JP2730307B2 - 放電加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はワイヤカット法による放
電ワイヤ加工装置に関し、特に精密な３次元的放電加工
を行なうことのできる走行ワイヤ放電加工装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電気的導体材料の加工を行なう方法とし
て放電加工法が知られている。これは加工片を陽極とし
て陰極との間で放電を行なわせることにより加工片表面
に微細なクレーターを形成し、クレータの累積を以て加
工を行なうものである。放電加工法は大きく分けて型彫
り法とワイヤカット法とがあり、ワイヤカット法はワイ
ヤを加工電極として放電を行なわせるものである。これ
までのワイヤカット法はワイヤを２点指示部材間を走行
させて加工片との間に放電を行なうものであり、ワイヤ
が振動するため正確な加工に向かない。 この欠点を解
決し微細な加工に適する方法として知られているものに
ワイヤ放電研削法がある。この方法は供給ボビンから供
給した通常直径３０ないし３００ミクロンのワイヤを加
工片近辺に設けたワイヤガイドを経由させて巻取ボビン
へ走行させ、加工片に近接したワイヤガイド先端部分の
ワイヤで放電を行なわせるため、ワイヤ放電位置が確定
されるので非常に正確な加工ができる。特開平１ー２３
４１２２号にはワイヤ放電研削法を利用した微細軸ない
し微細電極の加工法が開示されている。このようにして
製造された例えば直径１３ミクロンの微細軸ないし電極
は直径１５ミクロンのインクジェット噴出孔、ヂーゼル
エンジン噴射孔、エアダンパ空気孔等の穴開け加工放電
の電極として使用できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら走行ワイ
ヤの直径はワイヤ製造工程における治具の変動や走行時
の張力の変動に起因して通常０. １ないし数ミクロン程
度変動する。このためワイヤガイド位置が一定でもワイ
ヤ側の放電が起こる放電点（以下、ワイヤ放電ポイント
という。）が変動し、加工片の放電加工点（以下、加工
片放電ポイントという）がその分だけ変動し、加工の誤
差を与える。従ってさらに精度の高い放電加工をしよう
とするときは特にワイヤ径のこのような変動が問題とな
る。

【０００４】また、このように精度の高い加工に対して
はワイヤと加工物の精密な位置制御が必要であるが、従
来の放電加工装置ではかかる精密な位置制御のなされた
ものはない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は走行ワイ
ヤの放電ポイントと加工片の放電ポイントの相対位置を
精密に確定する放電ポイント位置制御装置を設ける。こ
の放電ポイント位置制御装置は加工片放電ポイントに対
するワイヤ放電ポイントの相対的位置を３次元的に制御
するものである。

【０００６】また、本発明は走行ワイヤの張力を一定に
維持する手段と、ワイヤ径を監視するワイヤ径センサ
と、該ワイヤ径センサにより径の変動が発見されたとき
はこれを該放電ポイント位置制御装置にフィードバック
することにより該相対位置を精密に補償するワイヤ放電
ポイント位置補償装置を設ける。

【０００７】精密な微細加工を行なうためにはさらに放
電一回当たりの加工量（すなわちクレーター１個の大き
さ）に相当する放電電力を非常に小さなものとすること
が必要である一方、産業上利用できる程度に加工を迅速
に行なうためには単位時間当たりの放電加工量が大きく
なければならない。このため本発明はこの二つの相反す
る要求を満たすため、一回の放電電力が極めて小さいが
極めて高周波の放電を行なう放電回路を設ける。

【０００８】

【作用】このように本発明においては微細物から巨視的
な物の形状加工を可能にするため、予定の加工片放電ポ
イントの位置に対するワイヤ放電ポイントを３次元的に
制御しうる。

【０００９】その場合、走行ワイヤ径の引張に起因する
ワイヤ放電ポイントの変動を防止するため、走行ワイヤ
の張力を一定に維持する。

【００１０】またワイヤ径の監視を行ない、ワイヤに固
有の径変動が補償される。

【００１１】

【実施例】図面を参照して上記構成を有する本発明の実
施例を説明する。ここで図１は本発明の放電加工装置の
ワイヤ１０４を走行させる系（以下、ワイヤ走行系とい
う）１００、放電回路６００、および加工片８００の配
置を示す平面図であり、図２はその立面図である。図３
は上記放電加工機の放電領域の拡大平面図で、ワイヤガ
イド１１４、走行ワイヤ１０４および加工片８００の詳
細な位置関係を示す。

【００１２】初めに本放電加工装置の基本的構成につい
て述べる。放電は一般に走行ワイヤ１０４と加工片８０
０のもっとも近接した地点（図３のワイヤ放電ポイント
Ａ点および加工片放電ポイントＢ点）の間で起こる。加
工片放電ポイントＢからは極めて微小量の材料が加工片
からスパークで削られる結果、加工片表面に極めて微細
なクレーターができる。各クレーターの大きさは一回の
放電電力に依存する。加工片側の次回の放電地点はこの
時点でワイヤ放電ポイントＡに最も近接したポイントに
移動する。放電は通常両放電ポイント間距離が一定のし
きい値（放電臨界距離）Ｌより小さときのみ起こる。放
電臨界距離Ｌはワイヤ放電ポイントＡおよび加工片放電
ポイントＢ間に形成される電界により支配される。この
電界はワイヤ１０４の直径、材質、加工液の誘電率等の
種々のパラメータによって定まり、Ｌは通常、数ミクロ
ン以下である。

【００１３】ワイヤ１０４は走行しているので、放電に
よる変化を受けてもすでにワイヤガイドを経過している
ので次の放電に影響しない。

【００１４】尚、放電が空気中で行なわれるときはその
後スパークで除去された加工片物質がクレーターの周辺
に残留し放電が持続しないので、放電を持続的に行なう
には加工片８００の放電表面に絶縁性の油、水等の液体
を供給しておく。こうすると絶縁液と共にクレーター部
分の加工片材料がスパークで飛散し、次の放電ができ
る。図１の加工液供給管３１０からこのための絶縁性加
工液が放電領域に噴射される。容器３２０は使用済みの
加工液を貯溜するものである。

【００１６】次に本装置の詳細について説明する。初め
に加工片の位置制御装置について述べる。加工片８００
はマンドレル等の回転装置８２０に装着されており、こ
の回転装置に連動する加工片コントローラ８１０により
その回転角と軸線Ｊの方向の運動が制御される。加工片
８００の予定の輪郭線上の任意の点（以下、この点を加
工予定ポイントｂという図１、図３参照）の位置は軸線
Ｊを円筒座標のｚ軸とし、ｂ点からこの軸線までの距離
をｒ、任意の基準線（図３ＪＫ）から測ったｚ軸の回り
の回転角をθ、ｂ点から軸線Ｊに下した垂線の足Ｈから
座標原点Ｏまでの距離をｚとすると、円筒座標ｂ（ｒ、
θ、ｚ）で与えられる。本実施例ではコンピュータにｒ
を（θ、ｚ）の関数ｒ＝ｒ（θ、ｚ）としてを記憶させ
ておき、ワイヤ放電ポイントＡがこの点ｂからｒ方向に
距離Ｌの位置にあるように回転装置８２０と連動させな
がらＸ- Ｙテーブル２００の位置をコンピュータ制御す
る。放電加工の間、θとｚを連続的に変化させながらこ
の位置制御を行なう。

【００１６】次に放電の陰極となるワイヤ１０４を走行
させるワイヤ走行系１００について述べる。ワイヤ供給
ボビン１０２から供給されるワイヤ１０４はブレーキロ
ーラ１０６と対抗ローラ１０８により極めて正確な一定
速度で送り出され、張力緩衝ローラ１１０によりワイヤ
の張力を一定に維持されながら第一の走行ローラ１１
２、ワイヤガイド１１４を通過した後、第二および第三
の走行ローラ１１６、１１８に導かれて巻き上げローラ
１２０で巻き上げられ、巻取ボビン１２４に巻取られ
る。ワイヤ走行速度は巻き上げローラ１２０の回転速度
により決定される。ワイヤの走行速度は放電加工量に応
じて定めるが、通常、数センチメートル／分程度であ
る。ワイヤ供給ボビン１０２から巻き上げボビン１２４
に至るまでの上記の系がワイヤ走行系１００を構成す
る。ワイヤ走行系は基台４００上のレール２１０上を移
動できるＸ- Ｙテーブル２００に搭載されている。この
Ｘ- Ｙテーブル２００はワイヤ放電ポイントＡが以下に
説明するＸ- Ｙ平面（図１）上の所定の位置に来るよう
にＸ- Ｙコントローラ１３３（図示してなし）により制
御される。

【００１７】図１に示すようにワイヤ走行系１００はＸ
- Ｙテーブル２００を介して基台４００に対して円盤形
のワイヤガイド１１４の中心とその加工片側の先端ａ
（図３）を通るＸ方向とワイヤの走行面に平行でＸ方向
に垂直なＹ方向に移動できるようにされており（Ｘ- Ｙ
座標系の原点は適当に選ぶ）、かつ上記ｚ軸（すなわち
マンドレルの軸線Ｊ）から加工予定放電ポイントｂに至
るｒ方向（点Ｈから点ｂに向かう方向）がＸ方向と一致
するようにされている。従ってワイヤガイド上のワイヤ
の最も加工片側の点であるワイヤ放電ポイントＡはこの
Ｘ軸線上にあり、Ｘ- Ｙ座標系におけるワイヤ放電ポイ
ントＡのＸ- Ｙ座標を（ｄ、０）とすると、加工予定放
電ポイントｂはＸ- Ｙ座標系の（ｄ＋Ｌ、０）にある。
また前記円筒座標系においては、ワイヤ放電ポイントＡ
の座標は（ｒ＋Ｌ、θ、ｚ）となる。

【００１８】このワイヤ放電ポイントＡの予定のＸ- Ｙ
位置はコンピュータ１３２の加工片形状メモリ（図４）
に記憶されている加工片のｒ、θ、ｚに基づきコンピュ
ータ１３２が加工片コントロラ８１０を制御すると共に
Ｘ- Ｙコントローラ１３３のインチワーム（図示してな
し）を制御することによりＸ- Ｙテーブル２００の位置
を制御し、上記予定のワイヤ放電ポイントｂが実現され
る。この位置制御は放電加工中、θとｚを連続的に変化
させて行なわれるので、加工片は所望の形状に加工され
る。このように放電ポイント位置制御装置は走行ワイヤ
系１００、Ｘ-Ｙテーブル２００、加工片回転装置８２
０、加工片コントローラ８１０、コンピュータ１３２、
およびＸ- Ｙテーブルコントローラ１３３により構成さ
れている（図４）。

【００１９】尚、この場合さらに以下に述べるワイヤ径
の変動の補償が行なわれる。ワイヤ放電ポイントＡはワ
イヤガイドの外周上のワイヤの最も加工片寄りの地点に
あるので、ワイヤ径が変動すると実際にはその分だけ放
電ポイントＡが予定位置からずれる。そこで本発明の放
電加工装置は走行ワイヤの径の変動に起因するポイント
Ａのこの位置ずれを補償し、ワイヤ径の変動に影響され
ないさらに精密な放電加工を行なう。このため以下の機
構を有する。すなわち張力緩衝ローラ１１０の経過後で
ワイヤガイド１１４到達前の適当な位置、例えば張力緩
衝ローラ１１０と第一走行ローラ１１２との間にワイヤ
径センサ１３０があって、ワイヤ径を監視している。こ
のセンサとして例えばアンリツ電気から市販されている
形式Ｍ５５０Ａのレーザー外径測定機が利用できる。こ
のセンサは毎秒１０００回の計測を行ない、±０. ３ミ
クロンの精度でワイヤ径を測定しその結果を符号化して
コンピュータ１３２のワイヤ径補償部に送られる（図
４）。コンピュータ１３２はワイヤ径の変動の大きさに
基づき、上記ワイヤ径の変動分だけ前記放電ポイント予
定位置を補償するテーブル位置信号をＸ- Ｙテーブルコ
ントローラ１３３に送る。この補償信号は当該ワイヤ変
動部分が加工ポイントＡに到達すべきときに送られ、こ
の信号に基づいてＸ- Ｙコントローラ１３３はそのイン
チワームを駆動し、Ｘ- Ｙテーブル２００をＸ方向に駆
動し、上記ワイヤ放電ポイントの予定の位置を確保す
る。このＸ- Ｙテーブルコントローラとしては例えば米
国ニューヨーク州、バーレーパーク在のバーレーインス
ツルメント社（ＢｕｒｌｅｉｇｈＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
ｓ、Ｉｎｃ）から市販されている形式ＴＳＥー７５のイ
ンチワームでよい。このインチワームは一歩が０. ００
４ミクロンの歩幅を有する。従ってＸテーブルコントロ
ーラ１３３の制御可能な精度は０. ００４ミクロンであ
る。かくしてワイヤ径放電ポイント補償装置はワイヤ径
センサ１３０、コンピュータ１３２、Ｘ-Ｙテーブルコ
ントローラ１３３、およびＸ- Ｙテーブル２００により
構成される。

【００２０】図５は本加工放電装置に使用する所謂蓄積
型の放電回路６００（図３）の回路図である。この回路
は直流電源Ｅ、スイッチＳ、抵抗ｒ、およびコンデンサ
Ｃからなる閉回路のコンデンサＣに放電部ＳＰが並列接
続されているものである。スイッチＳは上記コンピュー
タによりオン／オフできる電子的スイッチである。放電
部ＳＰはワイヤを陰極とし加工片を陽極とし、両極間に
は前記の絶縁性の液体が介在している。スイッチＳを閉
じるとコンデンサーが充電され、放電しきい電圧Ｖに達
するとワイヤと加工片との間の絶縁破壊が起こり、コン
デンサーに蓄積されていた電荷Ｑ＝ｃＶが放電部を流れ
る。放電に消費されるエネルギー（一回の放電電力）は
コンデンサＣに蓄積されていたエネルギー（１／２）ｃ
Ｖ² である。加工片のクレーターの大きさはこのエネル
ギーによって定まる。放電しきい値Ｖは加工片の形状、
ワイヤと加工片の間の絶縁物質の種類、両者間の距離等
に依存する。

【００２１】この蓄積されていた電荷が放電で失われる
と再び充電が始まる。その時定数は抵抗ｒとコンデンサ
ーの容量ｃで定まる１／ｒｃであり、従って放電の周期
も積ｒｃで定まる。

【００２２】精密な放電加工を実現するには一回の放電
で形成されるクレーターが小さいほどよく、他方、加工
を迅速に行なうには単位時間当たりのクレーター発生量
が大きくなければならない。そこで本放電回路では二つ
の独立なパラメータである電圧Ｖと容量ｃとを選択す
る。これにより所望される最適な放電量および放電周期
を実現することができることに注目されたい。

【００２３】本実施例ではワイヤは直径１００ミクロン
の真鍮線、容量ｃは１０ｐＦ、電圧Ｖは６０ボルトの下
でパルス数は１０⁸ ないし１０⁹ ／秒であった。この周
波数は在来のトランジスター方式のパルス発生装置（周
波数１ＭＨｚ程度）よりも極めて高い。臨界距離Ｌはほ
ぼ１ミクロンであり、クレーターの大きさは直径が約
０. １ミクロンであった。従って表面形状の精度約０.
１ミクロンの加工ができた。

【００２４】ここで、上記加工予定放電ポイントｂと実
際に放電の起こる加工片放電ポイントＢとの関係を説明
する。加工前の加工片の外形は図３の実線ＢＭＮで示す
ように一般に上記の予定輪郭線（図３の点線ｂｍＮの形
状）よりもワイヤ放電ポイントに近接している。従って
その部分が放電領域にはいると放電によって加工される
が、その近接部分が万一ワイヤに接触したときは放電回
路６００が短絡し放電が停止するので、放電回路内に設
けた放電部短絡センサＶｍがこれを検知してコンピュー
タの放電部短絡処理部に伝達する。放電部短絡処理部は
Ｘ- Ｙコントローラ１３３に指令し、加工片を停止させ
たままワイヤ放電ポイントＡを僅かに後退させ、後退位
置から再び放電を続けさせ、当該近接部分が放電加工に
より除去される。以後、放電ポイントＡが予定の放電ポ
イントに戻るまでこの過程が反復される。その後再びコ
ンピュータの加工片形状メモリに記憶されている加工片
形状に従い走行ワイヤ放電ポイントと加工片放電ポイン
トの相対位置を確保しつつ放電加工が続行され、加工片
は所望の形状に加工されて行く。このためのＸ- Ｙテー
ブル２００の前進後退を行なう制御機構は公知のサーボ
機構でよく、その詳細は省略する。

【００２５】歯車等を加工するときは図６に示すように
軸線Ｊが図３の位置からＸ軸のまわりに９０度回転さ
せ、図面と同一平面内の位置Ｊ’に来るようにすればよ
い。これに必要な制御機構はコンピュータによるマンド
レルの位置制御機構であって公知であり、これ以上の説
明は省略する。

【００２６】以上の説明においてはワイヤ走行系と加工
片の相対位置を決定するに当たり相対的ｚ方向位置につ
いては加工片のｚ位置を制御し、Ｘ- Ｙ方向位置につい
てはワイヤ走行系を制御したが、これは便宜上の問題で
あり、ワイヤ走行系、加工片のいずれのＸ、Ｙ、ｚ位置
を制御も可能であることは明白であろう。

【００２７】

【発明の効果】本発明の加工装置は、走行ワイヤの放電
ポイントと加工片の放電ポイントの３次元的相対位置を
コンピュータ制御するので、機械加工が困難な微細物に
限らず、従来は機械加工の対象と考えられている巨視的
なものの三次元的形状加工ができる。

【００２８】また本発明の放電加工装置は極めて微小量
の放電を単位とする高周波放電を起こす放電回路を使用
するので、サブミクロンオーダーの精密かつ迅速な放電
加工および加工ができる。

【００２９】この精密加工において本加工装置は走行ワ
イヤの径を計測するセンサにより走行ワイヤ径の変動を
測定し、この変動分の走行ワイヤ放電ポイント位置を補
償するので、この変動に起因する加工放電ポイントの変
動を補償でき、その結果ワイヤ径の変動に左右されない
ため、極めて精密な放電加工を維持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の実施例の放電加工装置の概略を
示す平面構成図である。

【図２】図２は図１に示す実施例の側面構成図である。

【図３】図３は図１に示す装置の放電領域を示す説明図
である。

【図４】図４は図１に示す装置の構成を示すブロック図
である。

【図５】図５は図１に示す装置の放電回路の回路図であ
る。

【図６】図６は本装置により歯車等を加工するときの加
工片とワイヤの配置を示す図である。

【符号の説明】

１００ ワイヤ走行系 １３０ ワイヤ径センサ １３２ コンピュータ ２００ ワイヤ走行系を搭載したＸ- Ｙテーブル ３１０ 加工液供給管 ４００ 基台 ６００ 放電回路 ８００ 加工片 ８１０ 加工片コントローラ ８２０ マンドレル

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定張力の下にワイヤガイドを経由して
   走行される走行ワイヤと電導性加工片との間に放電を起
   こさせることにより該加工片を加工する放電加工装置に
   おいて、該走行ワイヤの放電ポイントおよび該加工片の
   放電ポイントを予定の相対位置に位置させる放電ポイン
   ト位置制御装置と、該走行ワイヤの直径を計測するワイ
   ヤ径センサと、該センサで計測されたワイヤ径に基づい
   て該予定の相対位置に対する該走行ワイヤ放電ポイント
   の、ワイヤ径の変動に起因した位置ずれを補償するワイ
   ヤ放電ポイント補償装置とを含むことを特徴とする放電
   加工装置。