JP4509509B2 - 放電加工装置 - Google Patents
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Description
図1は、この発明に係わる放電加工装置の構成を示す図である。図2は、図1の被加工物支持手段の詳細図である。図2(a)は、被加工物支持手段の正面図であり、図2(b)はその側面図である。
図1において、この放電加工装置は、被加工物1を支持し、C軸(図2参照)まわりに回転するC軸テーブル2と、C軸テーブル2を支持し、B軸(図2参照)まわりに回転するB軸テーブル3と、B軸テーブル3を支持するベッド4とを備えている。
なお、NCデータにより放電加工を制御するNC制御装置について説明するが、NCデータではなくコンピュータコントロールデータなどを用いても同様の効果が得られるので限定されるものではない。
ラム10は、X軸−Y軸の2軸を有する図示しない直線軸受けによって支持されている。
これら電極ホルダ6、ガイド7、チャック8、ヘッド9およびラム10により電極移動手段17を構成している。
電極5は、電極ホルダ6で保持され、さらに、被加工物1に近接した位置でガイド7によってX軸、Y軸方向の位置が拘束されている。このようにガイド7で支持することによって、小さな径、例えば1mm以下の小径の電極5を用いることができる。
また、電極5がたわみやすい場合でも、電極5のX軸、Y軸位置を正確に制御することができる。そして、電極ホルダ6は、ヘッド9で支持され、ガイド7は、ラム10で支持されている。ヘッド9は、ラム10で支持されているため、ラム10のX軸、Y軸位置を制御することにより、電極ホルダ6とガイド7のX軸、Y軸方向位置を同期して制御できる。
C軸テーブル2は、B軸テーブル3上のC軸に対して(図2参照)回転自在に支持されている。
これらC軸テーブル2とB軸テーブル3とによって被加工物支持手段16を構成している。
なお、図4(b)に示すような被加工物1を貫通する穴とともに、図5に示すような被加工物1を貫通しない凹部も穴と称す。場合でも図5に示すように、図4に示した内接円の直径よりも凹部深さが大きい形状を穴と呼ぶ。このような異形穴は電極5をX軸、Y軸方向に走査しながら、放電加工をZ軸方向に進行させることによって形成できる。
まず、加工目標となる異形穴の形状に関して、図6を参照して説明する。図6(a)は、異形穴の断面図である。図6(b)は、異形穴加工後の被加工物1の斜視図である。
図6に示すように、異形穴20は、ドーム1bに設けるものである。B軸テーブル3を角度αだけ回転させることにより、異形穴20の中心軸をドーム1bの表面の法線方向に合わせることができる。図6(a)の状態で異形穴20を加工した後、C軸テーブル2を角度βだけ回転させて、異形穴20を回転角βに応じた位置に加工できる。
次に、異形穴20の創成加工における動作について説明する。
図8(a)は、電極5のスキャニングによって異形穴20を加工するときのスキャニング軌跡を示す上面図である。図8(a)において、破線は、電極の中心のスキャニング軌跡である。点Aから開始して、電極5はY軸負方向に移動され、Y軸と平行な壁面のX軸正方向側を加工しながら点Bに達したら、電極5をX軸負方向に移動する。次に、電極5はY軸正方向に移動され、Y軸と平行な壁面のX軸負方向側を加工しながら中央部に戻る。次に、点Cに向かってX軸負方向に移動され、X軸と平行な壁面のY軸負方向側を加工し、点Cに達したら、電極5はY軸正方向に移動される。次に、電極5はX軸正方向に移動されながら、X軸と平行な壁面のY軸正方向側を加工して中央部に戻る。次に、点Dに向かってY軸正方向に移動され、Y軸と平行な壁面のX軸負方向側を加工し、点Dに達したら、電極5をX軸正方向に移動する。次に、電極5はY軸負方向に移動されながら、Y軸と平行な壁面のX軸正方向側を加工して中央部に戻る。次に、点Eに向かってX軸正方向に移動され、X軸と平行な壁面のY軸正方向側を加工し、点Eに達したら、電極5をY軸負方向に移動する。次に、電極5はX軸負方向に移動されながら、X軸と平行な壁面のY軸負方向側を加工して中央の点Fに戻る。
この点Aから点Fに至る1回のXY平面内の移動距離に比例した深さだけZ軸負方向に電極5を送り込むことにより、電極消耗を補正して、電極5の先端を一定の深さに保つことができる。すなわち、図8(b)のスキャニング軌跡23に示すように、異形穴20の側面を一定の深さで電極5の先端が移動することになる。
点A、B、C、D、E、Fの一巡動作の後、電極5をある一定値たとえば中空状電極の肉厚の2倍の長さだけZ軸負方向に送り込み、図8(a)の点A、B、C、D、E、Fの一巡動作させることによって、図8(b)のスキャニング軌跡24を電極5の先端がたどり、異形穴20が深くなる。このような動作を逐次繰り返して、異形穴20を所望の深さまで加工することができる。
ドーム1bの同一の緯度上に異形穴20を設けるときは、B軸テーブルはそのままに固定し、C軸テーブルだけを例えば図6に示すように角度βだけ回転し、固定すれば、その位置のドーム1bの表面の法線方向がZ軸方向と平行にすることができる。
また、ドーム1bの異なった緯度上に異形穴20を設けるときは、B軸テーブルを図6のように回転してその位置のドーム1bの表面の法線方向がZ軸方向と平行にすることができる。
図9は、この発明の実施の形態2に係わる放電加工装置の電源と電極を説明する図である。実施の形態1の放電加工装置とは、電極ホルダと放電電源とが異なっている。その他は、同様であるので、同様な部分の説明は省略する。
電極ホルダ6は、チャック8に支持され、チャック8は回転機構18(図1参照)のモータにより回転している。電極ホルダ6は、電極5と、電極5と電気的に接続し、かつ電極5とともに機械的に回転するスリップリング31と、このスリップリング31と摺動しならが電流を供給するブラシ32と、このブラシ32に電流を供給するフィーダ線33を有している。なお、電極5の材料は、熱伝導率が被加工物1よりも大きな真鍮など銅を含む金属を用いている。
また、放電電源15は、メイン電源34と、サブ電源35と、メイン電源34に直列に接続した抵抗を有する抵抗回路36と、抵抗回路36、バイパス回路37およびサブ電源35とを切り換えフィーダ線33と接続する切り換え回路38とを備えている。
被加工物1は、C軸テーブル2に取付冶具39で保持される。取付治具39は、放電電源15とグランド線40で接続する。
NC制御装置12は、図1に示すように回転機構18のモータを制御して電極の回転を調整する電極制御手段19を有している。
荒放電加工手段41は、切り換え回路38を切り換え抵抗回路36を電極5に直列に接続する。また、メイン電源34の放電持続時間を長くする。
さらに、仕上げ放電加工手段42は、切り換え回路38を切り換えバイパス回路37をメイン電源34と電極5との間に挿入する。また、メイン電源34の放電持続時間を短くする。
バイパス回路37の抵抗値は抵抗回路36の抵抗値よりも十分に小さい。このようにバイパス回路37から抵抗回路36へ切り換えることにより、長パルスの電流値を小さくして、電極消耗を抑制できる。
なお、短パルス波形においては、フィーダ線33の自己インダクタンスが過渡的にインピーダンスとして作用し、電流の大きさが抑えられる。
仕上げ加工においては、変質層厚さが15μm以下となるように放電持続時間を1μs未満とし、荒加工においては、放電持続時間を1μs以上とする。
このようなオフセットしたスキャニング軌跡で仕上げ放電加工することにより、荒放電加工の面を除去しつつ、面粗さを小さくし、変質層を薄くして仕上げ放電加工をすることができる。
図13は、荒放電加工後の断面である。荒放電加工後の被加工物1の表面は、面粗さが大きく、変質層53が厚い。放電加工は、放電で被加工物を加熱して溶融させるとともに加工液の気化爆発によって、加熱溶融された被加工物を吹き飛ばして、除去し、加工を進行させる。過熱した被加工物1の材料が、たとえば、耐熱合金の場合、高温強度が高いので、放電で加熱され、気化爆発力を受けたときに、吹き飛ばされずに残存し、残存部分の突起が大きく、面粗さが大きくなる。また、吹き飛ばされる量が少ないために、変質層も厚くなる。その結果、図13に示すように、面粗さが大きくなり、変質層が厚くなる。また、荒放電加工で長パルスを用いると、熱伝導時間が長くなり、変質層が厚く、放電痕が大きくなって、面粗さも大きくなる。図13において、1点破線は、この荒放電加工の後に行う仕上げ放電加工のスキャニング軌跡54を示す。
図15は、この発明の実施の形態3に係わる放電加工装置の電極ホルダを説明する断面図である。実施の形態1に係わる放電加工装置は、実施の形態1の放電加工装置と電極ホルダが異なっている。その他は同様であるので、同様な部分の説明は省略する。
電極ホルダ6は、チャック8で保持されるドローバー61と、このドローバー61に連結したケーシング62と、このケーシング62の中を加工液圧によって上下する加圧部材としての受圧可動子63と、この受圧可動子63の位置を戻す方向に働く復帰ばね64と、電極5が貫通する孔を有し、受圧可動子63によって変形して電極5をシールする可撓性シール部材としての樹脂シール65と、電極5の挿入を案内するテーパワッシャ66と、電極5を保持する掴み爪67と、油圧ポンプなどからなる加工液を加圧する加圧手段68とを有する。
さらに、電極制御手段19は、電極ホルダ6を制御して電極の突き出し長さを調整する。
次に、スキャニング軌跡のZ軸方向ピッチについて説明する。
図16は、パイプ状の電極5の断面および異形穴20のテーパ部20aの加工途中の断面を示している。パイプ状の電極5の肉厚はt(mm)である。また、テーパ部20aを加工することにより電極5の先端に行くほどパイプの肉厚が減少する。肉厚が減少しだしている箇所と電極5の先端との長さをp(mm)とする。電極5はZ軸と平行であるため、テーパ部20aの斜面(この斜面は異形穴20の中心軸からγ(°)だけ傾いている。)のZ軸に対する角度はγ−α(°)となる。(角度αは角度γと同じ傾きの方向にB軸が傾けられたときである。逆の傾きにB軸が傾けられたときはγ+αとなる。)したがって、電極の摩耗部分の長さpは式(1)で表される。
p=t/tan(γ−α)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
しかし、実際には、一点鎖線のような電極5の形状では、先端部分が薄くなるため、消耗量が増え、実線のように、少し丸くなる。このことによる先端長さの減少分をδ1(mm)とすると、スキャニング軌跡のZ軸方向送りピッチp1を式(2)に従って与えることによって、滑らかなテーパ部20aの加工面が得られる。
p1=p−δ1+δ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
ここで、δはZ軸方向の放電ギャップであり、δ1はδの1〜5倍の値である。式(2)をδで表せば、式(3)のように表すことができる。
p1=p−k×δ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)
ここで、kは、1を超えて4未満の任意の実数である。式(3)に式(1)を代入すると式(4)が得られる。
p1=t/tan(γ−α)−kδ・・・・・・・・・・・・・・・・(4)
また、電極径を極力大きくすることは、電極と被加工物の対向面積を増して放電面積を増やすこととなり、放電加工分野で広く知られている所謂面積効果によって、放電が安定し、加工速度が増す。
実際の電極5には、径の寸法ばらつきもあり、放電ギャップも加工条件で変化するため、その分余裕を持ち、D=L1−10δxとなるように電極径Dを選定することが好ましい。
また、ディフューザーホールの穴断面形状に対して、十分大きな電極径を用いることにより加工時間を短縮できる。
この発明の実施の形態5に係わる放電加工装置の電極位置決め機構を図18に示す。ラム10上にW軸位置決め機構80が備えられている。W軸位置決め機構80は、ラム10上に設けられたサーボモータ69と、サーボモータ69に連結したボールねじ70と、ボールねじ70と平行にスライドする直動玉軸受71と、直動玉軸受71上に設置され、ボールねじ70によってZ軸方向に駆動されるW軸スライダ72とを有する。W軸スライダ72上にZ軸位置決め機構81が備えられている。Z軸位置決め機構81は、W軸スライダ72上に設けられたサーボモータ73と、サーボモータ73に連結されたボールねじ74と、ボールねじ74と平行にスライドする直動玉軸受75と、直動玉軸受75上に設置されたヘッド9とを有している。ヘッド9は、ボールねじ74によってZ軸方向に駆動される。ヘッド9上に主軸76を設け、主軸76の回転軸に電極ホルダ6が連結されている。W軸スライダ72上にはガイド7が搭載されている。
W軸位置決め機構80の可動部は、W軸スライダ72、サーボモータ73、ボールねじ74、直動玉軸受75、ガイド7およびX軸位置決め機構81である。Z軸位置決め機構81の可動部は、電極5、電極ホルダ6、ヘッド9および主軸76である。
加工開始とともに、電極5は、電極5と被加工物1との間の放電電圧の時間平均が一定になるようにZ軸位置決め機構81で位置制御される。このZ軸位置決め機構81とW軸位置決め機構80とからなる電極位置決め機構では、W軸位置決め機構80の位置制御帯域幅よりもZ軸位置決め機構81の位置制御帯域幅の方が大きくなるように位置制御系が構成される。このような構成にすることによって、放電加工中の電極位置決めをW軸位置決め機構80を用いて行うよりもZ軸位置決め機構81を用いて高応答に電極5を動作させることができる。
Z軸位置決め機構81を一自由度振動系とみなせば、この系の固有振動数FBは数1で表すことができる。
W軸位置決め機構80の位置制御帯域幅は約20Hz、固有振動数は約100Hzであり、Z軸位置決め機構81の固有振動数がこれよりも高くなるように構成する。ヘッド9にはアルミ材を用い、周囲にリブを配置して可動部質量mを25kgに軽量化し、ボールねじ74の軸径はΦ25mmとすることで、Z軸位置決め機構81のばね定数を82.5N/μmとした。数1で求まるZ軸位置決め機構81の固有振動数は289Hzである。
図19は、W軸位置決め機構80の位置制御系の交差周波数に対して、Z軸位置決め機構81の位置制御系の交差周波数を2.5倍に設定したときの、Z軸位置決め機構81の閉ループ周波数伝達特性を示す図である。比較のために、ボールねじ74の径をΦ25mmにした場合(図(a))と、ボールねじ74の径をΦ12mmにした場合(図(b))を示している。
ボールねじ74の径をΦ25mmと太くしたときは、Z軸位置決め機構81の固有振動数を高くすることができ、図19(b)の200Hz付近で生じている共振ピークが図19(a)ではかなり小さくなっている。
この共振ピークの低減によって、電極5を高速・高応答で動かしたときに生じる振動はかなり低減できるため、図19(b)の状態に比べると電極1と被加工物1との間に生じる放電状態を安定に維持しやすくなる。
これによって、W軸位置決め機構80のみで電極5を動かす場合よりも高速・高応答に電極5を動かすことが可能になるので、加工屑などによって生じる短絡を迅速に回避して安定な加工状態を高い効率で維持することが可能となり、加工速度を上げることができる。
また、位置制御帯域幅と固有振動数をあらかじめ決めてZ軸位置決め機構81を設計・製作することによって、機種ごとの電極位置決め性能のばらつきを小さくでき、安定した加工性能を得ることができる。
Claims (9)
- 被加工物と近接しながら上記被加工物との間で放電を発生する電極と、
上記電極をXYZ直交3軸方向に移動させる電極移動手段と、
上記被加工物を2軸の周りに回転支持する被加工物支持手段と、
上記被加工物と上記電極との間に放電のための電力を供給する放電電源と、
上記移動手段と上記被加工物支持手段とをあらかじめ設定した位置情報に従って位置制御するとともに、上記放電電源を用いて上記被加工物と上記電極との間に放電を発生させて放電加工を行う制御装置と、
を備え、
Z軸の移動によって上記被加工物の穴を深さ方向に放電加工するとともに、X軸またはY軸の移動によって上記被加工物に異形穴を放電加工し、上記被加工物を2軸の周りに回転させることで該異形穴の深さ方向が上記被加工物の表面の法線方向となす角度を所望の角度になるように放電加工し、上記被加工物に対して互いに上記角度の異なった複数の異形穴を加工し、
上記被加工物と上記電極との極間制御においては、2軸回りの回転制御を用いることなく、XYZ直交3軸の制御を用いることを特徴とする放電加工装置。 - 上記被加工物支持手段は、
曲面を含む上記被加工物の表面をXY平面に対して平行になるように上記被加工物を2軸の周りに回転支持することを特徴とする請求項1に記載の放電加工装置。 - 上記電極移動手段は、
上記電極の先端部をXY軸方向に位置決めするガイドを有し、2軸回りの回転支持機構によって上記電極が移動するZ軸方向と上記被加工物の表面の法線方向とがなす角度を所望の角度に設定した後に、XYZ直交3軸の制御で放電加工することを特徴とする請求項1または2に記載の放電加工装置。 - 上記電極の外径は、
上記被加工物に開ける異形穴の上記異形穴の中心軸に垂直な内周に対する内接円半径と外接円半径との差よりも小さいことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の放電加工装置。 - 上記電極の外径は、
上記異形穴の内接円の直径から放電ギャップの10倍を引いて得た値と該直径から該放電ギャップの2倍を引いて得た値との間の値のいずれかであることを特徴とする請求項4に記載の放電加工装置。 - 上記制御装置は、
上記被加工物の仕上げ放電加工に必要な電流ピーク値および放電持続時間の放電電流を用いて仕上げ放電加工する仕上げ放電加工手段と、
上記仕上げ放電加工に先立ち上記仕上げ放電加工に必要な電流ピーク値よりも小さい電流ピーク値で上記仕上げ放電加工に必要な放電持続時間より長い放電持続時間の放電電流で荒放電加工する荒放電加工手段と、
を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の放電加工装置。 - 上記放電電源は、
メイン電源から直接上記電極に電力を供給する仕上げ放電加工用のバイパス回路と
上記電極に流れる電流を減少するための抵抗を介してメイン電源から上記電極に電力を供給する荒放電加工用の抵抗回路と、
上記バイパス回路と上記抵抗回路とを切り換える切換回路と、
を有することを特徴とする請求項6に記載の放電加工装置。 - 上記電極移動手段は、
上記電極の肉厚を上記被加工物に開ける穴の側面とZ軸とがなす角度の正接で除して得た値から放電ギャップのk倍(kは1を超えて4未満の実数)を引いて得た値だけ上記電極をZ軸方向に送り込むことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の放電加工装置。 - 上記電極をZ軸方向に位置決めするZ軸位置決め機構と、
上記電極の先端部をXY軸方向に位置決めするガイドをZ軸方向に位置決めするW軸位置決め機構と、
を有し、
上記Z軸位置決め機構は、上記W軸位置決め機構より軽量であり、かつ位置制御帯域幅が上記W軸位置決め機構より広いことを特徴とする請求項1に記載の放電加工装置。
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