JP5967857B2 - 放電加工装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、広義には放電加工装置及び方法に関する。具体的には、本発明は、被加工物を穿孔するための放電加工装置及び方法に関する。

放電加工（ＥＤＭ）プロセスでは、導電性被加工物の上にカソード電極を配置し、それらの間に誘電体の液体を満たす。電極と被加工物の間に電流を流し、被加工物を局部的に侵食して、そこに所望の特徴的形状を形成する。典型的な用途では、電極は、被加工物に所望の形状の穴を開けるのに使用できる。

例えば、多くのガスタービンエンジン部品には、冷却空気を通すための小さな孔が加工される。特に、エンジン部品に対して電極を傾斜させて穴を開けることがある。一般に、穴加工プロセスは、タッチイン（touch-in）ステージと、通常加工ステージと、貫通（breakthrough）ステージの３段階を含む。

しかし、従来の放電加工プロセスでは、特に電極が被加工物に対して傾斜しているときには、誘電体液の不十分な供給及び電極と被加工物との短絡に起因して、初期ステージ及び貫通ステージは時間がかかることがあった。

加えて、タッチインステージ及び貫通ステージは、従来の加工プロセスでは十分には制御できないので、穴の品質が低下する場合があり、タービンエンジン部品の耐用年数が短くなり、該部品に亀裂を生じさせる可能性がある。

従って、被加工物を加工するための新規の改善された放電加工装置及び方法に対する必要性がある。

米国特許第５３６０９５７号明細書 米国特許第５８４７３５１号明細書 米国特許第６７２３９４２号明細書 米国特許第７２１４９０１号明細書 米国特許第６２９０４６１号明細書 米国特許第６８５８１２５号明細書 米国特許第６８９７４００号明細書 米国特許第６５６２２２７号明細書 米国特許第７３９４０４０号明細書 米国特許第６３９８９４１号明細書 米国特許第６２００４３９号明細書 米国特許第６２６４８２２号明細書 米国特許第６１３９７１５号明細書 米国特許第６９１２４４６号明細書 米国特許第６３０３１９３号明細書 米国特許第６３５５１５６号明細書 米国特許第６３６２４４６号明細書 米国特許第６２６７８６８号明細書 米国特許第６６２７０５４号明細書 米国特許第６９６８２９０号明細書 米国特許第６２３４７５２号明細書 米国特許第６５５４５７１号明細書 米国特許第６４１６２８３号明細書 米国特許第６３８４３６４号明細書 米国特許第６６４４９２１号明細書 米国特許第６７８７７２８号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２１８０８９号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１０８３２８号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２４７５６９号明細書 米国特許出願公開第２００８／００２８６０７号明細書

本発明の一実施形態では、放電加工装置を提供する。本放電加工装置は、被加工物に所望の特徴的形状を加工するように構成された電極と、電極と被加工物とを逆の電気極性に通電するように構成されたパルス発生器と、電極と被加工物との間に加工液を通すように構成された加工液源と、電極を駆動して被加工物に対し相対的に移動するように構成されたサーボモータとを備える。本放電加工装置は更に、加工信号を検出するように構成された少なくとも１つの検出素子と、コントローラとを備える。コントローラは、パルス発生器及びサーボモータを制御して予め設定された複数の第１のプロセスパラメータに応じて被加工物を加工し、検出された加工信号を解析して第１の応答信号を生成し、第１のプロセスパラメータとは異なる予め設定された複数の第２のプロセスパラメータをアクティブにして被加工物を加工する。

本発明の別の実施形態は更に放電加工方法を提供する。本放電加工方法は、電極を駆動して被加工物に対して相対的に移動させる段階と、電極と被加工物との間に加工液を循環させながらこれらの間に電流を流し、複数の第１のプロセスパラメータに応じて被加工物に所望の特徴的形状を加工する段階と、放電加工作業において加工信号を検出する段階と、検出された加工信号を受信し解析して第１の応答信号を生成し、第１のプロセスパラメータとは異なる複数の第２のプロセスパラメータをアクティブにして被加工物を加工する段階とを含む。

本発明の一実施形態に係る放電加工装置の概略図。 図１に示す放電加工装置の様々な加工ステージを示す概略図。 図１に示す放電加工装置の様々な加工ステージを示す概略図。 図１に示す放電加工装置の様々な加工ステージを示す概略図。

本開示の上記並びに他の態様、特徴、及び利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明を参照するとより明らかになるであろう。

以下では、本開示の好ましい実施形態を添付図面を参照しながら説明する。以下の説明において、本開示を不必要に曖昧にするのを避けるために、周知の機能又は構造は詳細には説明していない。

図１は、本発明の一実施形態に係る放電加工装置１０の概略図である。本発明の実施形態において、放電加工（ＥＤＭ）装置１０は、被加工物１００に穴１０１を開けるのに用いることができる。図１に示すように、ＥＤＭ装置１０は、電極１１、パルス発生器１２、加工液源１３、コントローラ１４、サーボモータ１５、電圧検出素子１６、電流検出素子１７、及び位置検出素子１８を含む。

例示的な実施形態では、電極１１及び被加工物１００は、それぞれパルス発生器１２の負極と正極とに接続される。従って、本発明の実施形態において、電極１１は、カソードとして機能することができ、被加工物１００はアノードとして動作することができる。加工液源１３は、別個に配置され、電極１１と被加工物１００との間に電解質又は脱イオン水のような加工液を送るのに使用することができる。加えて、加工液の圧力を制御するために、加工液源１３にポンプ（図示せず）を接続することができる。或いは、加工液源１３は、コントローラ１４に接続してもよい。このようにして、動作中、パルス発生器１２は、電極１１と被加工物１００との間にパルス電流を通して、被加工物１００から材料を除去して穴１０１を形成すると共に、加工液が除去した材料を穴１０１から外に送ることができる。図示の実施形態では、電極１１は中空である。矢印１３０及び１３１は、加工液の循環方向を示している。或いは、電極１１は、当該技術分野で周知の他の構成を有することができる。

サーボモータ１５は、電極１１を駆動して直線移動及び／又は回転などの移動を行うのに使用される。或いは、電極１１を駆動して移動させるために他の好適なモータを用いることもできる。検出素子１６〜１８は、放電加工プロセス（作業）における加工信号を検出するのに用いることができる。例えば、電圧検出素子１６及び電流検出素子１７は、それぞれ、電極１１と被加工物１００との間の電圧信号及び電流信号を検出するのに用いることができる。位置検出素子１８は、作業中の電極１１の位置信号を検出するのに用いることができる。１つの非限定的な実施例では、電圧検出素子１６及び位置検出素子１８は、それぞれ、ワシントン州Ｅｖｅｒｅｔｔ所在のＦｌｕｋｅにより商標Ｆｌｕｋｅ ＤＰ １２０で販売されている測定装置を含む。更に、この実施例では、電流検出素子１７は、オレゴン州Ｂｅａｖｅｒｔｏｎ所在のＴｅｋｔｒｏｎｉｘにより商標Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＴＣＰ ３０３で販売されているＡＣ／ＤＣ電流測定システムを含む。

コントローラ１４は、信号受信モジュール１４０、処理モジュール１４１、及びプロセスパラメータモジュール１４２を備える。１つの非限定的な実施例では、信号受信モジュール１４０は、テキサス州Ａｕｓｔｉｎ所在のＮａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．，により商標ＮＩ６１１５で販売されている信号サンプリング装置を含む。処理モジュール１４１は、ＣＰＵのようなマイクロプロセッサを含む。プロセスパラメータモジュール１４２は、カリフォルニア州Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｖｉｅｗ所在のＣｕｒｒｅｎｔ ＥＤＭにより商業的に入手可能であり、商標ＥＤＭ ＣＴ３００で販売されている制御キャビネットを含む。図示の実施形態では、信号受信モジュール１４０、処理モジュール１４１、及びプロセスパラメータモジュール１４２は別個に配置されている。他の実施形態では、信号受信モジュール１４０及び処理モジュール１４１は、プロセスパラメータモジュール１４２に統合されてもよい。

図示の実施形態では、プロセスパラメータモジュール１４２には、予め設定されたプロセスパラメータを予めロードすることができ、更に、サーボモータ１５の動作を検出して位置検出素子１８に動作信号を出力し、位置検出素子１８が電極１１の位置信号を検出できるようにするために、エンコーダ（図示せず）を含むことができる。信号受信モジュール１４０は、電圧、電流、及び電極位置の検出信号を受け取り、特にサンプリングし、受信した信号を処理モジュール１４１に出力して解析し、応答信号を生成するのに用いることができる。プロセスパラメータモジュール１４２は、応答信号を受信して、次の動作を実行するためにサーボモータ１５及びパルス発生器１２を制御することができる。一実施形態では、処理モジュール１４１は、応答信号を信号受信モジュール１４０に戻すようにすることもでき、次いで、信号受信モジュール１４０は、応答信号をプロセスパラメータモジュール１４２に出力し、該プロセスパラメータモジュール１４２をトリガすることができる。

本発明の一実施形態では、用語「次の動作」とは、ＥＤＭ装置１０が異なるステージの加工を開始すること、又は加工をストップすることを示している。プロセスパラメータは、経験的データに基づいて予め設定して、プロセスパラメータモジュール１４２に事前に入力しておくことができ、これは、当業者が容易に実施することができる。プロセスパラメータの非限定的な実施例には、サーボ送り速度、パルスオン時間、パルスオフ時間、ピーク電流、キャパシタンス、加工液圧、及び電極回転速度、その他が含まれる。

本発明の特定の実施形態では、ＥＤＭ装置１０は、３つの検出素子１６〜１８の少なくとも１つを利用することができる。位置検出素子１８は、電極１１の位置信号を検出するためにサーボモータ１５に直接接続することができる。加えて、ＥＤＭ装置１０は、ＬＣＤのような表示装置１４３を含み、処理モジュール１４１に接続して検出信号の波形を観測することができる。更に、オレゴン州Ｂｅａｖｅｒｔｏｎ所在のＴｅｋｔｒｏｎｉｘにより販売されているＴｅｋｔｒｏｎｉｘ ＴＣＰＡ ３００のような電流増幅器１９を電流検出素子１７と信号受信モジュール１４０との間に配置し、電流検出素子１７からの電流信号を信号受信モジュール１４０に送信する前に該電流信号を増幅することができる。

図２（ａ）〜２（ｃ）は、放電加工装置１０の別の加工ステージを例示する概略図である。図示の実施形態では、電極１１は、被加工物１００に対して傾斜しており、該被加工物１００に穴１０１を開けるように構成されている。更に図示の実施形態において、穴１０１は貫通穴である。本発明の実施形態において、用語「傾斜した」とは、電極１１が被加工物１００の加工表面１０２に対して垂直でないことを示している。或いは、電極１１は、被加工物１００に垂直に向けられてもよい。

図示の実施形態では、加工プロセスは、図２（ａ）に示すタッチインステージと、図２（ｂ）に示す通常加工ステージと、図２（ｃ）に示す貫通ステージとを含むことができる。詳細には、３つの加工ステージは、異なるプロセスパラメータを利用して、それぞれより高い加工効率及び品質を達成することができる。一実施形態では、タッチインステージと通常加工ステージにおけるプロセスパラメータは同じであり、貫通ステージにおけるプロセスパラメータは異なるようにすることができる。別の実施形態では、通常加工ステージ及び貫通ステージにおけるプロセスパラメータは同じであり、タッチインステージにおけるプロセスパラメータは異なるようにすることができる。或いは、穴１０１は止まり穴とすることができ、この場合には、加工プロセスは貫通ステージを含まないことになる。特定の実施形態において、タッチインステージ及び貫通ステージでは一般に異常放電が生じる場合があるので、検出される電圧及び電流信号の波形は、通常加工ステージにおける波形と比べて安定していない可能性がある。位置信号の波形は、通常加工ステージにおける波形よりも更に緩やかとすることができる。

図１及び２に示すように、本発明の実施形態において、放電加工の開始前に全ステージのパラメータは、プロセスパラメータモジュール１４２に入力される。次いで、電極１１が被加工物１００に適切な位置まで接近し、当業者に周知の加工の準備をする。この時点で、タッチインステージにおけるプロセスパラメータモジュール１４２の第１のプロセスパラメータは自動的にアクティブにされ、パルス発生器１２及びサーボモータ１５を制御して加工を始めることができる。

タッチインステージの加工中、検出素子１６〜１８は、電圧信号、電流信号、及び位置信号を含む３つのデータグループをリアルタイムで検出する。次いで、信号受信モジュール１４０は、電圧、電流、及び位置の検出信号をそれぞれ受信してサンプリングする。一実施形態では、放電のパルスオン時間は８マイクロ秒とすることができ、信号受信モジュール１４０のサンプリング頻度は、毎秒５０００００回とすることができる。この実施例において、信号受信モジュール１４０は、検出された電圧、電流及び位置信号の各々において８マイクロ秒で４信号データポイントをそれぞれサンプリングする。他の実施例では、信号受信モジュール１４０は、４信号データポイントよりも多くサンプリングすることができる。

次に、３つのデータグループのサンプリングされた信号データポイントは、処理モジュール１４１に送られて解析される。例えば、処理モジュール１４１は、各データグループにおける２つの隣接する信号データポイント毎の平均値を計算して各データグループの各平均値を予め設定された第１の閾値グループのそれぞれの値と比較し、タッチインステージの加工を終了して当業者が実施することができる通常加工ステージを開始するかどうかを判断するプログラムを含むことができる。特定の実施形態では、位置信号データは最初に、後で解析するために処理モジュール１４１において速度データフォーマットに変換することができる。サンプリングされた信号データの解析結果が、処理モジュール１４１における電圧、電流、及び位置信号データそれぞれについて予め設定された第１の閾値グループのそれぞれの値と一致すると、処理モジュール１４１は、第１の応答信号を生成してプロセスパラメータモジュール１４２をトリガし、タッチインステージの加工を終了して通常加工ステージの第２のプロセスパラメータをアクティブにすることができる。

本発明の一実施形態では、処理モジュール１４１は、第１の閾値グループと共に、第２の閾値グループ及び第３の閾値グループを更に含むことができる。特定の実施形態によれば、閾値グループのそれぞれの値は、経験データに基づいて処理モジュール１４１で予め設定されている。詳細には、第２の閾値グループの値は、通常加工ステージを終了するタイミング及び貫通ステージを開始するタイミングを識別するのに用いることができる。第３の閾値グループの値は、を終了するタイミングを識別するのに用いることができる。図示の実施形態では、検出素子１６〜１８が全て利用され、従って、第１、第２、及び第３の閾値グループの各々は、電圧、電流、及び位置信号データそれぞれについての３つの既定値を含むことができる。或いは、１つ又は２つの検出素子を利用することもでき、第１、第２、及び第３の閾値グループの各々は、１つ又は２つの既定値を含むことができる。

その後、通常加工ステージの加工が、このステージのアクティブな第２のプロセスパラメータに従って開始される。それまでの間、１以上の検出素子１６〜１８は、それぞれの信号をリアルタイムで検出して、これを処理のためにコントローラ１４に送信する。処理モジュール１４１において検出された信号データの解析結果が、第２の閾値グループのそれぞれの値と一致すると、処理モジュール１４１は、第２の応答信号を生成してプロセスパラメータモジュール１４２をトリガし、通常加工ステージの第２のプロセスパラメータをイナクティブにして、貫通ステージの第３のプロセスパラメータをアクティブにすることができる。

従って、貫通ステージの加工が始まる。同様に、検出素子１６〜１８は、それぞれの信号をリアルタイムで検出し、これを処理のためにコントローラ１４に送信する。処理モジュール１４１において検出された信号データの解析結果が、第３の閾値グループのそれぞれの値と一致すると、処理モジュール１４１は、第３の応答信号を生成してプロセスパラメータモジュール１４２をトリガし、加工を終了することができる。検出素子が存在するので、ＥＤＭ装置１０は、貫通ステージが完了すると加工を終了させることができ、これにより電極１１が被加工物の他の構造部に損傷を及ぼすのが回避され、加工品質を向上させるようにすることができる。

本発明の特定の実施形態では、作業中の音響信号及び加工液圧力信号は、加工ステージを判断するのに用いることができる。本発明の実施形態では、第１、第２、及び第３のプロセスパラメータ、応答信号、又は閾値グループの用語は、加工ステージ全体を便宜上例証するのに使用される。従って、例えば、通常加工ステージと貫通ステージなど、２つの加工ステージに注目するときには、上述の第２のプロセスパラメータ、応答信号、又は閾値グループは、第１のプロセスパラメータ、応答信号、又は閾値グループとしてそれぞれ定義することができる。同様に、上述の第３のプロセスパラメータ、応答信号、又は閾値グループは、第２のプロセスパラメータ、応答信号、又は閾値グループとしてそれぞれ定義することができる。

本開示事項は、典型的な実施形態において図示し説明してきたが、本開示の精神から多少なりとも逸脱することなく様々な修正形態及び代替形態が可能であるので、図示の詳細事項に限定されるものではない。従って、本明細書で開示された開示事項の更なる修正形態及び均等物は、当業者であれば日常的な経験と同程度のものを用いて想起することができ、全てのこのような修正形態及び均等物は、添付の請求項により定められる開示事項の精神及び範囲内にあるものとみなされる。

１０ 放電加工装置
１１ 電極
１２ パルス発生器
１３ 加工液源
１４ コントローラ
１５ サーボモータ
１６ 電圧検出素子
１７ 電流検出素子
１８ 位置検出素子
１９ 電流増幅器
１００ 被加工物
１０１ 穴
１０２ 加工表面
１３０ 矢印
１３１ 矢印
１４０ 信号受信モジュール
１４１ 処理モジュール
１４２ プロセスパラメータモジュール
１４３ 表示装置

Claims (4)

1. 放電加工装置（１０）であって、
   被加工物（１００）に所望の特徴的形状を加工するように構成された電極（１１）と、
   前記電極と前記被加工物とを逆の電気極性に通電するように構成されたパルス発生器（１２）と、
   前記電極と前記被加工物との間に加工液を通すように構成された加工液源（１３）と、
   前記電極を駆動して前記被加工物に対し相対的に移動するように構成されたモータ（１５）と、
   加工信号を検出するように構成された少なくとも１つの検出素子（１６、１７、１８）と、
   前記パルス発生器及び前記モータを制御して予め設定された複数の第１のプロセスパラメータに応じて前記被加工物を加工し、検出された加工信号を解析して第１の応答信号を生成し、前記第１のプロセスパラメータとは異なる予め設定された複数の第２のプロセスパラメータをアクティブにして前記被加工物を加工するように構成されたコントローラ（１４）と
   を備え、
   前記コントローラが、
   前記加工信号を受信するための信号受信モジュール（１４０）と、
   前記信号受信モジュールからの受信加工信号を解析して第１の応答信号を生成する処理モジュール（１４１）と、
   第１及び第２の予め設定されたプロセスパラメータを記憶するプロセスパラメータモジュール（１４２）と
   を備え、
   前記被加工物の所望の特徴的形状が貫通穴（１０１）を含み、前記コントローラが、タッチインステージ、通常加工ステージ、及び貫通ステージのみを含む放電加工プロセスに従って動作するように構成されており、前記第１のプロセスパラメータがタッチインステージにおいて予め設定され、前記第２のプロセスパラメータが通常加工ステージにおいて予め設定され、前記プロセスパラメータモジュールが更に、前記第１及び第２のプロセスパラメータと異なる、貫通ステージにおいて予め設定された第３のプロセスパラメータを記憶する
   放電加工装置（１０）。
2. 前記処理モジュールが、前記第３のプロセスパラメータをアクティブにするための第２の応答信号と、前記貫通ステージを終了させるための第３の応答信号とを生成する、請求項１記載の放電加工装置。
3. 放電加工を行う方法であって、
   電極（１１）を駆動して被加工物（１００）に対して相対的に移動させる段階と、
   前記電極と前記被加工物との間に加工液を循環させながらこれらの間に電流を流し、複数の第１のプロセスパラメータに応じて前記被加工物に所望の特徴的形状を加工する段階と、
   放電加工作業中の加工信号を検出する段階と、
   検出された加工信号を受信し解析して第１の応答信号を生成し、前記第１のプロセスパラメータとは異なる複数の第２のプロセスパラメータをアクティブにして前記被加工物を加工する段階と
   を含み、
   前記加工信号が、電極位置の信号と、前記電極及び前記被加工物間の電圧及び電流の信号の１以上を含み、
   前記所望の特徴的形状が貫通穴（１０１）であり、前記放電加工作業がタッチインステージ、通常加工ステージ、及び貫通ステージのみを含み、前記第１及び第２のプロセスパラメータが、前記タッチインステージ及び前記通常加工ステージそれぞれに対して予め設定されており、前記貫通ステージが、前記第１及び第２のプロセスパラメータと異なる複数の予め設定された第３のプロセスパラメータに応じて加工される
   方法。
4. 前記第３のプロセスパラメータをアクティブにするための第２の応答信号を生成し、前記貫通ステージを終了させるための第３の応答信号を生成する段階を更に含む、請求項３記載の方法。
   

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