JPWO2004022275A1 - ワイヤ放電加工機 - Google Patents

Abstract

この発明では、ワイヤ電極（４０１）とこのワイヤ電極（４０１）に所定間隔を置いて対向配置される他方の電極としての被加工物（４０５）との間である極間に高周波電圧を印加して間欠的な放電を発生させ被加工物を加工するワイヤ放電加工機において、前記極間に直流電圧を印加する直流電圧印加部（４０７）と、前記極間の電圧から低周波成分を検出する低周波成分検出回路（４０８）とを設け、低周波成分検出回路（４０８）の出力に基づき極間の状態をモニターし、また極間の状態に応じて軸送り速度を調整する。

Description

この発明は、ワイヤ電極と被加工物とを所定の間隙をもって対向配置し、ワイヤ電極と被加工物との間に間欠的な放電を発生させて被加工物を加工するワイヤ放電加工機に関するものである。

ワイヤ放電加工では、ワイヤ電極と被加工物との間（以下「加工間隙」または「極間」という）に高周波電圧を印加し、短い時間幅の放電を高い繰り返し頻度で発生させることによって、微細な加工面が得られることが知られている。
例えば、特開昭６１−２６０９１５号公報（放電加工用電源）では、１．０ＭＨｚから５．０ＭＨｚの高周波電圧を加工間隙に印加することによって１μｍＲｍａｘ以下の加工面が得られることが開示されている。
また、特開平７−９２５８号公報（放電加工方法及びその装置、並びにこの放電加工装置に適用可能な静電容量可変装置及びインダクタンス可変装置）では、７．０ＭＨｚから３０ＭＨｚの高周波電圧を加工間隙に印加することによって０．５μｍＲｍａｘ以下の加工面が得られることが開示されている。
第１図は、ワイヤ放電加工機に用いられる放電加工用電源装置の一般的な構成を示すブロック図である。第１図に示す放電加工用電源装置は、直流電源１０１とこの直流電源１０１から電源供給を受けて高周波電圧を発生する高周波発振増幅回路１０２とで構成される。高周波発振増幅回路１０２の出力端に接続されるワイヤ電極１０３と被加工物１０４は、ワイヤ放電加工機内の放電加工部において、所定の間隔（加工間隙１０５）を置いて対向配置されている。
この放電加工用電源装置では、外部指令によって直流電源１０１から高周波発振増幅回路１０２に一定の直流電圧ないしは直流電力を与えて高周波発振増幅回路１０２に高周波電圧を発生させる。この高周波電圧が加工間隙１０５に印加されると、加工間隙１０５に高周波の放電が発生し、放電加工が実施される。
第２図は、第１図に示す加工間隙に高周波電圧を印加したときの無負荷電圧波形の一例である。第２図に示すように、加工間隙に印加される高周波電圧２０１は、基準レベルである接地（ＧＮＤ）電位を中心に対象に振動する波形である。逆極性加工時と正極性加工時とにおいて、繰り返し周波数１ＭＨｚ以上の短い時間幅の等しい高周波電圧２０１を一定の電圧値で継続的に加工間隙に印加し、高い繰り返し頻度で放電を発生させることによって、面粗さの非常に細かな加工面が得られることが知られている。
また、第３図は、第１図に示す加工間隙に印加する高周波電圧を休止期間を挟んで発生する場合の電圧波形の一例である。第３図では、時間幅Ｔ１を持つ高周波電圧３０１が時間幅Ｔ２の休止期間３０２を挟んで繰り返し発生する場合の例が示されている。このように、休止期間を挿入したパルス状高周波電圧を発生する放電加工用電源装置も実用化されており、加工面の面粗さ・真直精度を向上させる効果のあることが解っている。
ところで、ワイヤ放電加工機では、安定した加工状態を維持するために、極間電圧に基づく加工制御が行われている。すなわち、ワイヤ電極と被加工物とが接近して放電が開始すると、極間電圧は下がるが、さらに接近し放電の周期が短くなるほど、すなわち放電が頻繁に発生するほど、極間電圧は低くなるので、極間が近づき気味であるか、離れ気味であるかも判別ができる。
したがって、通常、ワイヤ放電加工機では、加工中の極間電圧を整流して一方の極性の電圧に変換し、その極間電圧の高低によって、極間の状態が、放電開始前の開放状態（オープン状態）と、短絡状態と、放電が開始して短絡状態に至るまでの放電中状態とのいずれであるかを判別し、極間電圧に基づきワイヤ電極と被加工物の相対的な位置移動である軸送りの速度調整（いわゆる極間間隙サーボ）を行い、安定な加工が持続できるようにしている。
しかしながら、以上のように高周波電源を用いる場合には、周波数が数ＭＨｚ以上の高周波電圧は、整流回路の動作限界を超えているので、一般的に整流した電圧によって、極間の状態が、開放状態と放電中状態と短絡状態とのいずれであるかをモニターすることが困難である。
つまり、高周波電源を用いる場合には、極間電圧に応じた軸送りの速度調整が困難となる場合があり、安定した加工状態が維持できない場合がある。具体的には、高周波電源は、定速送りで対応できる加工には使用できる。例としては、加工量に変動が起き難い場合、例えば仕上加工のように荒加工が行われた後の面をなぞって仕上げを行う加工を挙げることができる。しかし、仕上げ加工でも被加工物の歪みなどによって必要な加工量が変化する場合には、定速送りでは加工面にすじが入りその痕跡が残ってしまう。つまり、加工量に変動が起きやすい場合には、高周波電源の使用は困難である。また、ファーストカットでも高周波電源の使用は困難である。
このように、高周波電源を用いるワイヤ放電加工機では、加工面粗さを向上させることはできるが、近年の市場の厳しい要求に対応するためには、以上のように高周波電源に関わる問題を解決する必要がある。これは、極間状態を検出し、それに基づき加工状態に応じた軸送り制御を行う機構を設ければ、解決することができるが、どのように構成するかが問題である。なお、例えば特開平１０−４３９５１号公報（ワイヤ放電加工装置）では、ワイヤ電極と被加工物との接触状態を的確に検出し、検出した接触状態に基づきワイヤ電極と被加工物との加工送り速度を制御して放電加工の安定化を図る技術が開示されているが、極間状態を検出する技術は示されていない。
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、極間状態を検出し、それに基づき加工状態に応じた軸送り制御が行えるワイヤ放電加工機を得ることを目的とする。

この発明では、ワイヤ電極と前記ワイヤ電極に所定間隔を置いて対向配置される他方の電極としての被加工物との間である極間に高周波電圧を印加して放電を発生させ被加工物を加工するワイヤ放電加工機において、前記極間に直流電圧を印加する直流電圧印加手段と、前記極間の電圧から低周波成分を検出する低周波成分検出手段とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、極間には、高周波電圧に加えて、直流電圧印加手段によって直流電圧が印加される。つまり、極間には、高周波電圧が直流電圧分シフトされた状態の電圧が印加される。ここに、極間に現れる高周波電圧のシフト量は、極間のインピーダンスに依存して変化する。極間のインピーダンスは、極間の状態に応じて変化する。具体的には、極間のインピーダンスは、放電開始前では、最大値を示し、放電が開始すると、放電の進行に伴い０に向かって減少する。したがって、低周波成分検出手段が極間の電圧から検出する低周波成分に含まれる直流電圧成分は、放電発生有無の情報および放電開始後の各段階と１対１に対応した情報を持っていると言える。このように、高周波電源を用いるワイヤ放電加工機においても、極間の状態を示す信号を得ることができる。
つぎの発明は、上記の発明において、前記低周波成分検出手段の出力に基づき極間の状態を表示する表示手段を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、表示手段では、低周波成分検出手段の出力が示す極間の状態が表示される。したがって、極間の状態が、放電開始前の開放状態であるか、短絡状態であるか、放電開始後短絡状態に至る各段階の放電中状態であるかをモニターすることができるので、加工状態の監視が行えるようになる。なお、表示手段には、例えば電圧計を用いることができる。
つぎの発明は、上記の発明において、前記低周波成分検出手段の出力に基づき軸送りを制御する軸送り制御手段を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、低周波成分検出手段の出力に基づき極間の放電状態に応じてワイヤ電極と被加工物の相対的な位置移動である軸送りの速度調整が行えるので、高周波電源を用いるワイヤ放電加工機においても、同様にいわゆる極間間隙サーボを行うことができる。したがって、ファーストカットや、加工量に変動が起きやすい場合でも、安定した加工を実施することができる。
つぎの発明は、上記の発明において、前記低周波成分検出手段の出力に基づき極間の状態を表示する表示手段と、前記低周波成分検出手段の出力に基づき軸送りを制御する軸送り制御手段とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、極間状態をモニターしつつ軸送りの速度調整が行えるようになる。

第１図は、ワイヤ放電加工機に用いられる放電加工用電源装置の一般的な構成を示すブロック図であり、第２図は、第１図に示す加工間隙に高周波電圧を印加したときの無負荷電圧波形の一例を示す図であり、第３図は、第１図に示す加工間隙に印加する高周波電圧を休止期間を挟んで発生する場合の電圧波形の一例を示す図であり、第４図は、この発明の実施の形態１であるワイヤ放電加工機の主な構成を示す回路図であり、第５図は、第４図に示すワイヤ放電加工機の極間電圧を説明する波形図であり、第６図は、第４図に示すワイヤ放電加工機の極間に現れる電圧から直流電圧成分を検出する動作を説明する図であり、第７図は、この発明の実施の形態２であるワイヤ放電加工機の主な構成を示すブロック図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかるワイヤ放電加工機の好適な実施の形態を詳細に説明する。
実施の形態１．
第４図は、この発明の実施の形態１であるワイヤ放電加工機の主な構成を示す回路図である。第４図において、ワイヤ放電加工機内の放電加工部には、ワイヤ電極４０１の走行路に加工槽４０２が配置されている。ワイヤ電極４０１は、加工槽４０２の上方に配置されるプール４０３を介して加工槽４０２内に供給される。
加工槽４０２は、加工液４０４で満たされている。ワイヤ電極４０１と被加工物４０５とは、加工電圧供給ケーブル４０６を介して図示しないワイヤ放電加工用高周波電源装置に接続されている。
このようなワイヤ放電加工機において、ワイヤ電極４０１と被加工物４０５との間の極間に直流電圧を印加する直流電圧印加部４０７と、放電状態に応じて極間に現れる電圧の低周波成分を検出する低周波成分検出回路４０８とが設けられている。
直流電圧印加部４０７は、例えば１０Ｖ程度の低い直流電圧を出力する直流電源４７１を備えている。直流電源４７１の例えば負極端は、電気的に直接被加工物４０５に接続され、正極端は、抵抗器（Ｒ）４７２とリアクタンス（Ｌ）４７３の直列回路を介してワイヤ電極４０１に接続されている。
低周波成分検出回路４０８は、ローパスフィルタを含む回路であって、一端がワイヤ電極４０１に電気的に接続され、他端が被加工物４０５に電気的に接続される抵抗器（Ｒ）４８１と、一端が抵抗器４８１の一端に接続される抵抗器（Ｒ）４８２と、一端が抵抗器４８２の他端に接続され、他端が抵抗器４８１の他端に接続されるキャパシタンス（Ｃ）４８３と、一端が抵抗器４８２の他端とキャパシタンス４８３の一端との接続端に接続されるリアクタンス（Ｌ）４８４とで構成されている。
リアクタンス４８４の他端と、抵抗器４８１の他端とコンデンサの他端との接続端とは、当該低周波電圧成分検出部４０８の出力端を構成している。この出力端は、検出した低周波成分に含まれる直流電圧を表示する例えば電圧計や、極間電圧に応じて軸送り量を制御する極間間隙サーボ系のサーボ電圧取込回路に接続できるようになっている。
次に、第４図〜第６図を参照して、以上のように構成されるワイヤ放電加工機の動作について説明する。なお、第５図は、第４図に示すワイヤ放電加工機の極間電圧を説明する波形図である。第６図は、第４図に示すワイヤ放電加工機の極間に現れる電圧から直流電圧成分を検出する動作を説明する図である。
第４図において、加工用の高周波電圧は、図示しないワイヤ放電加工用電源装置から加工電圧供給ケーブル４０６を通してワイヤ電極４０１と被加工物４０５との間に印加される。それに加えて、直流電圧印加部４０７から、加工用の高周波電圧よりも十分低い直流電圧がワイヤ電極４０１と被加工物４０５との間に印加される。つまり、極間には、高周波電圧が直流電圧の分だけシフトされた状態の電圧が印加されることになる。
具体的には、第５図において、ワイヤ放電加工用電源装置から供給される高周波電圧５０１は例えば接地（ＧＮＤ）電位を中心に対象に振動する波形である。この高周波電圧５０１に対し、直流電圧印加部４０７から供給される直流電圧５０２が、接地（ＧＮＤ）電位から正方向に向かう正極性の電圧である場合には、極間には、高周波電圧５０１が直流電圧５０２の分だけ接地（ＧＮＤ）電位から正方向にシフトされた形の電圧５０３が印加される。
ここで、極間に現れる直流電圧成分の大きさ、つまり、放電に寄与する高周波電圧のシフト量は、極間のインピーダンスに依存する。一方、極間のインピーダンスは、放電したか否かによって変化する。すなわち、極間のインピーダンスは、放電が発生していないオープン状態（開放状態）では高く、放電が発生すると低下し、短絡状態では、ほぼ０になる。
そして、低周波成分検出回路４０８は、高周波成分を取り除き低周波成分を通すローパスフィルタを備えているので、極間に現れる電圧から、上記のように放電状態に応じて変化する極間インピーダンスに依存する直流電圧成分、つまり放電に寄与する高周波電圧のシフト量を取り出すことができる。
したがって、極間電圧と低周波成分検出回路４０８の出力（説明の便宜から潮流電圧成分を示す）との関係は、例えば第６図に示すようになる。第６図（１）では、極間電圧の波形例として、（ａ）オープン状態と、（ｂ）放電状態（極間離れ気味）と、（ｃ）放電状態（極間接近気味）と、（ｄ）短絡状態とにおけるものが示されている。
極間に印加される高周波電圧のシフト量は、（ａ）オープン状態においては、最大値を示し、放電が発生すると、（ｂ）放電状態（極間離れ気味）→（ｃ）放電状態（極間接近気味）と進むに連れて減少し、（ｄ）短絡状態ではほぼ０になることが示されている。
その結果、第６図（２）に示すように、低周波成分検出回路４０８の出力電圧は、（ａ）オープン状態では最大値となり、放電開始後、（ｂ）放電状態（極間離れ気味）→（ｃ）放電状態（極間接近気味）と進むに連れて減少し、（ｄ）短絡状態ではほぼ０Ｖになる。このように、低周波成分検出回路４０８では、極間がオープン状態であれば高い電圧（最大値）が出力され、短絡していればほぼ０Ｖが出力され、（ａ）オープン状態から（ｄ）短絡状態に至る過程では、その時々の放電状態に応じて最大値と０Ｖとの間の中間電圧が出力される。
斯くして、低周波成分検出回路４０８の出力を例えば電圧計に接続すれば、当該電圧計は、高周波電源による放電状態のモニターとして使用できる。仕上加工では、僅かな加工の乱れによっても加工面に入るすじの痕跡を残してしまうので、加工状態を監視したいという要求も強い。そのために、開放状態か、放電中状態か、短絡状態かをモニターできることの意義は大きい。
実施の形態２．
第７図は、この発明の実施の形態２であるワイヤ放電加工機の主な構成を示すブロック図である。この実施の形態２では、実施の形態１にて説明した低周波成分検出回路の出力に基づきいわゆる極間間隙サーボを行う場合の構成例が示されている。
第７図において、ワイヤ放電加工機内の放電加工部には、ワイヤ電極７０１の走行路に定盤７０２が配置されている。定盤７０２の上面には、被加工物７０３が加工液７０４に浸された状態で載置されている。なお、加工液７０４は、図示しない加工槽（第４図の符号４０２参照）に収納されている。
ワイヤ電極７０１は、一端が定盤７０２の上方に配置されるワイヤ電極ボビン７０５に連結され、他端が定盤７０２内を経由して他方の巻取機構７０６に連結されている。
定盤７０２には、Ｘ軸テーブル７０７とＹ軸テーブル７０８とが設けられている。Ｘ軸テーブル７０７は、Ｘ軸サーボアンプ７０９からＸ軸駆動信号を受けて定盤７０２をＸ軸方向に移動させる。Ｙ軸テーブル７０８は、Ｙ軸サーボアンプ７１０からＹ軸駆動信号を受けて定盤７０２をＹ軸方向に移動させるようになっている。
そして、当該ワイヤ放電加工機を統括制御する数値制御装置７１１には、軸送り決定装置７１２が設けられている。この軸送り決定装置７１２には、第４図に示した低周波成分検出回路４０８の出力が入力されるサーボ電圧取込回路が設けられている。軸送り決定装置７１２の出力端には、Ｘ軸サーボアンプ７０９とＹ軸サーボアンプ７１０とが接続されている。
つまり、軸送り決定装置７１２は、第４図に示した低周波成分検出回路４０８の出力を受けて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の軸送り速度を決定し、Ｘ軸サーボアンプ７０９にＸ軸駆動信号を送り、Ｙ軸サーボアンプ７１０にＹ軸駆動信号を送るようになっている。
この構成によれば、高周波電源を用いるワイヤ放電加工機において、極間の放電状態に応じた軸送りが実施できるので、通常行われるいわゆる極間間隙サーボを同様に実施することができ、ファーストカットや、加工量に変動が起きやすい場合でも、安定した加工を実現することができる。

この発明は、高周波電源を用いて微細加工を行うワイヤ放電加工機に好適である。

Claims (4)

1. ワイヤ電極と前記ワイヤ電極に所定間隔を置いて対向配置される他方の電極としての被加工物との間である極間に高周波電圧を印加して放電を発生させ被加工物を加工するワイヤ放電加工機において、
   前記極間に直流電圧を印加する直流電圧印加手段と、
   前記極間の電圧から低周波成分を検出する低周波成分検出手段と、
   を備えたことを特徴とするワイヤ放電加工機。
2. 前記低周波成分検出手段の出力に基づき極間の状態を表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のワイヤ放電加工機。
3. 前記低周波成分検出手段の出力に基づき軸送りを制御する軸送り制御手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のワイヤ放電加工機。
4. 前記低周波成分検出手段の出力に基づき極間の状態を表示する表示手段と、
   前記低周波成分検出手段の出力に基づき軸送りを制御する軸送り制御手段とを備えたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のワイヤ放電加工機。

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