JP5137172B2 - 放電加工機及び放電加工機の熱変位補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度変化に伴う機械本体の熱変位を補正可能な放電加工機及び放電加工機における熱変位補正方法に関するものである。

電極と被加工物との極間に放電を発生させ、放電エネルギにより被加工物を加工する放電加工機が知られている。放電加工機を形成する機械本体の各部位は、一般的に厚さや長さ等、形状が異なるものであるため、放電加工機が温度変化の生じる環境下に設置されると、熱容量等の違いにより各部位で温度差が生じてしまう。該温度差が生じると前記各部位での熱変位量にも差が生じてしまうため、電極と被加工物との間の相対位置が変化して加工精度が低下する虞があった。そこで、従来、機械内部に外気を取り込んで機械本体の内壁と外壁との温度差を低減し、機械全体を均一な温度にして、熱変位による前記相対位置の変化を小さくする方法が開示されている。

上記の方法には、機械本体の各部位に温度検出用センサを配設し、前記各部位の温度差を指定された範囲内にするために、機械本体に取り付けた送風ファンの回転数を変えて通風量を制御する方法（特許文献１）や、コラムとベッド内に、これらと一体の分割リブを設けることにより、コラムとベッド内部に円滑な通風を施して、主要構造体全体の温度分布を均一化する方法（特許文献２）等がある。さらに機械内部に外気を取り込むだけでは不十分な場合には、精密に温度制御された気体や液体等を機械内部で循環させる方法や、放電加工機全体をカバーで覆い外気と遮断することによって、外気温度の変化による影響を受けないようにする方法等も開示されている。
特開平５−１７７５０２号公報 特許平２−３０８１２号公報

しかしながら、上記のように通風量を制御する方法や、温度制御された気体や液体を機械内部に循環させる方法は、複雑な制御機構を要するためコストがかかってしまう。放電加工機全体をカバーで覆う方法は、カバーの分のコストを必要とし、かつ機械全体が大型化してしまう。また上記方法により機械全体を均一な温度に保持することができても、機械本体の各部位は、形状の違いにより、熱応答速度すなわち温度が変化したときに各部位で全体が変化後の温度になるまでに要する時間が異なり、この時間差により熱変位量にばらつきが生じて、加工精度が低下してしまう虞がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、複雑な機構を有することなく容易に、かつ効果的に所定方向の相対変位量を抑制可能な放電加工機及び放電加工機における熱変位補正方法を提供することを目的とするものである。

本発明の放電加工機は、電極と被加工物との極間に放電を発生させ、放電エネルギにより前記被加工物の加工を行う放電加工機において、
前記電極と前記被加工物との所定方向の相対位置に変化を生じさせる２つの部位のうち、温度変化に対する前記所定方向における熱応答速度の遅い一方の部位の内部又は外面に、外気を送風する送風手段を備え、
前記送風手段が、外気の温度が所定温度変化する所定時間中において複数の異なる風量毎に外気を前記一方の部位に送風したときの所定経過時間毎の前記一方の部位の熱変位量と前記熱応答速度が速い他方の部位の熱変位量との差で生じる前記電極と前記被加工物との前記所定方向の相対位置の変化を予め実験的に測定し、該測定結果に基づいて決定された外気の温度の変化に伴う前記電極と前記被加工物との前記所定方向の相対位置の変化が最も少なくなる風量で前記一方の部位の前記内部又は外面に外気を送風することを特徴とするものである。

本発明の放電加工機の熱変位補正方法は、電極と被加工物との極間に放電を発生させ、放電エネルギにより前記被加工物の加工を行う放電加工機の熱変位補正方法において、
前記電極と前記被加工物との所定方向の相対位置に変化を生じさせる２つの部位のうち、温度変化に対する前記所定方向における熱応答速度の遅い一方の部位の内部又は外面に、外気の温度が所定温度変化する所定時間中において複数の異なる風量毎に外気を前記一方の部位に送風したときの所定経過時間毎の前記一方の部位の熱変位量と前記熱応答速度が速い他方の部位の熱変位量との差で生じる前記電極と前記被加工物との前記所定方向の相対位置の変化を予め実験的に測定し、該測定結果に基づいて決定された外気の温度の変化に伴う前記電極と前記被加工物との前記所定方向の相対位置の変化が最も少なくなる風量の外気を送風することを特徴とするものである。

なお本発明において「電極と被加工物との所定方向の相対位置」は電極と被加工物との間の所定方向の間隔すなわち距離をいう。「所定方向の相対位置の変化」は、温度変化させたときの最大間隔と最小間隔との差をいう。「熱応答速度が遅い」は、温度が変化したときに各部位で全体が変化後の温度になるまでに要する時間が長いことをいい、「熱応答速度が速い」は、前記要する時間が短いことをいう。

本発明において「２つの部位」は、各部位の前記所定方向における線熱膨張率（前記所定方向の全長の温度変化による変化率）が同程度であることが好ましく、具体的には、それぞれの線熱膨張率が、該２つの線熱膨張率の平均値の７０％〜１３０％の範囲内にあることが好ましく、９０％〜１１０％の範囲内にあればより好ましく、９５％〜１０５％の範囲内にあればさらに好ましい。なお「部位」は複数の構成要素からなるものであっても、単一の構成要素からなるものであってもよい。「部位」が複数の構成要素からなるものである場合で、特に構成要素が離れて配置されている場合には、温度変化させる前と後とで、構成要素ごとに所定方向の全長を測定してそれら足し合わせ、温度変化させる前と後との値から所定方向の線熱膨張率を算出する。また「部位」が、例えば単一の材料によって形成された鋳物等の単一の構成材料からなるものである場合には、その材料の線熱膨張率を使用してもよい。

本発明において「最も少なくなる風量」は、実際に最も少なくなる風量に限らず、その風量と同程度の風量、例えばその風量の±１０％の範囲内の風量も含む。

なお本願出願人により、温度変化パターンが異なっても相対位置の変化が最も少なくなる風量は同じになることが実験で確認されている。

本発明では、前記一方の部位だけではなく、他方の部位にも所定量の外気を送風してよい。この場合、前記一方の部位に送風する外気の風量は、他方の部位に前記所定量の外気を送風したときに温度変化に伴う前記電極と前記被加工物との前記所定方向の相対位置の変化が最も少なくなる風量を、予め実験的に求めて決定したものとする。

本発明の放電加工機及び放電加工機の熱変位補正方法によれば、電極と被加工物との所定方向の相対位置に変化を生じさせる２つの部位のうち、温度変化に対する所定方向における熱応答速度の遅い一方の部位の内部又は外面に、予め実験的に求められた風量の外気を送風するので、熱応答速度の遅い一方の部位の熱応答速度を速くすることにより、前記一方の部位と他方の部位とを略同じ熱応答速度にすることができて、温度変化に伴う時間毎の熱変位量のばらつきを抑制できる。このとき送風する風量が温度変化に伴う電極と被加工物との所定方向の相対位置の変化が最も少なくなるように決定されたものなので効果的に相対位置の変化すなわち所定方向の相対変位量を抑制でき、放電加工機の加工精度を向上させることができる。

また送風される風量が予め実験的に求められた一定の風量なので、風量を制御するための複雑な機構を必要としないため、コストを低減することができる。

以下、本発明の放電加工機の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は本実施形態の放電加工機１の概略構成側面図である。なお本実施形態の放電加工機１は、便宜上、電極６が位置する側を上側（図１の紙面上側）、ベッド部２が位置する側を下側（図１の紙面下側）、作業者が作業する側すなわちコラム部３とテーブル部４を介して反対側を前側（図１の紙面右側）とし、前後方向（図１中左右方向）をＹ軸方向、上下方向（図１中上下方向）をＺ軸方向として説明する。また本明細書中では各部位において熱膨張又は熱収縮による各部位の全長の変化量を「熱変位量」とする。

本実施形態の放電加工機１は、図１に示す如く、床面に設置されたベッド部２と、ベッド部２の上面後側に立設されたコラム部３と、ベッド部２の上面の、コラム部３よりも前側に載置され、被加工物Ｗが載置されるテーブル部４と、テーブル部４の上方に位置するようにコラム部３に保持されたヘッド部５と、ヘッド部５の下端に装着された電極６とから概略構成されている。ベッド部２、コラム部３、テーブル部４及びヘッド部５は線熱膨張率の等しい材料で形成された鋳物とする。

ベッド部２は、上面が平坦に形成された直方体であって、内部にベッド部内空洞２１を有している。コラム部３は、ベッド部２の上面に該上面と略直角に立設され、四角柱状で内部にコラム本体部内空洞７１を有するコラム本体部７と、コラム本体部７の上端面に、上面及び下面がコラム本体部７と略直角すなわちベッド部２の上面と平行になるように配設された略直方体で、内部にコラム上部内空洞８１を有するコラム上部８とから構成されている。このときベッド部２、コラム本体部７及びコラム上部８の空洞２１，７１，８１は、別々に区画して形成されている。

ヘッド部５は、内部に図示しないモータ等が設置され、下端に上下方向に移動可能に装着された電極６が配設されている。テーブル部４は、上面及び下面がベッド部２の上面と平行に形成され、被加工物Ｗが上面内で手動又は自動で移動可能に構成されている。そして被加工物Ｗは、内部に加工液が収容された図示しない加工槽の中に配置される。

上記のように構成された放電加工機１は、加工槽に収容された加工液の中で、電極６と被加工物Ｗとの極間Ｄに、図示しない電源によって放電を発生させ、放電エネルギによって被加工物Ｗの放電加工を行う。

本発明において特徴的なのは、電極６と被加工物Ｗとの所定方向の相対位置に変化を生じさせる２つの部位のうち、温度変化に対する所定方向における熱応答速度の遅い一方の部位の内部又は外面に、予め実験的に求められた、温度変化に伴う電極と被加工物との前記所定方向の相対位置の変化が最も少なくなる風量の外気を送風することである。

本実施形態の放電加工機１における前記２つの部位は、熱変位を生じることにより電極と被加工物との相対位置に変化を生じさせることから、Ｙ軸方向は一方をベッド部２、他方をコラム上部８とヘッド部５とを組み合わせてなる上部９とし、Ｚ軸方向は一方をコラム部３、他方をテーブル部４、被加工物Ｗ、ヘッド部５及び電極６とを組み合わせた軸部１０とする。前側からみて左右方向すなわち紙面奥行き方向であるＸ軸方向は、放電加工機１が前側からみて左右略対称に構成されているものであるため、他の軸方向と比較して左右の熱変位量に差が生じ難いので、本実施形態では考慮しないものとする。

先ずＹ軸方向の熱変位補正方法について説明する。通常、放電加工機１のベッド部２は、上面にコラム部３等が配設されるため、強度や安定性を考慮して、上部９と比較して厚み等、外形が大きく設計されている。そのためベッド部２の熱容量は、上部９の熱容量よりも大きくなり、放電加工機１の周囲において温度変化が生じた場合には、熱容量の違いにより、ベッド部２と上部９とは温度変化に差が生じる。そして温度変化に差が生じると、ベッド部２のＹ軸方向の全長（図１中、Ｙ１）における熱変位量と、上部９のＹ軸方向の全長（図１中、Ｙ２）における熱変位量とが異なる値となり、これにより電極６と被加工物ＷとのＹ軸方向の相対位置に変化が生じる。また上記のようにベッド部２の熱容量は、上部９の熱容量よりも大きいので、ベッド部２と上部９とを均一な温度にするために要する時間は、ベッド部２が上部９よりも多く必要となる。すなわちベッド部２は上部９よりも熱応答速度が遅い。

そこで本実施形態の放電加工機１の熱変位補正方法は、図１に示す如く、ベッド部２本体の前壁に、予め実験的に求められた、温度変化に伴う電極６と被加工物ＷとのＹ軸方向の相対位置の変化が最も少なくなる風量の外気を送風するように設定したベッド側ファン２２を取り付けて、ベッド部内空洞２１に、強制的に外気を送風する。このときベッド部２本体の後壁にベッド側開口２３を形成して、ベッド部内空洞２１の空気の流れを良くすることにより、ベッド部２をより早く外気温に近づけて熱応答速度を早くする。

以下、風量を決定する実験について説明する。図２にベッド側ファン２２の回転数を制御して異なる風量の外気をベッド部内空洞２１に送風したときの時間の経過とＹ軸方向の相対変位量との関係を示すグラフを示す。なお図２中の曲線の番号は、小さい番号が少ない風量の曲線であり、番号が大きくなるにつれて多い風量の曲線を示す。ここでＮｏ１は風量が０のときの曲線を示す。また外気の温度の変化量は９℃とし、後述する図３中の外気温の曲線と同じ変化をさせた。

図２に示す如く、外気をベッド部内空洞２１に送風すると、図示しない外気温の変化と連動してＹ軸方向の相対変位量が変化する。少ない風量（Ｎｏ１〜３）のときには、ベッド部２と上部９との熱応答速度に差があるので、時間毎のベッド部２のＹ軸方向の全長（図１中、Ｙ１）における熱変位量と、上部のＹ軸方向の全長（図１中、Ｙ２）における熱変位量とに差が生じるため、外気温を９℃変化させたときのＹ軸方向の相対変位量は大きいときには１４μｍ程度となり、Ｙ軸方向の相対変位量を充分に抑制できない。

多い風量（Ｎｏ４〜７）のときには、ベッド部内空洞２１により多くの外気が送風されるので、ベッド部２がより速く外気温に近づき、ベッド部２の熱応答速度が速くなる。これにより、ベッド部２と上部９との熱応答速度の差が小さくなるので、時間毎のベッド部２のＹ軸方向の全長（図１中、Ｙ１）における熱変位量と、上部９のＹ軸方向の全長（図１中、Ｙ２）における熱変位量との差を小さくすることができ、外気温を９℃変化させたときのＹ軸方向の相対変位量を５μｍ以内に抑制することができる。

ここで上記多い風量のうち風量Ｎｏ６，７のときには、ベッド部内空洞２１に外気がより多く入るので、ベッド部２が速く外気温に近づき過ぎて、ベッド部２の方が上部９よりも熱応答速度が速くなってしまい、図２に示す如く、曲線の時間周期における位相が逆転する。本実験においては風量Ｎｏ５又は風量Ｎｏ６のときに、Ｙ軸方向の相対変位量が最も抑制されているが、放電加工機１にさらに高い加工精度が要求されている場合には、風量Ｎｏ５と風量Ｎｏ６との間で風量を細かく設定し、Ｙ軸方向の相対変位量がさらに抑制される値を求めることができる。

ここで、図３に上記のように決定された風量の外気をベッド側ファン２２によってベッド部内空洞２１に送風したときの時間の経過とＹ軸方向の相対変位量との関係を示すグラフを示す。このとき外気の温度の変化量は９℃とし、詳しくは、２℃／時で９℃上昇させ、２時間経過後に２℃／時で９℃降下させた。さらに２時間経過後２℃／時で９℃上昇させ、８時間経過後２℃／時で９℃降下させた。そしてさらに２時間経過後２℃／時で９℃上昇させ、２時間経過後２℃／時で９℃降下させた。なお図３中ファン無しの曲線は、上述した図２中のＮｏ１の曲線と同じデータである。

図３に示す如く、ベッド側ファン２２が取り付けられていない放電加工機１では、外気温の変化に連動してＹ軸方向の相対変位量が１４μｍ程度まで上昇した。ベッド部２にベッド側ファン２２を取り付けた放電加工機１では、外気温の変化とは時間周期における位相が逆転してＹ軸方向の相対変位量は４μｍ以内で変化した。

このように、前述のように決定された風量の外気をベッド側ファン２２によってベッド部内空洞２１に送風することにより、ベッド部２の熱応答速度を速くすることができるため、ベッド部２と上部９との熱応答速度の差を小さくすることができ、ベッド部２と上部９との時間毎のＹ軸方向の熱変位量の差を小さくできる。これによりＹ軸方向の相対変位量が抑制されるので、放電加工機１の加工精度を向上させることができる。また風量は一定であるため、風量を制御するための複雑な機構を必要としないことにより、コストを低減することができる。さらに風量は温度変化に伴う電極６と被加工物ＷとのＹ軸方向の相対位置の変化が最も少なくなる風量なので、効果的に前記相対位置の変化すなわちＹ軸方向の相対変位量を抑制でき、放電加工機１の加工精度を向上させることができる。

次にＺ軸方向の熱変位補正方法について説明する。通常、放電加工機１のコラム部３は、ヘッド部５を介して電極６を所定位置に保持するため、強度や安定性を考慮して、上述した軸部１０と比較して外形が大きく設計されている。そのためコラム部３の熱容量は、軸部１０の熱容量よりも大きくなり、放電加工機１の周囲において温度変化が生じた場合には、熱容量の違いにより、コラム部３と軸部１０とは温度変化に差が生じる。そして温度変化に差が生じると、コラム部３のＺ軸方向の大きさ（図１中、Ｚ１）における熱変位量と、軸部１０のＺ軸方向の大きさ（図１中、Ｚ２）における熱変位量とが異なる値となり、これにより電極６と被加工物ＷとのＺ軸方向の相対位置に変化が生じる。また上記のようにコラム部３の熱容量は、軸部１０の熱容量よりも大きいので、コラム部３と軸部１０とを均一な温度にするために要する時間は、コラム部３が軸部１０よりも多く必要となる。すなわちコラム部３は軸部１０よりも熱応答速度が遅い。

そこで本実施形態の放電加工機１の熱変位補正方法は、図１に示す如く、コラム本体部７本体の後壁下端部に、予め実験的に求められた、温度変化に伴う極間ＤのＺ軸方向の相対位置の変化が最も少なくなる風量の外気を送風するように設定したコラム側ファン７２を取り付けて、コラム本体部内空洞７１に、強制的に外気を送風する。このときコラム本体部７本体の後壁上端部にコラム側開口７３を形成して、コラム本体部内空洞７１の通風をより活性させる。なお本実施形態の放電加工機１は、上述したＹ軸方向の熱変位補正への影響を低減するために、コラム側ファン７２による通風はコラム本体部内空洞７１のみに行なうものとする。また風量については、上述したＹ軸方向と同様の実験方法にて決定するものとし、Ｚ軸方向の実験方法についての説明は省略する。なおＺ軸方向の実験は、被加工物Ｗを加工液に浸した状態で行い、加工液の温度をコラム部７の温度と同じ温度に制御する等、実際の加工状態と同様の構成にして行うものとする。

図４に上述のように構成された本実施形態の放電加工機１において、外気の温度を９℃変化させたときの時間の経過とＹ軸方向及びＺ軸方向の相対変位量との関係を示すグラフを示す。図４に示す如く、Ｙ軸方向の相対変位量は略４.０μｍ以内に抑制することができ、Ｚ軸方向の相対変位量は略２．５μｍ以内に抑制することができた。

上述のように本実施形態の放電加工機１及び放電加工機１の熱変位補正方法によれば、電極６と被加工物Ｗとの所定方向の相対位置に変化を生じさせる２つの部位のうち、温度変化に対する前記所定方向の熱応答速度の遅い一方の部位の内部又は外面に外気を送風するので、熱応答速度の遅い一方の部位の熱応答速度を速くすることにより、前記一方の部位と他方の部位とを略同じ熱応答速度にすることができて、温度変化に伴う時間毎の熱変位量のばらつきを抑制できる。このとき送風する風量が温度変化に伴う電極と被加工物との所定方向の相対位置の変化が最も少なくなるように決定されたものなので効果的に相対位置の変化すなわち所定方向の相対変位量を抑制でき、放電加工機の加工精度を向上させることができる。

また送風される風量が予め実験的に求められた一定の風量なので、風量を制御するための複雑な機構を必要としないため、コストを低減することができる。よって放電加工機は、被加工物に対して高精度で加工を行うことができる。

なお上記のＹ軸方向及びＺ軸方向の相対変位量の測定は、一般的に使用される測定方法により求めるものとし、例えば電極６及び被加工物Ｗの位置に基準球を設置して測定する方法が使用される。

また本実施形態の放電加工機１は、上述したようにベッド部２とコラム本体部７にファンを取り付けたものであるが、本発明の放電加工機はこれに限られるものではなく、例えばベッド部のみにファンを取り付けてもよい。

また本実施形態の放電加工機１は、上述したようにベッド部２前面にベッド側ファン２２を取り付けたものであるが、本発明の放電加工機はこれに限られるものではなく、例えば右側面にベッド側ファンを取り付けても、左側面にベッド側ファンを取り付けてもよく、適宜設計変更可能である。

また本実施形態の放電加工機１は、上述したようにコラム本体部７後面の下端部にコラム側ファン７２を取り付けたものであるが、本発明の放電加工機はこれに限られるものではなく、例えば上端部に取り付けても、前面に取り付けてもよく、適宜設計変更可能である。

また本実施形態の放電加工機１は、上述したようにコラム本体部及びベッド部の内部に外気を送風するものであるが、本発明の放電加工機はこれに限られるものではなく、例えば外面に外気を送風してもよい。

また本実施形態の放電加工機１は、上記のようにＣ形フレームと総称される形状としたが、本発明の放電加工機及び該放電加工機における熱変位補正方法はこれに限られるものではなく、例えば左右両側にコラム本体部を備えた門形フレームと総称される形状であってもよく、適宜設計変更可能である。門形フレームの放電加工機の場合は、Ｚ軸方向の熱変位を補正するために、左右両側のコラムにコラム側ファンを取り付ける。

本実施形態の放電加工機の右側面図 異なる風量を送風したときの時間の経過とＹ軸方向の相対変位量との関係を示すグラフ ファンが取り付けられた放電加工機とファンが取り付けられていない放電加工機とにおける時間の経過とＹ軸方向の相対変位量との関係を示すグラフ 外気の温度を９℃変化させたときの時間の経過とＹ軸方向及びＺ軸方向の相対変位量との関係を示すグラフ

符号の説明

１ 放電加工機
２ ベッド部
２１ ベッド内空洞
２２ ベッド側ファン
２３ ベッド側開口
３ コラム部
４ テーブル部
５ ヘッド部
６ 電極
７ コラム本体部
７１ コラム本体部内空洞
７２ コラム側ファン
７３ コラム側開口
８ コラム上部
８１ コラム上部内空洞
９ 上部
１０ 軸部
Ｄ 極間
Ｗ 被加工物

Claims (2)

1. 電極と被加工物との極間に放電を発生させ、放電エネルギにより前記被加工物の加工を行う放電加工機において、
   前記電極と前記被加工物との所定方向の相対位置に変化を生じさせる２つの部位のうち、温度変化に対する前記所定方向における熱応答速度の遅い一方の部位の内部又は外面に、外気を送風する送風手段を備え、
   前記送風手段が、外気の温度が所定温度変化する所定時間中において複数の異なる風量毎に外気を前記一方の部位に送風したときの所定経過時間毎の前記一方の部位の熱変位量と前記熱応答速度が速い他方の部位の熱変位量との差で生じる前記電極と前記被加工物との前記所定方向の相対位置の変化を予め実験的に測定し、該測定結果に基づいて決定された外気の温度の変化に伴う前記電極と前記被加工物との前記所定方向の相対位置の変化が最も少なくなる風量で前記一方の部位の前記内部又は外面に外気を送風することを特徴とする放電加工機。
2. 電極と被加工物との極間に放電を発生させ、放電エネルギにより前記被加工物の加工を行う放電加工機の熱変位補正方法において、
   前記電極と前記被加工物との所定方向の相対位置に変化を生じさせる２つの部位のうち、温度変化に対する前記所定方向における熱応答速度の遅い一方の部位の内部又は外面に、外気の温度が所定温度変化する所定時間中において複数の異なる風量毎に外気を前記一方の部位に送風したときの所定経過時間毎の前記一方の部位の熱変位量と前記熱応答速度が速い他方の部位の熱変位量との差で生じる前記電極と前記被加工物との前記所定方向の相対位置の変化を予め実験的に測定し、該測定結果に基づいて決定された外気の温度の変化に伴う前記電極と前記被加工物との前記所定方向の相対位置の変化が最も少なくなる風量の外気を送風することを特徴とする放電加工機の熱変位補正方法。

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