JP5493841B2 - 電解加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、電解加工装置及び方法に関する。

電解加工は、周知のように、電解液中に被加工金属と工具電極とを対峙させて浸漬させ、工具電極を移動させつつ電解液を介して両者間に通電することにより被加工金属の表面に所定の機械加工を施すものである。このような電解加工は、加工速度が速いことと共に加工精度が高いことから、タービン翼や自動車部品等の大量かつ高精度を要する金属部品の加工に利用されている。また、このような電解加工における加工精度は、周知の平衡加工隙間理論に従うものであり、一般には電解液のｐＨ値、比重、温度、圧力等を一定値に管理することにより維持されている。

下記特許文献１には、このような電解加工の関連技術として、電解加工に使用された電解液（硝酸塩を主成分とするもの）を再生する技術が開示されている。すなわち、電解液における性状は加工精度に大きな影響を与えるので、特許文献１の技術は、電解加工に使用されたことによって不純物の混入状態が変化した電解液について、アルカリ沈殿法によってイオン化した不純物を除去することによって使用前の状態に再生するものである。

特開２００８−０６３５９９号公報

ところで、上記特許文献１の技術は、アルカリ沈殿法によってイオン化した不純物を除去するものなので、再生方法として不十分なものである。すなわち、特許文献１の技術によって再生された電解液を使用して電解加工を行った場合、新品の電解液を使用した場合との間に加工精度の差異が発生するので、所望の加工精度を得ることができないという問題点がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも高精度な電解加工を実現することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、電解加工装置に係る第１の解決手段として、電解液供給手段から供給された電解液を用いて加工機本体で加工対象物に所望の機械加工を施す電解加工装置であって、電解液供給手段は、電解液の導電率を一定に管理して加工機本体に供給する、という手段を採用する。

電解加工装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、電解液供給手段は、加工機本体で使用された電解液（使用済電解液）を回収し、当該使用済電解液の導電率を一定に調整して加工機本体に循環的に供給する、という手段を採用する。

電解加工装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、電解液供給手段は、循環量を一定に管理する循環量管理手段を備える、という手段を採用する。

電解加工装置に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、循環量管理手段は、循環している電解液と電解液の溶媒とを混合させる混合器と、前記混合器における液面高さを計測するレベル計と、該レベル計の計測値に応じた量の溶媒を混合器に供給する溶媒供給手段とを具備する、という手段を採用する。

電解加工装置に係る第５の解決手段として、上記第1〜第４のいずれかの解決手段において、電解液供給手段は、電解液の温度を一定に管理する温度調節器を備える、という手段を採用する。

電解加工装置に係る第６の解決手段として、上記第２〜第５のいずれかの解決手段において、電解液供給手段は、加工機本体への供給直前における電解液の導電率を計測する導電率計と、導電率の管理目標値よりも高い導電率の電解液（高導電率電解液）を循環している電解液に供給する高導電率電解液供給手段と、加工機本体から回収した電解液の一部を外部に排出する電解液排出手段と、導電率計の計測結果に基づいて電解液の導電率が管理目標値となるように高導電率電解液供給手段及び電解液排出手段を制御する制御装置とを備える、という手段を採用する。

電解加工装置に係る第７の解決手段として、上記第２〜第６のいずれかの解決手段において、電解液供給手段は、加工機本体から回収した使用済電解液からスラッジを除去するスラッジ除去機を備える、という手段を採用する。

電解加工装置に係る第８の解決手段として、上記第７の解決手段において、スラッジ除去機は、液体サイクロンあるいは遠心沈降機である、という手段を採用する。

電解加工装置に係る第９の解決手段として、上記第１〜第８のいずれかの解決手段において、電解液供給手段は、加工機本体から回収した使用済電解液から金属イオンを除去するイオン除去機を備える、という手段を採用する。

また、本発明では、電解加工方法に係る第１の解決手段として、電解液を用いて加工対象物に所望の機械加工を施す電解加工装置であって、電解液の導電率を一定に維持して加工対象物を電解加工する、という手段を採用する。

電解加工方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、電解加工に使用された電解液（使用済電解液）を回収し、当該使用済電解液の導電率を一定に調整して電解加工に循環供給する、という手段を採用する。

電解加工方法に係る第３の解決手段として、上記第1または第２の解決手段において、加工機本体への供給直前における電解液の導電率を計測し、導電率計の計測結果に基づいて電解液の導電率が管理目標値となるように、導電率の管理目標値よりも高い導電率の電解液（高導電率電解液）を循環している電解液に供給あるいは加工機本体から回収した電解液の一部を外部に排出することにより電解液の導電率を一定に維持する、という手段を採用する。

本発明によれば、電解液の導電率を一定に維持して加工対象物を電解加工するので、従来よりも高精度な電解加工を実現することが可能である。

本発明の第１実施形態に係る電解加工装置Ａの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る電解加工装置Ｂの機能構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
最初に、第１実施形態に係る電解加工装置Ａ及び当該電解加工装置Ａを用いた電解加工方法について説明する。本電解加工装置Ａは、図1に示されているように、加工機本体１、スラッジ除去機２、混合器３、脱塩素水貯留槽４、制御弁５、レベル計６、循環ポンプ７、温度調節器８、導電率計９、供給ポンプ１０、排出ポンプ１１、高導電率電解液貯留槽１２、制御装置１３を備えている。

加工機本体１は、温度調節器８から供給された電解液Ｘを用いて被加工金属に所望の機械加工を施すものである。この加工機本体１は、一般的な電解加工機と同等な構成を有するものであり詳細構成の説明は省略するが、被加工金属と共に電解液Ｘ中に浸漬させた工具電極を被加工金属に対して相対的に順次移動させつつ電解液を介して両者間に加工電流を流し、当該加工電流によって被加工金属の表面から当該被加工金属を構成する成分金属を電解液Ｘ中に溶出させることにより、被加工金属の表面に所定の機械加工を施すものである。上記電解液Ｘは、例えば塩素成分が除去された水（脱塩素水）を溶媒とし、また硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ_３）を溶質とする導電性水溶液である。

スラッジ除去機２は、このような加工機本体１から排出された電解液Ｘ、つまり被加工金属の加工に使用された使用済電解液から固体成分であるスラッジを除去するものである。上記スラッジは、電解液Ｘ中に溶出した上記成分金属の水酸化物を主成分とする粒状物である。スラッジ除去機２は、比重分離を行う沈殿槽、遠心沈降機（遠心分離機）あるいは液体サイクロンであり、上記粒状物であるスラッジを効果的に捕集して電解液Ｘから分離・除去し、除去済みの電解液Ｘを混合器３に排出する。

ここで、沈殿槽は、比重を利用して使用済電解液からスラッジを分離するので、スラッジ除去機２として採用した場合はスラッジ除去機２が大型化すると共に電解液の総量が大容量化する。しかしながら、遠心沈降機（遠心分離機）及び液体サイクロンは、このような沈殿槽に比べると、スラッジ除去機２を大幅に小型化することが可能であると共に電解液の少量化を実現することができる。詳細については後述するが、電解液Ｘの導電率を高精度に管理する等の目的上、本電解加工装置Ａのスラッジ除去機２としては、遠心沈降機あるいは液体サイクロンが好ましい。

混合器３は、スラッジ除去機２から供給された電解液Ｘに制御弁５を介して脱塩素水貯留槽４から供給された脱塩素水（電解液Ｘの溶媒）を攪拌・混合する容器である。脱塩素水貯留槽４は、電解液Ｘの溶媒である脱塩素水を貯留する容器である。制御弁５は、上記混合器３と脱塩素水貯留槽４との間に設けられ、後述するレベル計６の計測値に基づいて脱塩素水貯留槽４から混合器３に供給する脱塩素水の量を調節するものである。また、上記混合器３には、図示するようにレベル計６が付設されている。このレベル計６は、混合器３における電解液Ｘの液面高さを計測する計測器であり、計測結果を液面計測値として制御弁５に出力する。

循環ポンプ７は、上記混合器３から電解液Ｘを払い出して加工機本体１に供給するポンプである。温度調節器８は、図示するように循環ポンプ７と加工機本体１との間に設けられ、電解液Ｘの温度計測値に基づいて電解液Ｘを加熱／冷却することによって電解液Ｘの温度を所定の温度管理目標値に（一定に）管理（維持）する装置である。

ここで、電解液Ｘに着目すると、当該電解液Ｘは、上述した加工機本体１、スラッジ除去機２、混合器３、循環ポンプ７及び温度調節器８から形成される電解液循環ループ内を循環する。すなわち、加工機本体１において被加工金属の加工に供された電解液Ｘ（使用済電解液）は、廃棄されるのではなく回収され、スラッジ除去機２、混合器３、循環ポンプ７及び温度調節器８を経由して加工機本体１に循環的に再供給される。

導電率計９は、図示するように温度調節器８から加工機本体１への供給される電解液Ｘ、つまり加工機本体１への供給直前における電解液Ｘの導電率を計測する計測器である。この導電率計９は、電解液Ｘの導電率計測値を制御量として制御装置１３に出力する。

供給ポンプ１０は、スラッジ除去機２から混合器３に供給される電解液Ｘに、高導電率電解液貯留槽１２から払い出した高導電率電解液を付加するためのポンプである。排出ポンプ１１は、加工機本体１から回収した電解液Ｘ（使用済電解液）の一部を外部に排出する電解液排出手段である。高導電率電解液貯留槽１２は、導電率管理目標値よりも高い導電率の電解液、つまり高導電率電解液を貯留する容器である。上記供給ポンプ１０及び高導電率電解液貯留槽１２は、上記電解液循環ループを循環している電解液Ｘに高導電率電解液を供給する高導電率電解液供給手段を構成している。

制御装置１３は、上述した各ポンプ、つまり循環ポンプ７、供給ポンプ１０及び排出ポンプ１１の作動を制御するものである。この制御装置１３は、電解液Ｘが電解液循環ループを予め決められた一定流量で循環するように循環ポンプ７を作動させる一方、導電率計９から入力される導電率計測値（加工機本体１への供給直前における電解液Ｘの導電率）が導電率管理目標値と一致するように、つまり一定値となるように供給ポンプ１０及び排出ポンプ１１を制御する。すなわち、この制御装置１３は、導電率計測値が導電率管理目標値よりの低い場合は供給ポンプ１０を作動させる一方、導電率計測値が導電率管理目標値よりの高い場合は排出ポンプ１１を作動させる。なお、制御装置１３による電解液Ｘの導電率制御は、本電解加工装置Ａの最も特徴とする点であり、以下に詳説する。

上述した本電解加工装置Ａの各構成要素のうち、加工機本体１を除く構成要件は、電解液Ｘの溶質である硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ_３）の濃度を調整することによって電解液Ｘの導電率を一定に管理して加工機本体１に供給する電解液供給手段を構成するものである。また、混合器３、脱塩素水貯留槽４、制御弁５及びレベル計６は、電解液循環ループを循環する電解液Ｘの量（循環量）を一定に管理する循環量管理手段を構成している。また、このような循環量管理手段の構成要素のうち、制御弁５及びレベル計６は、溶媒供給手段を構成している。

次に、このような本電解加工装置Ａを用いた電解加工方法について説明する。
本電解加工装置Ａでは、加工機本体１で被加工金属の加工に供された電解液Ｘ（使用済電解液）をスラッジ除去機２に回収し、該スラッジ除去機２においてスラッジを除去することにより使用済電解液を電解加工に供することができる性状に再生（回復）させて加工機本体１に供給する。すなわち、制御装置１３が循環ポンプ７を制御することによって、電解液Ｘは電解液循環ループを予め決められた一定流量で循環し、この循環において使用と再生とが繰り返される。

ここで、特にスラッジ除去機２におけるスラッジの除去の際に電解液Ｘの一部がスラッジに付着する等に起因して、加工機本体１の運転を継続した場合に電解液Ｘの循環量及び導電率が変動する。電解液Ｘの循環量及び導電率のうち、循環量は加工機本体１の運転の継続に従って徐々に減少する傾向にあるが、導電率は、必ずしも低下するだけではなく、被加工金属から溶出した成分金属が電解液Ｘ中に溶け込む等の要因から上昇することもある。

また、電解加工の加工精度は、周知のように平衡加工隙間理論に従うものであり、電解液Ｘの性状や工具電極の被加工金属に対する距離精度等に依存するものであるが、最も直接的な精度因子は、加工電流の設定精度である。そして、電解液Ｘの導電率は、加工電流の設定精度に最も直接的に影響を与えるパラメータである。

本電解加工装置Ａでは、このような知見に基づいて加工電流の設定精度に影響が強い電解液Ｘの導電率を一定に管理して加工機本体１に供給する電解液供給手段を備えている。すなわち、電解液供給手段における制御装置１３は、導電率計測値が導電率管理目標値よりの低い場合は供給ポンプ１０を作動させて高導電率電解液を付加させる一方、導電率計測値が導電率管理目標値よりの高い場合は排出ポンプ１１を作動させて電解液Ｘを電解液循環ループ外に排出させることによって、導電率計９から入力される導電率計測値、つまり加工機本体１への供給直前における電解液Ｘの導電率が導電率管理目標値と一致するように制御する。

ここで、本電解加工装置Ａでは、スラッジ除去機２として、電解液Ｘに対する容積が極力小さい遠心沈降機あるいは液体サイクロンを採用するので、比較的大きな容積を必要とする沈殿槽を採用した場合に比較して、電解液循環ループにおける電解液Ｘの循環量を少なくすることができる。このような電解液Ｘの循環量の少量化は、上述した電解液供給手段における電解液Ｘの導電率の一定制御に寄与する。

すなわち、電解液Ｘの循環量が少ない場合、電解液Ｘの導電率を導電率管理目標値に維持するために必要となる高導電率電解液の付加量及び電解液Ｘの排出量を少なくすることができるので、電解液Ｘの導電率制御における制御応答性を良くすることが可能であり、よって電解液Ｘの導電率を導電率管理目標値に対して高精度に維持することが可能となる。また、電解液Ｘの循環量が少ないことにより、温度調節器８の消費エネルギを低減することができる。

また、スラッジ除去機２として遠心沈降機あるいは液体サイクロンを採用した場合には、沈殿槽を採用した場合よりも電解液循環ループにおける電解液Ｘの循環量を少なくすることができるので、沈殿槽を採用した場合よりも排出ポンプ１１から外部に排出される使用済電解液の量を低減できる。したがって、遠心沈降機あるいは液体サイクロンを採用した場合には、外部に排出された使用済電解液の処理に要するコストを沈殿槽を採用した場合よりも低減することができる。

また、本電解加工装置Ａでは、排出ポンプ１１を作動させることによって電解液Ｘの一部が電解液循環ループの外部に排出されるので、電解液Ｘの循環量は減少するが、当該循環量は循環量管理手段によって循環量管理目標値に自動復帰する。すなわち、レベル計６が計測する混合器３における電解液Ｘの液面レベル（液面計測値）は電解液Ｘの循環量に依存する。制御弁５は、このような液面計測値が管理目標値を下回ると開口して脱塩素水貯留槽４から混合器３に脱塩素水を供給することにより、電解液Ｘの循環量を循環量管理目標値に維持させる。

このような本実施形態によれば、電解液Ｘの導電率を一定に管理して加工機本体１に供給するので、加工機本体１において被加工金属を従来よりも高精度に加工することができる。平衡加工隙間理論に基づいて電解液Ｘの導電率と加工精度の関係を見ると、例えば、５重量％の硝酸ナトリウム水溶液を電解液Ｘとして用い、ステンレス材（ＳＵＳ３０４）からなる被加工金属を加工電極の送り速度：０．２ｍｍ／ｍｉｎ、印加電圧：１５Ｖとして電解加工する場合、被加工金属の加工精度として０．２ｍｍを実現するためには、電解液Ｘの導電率を２Ｓ／ｍ以内に維持する必要がある。なお、この２Ｓ／ｍ以内という導電率は、硝酸ナトリウム（媒質）の濃度に換算すると、３〜６重量％に相当する値である。

本実施形態における導電率計９は、計測範囲及び計測分解能の点で上記２Ｓ／ｍ程度の導電率を十分に計測することが可能であり、また制御装置１３は導電率計９から入力される導電率計測値に基づいて供給ポンプ１０あるいは排出ポンプ１１を制御することにより電解液Ｘの導電率を上記２Ｓ／ｍ以内に十分に維持することが可能である。したがって、本実施形態によれば、上記０．２ｍｍという加工精度を十分に実現することが可能である。

また、本実施形態によれば、スラッジ除去機２として容積が極力小さいサイクロンあるいは遠心沈降機を採用するので、比較的大きな容積を必要とする沈殿槽を採用した場合よりも電解液Ｘの循環量を少なくすることが可能であり、これによって応答性良く電解液Ｘの導電率を管理・制御することができるので、加工精度の変動幅を小さくすることが可能である。

また、本電解加工装置Ａでは、温度調節器８によって電解液Ｘの性状の１つである温度が温度管理目標値に維持されるので、これによっても被加工金属の加工精度を高精度化することが可能である。
さらには、電解液Ｘの循環量が一定に維持されるので、加工機本体１において電解液Ｘが不足するような事態を回避することが可能である。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係る電解加工装置Ｂ及び当該電解加工装置Ｂを用いた電解加工方法について説明する。

本電解加工装置Ｂは、図2に示すように、第１実施形態に係る電解加工装置Ａにイオン除去機１４を付加した構成を有する。すなわち、本電解加工装置Ｂは、スラッジ除去機２における電解液Ｘの排出側にイオン除去機１４を設けたものである。このイオン除去機１４は、加工機本体１から排出された電解液Ｘ（使用済電解液）に含まれる金属イオンを除去するためのイオン交換樹脂である。この金属イオンは、電解液Ｘが本来含んでいる成分とは異なるものであり、加工機本体１における電解加工に悪影響を与える場合があるので、本電解加工装置Ｂでは、イオン除去機１４を備えた構成を採用する。

このような本実施形態では、イオン除去機１４を備えるので、第１実施形態に係る電解加工装置Ａよりも精度良く被加工金属を電解加工することができると共に、加工精度の変動幅を第１実施形態に係る電解加工装置Ａよりも小さくすることが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記電解加工装置Ａ，Ｂは電解液Ｘを循環させる電解液循環ループを備えるが、本発明はこれに限定されない。使用済電解液を再生して加工機本体１で再使用するのではなく、新規の電解液Ｘを加工機本体１に順次供給して被加工金属を電解加工するように構成し、上記新規の電解液Ｘの導電率が導電率管理目標値と一致するように管理して加工機本体１に供給するようにしても良い。

（２）上記電解加工装置Ａ，Ｂでは、電解液Ｘの導電率、温度、循環量を管理するが、これら管理パラメータのうち、電解液Ｘの温度及び循環量の管理については、必要に応じて省略しても良い。また、電解液Ｘの温度及び循環量に代えて、あるいは電解液Ｘの温度及び循環量に加えて、電解液Ｘに関する他の性状（ｐＨ値、比重、温度、圧力等）を管理するようにしても良い。

（３）さらに、上記電解加工装置Ａ，Ｂでは、導電率計測値が導電率管理目標値よりの低い場合は電解液循環ループを循環している電解液Ｘに高導電率電解液を付加させる一方、導電率計測値が導電率管理目標値よりの高い場合は電解液循環ループを循環している電解液Ｘを電解液循環ループ外に排出させることによって、電解液Ｘの導電率が導電率管理目標値と一致するように制御するが、電解液Ｘの導電率に関する管理・制御手法は、これに限定されない。

Ａ、Ｂ…電解加工装置、Ｘ…電解液、１…加工機本体、２…スラッジ除去機、３…混合器、４…脱塩素水貯留槽、５…制御弁、６…レベル計、７…循環ポンプ、８…温度調節器、９…導電率計、１０…供給ポンプ、１１…排出ポンプ、１２…高導電率電解液貯留槽、１３…制御装置、１４…イオン除去機

Claims (6)

1. 電解液供給手段から供給された電解液を用いて加工機本体で加工対象物に所望の機械加工を施す電解加工装置であって、
   電解液供給手段は、加工機本体で使用された電解液（使用済電解液）を回収し、当該使用済電解液の導電率を一定に調整して加工機本体に循環的に供給し、また循環量を一定に管理する循環量管理手段を備え、
   循環量管理手段は、
   循環している電解液と電解液の溶媒とを混合させる混合器と、
   前記混合器における液面高さを計測するレベル計と、
   該レベル計の計測値に応じた量の溶媒を混合器に供給する溶媒供給手段と
   を具備することを特徴とする電解加工装置。
2. 電解液供給手段は、電解液の温度を一定に管理する温度調節器を備えることを特徴とする請求項１記載の電解加工装置。
3. 電解液供給手段は、
   加工機本体への供給直前における電解液の導電率を計測する導電率計と、
   導電率の管理目標値よりも高い導電率の電解液（高導電率電解液）を循環している電解液に供給する高導電率電解液供給手段と、
   加工機本体から回収した電解液の一部を外部に排出する電解液排出手段と、
   導電率計の計測結果に基づいて電解液の導電率が管理目標値となるように高導電率電解液供給手段及び電解液排出手段を制御する制御装置と
   を備えることを特徴とする請求項１または２記載の電解加工装置。
4. 電解液供給手段は、加工機本体から回収した使用済電解液からスラッジを除去するスラッジ除去機を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電解加工装置。
5. スラッジ除去機は、液体サイクロンあるいは遠心沈降機であることを特徴とする請求項４記載の電解加工装置。
6. 電解液供給手段は、加工機本体から回収した使用済電解液から金属イオンを除去するイオン除去機を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電解加工装置。

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