JP4512901B2

JP4512901B2 - 電気絶縁体包覆電極を用いた放電加工法における電気絶縁体の移動制御法およびその装置

Info

Publication number: JP4512901B2
Application number: JP2005301322A
Authority: JP
Inventors: 誠治熊谷
Original assignee: 財団法人本荘由利産業科学技術振興財団
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2025-10-17
Also published as: JP2007105853A

Description

本発明は、被加工物と面しかつ任意の形を為す底面を有する電極を、その側面など放電発生が望まれない部位を電気絶縁物で包み覆い、その電極と電気絶縁体の間に、または電極の中空にも加工液を流動させることにより、放電加工を実現する装置において、自動的に工具電極消耗長さ分電気絶縁体を移動させ、工具電極先端露出領域を一定範囲内に維持することにより、その加工操作性および加工速度を向上させる技術に関するものである。

放電加工法は、高硬度材料に対する精密加工法として一般的に用いられている。無垢の金属電極を用いる従来の放電加工法により、高硬度材料に対して深穴など縦横比の高い加工を行う場合、加工によって生じた加工屑や加工方向に対して横方向の電極振れなどにより、電極側面での不必要な放電が発生する。

これら側面放電が加工効率と加工精度の低下を招くため、電極の加工方向の駆動には複雑精緻な機構を必要とする。

側面放電による加工効率と加工精度の低下を防ぐために、電極周辺を電気絶縁体で覆い、電極と電気絶縁体の間に加工液を流動させる放電加工法が主張されている。
UK Patent GB 2177644 特開２００５−２２４８８７号公報

電気絶縁体包覆電極による放電加工法を用いれば、複雑精緻な電極駆動機構を必要とせず、かつ深穴など縦横比の高い加工を実現することができる。

電気絶縁体包覆電極を用いた放電加工法においては、加工が進展するに従い工具電極が消耗すると、その消耗長さ分電気絶縁体を移動させ、工具電極先端露出領域を維持する必要がある。

工具電極先端露出領域が非常に狭くなると、放電領域も狭くなり、放電が加工部底面全体に分散しなくなる。

従って、加工部の断面積が小さくなるが、加工屑の排出量は減らないため、加工屑の排出が滞り、特に水系の加工液を用いた場合、掘削部底面に酸化物電気絶縁層が形成され、加工が継続できなくなる場合がある。

逆に電気絶縁体の移動が過剰で、工具電極露出領域が広くなりすぎると、放電領域が広くなり、加工断面積が広がるため、断面形状が不均一になる上、加工速度も低下する。

一定時間毎に工具電極消耗長さを実際に計測し、工具電極露出領域を一定範囲内に維持することが、最も確実な方法であるが、加工操作性が低下する。

工具電極の消耗速度は決して一定ではなく、工具電極消耗速度を一定と仮定した電気絶縁体の移動制御法は有効的ではない。

本発明は、電気絶縁体包覆電極を用いた放電加工法において、工具電極先端露出領域を一定範囲内に維持するための電気絶縁体の自動移動制御法を提供し、その加工操作性の向上と加工時間の短縮という課題を解決するものである。

電気絶縁体包覆電極を用いた放電加工法において、工具電極を被加工物に接近させ、放電の発生と掘削を継続させつつ、消耗長さと加工深さ分、工具電極を被加工物に対して送る第１の軸送り機構と、第１の軸送り機構と同じ軸上で、工具電極先端露出領域を調整するため、工具電極を包覆している電気絶縁体を移動させる第２の軸送り機構を設ける。

加工が進展するに従い、第１の軸送り機構により、工具電極が被加工物に対して送られ、工具電極先端部は放電による消耗により、工具電極先端露出領域は徐々に狭くなる。

第１の軸送り機構における工具電極の送り機構は、公知の技術である被加工物と工具電極の電圧と所定のしきい電圧の二つの信号を元にしたフィードバック制御などであり、第２の軸送り機構である電気絶縁体の移動制御系とは独立している。

第２の軸送り機構において、電気絶縁体を移動させずに保持すると、狭くなった工具電極先端露出領域により、放電が拡散されず、小さな断面積で加工が進む。

掘削量が変化せず、加工の断面積だけが小さくなるので、工具電極の被加工物への送り速度が徐々に上昇する。

加工の断面積が小さくなりすぎると、加工屑の排出が滞り、加工底面部に電気絶縁層が形成されるか、電気絶縁体が加工部底面に接触することにより、加工が継続不可能になる。

従って、工具電極の送り速度が上昇しすぎる前に、第２の軸送り機構において、所定長さ電気絶縁体を露出方向に移動させて、工具電極先端露出領域を拡張すると、放電領域が再び分散し、加工の断面積が元に復元する。

電気絶縁体の移動を決定するしきい送り速度は、可能な限り高い方が加工時間の短縮につながるが、被加工物の種類、加工穴の断面積など各々の加工条件ごとに、加工停止に至らないよう最大値を設定する。

所定長さの電気絶縁体の移動を行っても、工具電極の送り速度が一定範囲内まで低下しない場合は、さらに電気絶縁体を移動させて、工具電極先端露出領域を拡張することにより、工具電極送り速度を低下させる。

逆に、電気絶縁体の移動が過度で、工具電極先端露出領域が拡張されすぎた場合、放電領域が広がりすぎ、加工断面積が所望より大きくなる。

このことは、加工速度の低下と断面形状の不均一性につながるため、電気絶縁体を電極包覆方向に移動させ、工具電極先端露出領域を狭めることにより、適正な加工断面と加工速度に復帰させることができる。

電極包覆方向への電気絶縁体の移動を決定するしきい送り速度も、電極露出方向のしきい送り速度に近い方が加工時間の短縮につながる。

しかし、二つのしきい送り速度が接近しすぎると、工具電極送り速度のオーバーシュートが生じやすく、加工停止に至る可能性が高くなるので、各加工条件に応じて、適正な値を予備的に決定しておく必要がある。

第１の軸送り機構において、工具電極の位置を検出する位置検出装置およびそれにより工具電極送り速度を算出し、その速度を信号源として、第２の軸送り機構において、電極露出方向で所定長さ電気絶縁体を移動させる、または電極包覆方向で電気絶縁体を移動させるＮＣ制御装置またはコンピュータ制御装置を設ける。

これら制御装置に対して、工具電極の送り速度の取得、電気絶縁体の移動動作規則、ならびにその移動動作を発令する条件のプログラミングを行う。

以上の加工装置、制御系とプログラムを稼動させることにより、電気絶縁体包覆電極を用いた放電加工法において、工具電極先端露出領域の自動維持が実現される。

必要に応じて、上記方法に従い、工具電極をその軸と直交する面内において走査しながら行うことも可能である。

上記の方法により、自動で工具電極先端露出領域が適正に維持され、電気絶縁体包覆電極を用いた放電加工における加工操作性の向上と加工時間の短縮という課題を解決する。

工具電極の消耗は必ずしも一定速度で進まないため、手作業で一定時間毎に工具電極消耗長さを計測し、電気絶縁体を移動させることが最も確実な方法であるが、加工操作性が著しく低下し、加工に要する時間も長くなる。

本発明方法の実施形態の原理的例を図１、図２、図３と図４を用いて説明する。

図１において１は被加工物であり、その位置が固定される。２は工具電極であり、これと被加工物とは放電電源３を介して接続され、被加工物が放電により掘削、加工される。４はコンデンサであり、必要に応じて接続され、放電を活発化させる。工具電極として図１では丸棒を使ったが、細線あるいは角棒など任意の形を有するものを用いても良い。

工具電極２は工具電極脱着チャック５を介して、６の工具電極回転機構により回転する。７の工具電極送り機構は、その位置が固定されており、工具電極の被加工物への送りを８の順方向と９の逆方向で移動制御し、放電を継続的に発生させる。この移動制御は、公知の技術である被加工物と工具電極の電圧と所定のしきい電圧の二つの信号と元にしたフィードバック制御を用いる。それら公知技術に関する詳細は省略する。

工具電極２は１０の電気絶縁体により、放電発生が望まれない領域が包み覆われている。電気絶縁体１０は１１の電気絶縁体接続部において、１２の加工液導入部と接続される。１３の加工液は、加工液導入部１２から工具電極２と電気絶縁体１０の間を流動し、放電掘削を行う１４の工具電極先端露出領域付近を通過し、掘削部外に排出される。中空を有する工具電極を使用する場合には、中空電極内にも加工液を流動させても良い。中空内にも加工液が流動することにより、電極底面中心部付近での加工屑排出が促進され、加工安定性と加工速度を向上させる。

１５の電気絶縁体移動機構により、電気絶縁体１０は、１６の工具電極露出方向と１７の工具電極包覆方向で移動する。

１８のＮＣ制御装置は１９の記憶部、２０のプログラム、データ入力部、２１の表示部を付帯し、工具電極送り機構７から送られる２２の工具電極送り速度情報を取得する。また、工具電極露出方向１６への電気絶縁体の移動を発令する露出しきい工具電極送り速度を決定し、ＮＣ制御装置１８にプログラミングする。また、工具電極包覆方向１７への電気絶縁体の移動を発令する包覆しきい工具電極送り速度も決定し、ＮＣ制御装置１８にプログラミングする。

工具電極送り速度２２が、露出しきい工具電極送り速度を超えた場合、２３の電気絶縁体移動命令を電気絶縁体移動機構１５に出力し、工具電極先端露出領域１４を広める方向１６に電気絶縁体１０を所定の距離と速度で移動させる。逆に、２２の工具電極送り速度が、露出しきい工具電極送り速度より小さくなった場合、電気絶縁体移動命令２３を電気絶縁体移動機構１５に出力し、工具電極先端露出領域１４を狭める方向１７に電気絶縁体１０を所定の距離と速度で移動させる。このような動作と制御を実現するプログラミングをＮＣ制御装置１８に対して行う。ＮＣ制御装置をコンピュータ等の他の制御装置に置き換えても良い。なお、図１に示した構成は限られた例であり、これら図以外に種々の形態がある。

加工装置および制御系を稼動させると、加工初期においては、工具電極先端の消耗は少ない。図２は工具電極先端露出領域１４が適正な場合での加工状況を示す図である。このような状況では、２４ａの安定し、適正な発生領域を有する放電の発生により、所望の加工断面積と深さ方向への加工速度が実現される。加工断面積と深さ方向の加工速度は、加工液の種類、コンデンサ容量、工具電極の種類など種々の加工条件で変更できることは公知である。本制御系と制御装置においては、工具電極が電気絶縁体先端より7ｍｍ突出した程度の工具電極先端露出領域が最適で、高い速度を得つつ、安定な加工が可能となる。

深さ方向への加工が進展するに従い、工具電極先端部は消耗する。図３は電気絶縁体１０の移動が不十分で工具電極先端露出領域１７が狭い場合の加工状況を示す図である。２４ｂの発生領域の狭い放電により、加工断面積が縮小する傾向になる。掘削量は変化しないので、深さ方向への加工速度が上昇する。従って、工具電極送り速度２２が徐々に上昇する。

この工具電極送り速度２２が、工具電極露出方向１６への電気絶縁体の移動を発令する露出しきい工具電極送り速度を超過すると、ＮＣ制御装置１８より電気絶縁体移動命令２３を電気絶縁体移動機構１５に出力し、工具電極露出方向１６へ電気絶縁体を移動させる。このとき、露出しきい工具電極送り速度は、図２のような適正な加工状況での工具電極送り速度の1.5倍程度に設定するのが最も安定した加工につながる。ＮＣ制御装置１８の工具電極送り速度２２の取得と電気絶縁体移動命令２３は、10秒に一度が効率的で、かつ制御を安定させる。電気絶縁体１０の移動は、１回につき毎秒1ｍｍの速度で、1ｍｍの移動長さが最適である。

電気絶縁体１０の工具電極露出方向１６への移動により、工具電極先端領域は図２にように適正に維持される。再び加工断面積が適正値に復帰し、工具電極送り速度２２は、露出しきい工具電極送り速度より小さい値となり、加工が安定する。

工具電極送り速度２２が、露出しきい工具電極送り速度を超過した場合、以上の制御を繰り返すことにより、安定した深さ方向への加工が実現される。

加工屑の底面部での停滞や工具電極の電極消耗の不均一性などにより、電気絶縁体１０の工具電極露出方向１６に過度に移動し、工具電極先端露出領域１７が広くなりすぎる場合がある。図４は電気絶縁体の移動が過多で工具電極先端露出領域が広い場合の加工状況を示す図である。

この場合、発生領域の広がった放電２４ｃにより、加工断面積は適正値より大きくなり、その分加工速度が低下する。工具電極先端の消耗により、工具電極送り速度２２が自然に適正値まで上昇する場合が多いが、工具電極送り速度２２が、包覆しきい工具電極送り速度より小さくなる場合もある。この場合、電気絶縁体移動命令２３を電気絶縁体移動機構１５に出力し、工具電極先端露出領域１４を狭める方向に電気絶縁体１０を移動させる。この移動も、１回につき毎秒1ｍｍの速度で、1ｍｍの移動長さが最適である。その結果、過度に工具電極送り速度が低下しすぎた場合の加工断面形状の乱れと所望の工具電極送り速度までの復帰遅延を防ぐ。このとき、包覆しきい工具電極送り速度は、図２のような適正な加工状況での工具電極送り速度の0.7倍程度に設定するのが最も安定した加工につながる。

以上の制御原理で制御装置により、工具電極先端露出領域１７を直接計測することなく、それを適正な値に維持することが可能となり、電気絶縁体包覆電極を用いた放電加工法において、その加工操作性を向上させ、加工時間を短縮する。

自動工具電極送り機構を備えた電気絶縁体包覆電極を用いた放電加工装置において、5分毎に加工を停止させ、目視により工具電極先端領域を工具電極先端と電気絶縁体先端間の距離が7ｍｍになるように調整する手作業制御と、適正な工具電極送り速度を毎秒0.06ｍｍ、露出しきい工具電極送り速度を毎秒0.08ｍｍ、包覆しきい工具電極送り速度を毎秒0.04ｍｍ、電気絶縁体の移動を毎秒1ｍｍの速度で1ｍｍとした自動制御における加工操作性と加工に要した全時間を比較した。その他の加工設定条件を同一にして、加工条件と結果を示す。

加工条件
加工対象：円形深穴
被加工材料：構造用炭素鋼
電極：直径0.30ｍｍのタングステン丸棒
電気絶縁体：外径0.55ｍｍ、内径0.40ｍｍのふっ素樹脂チューブ
加工液：水道水に塩化ナトリウムを溶解。導電率は150μＳ／ｃｍ
放電電源：パルス放電電源（パルス波形、40μｓｅｃオン／100μｓｅｃオフ）
コンデンサ：7.8μＦ
工具電極移動制御：放電電圧フィードバック自動制御による工具電極移動
加工された穴円の直径：0.8ｍｍ
加工された穴円の深さ：150ｍｍ

加工結果１
自動制御における加工に要した全時間：手作業制御における加工に要した全時間＝178分：241分

加工結果２
自動制御における手作業による電気絶縁体の移動回数：手作業制御における手作業による電気絶縁体の移動回数＝0回：40回（1回につき平均1分所要）

本発明にかかわる放電加工装置と電気絶縁体移動制御法の概念を示す図である。工具電極先端露出領域が適正な場合での加工状況を示す図である。電気絶縁体の移動が不十分で工具電極先端露出領域が狭い場合の加工状況を示す図である。電気絶縁体の移動が過多で工具電極先端露出領域が広い場合の加工状況を示す図である。

符号の説明

１・・・被加工物
２・・・工具電極
３・・・放電電源
４・・・コンデンサ
５・・・工具電極脱着チャック
６・・・工具電極回転機構
７・・・工具電極送り機構
８・・・工具電極送り方向
９・・・工具電極送り逆方向
１０・・・電気絶縁体
１１・・・電気絶縁体接続部
１２・・・加工液導入部
１３・・・加工液
１４・・・工具電極先端露出領域
１５・・・電気絶縁体移動機構
１６・・・工具電極露出方向
１７・・・工具電極包覆方向
１８・・・ＮＣ制御装置
１９・・・記憶部
２０・・・プログラム、データ入力部
２１・・・表示部
２２・・・工具電極送り速度情報
２３・・・電気絶縁体移動命令と移動詳細情報
２４ａ・・放電
２４ｂ・・放電
２４ｃ・・放電

Claims

被加工物と面しかつ任意の形を為す底面を有する工具電極を用い、放電発生が望まれないその側面を電気絶縁体で包み覆い、放電により被加工物を加工する放電加工法において、電気絶縁体に工具電極とは別の駆動機構を与え、被加工物に対する工具電極送り速度情報を基に電気絶縁体を工具電極に対して相対移動させ、工具電極の送り速度を一定の範囲内に維持することにより、工具電極露出領域を一定の範囲に維持し、所望の加工断面積と深さ方向への加工速度を維持することにより、その加工操作性および加工速度を向上させる電気絶縁体の移動制御法。
請求項１において、加工液を用いることを特徴とする放電加工法における電気絶縁体の移動制御法。
請求項１と２において、被加工物と面しかつ任意の形を為す底面を有する電極に一つまたは複数の中空が存在する場合、それら中空にも加工液を流入させることを特徴とする放電加工法における電気絶縁体の移動制御法。
請求項１―３において、0.01μＦから100μＦのコンデンサを電極と被加工物の間隙に並列に接続した放電電源を用いることを特徴とする放電加工法における電気絶縁体の移動制御法。
請求項１―４において、電極をその軸と直交する面内において走査しながら行う加工法における電気絶縁体の移動制御法。