(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースと工具電極との間に放電を発生させながら工具電極をワークピースへ向けて垂直方向に移動させることによってワークピースを加工する放電加工装置において、
軸中心に垂直方向に延びる穴を有し垂直方向に移動可能にコラム前部に保持されたクイルと、前記クイルと同軸にクイルの下端に取り付けられた、工具電極が取り付けられる電極取付装置と、
前記クイルの軸心に関して対称に、クイルの背向する両側面に取り付けられた少なくとも１組のリニアモータ移動子と、
１組の移動子のそれぞれに向かい合うように、クイル保持の固定部に取り付けられた、１組のリニアモータの固定子と、
クイルの荷重のつりあいをとるようにクイルを中心軸位置で固定部に保持するシリンダとピストンロッド及び連結板を有するエアバランサと、
前記リニアモータの移動子を取り付けたクイルの両側面に交叉する両側面と該両側面に向い合うクイル保持の固定部とに取り付けられる垂直方向の直線案内装置であって、前記１組のリニアモータによる各発生推力の合成力の作用面が前記交叉する両側面と交わる位置に垂直方向に設けられているものであることを特徴とする放電加工装置。
【請求項２】
前記１組の移動子は、クイルに貼り付けられた磁石板と磁石板に配置された列状の永久磁石を含み、１組の固定子は、ヨークとヨークに巻かれたコイルを含む請求項１に記載の放電加工装置。
【請求項３】
前記クイルの荷重のつりあいをとるエアバランサは、ピストンロッドがクイルと並行に昇降するようにシリンダがコラム固定部に固定され、ピストンロッドが連結板を介してクイル頂部に連結される請求項１に記載の放電加工装置。
【請求項４】
前記クイルの荷重のつりあいをとるエアバランサは、シリンダがクイルの前記穴に嵌挿してクイルに連結され、ピストンロッドが連結板を介してコラムに連結される請求項１に記載の放電加工装置。
【請求項５】
前記交叉する両側面と該両側面に向い合うクイル保持の固定部とに取り付けられた垂直方向の直線案内装置がクロスローラガイドである請求項１に記載の放電加工装置。
【請求項６】
前記クイルが、４ｇ/ｃｍ３以下の密度を有するセラミックスからなる請求項１に記載の放電加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工具電極と導電性のワークピースの間に放電を発生させつつ工具電極をワークピースへ向けて送ることによって種々の形状の穴をワークピース中に形作る放電加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放電加工装置（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ）は、硬い導電性のワークピースをモールドやダイへ精密に加工するために広く使用されている。ワークピースは加工槽内に配置されたテーブルに固定され、銅やグラファイトの工具電極は垂直に移動可能なクイルあるいはラムに工具ホルダを用いて取り付けられる。加工槽は灯油のような誘電性液で満たされ、工具電極はワークピースに非常に接近して位置決めされる。工具電極とワークピースとの隙間はギャップと呼ばれ、そのサイズは、数μｍから数十μｍである。オンタイムの間パワーパルスが工具電極とワークピース間に印加されると、ギャップ中の誘電性液の絶縁特性が破壊され放電が発生する。この放電による熱のため、微量のワークピース材料が蒸発するあるいは溶融して誘電性液に流される。オンタイムが終了すると、ギャップ中の誘電性液の絶縁特性を回復するためパワーパルスの印加がオフタイムの間停止される。放電によってクレータ状の微細な穴がワークピースの表面に残る。放電加工装置は、通常、オンタイムとオフタイムを１μｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃの間で制御してパワーパルスを繰り返しギャップに印加する。放電加工装置は工具電極をワークピースへ向かってＺ軸に沿って降下させギャップを一定のサイズに維持する。工具電極はワークピースに接触することなくワークピースから微量の材料を除去できるので、良好な粗さの面をもつ、形状において工具電極に相補的な窪みが精度よくワークピース中に形作られる。このような放電加工装置は、走行するワイヤ電極を使用するワイヤＥＤＭ（Ｗｉｒｅ  ＥＤＭ）と区別して、シンカーＥＤＭ（Ｓｉｎｋｅｒ  ＥＤＭ）と呼ばれる。
【０００３】
ワークピースから除去された破片をギャップから洗い流すためギャップを経由する誘電性液の流れを作り出す“フラッシング”動作が、放電加工には重要である。フラッシング動作は、ワークピースから除去された破片と工具電極との間に発生する望ましくない２次放電を防止しオフタイム中の確実な絶縁の回復に貢献する。熟練の作業者は、加工前に、新鮮な誘電性液をギャップへ送り込んだり汚れた誘電性液をギャップから吸引するための穴を工具電極やワークピース中の適当な位置に形成する。工具電極のサイズや形状に因りそのような穴の形成が制限される場合、作業者は誘電性液をギャップへ向けて噴射する噴射装置を適当な位置に配置する。フラッシングは、より速くより精度良く放電加工を行うための鍵であるけれども、ギャップのすべてにわたって均一な流れを作り出すためには熟練が必要となる。
【０００４】
工具電極を周期的にＺ軸に沿って急速に上昇させ急速に下降させてギャップ中の汚れた誘電性液のほとんどをワークピース中の窪みから追い出す、“ジャンプ”と呼ばれる動作が知られている。ジャンプ動作中、従来、工具電極は数百ｍｍ／ｍｉｎの速度で移動する。工具電極の往復距離が大きければ、より多くの新鮮な液がギャップへ流れ込みより多くの汚れた液がギャップから排出される。少なくともワークピース中に加工されている穴の深さ以上に工具電極を上昇させることが望ましい。しかしながら、ジャンプ動作中は加工が中断し、ワークピースから材料の除去が行われないため、過度に頻繁なジャンプ動作は材料除去速度を低下させてしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、材料除去速度を低下させることなく、ワークピースから除去された破片を効果的にギャップから洗い流すことのできる放電加工装置を提供することである。また、本発明の別の目的は、高い熟練を必要とすることなく、ワークピースから除去された破片を効果的にギャップから洗い流すことのできる放電加工装置を提供することである。即ち、本発明は、シンカー放電加工機において、下端に工具電極を取り付けたクイルを、高い加減速で精度良く垂直方向に高速度で移動できるようにすることにある。その他の本発明の目的は、以下に続く説明の中に部分的に述べられ、発明を実践することにより、当業者に部分的に明らかになるであろう。
【０００６】
しかして、本発明者らは、上記目的を達するための形彫り放電加工機用の送り機構として、リニアモータを用いた図１乃至図４、及び図５に示す送り機構を、平成１０年１１月１７日付け出願の平成１０年特許願第３２７３１６号として、先に提案した。そして、本発明は、この先発明の改良に係り、その構成等は、多く符号しているので、以下、その構成、作動、及び問題点等につき、上記図を参照して説明する。
【０００７】
図１乃至図４は、上記先発明の第１の実施の形態の説明図で、図１は第１の実施の形態の送り装置を搭載した形彫放電加工機の全体構成を、要部の一部を透視図として示した斜視図。
図２はクイルを駆動する装置を図１のＡ−Ａ線に沿って見た横断平面図、図３は、同じく図１のＢ−Ｂ線に沿って見た縦断左側面図、また、図４は、同じく図１のＣ−Ｃ線に沿って見た縦断正面図である。
【０００８】
図１中にイラストされているように、コラム２はベッド１の背後に配置され、移動体３がＹ軸の方向に摺動可能にベッド１に設けられている。サドル４はＹ軸に直交するＸ軸の方向に摺動可能に移動体３に設けられている。誘電性液で満たされる加工槽５はサドル４に設けられている。ワークピース（イラストされていない）は、加工槽５中に配置されたテーブル（イラストされていない）に固定されている。ワークピースの近くに位置決めされる工具電極６は、電極取り付け装置９に取り付けられる。電極取り付け装置９はＺ軸方向に移動可能な中空のクイル８の下端に固定されている。材料除去速度を低下させることなく大きい移動量のジャンプ動作を行うため、放電加工装置は、重力加速度（１Ｇ）を超える加速と減速、１０ｍ／ｍｉｎ以上の速度で工具電極６を精度良く移動することを可能にする。
【０００９】
図２中に詳細に示されるように、クイル８は外形がほぼ正方形の横断面を有する。電極取り付け装置９及び工具電極６は、図３及び図４中に示されるように、クイル８の中心軸ＱＣと同軸に配置されているので、工具電極６は精度良く移動できる。列状の永久磁石片１１と１３とが中心軸ＱＣに関して対称に四角柱状のクイル８の両側壁に配置されている。
【００１０】
高い加速を得るため高い剛性を保ちつつクイル８を軽量化することに注意が払われている。クイル８は、その中心に垂直方向に延びる円筒形の穴８ａを有し、４ｇ／ｃｍ３以下の密度を有する。それは、好ましくは、小さい熱膨張係数と大きなヤング率を有するセラミックスから成る。セラミックスとしては、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物系のものの外に、非酸化物系のＳｉＣ、特に、３．２ｇ／ｃｍ３の密度、３．０〜３．１×１０６ｋｇｆ／ｃｍ２のヤング率、４．５〜５．０ＭＰａ・ｍ１／２の破壊靭性を有する窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）セラミックスが選ばれる。
【００１１】
永久磁石片１１と１３とは、それらの間に良好な磁気回路を形成するため、鉄のような軟磁性材から成るできるだけ薄い磁石板１２と１４とに配置される。クイル８と磁石板との間になんらの部材も設けられていない。イラストされた実施例では、２列の永久磁石１１が配置された磁石板１２がクイル８の一方の側壁へ貼り付けられ、２列の永久磁石１３が配置された磁石板１４がクイル８の前記一方の側壁に背向する他方の側壁へ貼り付けられている。
【００１２】
クイル８の垂直の移動を直線に案内するため、２本のリニアモーションボールベアリングレール２１が互いに平行にコラム２の前面２ａに取り付けられている。レール２１に係合する上側及び下側ベアリングブロック２２と２３が、クイル８の後壁に取り付けられている。
【００１３】
永久磁石１１と１３に向い合う電機子固定子１０と１５を支持する枠体７が、コラム２の前面２ａに取り付けられている。図２及び図４中に示されるように、励磁コイルとヨークから成る固定子１０と１５が、クイル８の中心軸に関して対称となるように板７ｄと７ｅのそれぞれの垂直面に取り付けられる。板７ｄと７ｅは枠体７の両側壁に形成された窓７ａと７ｂに固定されている。板７ｄと７ｅに積層の珪素鋼板から成るヨーク３１と４１がそれぞれ取り付けられ、電機子コイル３２と４２がヨーク３１と４１のそれぞれの移動方向に並ぶ磁極歯に巻かれている。ヨーク３１と永久磁石１１との隙間と、ヨーク４１と永久磁石１３との隙間は同じサイズになるよう調整されている。例えば、これら２つの隙間は、板７ｄと７ｅに設けられた多数の押しねじと引きねじによって同じサイズに調整される。その結果、２つのリニアモータの移動子と固定子の間に発生する各磁気的な吸引力が相互に相殺される。
【００１４】
冷却液が通るいくつかの管３３と４３が、ヨーク３１と４１のそれぞれの中に形成された穴に挿入されている。
【００１５】
リニアスケール５１はクイル８の前壁に取り付けられ、クイル８の位置を読み取るセンサ５２が枠体７の前壁７ｃの内側に設けられている。リニアモータの駆動装置（図示されていない）はセンサ５２の検出信号を受け取り電機子コイル３２と４２へ制御信号を供給する。
【００１６】
１Ｇ以上の加速度で移動可能なクイル８の荷重のつりあいをとるシリンダ６１がエアバランサとして設けられる。機械をコンパクトにするため、シリンダ６１は中心軸ＱＣと同軸に穴８ａ中に配置されその上端はフランジ６４によってクイル８に固定されている。シリンダ６１はクイル８の直近に設けられているので、その高い応答性が確保される。ピストンロッド６３は一端でピストン６２へ接続され、その他端で連結板６５へ接続されている。水平に延びる連結板６５はコラム２に固定されている。ピストン６２より上のシリンダ６１内に形成された上室６１ａの空気圧は精密エアレギュレータによって一定値に維持されている。シリンダ６１により、コイル３２と４２に供給される電力はクイル８の静止中には節約される。
【００１７】
また、粉塵の侵入を防ぐためいくつかの蛇腹がクイル８と枠体７との隙間に設けられている。
【００１８】
クイル８を案内する装置やリニアスケール５１の位置は、図２、図３及び図４中にイラストされた実施例に限定されない。例えば、後述する先発明の第２の実施の形態である図５中にイラストされるように、クイル８の垂直な移動を案内し、ラジアルモーションを抑制するクロスローラベアリング２３がクイル８の前壁と枠体７の前壁７ｃの間に追加的に設けられることが好ましい。この場合リニアスケール５１がクイル８の後壁に設けられクイル８の位置を検出するセンサ５２がコラム２の前面２ａに設けられてもよい。
【００１９】
以上のように、前述図１乃至図４の先発明のものは、そのリニアモータの配置構成やエアバランサの付設等により、例えば、特開平５−１０４３３２号公報や特開平８−３０９６２０号公報等に記載された公知のリニアモータ使用の放電加工機の欠点をある程度克服できたとしても、電極６、取付装置９、リニアモータの移動子、及び直線案内等を取り付けたクイル８を含む軸送り移動部が、コラム２及び枠体７の大きさ及び剛性に対しある程度大型及び／又は高重量になると、直線案内装置２１、２２へのラジアル荷重を含む負荷が著増し、高い加速と減速での高応答、及びバランスのよいスムーズな移動をさせることは実際上困難なものであった。したがって、本発明は、かかる先発明の欠点を解決しようとするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前述の本発明の目的は、（１）ワークピースと工具電極との間に放電を発生させながら工具電極をワークピースへ向けて垂直方向に移動させることによってワークピースを加工する放電加工装置において、
軸中心に垂直方向に延びる穴を有し垂直方向に移動可能にコラム前部に保持されたクイルと、前記クイルと同軸にクイルの下端に取り付けられた、工具電極が取り付けられる電極取付装置と、
前記クイルの軸心に関して対称に、クイルの背向する両側面に取り付けられた少なくとも１組のリニアモータ移動子と、
１組の移動子のそれぞれに向かい合うように、クイル保持の固定部に取り付けられた、１組のリニアモータの固定子と、
クイルの荷重のつりあいをとるようにクイルを中心軸位置で固定部に保持するシリンダとピストンロッド及び連結板を有するエアバランサと、
前記リニアモータの移動子を取り付けたクイルの両側面に交叉する両側面と該両側面に向い合うクイル保持の固定部とに取り付けられる垂直方向の直線案内装置であって、前記１組のリニアモータによる各発生推力の合成力の作用面が前記交叉する両側面と交わる位置に垂直方向に設けらた放電加工装置とすることにより達成される。
【００２１】
また、前述の本発明の目的は、（２）前記１組の移動子は、クイルに貼り付けられた磁石板と磁石板に配置された列状の永久磁石を含み、１組の固定子は、ヨークとヨークに巻かれたコイルを含む前記（１）に記載の放電加工装置とすることにより達成される。
【００２２】
また、前述の本発明の目的は、（３）前記クイルの荷重のつりあいをとるエアバランサは、ピストンロッドがクイルと並行に昇降するようにシリンダがコラム固定部に固定され、ピストンロッドが連結板を介してクイル頂部に連結される前記（１）に記載の放電加工装置とすることにより達成される。
【００２３】
また、前述の本発明の目的は、（４）前記クイルの荷重のつりあいをとるエアバランサは、シリンダがクイルの前記穴に嵌挿してクイルに連結され、ピストンロッドが連結板を介してコラムに連結され前記（１）に記載の放電加工装置とすることにより達成される。
【００２４】
また、前述の本発明の目的は、（５）前記交叉する両側面と該両側面に向い合うクイル保持の定部とに取り付けられた垂直方向の直線案内装置がクロスローラガイドである前記（１）に記載の放電加工装置とすることにより達成される。
【００２５】
また、前述の本発明の目的は、（６）前記クイルが、４ｇ/ｃｍ３以下の密度を有するスセラミックスからなる前記（１）に記載の放電加工装置とすることにより達成される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図６、図７、図８、図９及び図１０を参照して、本発明による放電加工装置の実施の形態が述べられる。図６は前述図１に、図７は前述図２に、また図８は前述図３と図４にそれぞれ対応してそれぞれ同様な要素、構成からなり、また図９及び図１０も同様な要素からなるものであるので、図中の同様の要素には同じ参照番号が与えられ、その説明が省略される。
【００２７】
一列の永久磁石１６と１７がそれぞれ貼り付けられた磁石板１２と１４が、４角柱状のクイル８の前壁と後壁にそれぞれ取り付けられている。図９及び図１０中に示されるように、個々の永久磁石１６と１７は、トルクの脈動を減少させるため、水平方向からわずかに傾いて磁石板１４と１２とに貼り付けられている。クイル８は、軽量化のため中心軸ＱＣと同軸の４角柱状の穴８ａを有する。クイル８を案内するリニアクロスローラガイド２４と２５が、図６及び図７から明らかなように、クイル８のリニアモータを設けた背向する両側面と交叉する両側面と枠体７との間に垂直方向に沿って設けられている。また、図８中に良く示されるように、クイル８の荷重のつりあいをとるシリンダ６１は、ヨーク４１が取り付けられた板７ｅとコラム２との間に設けられている。ピストンロッド６３は連結板６５を用いてクイル８へ接続されている。
【００２８】
図１０を参照して、クイル８を駆動する力が詳細に説明される。図中の参照符号ＧＣＬは、永久磁石列１６と１７が対称に配置される中心線を示している。永久磁石列１７とヨーク３１との間に発生する推力ＦＡと永久磁石列１６とヨーク４１との間に発生する推力ＦＢの合成力ＴＦは、クイルの中心線ＧＣＬに重なる。リニアクロスローラガイド２４と２５は、それぞれの案内面において、その案内力が中心線ＧＣＬに重なるように配置されている。したがって、垂直方向以外の力は、クイル８を案内するリニアクロスローラガイド２４と２５に作用しない。こうして、クイル８は、大型電極６等の負荷により、大型及び／又はある程度偏荷重で高重量となっても、高い加速で精度良く垂直方向に移動できる。
【００２９】
底面で１．０ｍｍの厚さと３８ｍｍの幅、各側面で１°の傾きをもつリブ状のグラファイト工具電極を使用してワークピース中に深さ７０ｍｍの穴を加工した。この時、オンタイムは１００μｓｅｃ、オフタイムは１４０μｓｅｃ、電流波高値は９３Ａ、平均ギャップ電圧は５５Ｖ、無負荷電圧は１２０Ｖ、“ジャンプ”速度は、３０ｍ／ｍｉｎ、１サイクルの“ジャンプ”時間は０．２４ｓｅｃに設定された。ワークピースの材質は、日本工業規格のＳＫＤ１１であった。“フラッシング”は行わなかったにもかかわらず、加工速度はほぼ一定に維持され加工は１３５分で終了した。
【００３０】
本発明によれば、下方先端に工具電極取付装置を取り付けたクイルを精度良く垂直方向に高応答、高加速度で、高速に送り移動させることができ、このため電極ジャンプに際し、熟練を要せず、したがって加工速度を低下させずに、ワークピースから除去された破片を効果的にギャップから洗い流す電極ジャンプが行なわれて、放電加工機の加工性能を格段に向上させられる。
【００３１】
本発明を開示されたフォームに限定することは意図されていない。上述の記述を参照して多くの改良及びバリエーションが可能であることは明らかである。例えば、クイル８の横断面は、正方形に限定されない。それは、例えば、長方形でもよく、また、互に平行な２つの垂直面を有する形状であれば良い。
イラストされた実施例は、発明の本質とその実用的な応用を説明するために選ばれた。発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【図１】先に提案した発明の実施の形態の送り装置を搭載した形彫放電加工機の全体構成を、要部の一部を透視図として示した斜視図。
【図２】同じく、図１の実施の形態のクイルを駆動する装置を図１のＡ−Ａ線に沿って見た横断平面図。
【図３】同じく、図１のＢ−Ｂ線に沿って見た縦断左側面図。
【図４】同じく、図１のＣ−Ｃ線に沿って見た縦断正面図。
【図５】図１の実施の形態のクイルを駆動する装置の付加変形例を、前記図２と同様にＡ−Ａ線に沿って見た横断平面図。
【図６】本発明の実施の形態の送り装置を搭載した放電加工機を前記図１と同様に全体構成として示した斜視図。
【図７】同じく、図２と同様クイルを駆動する装置を図６のＡ−Ａ線に沿って見た横断平面図。
【図８】同じく、図６のＢ−Ｂ線に沿って見た縦断左側面図。
【図９】同じく、クイルの軸送り機構と駆動する装置の外形斜視図。
【図１０】同じく、図６乃至図９のクイルに作用する推力を示す斜視図。
【符号の説明】
１    ：ベッド
２    ：コラム
３    ：移動体
４    ：サドル
５    ：加工槽
６    ：工具電極
７    ：枠体
７ａ、７ｂ：窓
７ｄ、７ｅ：板
７ｃ  ：前壁
８    ：クイル
８ａ  ：穴
９    ：電極取付装置
１０、１５：電機子
１１、１３、１６、１７：永久磁石片
１２、１４：磁石板
２１  ：レール
２２、２３：ベアリングブロック
２４、２５：クロスローラガイド
３１、４１：ヨーク
３２、４２：コイル
３３、４３：冷却管
５１  ：リニアスケール
５２  ：センサ
６１  ：シリンダ
６２  ：ピストン
６３  ：ピストンロッド
６４  ：フランジ
６５  ：連結板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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