工液中 4 aでの加工からミスト 7中の加工又 は気体 8中の加工へと移行すればよい。

また、 ミスト 7中の加工から気体 8中の加工への移行のタイミングも、 被加工物 2の真直度が所定の値に達しているかどうかにより、 同様に決 定することができる。

この発明に係る放電加工方法は以上のように構成されているので、 高 精度加工に適した生産性の高いワイヤ放電加工方法を得ることができる _c 産業上の利用可能性

以上のように、 この発明に係るワイヤ放電加工方法は、 特に高精度放 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 . ワイヤ電極と被加工物との極間に放電を発生させて前記被加工物 を加工するワイヤ放電加工方法において、

加工液中での加工、 ミスト中での加工及び気中での加工の 3つの加工 の中の少なくとも 2つの加工を組み合わせて加工を行うことを特徴とす るワイヤ放電加工方法。

2 . 請求の範囲 1において、 前記被加工物の真直度が所定の値となつ た場合に前記加工間の切り換えを行うことを特徴とするワイヤ放電加工 方法。

3 . ワイヤ電極と被加工物との極間に放電を発生させて前記被加工物 を加工するワイヤ放電加工方法において、

加工液中で放電加工を行う第 1の工程と、

ミスト中で放電加工を行う第 2の工程と、

気中で放電加工を行う第 3の工程とからなることを特徴とするワイヤ 放電加工方法。

4 . 請求の範囲 3において、 前記被加工物の真直度が所定の値となつ た場合に前記工程間の切り換えを行うことを特徴とするワイヤ放電加工 方 。