JP4931028B2 - ワイヤ放電加工用電極線、その製造方法及びその電極線を用いた放電加工方法 - Google Patents
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Description
― 銅または銅合金の芯線に対して、その表面から溶融した亜鉛が熱拡散して形成された銅−亜鉛合金内層(亜鉛濃度50〜80重量%)と芯線自体の銅が溶融した亜鉛に拡散して形成された銅−亜鉛合金外層(亜鉛濃度81〜100重量%)からなる。(外層が拡散によって生成された2層の銅−亜鉛合金層の上に亜鉛層が設けられた3層構造)
― 拡散合金層よりも亜鉛層が厚い
― 亜鉛層の厚さは外径の1.2%以上であり、電極線の最表層にはクラックが存在しない。
a)ワイヤ放電加工は、電極線と被加工物との間で放電を行わせながら、被加工物を溶断して糸鋸式の加工を行うものであるが、電極線の表層にクラックがあることによって、放電が不安定になり、被加工物の表面の仕上がり状態が悪くなる。
b)ワイヤ放電加工機に被加工物と電極線の相対位置を認識させるため、被加工物と電極線との間で電気的な導通を利用しているが、電極線の表層にクラックがあることによって接触面積が少なくなり、位置決め精度が悪くなる。
c)冷間伸線加工によって表層にクラックが生じるほど表層が脆いため、放電加工時に電極線を連続的に走行させた場合に加工機のガイド、プーリー等との摩擦・擦れ等により金属粉の発生量が多くなり、メンテナンス性を悪化させる。
d)表層にクラックがあることによって、取り扱い時または加工時に断線が発生し易くなり信頼性が悪くなる。
亜鉛層を含めた拡散合金層が剥離し易い電極線を用いてワイヤ放電加工を行うと、剥離片が電極線と被加工物の間でブリッジを形成することによって短絡が起こり、放電回数の減少による加工速度の低下や、放電が不安定になることにより、図5の模式図に示すように放電痕の集中による微細スジが、電極線の移動方向に沿って加工面に存在するようになる。
前記亜鉛溶融めっき層と前記拡散合金層の伸線加工時における展延性の差異に基づき、前記亜鉛溶融めっき層は、伸線されてクラックが存在しない亜鉛薄膜とされるとともに、前記拡散合金層は、伸線されて破砕された粒状物が前記芯線の外周面に埋め込まれ、前記亜鉛薄膜と前記拡散合金層とが前記芯線と一体化されて剥離することが抑止されていることを特徴とする。
前記伸線加工においては、前記亜鉛溶融めっき層と前記拡散合金層の伸線加工時における展延性の差異に基づき、前記亜鉛溶融めっき層は伸線されてクラックが存在しない亜鉛薄膜とされるとともに、前記拡散合金層は伸線されて破砕された粒状物が前記芯線の外周面に埋め込まれ、前記亜鉛薄膜と前記拡散合金層とが前記芯線と一体化されて剥離することが抑止されるように伸線加工することを特徴とする。
(1)めっき母線の亜鉛層を薄くしても、亜鉛層が拡散合金層のクラックを覆うことにより、電極線最表面にクラックが発現しないことを可能にするため、伸線加工中の亜鉛の温度を亜鉛の展延性が良い100〜150℃の温度で伸線加工を行う。
(2)伸線ダイスとめっき母線の摩擦抵抗を増大してダイス壁面と母線の境界に大きな垂直方向の面圧を発生させて、拡散合金層を確実に破砕して粒状物とし、その粒状物を芯線外周面に楔のように深く埋め込ませることを目的として、通常伸線に使用されている油性の伸線潤滑液よりも摩擦抵抗が大きくなる水を伸線潤滑液に用いる。
(3)拡散合金層が芯線に埋め込まれる時間を長く、また、ダイスを通過するパスの回数を多くして、拡散合金層を確実に破砕して粒状物とし、その粒状物を芯線外周面に深く埋め込ませることを目的として、伸線加工率を大きくして伸線加工を行う。
本発明は、拡散合金層の破砕した粒状物と芯線との境界線長が、その境界線長を有する同一の電極線の長さより1.20倍以上に長くなるように、拡散合金層の粒状物を芯線に深く埋め込むことによって、亜鉛薄膜と拡散合金層を芯線と一体化させ、芯線からの亜鉛薄膜と拡散合金層の剥離を抑止する構造のワイヤ放電加工用電極線とその製造方法、およびその電極線を用いた放電加工方法である。
伸線加工中にめっき母線が受ける応力は、図6に示すように母線内部と母線表層部では異なる。
伸線加工中は、めっき母線表層部では、伸線ダイス拘束により伸線ダイスとめっき母線の境界に大きな垂直方向の面圧が発生する。これに対して、めっき母線内部では引き抜き力の影響による引張応力が作用する。
図16に伸線中に、ダイス内部でどのようにめっき母線が変形していくかのメタルフローを模式的に示す。
図16の伸線前の格子線の縦軸は伸線加工後に湾曲を起している(先進現象)。これは、めっき母線と伸線ダイス壁間の摩擦が原因であり、摩擦抵抗が大きいほど、表層部は垂直方向の面圧を受けて、長さ方向の変形量は中心部の変形量に比べて小さくなる。従って、めっき母線の表層部に発生する垂直方向の面圧を大きくするためには摩擦力(変形抵抗)が大きい方が良い。
加工率(%)=〔(伸線前断面積―伸線後断面積)/伸線前断面積〕×100
図7は本発明のワイヤ放電加工用電極線1の製造方法を実施するための設備を模式的に示したもので、図2のめっき母線5の伸線装置13とアニーラー14は、図示のように巻取り装置15の前に設置しても良いし、又は本設備とは別に設置して、巻き取った後に伸線加工しても良い。
(1) 拡散合金層(銅−亜鉛合金層)
・同一温度であれば、浸漬時間が短いほど拡散合金層が薄くなる。
・同一浸漬時間であれば、温度が低いほど拡散合金層が薄くなる。
(2) 亜鉛層
・同一温度であれば、浸漬時間が短いほど亜鉛層が厚くなる。
・同一浸漬時間であれば、温度が低いほど亜鉛層が厚くなる。
この方法による効果を確認するため、溶解、鋳造、伸線工程を経た線径0.9mmの黄銅線(銅60%/亜鉛40%)のめっき前母線9を図7の製造設備を使用して、溶融めっき浴の温度や浸漬時間を調整し、拡散合金層7が同一厚で亜鉛層8の異なる下表の3種類のめっき母線5を製造した。
このようにして製造した9種類の電極線について、次の評価を行った。
a)亜鉛層厚の異なる電極線の潤滑液温度と伸線加工後の電極線外周面のクラック発生との関係
b)電極線の亜鉛層厚と加工溝幅との関係
図8から明らかなように、潤滑液温度が75℃乃至100℃の場合は、いずれの亜鉛層厚でも伸線加工後に電極線表面にクラックが発現しないが、潤滑液温度が20℃の場合は、亜鉛層厚が薄い(外径の0.6%)めっき母線5は伸線加工後に電極線表面にクラックが発現してしまう。
また、図9から明らかなように、亜鉛層厚が厚い程、亜鉛の蒸発温度が低いために放電開始と同時に蒸発・飛散してしまうことによって、図4に示すように線径が細り、入り側と出側の被加工物の加工溝巾に差が生じてしまうため、放電加工面がテーパー状になってしまい加工精度が悪くなる。この結果から、亜鉛層厚の薄いめっき母線を伸線潤滑液の温度を75℃以上100℃以下で伸線加工することによって、加工精度が良く、電極線の外周面にクラックが生じない電極線1が得られる。
この方法による効果を確認するため、方法1と同じ拡散合金層7が同一厚で亜鉛層厚8が異なる3種類のめっき母線5を製造した。次に、これらのめっき母線5を伸線潤滑液として温度20℃の油性タイプ潤滑液および水を用いて伸線加工を行い、めっき層厚(亜鉛層4+拡散合金層3)が異なる3種類(めっき層厚の割合が外径の1.5%、2.1%、3.3%)の直径0.25mmφの電極線1を製作した。
このようにして製造した6種類の電極線について、次の評価を行った。
a)潤滑液種類と拡散合金層の粒状物が芯線に埋め込まれた状態
b)めっき層厚の異なる電極線の潤滑液種類と短絡回数との関係
c)短絡の有無と加工面のスジ発生との関係
d)短絡回数と加工速度との関係
e)潤滑液種類の違いによる拡散合金層の粒状物と芯線との境界線長との関係
図10の写真に示すように伸線潤滑液に水を用いた電極線は拡散合金層3の粒状物が芯線2に深く埋め込まれた状態であるが、油性タイプ伸線潤滑液を用いた電極線は拡散合金層3の粒状物が芯線2から浮いた状態である。
図17に図10の拡散合金層3の粒状物が芯線2に深く埋め込まれた状態の電極線、および拡散合金層3の粒状物が芯線2から浮いた状態の電極線について、拡散合金層粒状物と芯線との境界線長を示す。
境界線長の測定はKEYENCE社製デジタルマイクロスコープVHX−900の周囲長計測機能を用いて実施した。
測定結果は、図17に示すように、破砕された拡散合金層3の粒状物が芯線2に深く埋め込まれた状態の境界線長は、その境界線長を有する同一の電極線より1.20〜1.22倍長くなっているのに対して、破砕された拡散合金層3の粒状物が芯線2から浮いた状態の境界線長は、その境界線長を有する同一の電極線の長さに対して1.10〜1.11倍であり、拡散合金層3の粒状物が深く埋め込まれている電極線の方が境界線長は長くなる。
また、図11に示すように、水を用いて伸線加工した境界線長の長い電極線はめっき厚が厚くても、放電加工中に亜鉛層と拡散合金層が芯線と一体化して剥離しないため、電極線と被加工物間で短絡が発生しない。
図12に示すように短絡が発生する電極線(めっき厚は外径の2.1%、油性タイプ潤滑液使用)は、加工面に放電痕の集中による微細スジが発生するが、短絡が発生しない電極線(めっき厚は外径の2.1%、水潤滑液使用)は加工面に微細スジが発生しない。
図13に示すように短絡回数が多いほど、放電回数が減少することにより加工速度が低下する。
この結果から、伸線潤滑液に水を用いることによって短絡の発生を抑止できることにより、加工面にスジの発生が無く、加工速度低下が生じない電極線が得られる。
この方法による効果を確認するため、最終製品径が0.25mmφの電極線1を製作するにあたって、加工率が92.3%、93.8%、95.7%、97、8%になるように選定した直径のめっき前母線9を用いて、方法1と同じ方法でめっき母線5を製造した。次に、これらのめっき母線5を温度20℃の油性タイプ潤滑液を用いて伸線加工して、めっき厚(亜鉛層4+拡散合金層3)が異なる3種類(外径の1.5%、2.1%、3.3%)の直径0.25mmφの電極線を製作した。
このようにして製造した12種類の電極線について、次の評価を行った。
a)加工率と拡散合金層の粒状物が芯線に埋め込まれた状態
b)伸線加工率と短絡回数との関係
c)短絡の有無と加工面のスジ発生との関係
d)短絡回数と加工速度との関係
e)伸線加工率による拡散合金層の粒状物と芯線との境界線長との関係
図14の写真はいずれも外径に対するめっき厚さが2.1%の母線を伸線加工して製作した電極線である。伸線加工率が93.8%、95.7および97.8%の電極線1は温度20℃の油性タイプ潤滑液を用いても、拡散合金層の粒状物が芯線2に深く埋め込まれた状態であるが、加工率が92.3%の電極線は(外径に対するめっき厚さ割合2.1%および3.3%の電極線)拡散合金層3の粒状物が芯線2から浮いた状態である。
図14の上記拡散合金層3の粒状物が芯線2に深く埋め込まれている状態の電極線、および上記拡散合金層3の粒状物が芯線2から浮いた状態の電極線について、拡散合金層粒状物と芯線との境界線長を方法2と同方法で測定した。測定結果は、破砕された拡散合金層3の粒状物が芯線に深く埋め込まれた状態の境界線長は、その境界線長を有する同一の電極線の長さに対して1.21〜1.23倍長くなっているが、破砕された拡散合金層3の粒状物が芯線2から浮いた状態の境界線長は、その境界線長を有する同一の電極線の長さに対して1.10〜1.12倍であり、加工率の高い電極線の方が境界線長は長くなる。
また、図15に示すように、伸線加工率を高くして伸線加工した境界線長の長い電極線はめっき厚が厚くても、放電加工中に亜鉛層と拡散合金層が芯線と一体化して剥離しないため、電極線と被加工物間で短絡が発生しない。
この結果から、加工率を高くして伸線加工をすることにより、短絡の発生を抑止できることができ、加工面にスジの発生が無く、加工速度の低下を生じない電極線が得られる。
表1にいくつかの本発明の実施例を示す。ここでの実施例は3つの方法の2つ乃至3つを含んだものであり(本発明が適用された条件は太字・斜線で示す)、比較例は3つの方法のいずれも含まないものである。
2 銅または銅合金からなる芯線
3 伸線により破砕された粒状の拡散合金層
4 亜鉛層
5 めっき母線
6 銅または銅合金からなる芯線
7 拡散合金層
8 亜鉛溶融めっき層
9 めっき前母線(芯線)
10 プレヒータ−
11 フラックス槽
12 溶融めっき装置
13 伸線装置
14 アニーラー
15 巻取り装置
Claims (13)
- 銅または銅合金からなる芯線の外周面に亜鉛溶融めっき層が形成され、該亜鉛溶融めっき層と前記芯線の間で相互に熱拡散により生成された拡散合金層を有する母線が伸線加工されたワイヤ放電加工用電極線において、
前記亜鉛溶融めっき層と前記拡散合金層の伸線加工時における展延性の差異に基づき、前記亜鉛溶融めっき層は、伸線されてクラックが存在しない亜鉛薄膜とされるとともに、前記拡散合金層は、伸線されて破砕された粒状物が前記芯線の外周面に埋め込まれ、前記亜鉛薄膜と前記拡散合金層とが前記芯線と一体化されて剥離することが抑止されていることを特徴とするワイヤ放電加工用電極線。 - 前記クラックが存在しない亜鉛薄膜は、伸線加工時に熱の影響を受けて亜鉛の展延性が良いとされる温度範囲で伸線されて形成されたものであることを特徴とする請求項1に記載されたワイヤ放電加工用電極線。
- 前記拡散合金層の破砕された粒状物は、大きな垂直方向の面圧を受けて前記芯線の外周面に深く埋め込まれていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載されたワイヤ放電加工用電極線。
- 前記拡散合金層の破砕された粒状物は、伸線前断面積から伸線後断面積を差し引いた縮減断面積を伸線前断面積で除したものに100を乗じた伸線加工率の高い伸線加工を受けて、前記芯線の外周面に深く埋め込まれていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載されたワイヤ放電加工用電極線。
- 前記破砕された熱拡散合金層の粒状物と前記芯線との境界線長が、その境界線長を有する同一の電極線の長さより1.20倍以上長いことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載されたワイヤ放電加工用電極線。
- 銅または銅合金からなる芯線の外周面に亜鉛溶融めっき層が形成し、該亜鉛溶融めっき層と前記芯線の間で相互に熱拡散させ、それにより生成された拡散合金層を有する母線を伸線加工するワイヤ放電加工用電極線の製造方法において、
前記伸線加工においては、前記亜鉛溶融めっき層と前記拡散合金層の伸線加工時における展延性の差異に基づき、前記亜鉛溶融めっき層は伸線されてクラックが存在しない亜鉛薄膜とされるとともに、前記拡散合金層は伸線されて破砕された粒状物が前記芯線の外周面に埋め込まれ、前記亜鉛薄膜と前記拡散合金層とが前記芯線と一体化されて剥離することが抑止されるように伸線加工することを特徴とするワイヤ放電加工用電極線の製造方法。 - 前記めっき母線を前記亜鉛の展延性が良いとされる温度範囲で伸線加工するにあたり、ダイスと線材の境界に循環供給する伸線潤滑液の循環貯留槽内温度を75℃乃至100℃に温度管理することを特徴とする請求項6に記載されたワイヤ放電加工用電極線の製造方法。
- 銅または銅合金を溶融亜鉛めっきすることにより、前記芯線と前記亜鉛溶融めっき層との間で相互に熱拡散させて拡散合金層を成形させて電極線のめっき母線を製造し、該めっき母線を伸線加工するワイヤ放電加工用電極線の製造方法において、
伸線加工後の前記拡散合金層を破砕して形成した粒状物と前記芯線との境界線長が、その境界線長を有する同一の電極線の長さより1.20倍以上長くなることを特徴とする請求項6記載のワイヤ放電加工用電極線の製造方法。 - 銅または銅合金からなる芯線を、亜鉛を所定温度に保持しているめっき槽内を最外層が所定厚を超える亜鉛層とする浸漬時間通過せしめた後冷却することにより、前記芯線と亜鉛が接触する境界面で相互に熱拡散させて拡散合金層を生成させて電極線のめっき母線を製造し、該めっき母線を伸線加工するワイヤ放電加工用電極線の製造方法において、
前記伸線加工においては、前記拡散合金層を破砕して形成した粒状物を芯線外周面に埋め込むことにより、前記亜鉛薄膜と拡散合金層が前記芯線と一体化して該薄膜が剥離することを抑止することを特徴とするワイヤ放電加工用電極線の製造方法。 - 前記伸線加工においては、伸線潤滑液として水を用いることにより、ダイスと線材の摩擦係数を増大してダイスと線材の境界に大きな垂直方向の面圧を発生させて、前記拡散合金層を確実に破砕して粒状物とし、該粒状物を芯線外周面に強く埋め込むことを特徴とする請求項9に記載されたワイヤ放電加工用電極線の製造方法。
- 伸線前断面積から伸線後断面積を差し引いた縮減断面積を伸線前断面積で除したものに100を乗じた伸線加工率が所定値を下回らないように伸線加工制御することにより、前記拡散合金層を確実に破砕して粒状物とし、該粒状物を芯線外周面に深く埋め込むことを特徴とする請求項9に記載されたワイヤ放電加工用電極線の製造方法。
- 前記伸線加工率の所定値を94.0%以上としたことを特徴とする請求項11に記載されたワイヤ放電加工用電極線の製造方法。
- 銅または銅合金からなる芯線の外周面に亜鉛溶融めっき層が形成されており、前記亜鉛溶融めっき層と前記芯線の間で相互に熱拡散により生成された拡散合金層を有する母線が伸線加工されたワイヤ放電加工用電極線によって放電加工する放電加工方法であって、
前記亜鉛溶融めっき層と前記拡散合金層の伸線加工時における展延性の差異に基づき、前記亜鉛溶融めっき層は、伸線されてクラックが存在しない亜鉛薄膜とされるとともに、前記拡散合金層は、伸線されて破砕された粒状物が前記芯線の外周面に埋め込まれ、前記亜鉛薄膜と拡散合金層が前記芯線と一体化されて剥離することが抑止されていることを特徴とするワイヤ放電加工用電極線を用いて放電加工する放電加工方法。
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