(57)【要約】【課題】中間加工範囲での加工により適した放電加工（ＥＤＭ）のための加工パルスを生成する方法および装置を提供する。【解決手段】本発明は、加工電極（２）と被加工物（１）との間に形成された加工ギャップに電圧を印加する少なくとも一本の電線（６ａないし６ｄ）の放電によって、放電加工のための加工パルスを生成する装置および方法を提供する。本発明は、電圧源（１３）により第１の充電回路（１４、１５、１６、１７）を介して前記電線（６ａないし６ｄ）を充電すること、放電ギャップの点火後に、前記加工ギャップで、インピーダンス整合なしにダイオード（５ａないし５ｄ）を経て前記電線（６ａないし６ｄ）を放電することおよび予め決められたパルスオフ時間の後に、前記電線（６ａないし６ｄ）を再充電することの各ステップを含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工電極（２）と被加工物（１）との間に形成された加工ギャップに電圧を印加する少なくとも一本の電線（６ａないし６ｄ）の放電によって、放電加工のための加工パルスを生成する方法であって、
電圧源（１３）により第１の充電回路（１４、１５、１６、１７）を介して前記電線（６ａないし６ｄ）を充電すること、
前記加工ギャップで、スパークギャップの点火後にインピーダンス整合なしにダイオード（５ａないし５ｄ）を経て前記電線（６ａないし６ｄ）を放電すること、および
予め決められたパルスオフ時間の後に、前記電線（６ａないし６ｄ）を再充電することの各ステップを含む加工パルスの生成方法。
【請求項２】
前記電線（６ａないし６ｄ）として、放電加工機の一つまたは複数の同軸電線が使用され、前記一または複数の電線は、粗加工のステージのために設計されている、請求項１の方法。
【請求項３】
充電ダイオード（２２）に直列の第２の充電回路（１４、１５、１６、１８）を経て、放電加工機の精密ステージのために設計された同軸電線（７）を前記電圧源（１３）によって充電すること、および前記加工ギャップで、スパークギャップの点火後にインピーダンス整合なしに前記同軸電線（７）を放電し、予め決められたパルスオフ時間後に、前記同軸電線（７）を再充電することの各ステップを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
スパークギャップの点火が失敗したとき、前記電線は予め決められたパルスオン時間の後に放電され、またそれぞれの前記充電回路によって前記パルスオフ時間後に再充電される、前記１ないし３のいずれか一に記載の方法。
【請求項５】
さらに、少なくとも１Ａ／ｎｓの初期立ち上がり時間を有する加工パルスを生成することを含む、請求項１ないし４のいずれか一に記載の方法。
【請求項６】
さらに、６ないし１００Ａの範囲の振幅を有しかつ少なくとも約２５０ｎｓのパルス幅を有する加工パルスを生成することを含み、最大振幅が、スパークギャップの点火後、遅くとも約１００ｎｓまでには生じる、請求項１ないし５のいずれか一に記載の方法。
【請求項７】
すべての前記同軸電線（６ａないし６ｄ）は、約６００ｐＦ／ｍのラインキャパシタンスおよび約６０ｎＨ／ｍのラインインダクタンスを有する、請求項２の方法。
【請求項８】
前記同軸電線（７）は、約１００ｐＦ／ｍのラインキャパシタンスと約２６０ｎＨ／ｍのラインインダクタンスを有する、請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記電線は約２ないし５ｍの長さを有する、請求項１ないし８に記載のいずれか一に記載の方法。
【請求項１０】
可変電圧源が用いられる請求項１ないし９のいずれか一に記載の方法。
【請求項１１】
第１の充電回路（１４、１５、１６、１７）および第２の充電回路（１４、１５、１６、１８）の少なくとも一方は、充電電圧がスパークギャップで最初に急増し、漸近線への収束を受けるように、形成されている、請求項１ないし１０の一に記載の方法。
【請求項１２】
放電回路（１９、２０、２１）は、前記電線（６ａないし６ｄ）の放電および／または前記加工ギャップの寄生キャパシタンスの放電がアンダーシュートなしに生じるように、設けられかつ寸法付けられている、請求項４ないし１１のいずれか一に記載の方法。
【請求項１３】
パルスエネルギーを分配するために、一または複数の電線が予め決められた電圧に充電され、また充電された前記電線のうちの同数が、前記被加工物（１）の上下の領域で前記加工電極（２）に適用される、ワイヤ放電加工のための請求項１ないし１２のいずれか一に記載の方法。
【請求項１４】
さらにパルスエネルギーを増大させるために、１または複数のパルス用コンデンサを前記回路に付加的にスイッチングすることにより、前記加工ギャップのパルス電流が増大される、請求項１ないし１３の一に記載の方法。
【請求項１５】
寄生インダクタンスの低減のために、同軸滑り接触子が前記被加工物面との接触に採用されている、請求項１ないし１４の一に記載に方法。
【請求項１６】
前記被加工物は、粗加工と精密加工との間の中間加工範囲で加工される、請求項１ないし１５の一に記載の方法。
【請求項１７】
前記中間加工範囲は、０．１５μｍから０．８μｍの範囲の表面粗さ（Ｒａ）を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
加工電極（１２）と被加工物（１）との間に形成された加工ギャップに電圧を印加する少なくとも一本の電線（６ａないし６ｄ）の放電によって、放電加工のための加工パルスを生成する装置であって、電圧源（１３）に接続された第１の充電回路（１４、１５、１６、１７）がジェネレータの端部から前記電線（６ａないし６ｄ）を充電するために設けられ、前記電線（６ａないし６ｄ）は、前記加工ギャップで、スパークギャップの点火後にインピーダンス整合なしにダイオード（５ａないし５ｄ）を経て放電され、また前記電線（６ａないし６ｄ）は、あらかじめ決められたパルスオフ時間後に再充電されることを特徴とする加工パルス生成装置。
【請求項１９】
前記電線（６ａないし６ｄ）として、粗加工ステージのために設計された放電加工機の一つまたは複数の同軸電線が使用されている、請求項１８の装置。
【請求項２０】
さらに、前記放電加工機の精密ステージのために設計された同軸電線（７）を備え、該同軸電線は、充電ダイオード（２２）に直列の第２の充電回路（１４、１５、１６、１８）を経て電圧源（１３）によって充電され、また加工ギャップで、スパークギャップの点火後にインピーダンス整合なしに放電される、請求項１８または１９に記載の装置。
【請求項２１】
放電回路（１９、２０、２１）が設けられており、また、前記電線（６ａないし６ｄ）の放電および／または加工ギャップの寄生キャパシタンスの放電がアンダーシュートなしに生じるように、設けられかつ寸法付けられている、請求項１８ないし２０のいずれか一に記載の装置。
【請求項２２】
前記電圧源（１３）は可変電圧源である請求項１８ないし２１のいずれか一に記載の装置。
【請求項２３】
第１の充電回路（１４、１５、１６、１７）および第２の充電回路（１４、１５、１６、１７）の少なくとも一方は、順次、すべての前記同軸電線（６ａないし６ｄ）の外方導体に端末近傍で接続された前記電圧源（１３）と、抵抗器（１４）に並列に接続されたＲＣ部材（１５、１６）と、前記ジェネレータの端部ですべての前記同軸電線（６ａないし６ｄ）の内方導体に接続された少なくとも一個の充電スイッチング素子（１７ａ、１７ｂ）とを含む請求項１９ないし２２のいずれか一に記載の装置。
【請求項２４】
前記電圧源（１３）の正極はすべての粗加工用同軸ケーブルの外方導体および精密加工用同軸ケーブルの外方導体の少なくとも一方に接続されており、前記ラインスイッチング素子はすべての前記粗加工用同軸ケーブルの内方導体および前記精密加工用同軸ケーブルの内方導体の少なくとも一方に接続されている、請求項２４に記載の装置。
【請求項２５】
前記放電回路は、すべての前記同軸電線（６ａないし６ｄ）の外方導体とすべての前記同軸電線（６ａないし６ｄ）内方導体との間に、前記ジェネレータの端部で前記放電抵抗器（２０）および放電ダイオード（２１）に直列に接続された放電スイッチング素子（１９）を備える請求項２１ないし２４のいずれか一に記載の装置。
【請求項２６】
加工電極（２）および被加工物（１）との間に形成された加工ギャップに電圧を印加する少なくとも一本の電線（６ａないし６ｄ）の放電によって、放電加工のための加工パルスを生成する装置の使用方法であって、
スパークギャップの点火後、遅くとも約１００ｎｓまでには約６ないし１００Ａの振幅に達する前縁を有する加工パルスを発生させるために使用する使用方法。
【請求項２７】
約２５０ｎｓの最大パルス幅を有する加工パルスを生成するための、請求項２６に記載の使用方法。
【請求項２８】
少なくとも約１Ａ／ｎｓの初期立ち上がり時間を有する加工パルスを生成するための、請求項２５または２６のいずれか一に記載の使用方法。
【請求項２９】
約２５Ｖの実効スパーク電圧を有する加工パルスの生成のために使用され、前記パルスは点火後の約１００ｎｓの間、約１００Ｗないし２ｋＷのパルス電力を提供する、請求項２６ないし２９の一に記載の使用方法。
【請求項３０】
約２５Ｖの実効スパーク電圧を有する加工パルスの生成のために使用され、前記パルスは点火後の約１００ｎｓの間、約１０μＪないし２００μＪのパルスエネルギーを提供する、請求項２６ないし２９の一に記載の使用方法。
【請求項３１】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、超硬合金、炭化物または高融点材料の放電加工のために使用される請求項２６ないし３０の一に記載の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは、放電加工（ＥＤＭ）に関し、より詳細には、中間加工精度すなわち粗加工と精密加工との間の粗さの範囲でワイヤ放電加工および型彫り放電加工のような放電加工のための加工パルスを生成する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
中間加工精度すなわち０．１５μｍから０．８μｍの範囲内の表面粗さＲａを有する範囲は、過去には、浸食性能および極上の面を最上位に支持する放電加工機の製造業者からは無視されていた。第一に、加工におけるすべてのステップの時間が加算するので、さらに劣った加工品質はその後に比例の限度を超える加工ステップを生じさせるので、これは正当でない。被加工物への粗加工は非常に不正確な面を生成するだけであるのに対し、仕上げ加工すなわち精密加工は少ない浸食割合で実行されるので、粗加工から精密加工に直接切り換えるのは、トータル的には不経済であろう。
【０００３】
特開平７−２６６１３３号（大泉）のパルスジェネレータは、図２に示されているように、同軸電線すなわち同軸ケーブルＡ、Ｂは、電極Ｅおよび被加工物Ｗとの間にインピーダンス整合用端末抵抗器ＺＡ、ＺＢを介して接続されている。同軸ケーブルＡ、Ｂは、トランジスタＴ、負荷抵抗器Ｒおよび端末抵抗器ＺＡ、ＺＥを経て、電圧源Ｕにより充電される。周波数ジェネレータＧは、充電工程のための要求されるパルスのオン/オフの時間をトランジスタＴで生成する。電極Ｅと被加工物Ｗとの間に火花（スパーク）が出ると、同軸ケーブルＡ、Ｂは、端末抵抗器ＺＡを通して理論上、方形パルスで放電を生じ、そのパルス幅は前記同軸ケーブルの長さによって決まり、その振幅は、前記電圧源の電圧値Ｕおよび前記同軸ケーブルのラインインピーダンスの関数となる。しかし、この従来知られた構成は、以下の欠点を持っている。例えば、第一に、端末抵抗器ＺＡ、ＺＢが同軸ケーブルＡ、Ｂのラインインピーダンスに正確に一致しないときは、充電回路はうまく動作しないという欠点を有する。電極Ｅおよび被加工物Ｗにより形成される放電回路は、また浮遊キャパシタンスと共に浮遊インダクタンスを含むので、避けられない反射が生じ、結果として正弦曲線の両極性パルスおよび対応する大きな電極消耗が生じる。第二の欠点は、無負荷電圧を発生する方法に在る。スパークギャップすなわち加工ギャップが大き過ぎる場合、スパークアウトによる被加工物形状への損傷が生じないように、放電すべきでない。しかし、トランジスタＴの遮断に拘わらず、充電された同軸ケーブルＡ、Ｂが加工ギャップに直流電圧を印加するので、この配置によって起こるのは、正に、このスパークアウトである。さらに問題なのは、端末抵抗器ＺＡ、ＺＢの配置自体に関わり、該端末抵抗器を経て同軸ケーブルの充電および放電が生じ、第１に、前記端末抵抗器はパルス振幅およびケーブルインピーダンスに依存する５０％ないし２．３％の非常に遠慮深い効率を与え、第２にスパークギャップではパルス振幅の単に半値を結果として生じるに過ぎない。さらなる欠点は、端末抵抗器ＺＡ、ＺＢの高出力損失であり、例えば１００Ａの電流および１０Ωのケーブルインピーダンスで１００ｋＷのパルス電力の加工領域で直接生じる高出力ロスであり、ことによると、加工機械構造の熱的変形を生じ、それに伴う付随的な誤差を生じる。また、前記加工機での長時間のパルスのために同軸ケーブルにかなりの長さを適用させることは、実用的ではない。このような理由で、特開平７−２６６１３３号公報の前記ジェネレータは、中間精度の加工には不適切である。
【０００４】
放電加工のために加工パルスを生成するための同様な放電パルスジェネレータが米国特許第６，５６６，８２３号(KINBARA)に開示されている。また、ここでは、パルス発生回路は、インピーダンス整合を提供するために、放電同軸電線のインピーダンス特性に等しい抵抗値を有する抵抗器を含む。したがって、前記した欠点は、このパルスジェネレータにも、同様に当てはまる。
【０００５】
遅延電線の放電によって超短波の高エネルギーパルスを生成する原理を使ったいわゆるラインすなわちケーブルジェネレータは、６０年よりも前から知られている。高エネルギージェネレータの例として、電線ジェネレータの原理の詳細な説明は、テキスト「境界物理学におけるインパルス」ダブリュ、バーテル（W. BARTEL）他、オルデンブルク出版社、ミュンヘン、１９７６年発行第１３２〜１３４頁で明らかにされている。また、同じ本の第１３５ないし１３７頁にブルームレイン（BLUMLEIN）ラインジェネレータの原理(また、１９４１年１０月１０に出願されたドイツ特許第５８９１２７号参照)が、説明されている。このジェネレータは、２本の電線を含み、負荷を掛けられたとき、確実にラインインピーダンスの２倍にミスマッチされる。ミスマッチおよびその結果の反射のために、２つの部分パルスが、完全な振幅を有するが遅延時間の２倍に相当するパルス幅の総合パルスに合わせられる。ブルームレインジェネレータは、したがって、半分の振幅を達成することができるだけの特願平７−２６６１３３号公報の主要な欠点を取り除く。あいにく、それが本願に関心のない相当な程度まで、放電回路の浮遊インダクタンスおよび浮遊キャパシタンスがブルームレイン（BLUMLEIN）ジェネレータの機能を妨害する。
【０００６】
完全を期すために、ＥＤＭ精密加工におけるスパークギャップからスイッチまたはダイオードによって同軸ケーブルを切り離す技術を明らかにするヨーロッパ特許第０３１３０４９号(マーシコベトレ他（MARSICOVETERE 他)について言及する。しかし、この特許公報が中間精度の加工へ寄与することはまったくない。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−２６６１３３号公報
【特許文献２】米国特許第６，５６６，８２３号明細書
【特許文献３】ドイツ国特許第５８９１２７号明細書
【特許文献４】ヨーロッパ特許第０３１３０４９号明細書
【特許文献５】ヨーロッパ特許第０２６８１０９号明細書
【特許文献６】ドイツ国特許第２６５３８５７号明細書
【非特許文献１】「境界物理学におけるインパルス（Impulse in der Grenzphysik）」ダブリュ、バーテル（W. BARTEL）他、オルデンブルク出版社、ミュンヘン、１９７６年発行、第１３２〜１３４頁および第１３５〜１３７頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、中間加工範囲、すなわち粗加工と精密加工との間での加工に、より適した放電加工（ＥＤＭ）のための加工パルスを生成する方法および装置を提供する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、加工電極と被加工物との間に形成された加工ギャップに電圧を印加する少なくとも一本の電線の放電によって放電加工のための加工パルスを生成する方法に向けられ、電圧源により第１の充電回路を介して前記電線を充電すること、前記加工ギャップで、スパークギャップの点火の後にインピーダンス整合なしに直接的にダイオードを経て前記電線を放電すること、および予め決められたパルスオフ時間の後に、前記電線に再充電することの各ステップを含む。
【００１０】
本発明の他の態様は、放電加工のために加工パルスを生成するための装置に向けられ、加工電極と被加工物の間に成形された加工ギャップに電圧を印加する少なくとも一本の電線の放電によって放電加工のための加工パルスを生成する装置であって、電圧源に接続された第１の充電回路がジェネレータの端部から前記電線を充電するために設けられ、該電線は、スパークギャップの点火後に、前記加工ギャップで、インピーダンス整合なしに直接的にダイオードを経て放電され、予め決められたパルスオフ時間の後に再充電される。
【００１１】
本発明のさらに他の態様は、少なくとも一本の電線の放電による放電加工のための加工パルスであってスパークギャップの点火後、遅くとも約１００ｎｓまでには約６ないし１００Ａの振幅に達する前縁を有する加工パルスを生成するための装置の使用に向けられる。
【００１２】
本発明のさらに他の態様は、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、超硬合金、炭化物または高融点材料の放電加工のために、少なくとも一本の電線の放電によって放電加工するための加工パルスを生成するための装置の使用に向けられる。
【００１３】
さらなる態様は、従属クレーム、以下の説明および図面に記載されている。他の特徴は、明らかにされた方法および装置に固有の、あるいは実施例についての以下の詳細な説明およびその添付図面から当業者にとって明白であろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施例を、典型例をとおして、添付図面を参照して説明する。
【００１５】
図１ないし８の詳細な説明に先立って、好適な実施例の少しのアイテムについて議論する。
【００１６】
実施例によれば、本発明に従った実現は、ラインジェネレータの原理に基づくが、例えば従来技術のジェネレータで使用された負荷端の端末抵抗器を除去することによってそれらの欠点を避けている。それらの代わりに、第１に能率を上げ、第２に加工ギャップに完全なパルス振幅を伝送する単極のパルス波形を得るために、１つ以上のパワーダイオードを使うことができる。本実施例では、既存のパワーダイオードおよび電力ケーブルと同様に、加工帯域の寄生の浮遊インダクタンスおよび浮遊キャパシタンスがパルス発生の概念に意図的に組み入れられ、興味深い相乗効果が結果として生じている。接続された前記電線は、オーバシュートが生じ無いように充電され、またスパークギャップを横切って放電が生じなくても、規定された時間後に電荷が解放される。前記寄生素子は、放電時に前記電線によって動作され、すなわち高エネルギーの短いパルスによって、共振させられ、結果として遅延のない非常に速い電流パルスが増加する。これは、必要とされている高いスパーク温度を達成することのための重要な要件である。
【００１７】
実施例によれば、粗加工ステージのためにデザインされる放電加工機の一本以上の既存の同軸電線が放電の電線として使用される。
【００１８】
他の実施例によれば、上記したパルスジェネレータに置換される独立した態様として、既存の精密加工ケーブルすなわち放電加工の精密加工ステージのために設計された同軸電線のみであり、また双極式精密加工ジェネレータが、より短いパルスを生成するために使用される。この場合、当然に高速パワーダイオードは放電回路中には使用されないであろう。その結果、双極ではあるが、強く明白な前半の半波パルスを生じる。この態様は、精密加工に先立つ、電極消耗が問題とならない最後の加工ステージとしての利点に使うことができる。
【００１９】
従来技術に比較して、実施例は、放電加工のために加工パルスの発生を精巧化する利点を持っており、その結果、粗加工と、精密加工すなわち仕上げ加工との間の中間加工範囲での放電加工は、現在よりかなり速く実施することができ、例えば非常に脆く高融点の風変わりな材料さえ、スパーク温度を最大化するが、粗加工および精密加工に損失を与えることなく、より正確にかつ材料により優しく、良好な結果で加工することができる。
【００２０】
好適な実施例によれば、前記方法およびパルス発生装置は、好ましくは、粗加工および精密加工間の例えば表面粗さＲａが０．１５〜０．８μｍの中間加工領域で、例えばワイヤＥＤＭ機械での硬質の脆い高融点材料の加工に好適であり、例えば非常に細いワイヤ電極によって加工するような特別なケースで、本発明の方法が高価な金銀の細電線細工や多結晶ダイヤモンド（PCD）のような風変わりな材料のメイン切断に用いることは、大きな利点である。しかしながら、最大化したスパーク温度のためのこれらのタイプのシステムに適用可能な条件は、ワイヤ切断ＥＤＭのそれらと全く違わないので、実施例は、また、型彫りＥＤＭ機での、特に穴あけ、フライス削りまたはマイクロ型彫りＥＤＭで加工するために変更なしで実用的に使うことができる。
【００２１】
実施例によれば、好適な応用分野は、既知のジェネレータ技術によって従来可能であったよりもずっと短いパルス幅および高い振幅の遅延のないＥＤＭパルスの生成に在る。スパーク温度が今度大幅に上昇するのはこれらのパルスのためであり、その結果、母材をほとんど加熱することなく、すなわち基本的に構造変化をもたらさずかつ材料に熱応力を生じさせることなく、材料が蒸気浸食を受ける。
【００２２】
図１に戻ると、本発明の実施例による放電加工方法およびパルス発生装置の電圧および電流についての典型的なパルス波形が示されている。上部の曲線は、時間ｔの関数として、加工電極および被加工物との間に形成された加工ギャップにおけるスパークギャップを横切る電圧Ｕgapプロフィールを示す。時間ｔ０で、例えば−２５０Ｖの負パルス電圧が、オーバシュートを生じることなく、ワイヤカット放電加工機のワイヤ電極などの加工電極に供給される。約１μs後、t1で前記加工ギャップでの放電が生じ、電圧Ｕgapはほんのわずかな数ns以内に消失する。浸食過程のスパーク点火が万一起こらなければ、これは例えば３μsの時間後に、検出手段によって検出され、放電ユニットにより、アンダーシュートを生じることなく加工ギャップの電荷が解放される結果、電圧Ｕgapは、例えば４μｓのパルスオフすなわち休止時間の間、０Ｖに維持される。この後、次の電圧パルスが加工ギャップに印加される。正常な放電後に、パルスオフ時間は直ちに始まり、すなわち、加工ギャップで短絡が起こると、パルスオン時間は直ちに停止される。
【００２３】
下方の曲線は、時間tの関数として、加工ギャップの電流のプロフィールＩgapを示す。この電流プロフィールは、望ましくは、特別な評価基準を満たす必要がある。放電の発生(t1)と、パルスにおける最大電流値との間の時間ｔｋは、好ましくは、１００ｎｓまたはそれよりも小さい。好ましくは、電流の前縁での増加割合が開始時に約１Ａ／ｎｓの大きさであり、好ましくは、直ちに電圧の降下が開始することが要求される。パルス電流の振幅は、充電電圧の設定と、放電電線すなわちケーブルの選択された数とに依存し、６Ａないし１００Ａの範囲にある。使用された放電電線の数に応じて、電流パルスの継続時間すなわちパルス幅は１００ｎｓから２５０ｎｓの範囲にある。本実施例において、約２５Ｖの実効スパーク電圧を有する加工パルスは、スパークギャップの点火後の約１００ｎｓに、約１００Ｗから２ｋＷまでのパルスパワーを提供する。パルスエネルギーは、点火の後の約１００ｎｓで約１０−２００μＪになっている。しかし、加工ギャップに適用された平均のパルスパワーは、比較的低く、２−４０Ｗ(平均スパーク周波数は２００ｋＨｚ)、５−１００Ｗ(同、５００ｋＨｚ)および１０−２００Ｗ(同、１ＭＨｚ)である。
【００２４】
上記の実施例で、その極端な要件の理由は、プラズマの空間的な膨張はまだ非常にわずかであるので、スパークに必要な高いプラズマ温度が最初の１００ｎｓ間で急激に得られるかもしれないということである。
【００２５】
種々の理由のために、特に測定器が不足しているために、浸食過程でスパーク放電に続く０から１００ｎｓの範囲でのプラズマ温度のための基礎研究に有益な測定や計算も現在殆ど利用できない。推測計算値は、約１．５μm／nsのオーダの誘電体の音速で最大限に拡大するプラズマの球状、半球または円柱状モデルに基づくように、数値を１００，０００Ｋより高くし、結果としてプラズマはほぼ１００ｎｓ後に、すでに１０，０００Ｋ未満に冷やされる。前記したパルスでは、プラズマ表面の最大の比出力は、ほぼ１００ｋＷ／ｍｍ2になる。
【００２６】
これらの理論計算に含まれるいくつかの問題は、プラズマに導入されるエネルギー効率と同様、熱力学のパラメータ、すなわち、容量、圧力および温度の概算であり、それらのいくつかは、Ｉ2Ｒロスにより加工電極および被加工物で既に失われており、また、原子範囲のプラズマ特殊現象のためおよびプラズマボリュームからの拡散による不明な程度の他の損失によって悪化する。しかし、ボイルの法則が熱力学のパラメータでリンクを述べているが、導入されたエネルギーを除いて、それらの実効値は未知である。この適用は別として、この究極範囲へのボイルの法則はまだ物議をかもしている。
【００２７】
スイス国、ローザンヌ  EPFLのプラズマ物理学研究所のデスコウドレス（DESCOEUDRES）他は、最近、１．６μｓから１００μｓの範囲のパルス幅によって放電加工スパークによって放出された光のスペクトル測定を行ない、温度が８，１００Ｋであったことを結論付け、上記で推測されるように値の一部を確認した（「ＥＤＭ プラズマの光学発光分光法」、物理学会誌  Ｄ 応用物理学３７(2004年)、第875-882頁参照）。
【００２８】
本発明の実施例を通しての実際に達成可能な改良はユーザに顕著な興味を引き起こす。これまでに分かったことは、例えば、ダイヤ層と母材との間の中間膜にどのような浸食部分も生じていないことにより、多結晶のダイヤモンド(PCD)加工の質的および量的の双方での大きな改良である。さらに、例えば、ワイヤ切断放電加工のための表面品質は、主切削と２つの後切削を含む従来方法によるよりもすでに主切削ステージで良好である。本発明の実施例のうちのいくつかは、超硬合金または炭化物を機械加工するのに特に有益であり、銀を含む被加工物は、機械加工時間の３０％を越える節約で、初期の鈍く黒く不純な表面を生じることなく、加工することができる。
【００２９】
従来のジェネレータは、供給電線と、対応する遅延効果を有するケーブルとからなるので、必要なパルス性能を達成することができず、唯一の例外は、被加工物を精密加工するための低電流を発生させるための精密加工機であり、それらの低いパワーレベルのためにスパークギャップに被加工物を直接置くことができる。しかし、これらのジェネレータの電流の振幅は多くとも２から３Ａであり、結果として生じる侵食性能は中間加工範囲での応用には低すぎる。
【００３０】
さて、図３を参照するに、本発明の実施例に従って、パルス発生装置のために必要な端末８ａ、８ｂおよび１１を備えるワイヤ切断放電加工機の一部が示されている。図３は概ね３つの部分に分割され、１−５ｄは加工部分、６ａ−７はケーブル部分であり、８ａ−１２はジェネレータ部分である。明らかなように、本発明のこの実施例は、前記ジェネレータ部分のみに修正を必要とする。例えば特開平０７−２６６１３３号に記載されているように、当業者が、直ちに、そこでパルス波形を改良する際に加工部分に専念するであろうことは、驚くべきでものである。
【００３１】
機械構造によって通常接地された被加工物１は、既知の方法および手段によって、ワイヤ電極２に関して相対的に軸線移動を行う。そのため、被加工物１は、複数の低インダクタンスおよび可撓性を有するストリップラインを介して、前記ケーブル部分の電線６ａ−６ｄすなわち同軸ケーブルのすべての外側遮蔽すなわち外方導体に接続される。通常、前記外側遮蔽は、機械構造のそばのポイントで同様に接地される。ワイヤ電極２は上部のガイドローラ３ａから従来どおりに解かれて、決められた速度および引張力で前記加工部分を通るように案内され、下方ガイドローラ３ｂに再び巻き取られるか、あるいはワイヤチョッパによってサイズを減少させられる。すべての既知の機能を持つ案内ヘッド(図示せず)が被加工物１のすぐ上下に置かれる。そこには、電流供給接点４ａおよび４ｂが、それらのすぐ近傍の高速パワーダイオード５ａ−５ｄと共に配置され、該ダイオードは同軸ケーブル６ａ−６ｄの内方導体に順次接続されている。
【００３２】
図３には、対をなす同軸ケーブル６ａ、６ｂおよび６ｃ、６ｄがそれぞれ設けられており、前記被加工物の粗加工を面粗さＲａが約１．５μｍの範囲の粗さで実行する加工パルスのために作られており、粗加工パルスの周波数は例えばほぼ７０ｋＨｚである。同軸ケーブル対６ａ、６ｂおよび６ｃ、６ｄは、前記ジェネレータ部分内で、放電トランジスタ９ａおよび９ｂにそれぞれ接続されており、その対の同軸ケーブルが、前記機械の端部で、上方電流接点４ａおよび下方電流接点４ｂにそれぞれ分割されている。本実施例では、これは、すべてのジェネレータの設定でその上下の両側に同じ電流値でワイヤ電極２に負荷を掛け、粗加工で浸食を最大化するために重要である。本発明に従ったこの配置には、増設のための同様な利点があり、結果として、スパークギャップにワイヤ電極２を介して両側から放電が生じ、望まれていない浮遊インダクタンスを半分にまで減少させ、したがって、電流のより急な増加を達成する。
【００３３】
前記実施例では、４本の同軸電線すなわち同軸ケーブル６ａ−６ｄが示されているが、現実には８本以上のそれらが好ましくは設けられ、また２個以上の放電トランジスタ９ａ、９ｂが使用される。そのような配置の全体のパルス電流は、典型的には約２μｓのパルスオン時間で１０００Ａを越える。そのようなパルスを伝送するために、好適な実施例では、大きな横断面と例えば１０Ωまたはそれ以下の波動インピーダンスを有する同軸ケーブルが用いられ、この値は６００ｐＦ／ｍのキャパシタンス密度および６０ｎＨ／ｍのインダクタンス密度に対応する。
【００３４】
図３には、精密加工のための同軸ケーブル７（以下では「精密加工ケーブル」と称す。）がさらなる電線として設けられており、該電線は、高周波（ＨＦ）ジェネレータ１２（以下では「精密加工用ジェネレータ」と称される。）によって給電される。精密加工ケーブル７は、それが、例えば約Ｒａ＝０．１５の範囲の面粗さを有する被加工物の精密加工を実行するための加工パルスの伝送に適するように、形成される。この実施例では、精密加工ケーブル７が精密加工用ジェネレータ１２によって発生させられた双極または単極のパルスの伝送に使用され、これが、この精密加工ケーブル7が直接加工ギャップにダイオードなしで接続されている理由であり、好ましくは、１００ｐＦ／ｍのキャパシタンス密度および２６０ｎＨ／ｍのインダクタンス密度に対応する５０Ωの典型的な波動インピーダンスを有する。また、同様な性質を有するストリップラインとしてまたはツイストペアとして設計される同軸ケーブル６ａ−６ｄおよび７は、一般に電流放電加工機上で２から５ｍの長さである。
【００３５】
本実施例では、すでに現存している粗加工のケーブル６ａ−６ｄおよび／または放電加工機の精密加工ケーブル７を利用しているが、本発明の方法のために追加のケーブルまたはラインを設けることが、また可能である。以下に詳述されるように、これらのラインすなわち電線は、中間加工範囲で被加工物を加工するために使われる。
【００３６】
図３の実施例では、接点４ａ、４ｂと各同軸ケーブル６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとの間に配置されたダイオード５ａ−５ｄは、２つの機能を有する。第１には、精密加工ステップの間、加工ギャップから前記キャパシタンスを分離することであり、これはヨーロッパ特許のＥＰ  ０  ３１３０４９  Ｂ１から読み取れると同様であり、その内容は参照によってここに含まれ、開示の一部と考慮されるべきである。一方、第２には、粗加工のためにパルス発生機器の重要な構成品である(例えば、それがヨーロッパ特許ＥＰ  ０  ２６８  １０９  Ｂ１から読み取ることができ、その内容は引用によって本書に含まれ、また開示の一部として考慮される。)。図３に示されているように、電力コンデンサ１０ａおよび１０ｂが、ダイオード５ａ−５ｄの無い状態で粗加工のために加工ギャップで放電トランジスタ９ａおよび９ｂを経て放電すると、反射と双極放電振動とが生じ、ワイヤ電極の対応する摩耗を結果として生じる。ダイオード５ａ−５ｄは、電流パルスのオーバシュートを防止し、反射を抑制し、零電圧および零電流状態の間、放電トランジスタ９ａ、９ｂをオフ動作させ、これによりスイッチングロスを防止する。
【００３７】
本発明の実施例に従って、ダイオード５ａ−５ｄは、第3の機能を有する。すなわち、加工ギャップで同軸ケーブルすなわち電線が放電されなかったとき、中間加工範囲（例えば、Ｒａ＝０．８−０．１５μｍ）でアンダーシュートを防止することである。導入部で議論されたように、高速ダイオード５ａ−５ｄを使うことは、従来のラインパルスジェネレータで所望のパルス整形を得るために必要とされたインピーダンス整合を不要とする。本実施例のダイオード５ａ−５ｄは、同軸電線上を伝搬する反射波を除去または阻止する。
【００３８】
図４を参照するに、中間加工範囲をより効率的にするための実施例に従ったパルスジェネレータの拡張部分の例が示されている。可変の電圧源１３は、図４に示されるように、放電加工機の既存の同軸ケーブル６ａ−６ｄに充電電圧を供給するために配置されており、これと同時的に加工ギャップに無負荷電圧Ｕgapが供給される。この電圧源１３は、制御手段(図示せず)によって所望の無負荷電圧Ｕgapに応じて、一般的には、６０Ｖから約３５０Ｖの電圧になるようセットされる。充電スイッチング素子１７ａおよび１７ｂを経て、１つ以上の同軸ケーブル対６ａ、６ｂおよび６ｃ、６ｄが、所望のパルス電流値に従って充電される。抵抗器１５およびコンデンサ１６からなるＲＣ部材１５、１６は、図１に示すように、電圧を最初に急増させ、これによりスパークギャップ電圧は抵抗器１４によって決まる所望の無負荷電圧Ｕgapへ漸近収束する。図１に示された時間ｔ０で、充電スイッチング素子１７ａ、１７ｂは、コンデンサ１６および抵抗器１５または抵抗器１４を通して可変の電圧原１３からそれぞれ同軸ケーブル対６ａ、６ｂおよび６ｃ、６ｄを充電するために、前記制御手段（図示せず）により、オン動作される。スパークギャップの電圧Ｕgapは、図１に示すｔ０からｔ１（ｔ１は放電開始時刻を示す）へ上昇する。スパークギャップに点火が生じた後に、ギャップ電流Ｉgapの急増が得られ、例えば、t0とtkとの間(tkはパルス電流立ち上がり時間を示す)に約１Ａ／ｎｓの初期の立ち上がり時間を有する。例えば、約１００ｎｓで、約６−１００Ａの放電電流Ｉgapが得られる。放電スイッチング素子１７ａ、１７ｂは、前記制御手段（図示せず）によってオフ動作するとき、加工ギャップの充電は停止される。
【００３９】
ワイヤ電極２と被加工物１との間の加工ギャップにスパークが生じると、同軸ケーブル６ａ−６ｄは、ラインジェネレータの原理に従って、対応するパワーダイオード５ａ−５ｄを経て放電される。すなわち、放電されたエネルギーは、前記伝送路電線で実質的に静電容量的に蓄えられて、パルス整形のために前記ケーブルすなわち電線（ライン）の特性が利用されている。ラインジェネレータが理想的な場合、すなわち、ラインが蓄えたエネルギーを均質にロスなしで機能させる場合、出力パルスは予め決められた正確なパルス幅を有する方形である。パルス波形は、一般に、伝送路電線のパラメータを含むライン方程式によって決まる。パルス幅は、例えばラインの長さ、本実施例では同軸ケーブル６ａ−６ｄの長さによって決まり、また、パルス振幅は、前記電圧源の充電電圧およびラインインピーダンスによって決まる。実施例に応じた粗加工の同軸ケーブル６ａ−６ｄなど、ライン放電の原理に基づくパルス発生の放電加工機で既存の電力ケーブルを含むので、直ちに、非常に効率的な方法で、放電加工のための短く、高い加工パルスの供給を可能とし、また極度に高いプラズマ温度を供給することを可能にする。前記電力ケーブルは、前記した特別な性質を有する充電回路によってジェネレータの端部で充電され、また放電される。加工ギャップでのスパークギャップの点火は、既知のジェネレータよりも、著しく速くパルス電流をその最大値に増大させることができる。好適な実施例に従って、パルス発生装置は、最小の表面損傷および高い侵食性能を必要としているすべての放電加工の応用に好適である。特に材料の放電加工において、例えば、多結晶のダイヤモンド(PCD)、立方の窒化ホウ素(CBN)、硬合金、高融点金属だけでなくカーバイドで良好な結果が得られる。
【００４０】
スパークギャップが不点火の場合、同軸電線６ａ−６ｄは、加工空間の寄生容量と同様に、一定のパルスオン時間後に放電スイッチング素子１９によって放電される。
【００４１】
同軸ケーブル６ａ−６ｄを備える図３および４の実施例では、列記された典型的な値によって、３００Ｖの充電電圧のためのラインジェネレータの理論に基づいて４２ｎｓのパルス幅のための５０Ａの矩形パルスを理論上の結果として生じる。ワイヤ電極２および被加工物１への接続は、約３３０ｎＨの寄生インダクタンスおよび約２．７ｎＦの寄生キャパシタンスを含むことから、実際の電流パルスは、多少平坦化され、しかし、１５０ｎｓの間、典型的には３６Ａになっており、要求事項を満たしている。ライン放電の記述されたポンピング効果および寄生インダクタンスと寄生キャパシタンスとが局所的に分布するという事実によって、電流の増加は、やはり、純数学的に予期されたよりも急勾配である。一層パルスを短くし、一層電流を急激に増加することは、単に、寄生インダクタンスをかなり減少させることによって達成できる。既に参照によってここに組み込まれ開示部分として考慮されるドイツ国特許  ＤＥ  ２６  ５３  ８５７  Ｃ２に示されているように、例えば被加工物１上の同軸のワイパすなわちスベリ接触は、これを行うのに適している。
【００４２】
２つのケーブル対６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄおよび２８０Ｖの充電電圧を有する他の例では、結果的には、理論上４２ｎｓのパルス幅で９２Ａを生じるが、現実的には１９０ｎｓのパルス幅で４３Ａを越えた。さらに他の例では、ケーブル対の数が増加すると、結果としてより高く、いくらかより広いパルスが生じ、すこし粗い加工ではあるが、しかしながら、速さにおいては充分に妥当である。
【００４３】
また、さらに他の実施例では、一層のより高いエネルギーパルスのために、電流接触子４ａ、４ｂの近傍に切り換え可能なパルス用コンデンサを挿入することによってパルス電流を人為的に増大させることは興味深いことであろう。これらの追加のコンデンサも、スパークギャップが点火に万一失敗したならば、そのとき放電スイッチング素子１９によって放電され、パルスオフ時間の間、０Ｖの充電電圧に維持される。
【００４４】
さらに、より精密な加工のために、図４に示されているように、充電ダイオード２２および端子１１を経て接続される充電スイッチング素子１８が設けられ、前記充電ダイオード２２は精密加工のジェネレータ１２の動作の双極モードを妨害しないように設けられている。理論上、精密加工のケーブル７は、１３５Ｖの充電電圧で、３６ｎｓのパルス幅を有する２．２Ａの電流パルスを供給するべきであるが、実際、測定では意外に１２Ａおよび１００ｎｓを生じた。これは、２．７ｎＦの浮遊キャパシタンスが、精密加工用ケーブル７よりもかなりの多くのエネルギーを貯蔵することに寄与していることを示す。しかし、これは機械加工の改善された結果に対し２番目に重要である。
【００４５】
図４に示す実施例では、さらに、前記した放電スイッチング素子１９が設けられており、該スイッチング素子は、前記したように、放電抵抗器２０および放電ダイオード２１を経て、加工ギャップでアンダーシュートなしに効果的に種々の静電容量（キャパシタンス）を放電することができる。放電ダイオード２１が充電ダイオード２２と同様に設けられるのはこのためであり、すなわち、精密加工用ジェネレータ１２の双極動作が妨げられることを避けるためである。これらのスイッチング素子とダイオードとの直列接続は、オフ状態で両方向への電流の流れを抑制することを可能にする。
【００４６】
ＭＯＳＦＥＴ(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)とＩＧＢＴ(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)とがスイッチング素子として図４の例では識別されるが、これは強制的な選択ではなく、当業者の選択に任されている。なぜならば、これらの部品の開発が加速しており、もちろんＩＧＢＴの選択が増大しているが、当節、２つの技術のスイッチングスピードに殆ど差違がないからである。
【００４７】
図５ないし図８は、本発明の実施例により得られる進化した点をジェネレータが前記した６Ａから１００Ａのパルス範囲で稼動することを要求された場合での従来技術との比較で示す。ここで、放電サイクルだけが考慮されて、充電ロスは含まれず、さらに、２５Ｖの実効スパーク電圧を仮定している。
【００４８】
ここで、図５を参照するに、大泉のジェネレータ（実線の曲線）の加工ギャップについての実効パルスパワーPgap_ｋＷが示されており、このパワーは、１００Ａで約２．５ｋＷの値まで、パルス電流Ｉgap_Ａに比例して増大する。破線の曲線は、方形パルス電流として、５Ωのラインインピーダンスの場合における大泉のジェネレータの端子抵抗器ＺＡ、ＺＢのパルスパワーロスＰＲｇ５_ｋＷの増大を示す。一点鎖線の曲線は、約１００Ａのパルス電流で１００ｋＷの大きな値に達する１０Ωのラインインピーダンスの場合における端子抵抗器ＺＡ、ＺＢのパルスパワーロスＰＲｇ１０_ｋＷの増大を示す。
【００４９】
次に、図６を参照するに、大泉のジェネレータにおける放電効果の結果が示されており、パルス電流が高いほど効率は低くなる。実線曲線ηRg ５Ω_％は、５Ωのインピーダンスケーブルのプロフィールを示し、破線曲線ηRg10W_％は１０Ωインピーダンスのプロフィールを示す。
【００５０】
図７を参照するに、図３に示されたダイオード５ａ−５ｄで２Ｖの電圧降下が生じると仮定したときにおける本発明のジェネレータにより得られる同様な曲線（ただし、目盛りは異なる）が示されており、１００Ａのパルス電流に対し０．２ｋＷの前記ダイオードでのパルスパワーロスＰdiode_ｋＷ、すなわち大泉のジェネレータよりも５００倍小さいパワーロスが生じる。
【００５１】
図８を参照するに、本発明の実施例による放電の結果として生じたパルス効率ηdiode_％が示されている。加工ギャップに適用されるパルスパワーＰgap_ｋＷとダイオードのパルスパワーロスＰdiode_ｋＷとの両方が、パルス電流に伴って直線的に増大するので、約９２．６％の放電能率ηdiode_％が適用の全範囲で具体化される。
【００５２】
本発明は前記した実施例に記載されあるいは図面に示された構成や構成部分の配置の細部にまではその応用において制限されないことが理解されよう。本発明は、他の実施例や同じ機能を有する同様なジェネレータの実施を含むことができる。また、ここに使用された語法および専門用語は説明のためであり、制限とみなされているべきでないことが、理解されよう。
【００５３】
本明細書中で言及されたすべての出版物と既存のシステムは、参照によって、ここに取り入れられている。
【００５４】
本発明の教示に従って構成された特定の装置と製品がここに説明されが、本願の特許の範囲の範囲はそれに制限されない。それどころか、本特許は、文字通りあるいは均等論の原則下で、添付の請求項の範囲に適正に入っている発明が教示するすべての具体例を含む。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る実施例によるスパークギャップでのパルス形状の概略図である。
【図２】遅延電線を使う既知のパルスジェネレータ(大泉)の概略図である。
【図３】本発明の実施例によるパルスジェネレータに適した放電加工機のブロック図である。
【図４】電線を充放電するための本発明による実施例のブロック図である。
【図５】図２の従来のパルスジェネレータのパルス電流の関数としてパルス電力をプロットしたグラフである。
【図６】図２の従来のパルスジェネレータのパルス電流の関数として効率をプロットしたグラフである。
【図７】本発明の実施例によるパルスジェネレータのパルス電流の関数としてパルス電力をプロットした図面である。
【図８】本発明の実施例によるパルスジェネレータのパルス電流の関数として効率をプロットしたグラフである。
【符号の説明】
【００５６】
１  被加工物
２  加工電極
５ａ−５ｄ  ダイオード
６ａ−６ｄ、７  電線（同軸電線）
１３  電圧源
１４、１５、１６、１７  第１の充電回路
１４、１５、１６、１８  第２の充電回路
１９、２０、２１  放電回路
２２  充電ダイオード
【図１】
2006312229.tif 000003
【図２】
2006312229.tif 000004
【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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