(57)【要約】【課題】ワイヤ放電研削法によって微小角度のテーパを創製するにあたり、駆動機構の最小移動単位長さに従って階段状のテーパになることが無く、また最小移動単位以下のテーパであっても滑らかに創製する方法を提供する。【解決手段】ワイヤ電極と前記被加工物間に所定の電位差を与えて前記被加工物を放電加工するワイヤ放電研削装置において、前記送り手段によって前記ワイヤ電極と前記被加工物の相対位置を変化させるとともに、前記ワイヤ走行手段によってワイヤ走行速度、あるいは放電エネルギー、あるいはワイヤ張力を徐々に変化させることによって被加工物に微小角度のテーパ形状を創製する。【選択図】図１
2004114227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性のワイヤ電極と、少なくともその一部が導電性である被加工物と、前記ワイヤ電極を前記被加工物に対して走行させるワイヤ走行手段と、前記ワイヤ電極の走行をガイドするガイド手段と、前記ワイヤ電極に所定の張力を加える張力付加手段と、前記ワイヤ電極と前記被加工物の相対位置を変化させる送り手段から成り、前記ワイヤ電極と前記被加工物間に所定の電位差を与えて前記被加工物を放電加工するワイヤ放電研削装置において、前記送り手段によって前記ワイヤ電極と前記被加工物の相対位置を変化させるとともに、前記ワイヤ走行手段によってワイヤ走行速度を徐々に変化させることにより被加工物に微小角度のテーパを創製することを特徴とする微小テーパ創製方法。
【請求項２】
導電性のワイヤ電極と、少なくともその一部が導電性である被加工物と、前記ワイヤ電極を前記被加工物に対して走行させるワイヤ走行手段と、
前記ワイヤ電極の走行をガイドするガイド手段と、前記ワイヤ電極に所定の張力を加える張力付加手段と、前記ワイヤ電極と前記被加工物の相対位置を変化させる送り手段から成り、前記ワイヤ電極と前記被加工物間に所定の電位差を与えて前記被加工物を放電加工するワイヤ放電研削装置において、前記送り手段によって前記ワイヤ電極と前記被加工物の相対位置を変化させるとともに、放電エネルギーを徐々に変化させることにより被加工物に微小角度のテーパを創製することを特徴とする微小テーパ創製方法。
【請求項３】
導電性のワイヤ電極と、少なくともその一部が導電性である被加工物と、前記ワイヤ電極を前記被加工物に対して走行させるワイヤ走行手段と、
前記ワイヤ電極の走行をガイドするガイド手段と、前記ワイヤ電極に所定の張力を加える張力付加手段と、前記ワイヤ電極と前記被加工物の相対位置を変化させる送り手段から成り、前記ワイヤ電極と前記被加工物間に所定の電位差を与えて前記被加工物を放電加工するワイヤ放電研削装置において、前記送り手段によって前記ワイヤ電極と前記被加工物の相対位置を変化させるとともに、前記張力付加手段によってワイヤ張力を徐々に変化させることにより被加工物に微小角度のテーパを創製することを特徴とする微小テーパ創製方法。
【請求項４】
前記微小テーパ創製方法において、前記被加工物を回転させる回転手段を備え、被加工物を回転させながら放電加工することにより被加工物に微小角度のテーパ軸を創製することを特徴とする請求項１〜請求項３記載の微小テーパ創製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はワイヤ放電研削法による微小テーパ形状の創製に係り、特に微小径ドリルのバックテーパの創製などに好適な創製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気・電子分野や通信分野やバイオ化学分野などで用いられる機器やその部品に対し微細加工のニーズが高くなっている。加工の微細化に伴いドリルやエンドミルや放電加工用電極などの工具も微細化され、その形状創製が困難に成るとともに、これら微細工具を工作機械に取付ける際に発生するわずかな傾きや偏芯が加工精度や工具寿命に悪影響を与える状況に成っている。
【０００３】
これらの問題を解決するために、ワイヤ放電研削法（ＷＥＤＧ）により微細工具を工作機上で創製する方法が提案されている。（例えば、非特許文献１又は非特許文献２参照）
【０００４】
ワイヤ放電研削法（ＷＥＤＧ）を図３に基づいて説明する。所定の張力を付加した導電性のワイヤ電極２０をガイド部材２１に沿って走行させ、ワイヤ電極２０と導電性の被加工物Ｗ２間に電位差を与えるとともに、被加工物Ｗ２を矢印Ｘ方向及びＺ方向に送ることで被加工物を任意の形状に放電加工する方法である。被加工物をＺ軸回りに回転させながら加工すれば円断面を持つ軸を創製することも可能である。このワイヤ放電研削法は工具（電極）と被加工物が接触しない加工方法なので、変形し易い微細な形状を創製するのに好適である。また、放電によって電極が消耗してもワイヤの走行によって常時新しいワイヤが供給されるので、被加工物の仕上り寸法が安定する。さらに工作機械の工具取付部に取付けた工具素材をワイヤ放電研削法によって工具に創製することにより、工具を取り外すこと無く加工することができるので、従来のように工具取付時に生じる工具の傾きや偏芯が全く発生しない。
【０００５】
【非特許文献１】
「ＷＥＤＧのマイクロドリル・エンドミルへの応用」、精密工学会春季大会学術講演会論文集、１９８９年度、ｐ１０９１〜ｐ１０９２
【非特許文献２】
「放電・切削共用多目的微細加工装置の開発」、第１回電気加工学会全国大会講演論文集、１９９１、ｐ１１１〜ｐ１１４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ワイヤ放電研削法によって被加工物にテーパを創製する場合は、図４のように被加工物Ｗ２を矢印Ｚ方向に送りながら徐々に矢印Ｘ方向に送る方法が一般的である。しかしながら送りは最小送り単位でおこなわれるので、微視的に見るとテーパ面は階段状になっている。特に創製しようとするテーパ角度が小さくなってくると、同じく図４に示すような間隔の広い階段状の面になるため滑らかなテーパ面の創製が困難となり、更には最小送り単位以下のテーパ面を創製できないという課題が有った。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、本発明の目的はテーパ角度が微小であっても階段状になることがなく、滑らかなテーパ面を創製できる微小テーパ創製方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、導電性のワイヤ電極と、少なくともその一部が導電性である被加工物と、前記ワイヤ電極を前記被加工物に対して走行させるワイヤ走行手段と、前記ワイヤ電極の走行をガイドするガイド手段と、前記ワイヤ電極に所定の張力を加える張力付加手段と、前記ワイヤ電極と前記被加工物の相対位置を変化させる送り手段から成り、前記ワイヤ電極と前記被加工物間に所定の電位差を与えて前記被加工物を放電加工するワイヤ放電研削装置において、前記送り手段によって前記ワイヤ電極と前記被加工物の相対位置を変化させるとともに、前記ワイヤ走行手段によってワイヤ走行速度を徐々に変化させることにより、被加工物に微小角度のテーパを創製している。
【０００９】
これにより、例えばワイヤ走行速度を低速から徐々に高速にすると被加工物を単位体積除去する間に走行するワイヤ長さも徐々に長くなり、放電によるワイヤ消耗の減少によってワイヤ径が太くなる（素線径に近くなる）結果、被加工物は徐々に細くなり微小角度のテーパを得ることができる。
【００１０】
請求項２は、導電性のワイヤ電極と、少なくともその一部が導電性である被加工物と、前記ワイヤ電極を前記被加工物に対して走行させるワイヤ走行手段と、前記ワイヤ電極の走行をガイドするガイド手段と、前記ワイヤ電極に所定の張力を加える張力付加手段と、前記ワイヤ電極と前記被加工物の相対位置を変化させる送り手段から成り、前記ワイヤ電極と前記被加工物間に所定の電位差を与えて前記被加工物を放電加工するワイヤ放電研削装置において、前記送り手段によって前記ワイヤ電極と前記被加工物の相対位置を変化させるとともに、放電エネルギーを徐々に変化させることにより被加工物に微小角度のテーパを創製している。
【００１１】
これにより、例えば放電エネルギーを徐々に大きくするとワイヤ電極からより離れた位置まで被加工物が除去される（放電ギャップが大きくなる）ので、被加工物は徐々に細くなり微小角度のテーパを得ることができる。
【００１２】
請求項３は、導電性のワイヤ電極と、少なくともその一部が導電性である被加工物と、前記ワイヤ電極を前記被加工物に対して走行させるワイヤ走行手段と、前記ワイヤ電極の走行をガイドするガイド手段と、前記ワイヤ電極に所定の張力を加える張力付加手段と、前記ワイヤ電極と前記被加工物の相対位置を変化させる送り手段から成り、前記ワイヤ電極と前記被加工物間に所定の電位差を与えて前記被加工物を放電加工するワイヤ放電研削装置において、前記送り手段によって前記ワイヤ電極と前記被加工物の相対位置を変化させるとともに、前記張力付加手段によってワイヤ張力を徐々に変化させることにより被加工物に微小角度のテーパを創製している。
【００１３】
これにより、例えばワイヤ張力を徐々に小さくすると弾性変形によって細くなっていたワイヤ径が徐々に太くなる（素線径に近くなる）結果、被加工物は徐々に細くなり微小角度のテーパを得ることができる。
【００１４】
請求項４は、前記微小テーパ創製方法において、前記被加工物を回転させる回転手段を備え、被加工物を回転させながら放電加工することにより、被加工物に微小角度のテーパ軸を創製している。
【００１５】
これにより、被加工物を回転させているので微小角度の円錐テーパ軸を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を実施例によって詳細に説明する。
【００１７】
【実施例】
図５に本発明を実施するためのワイヤ放電研削装置を搭載した加工機を示す。基台１上にコラム２およびトップビーム３が固定されており、トップビーム上にＸ軸駆動機構４が設置されており、このＸ軸駆動機構４によってＸテーブル５が矢印Ｘ＋およびＸ−方向に駆動される。Ｘテーブル５上にはＺ軸駆動機構６が設置されおり、このＺ軸駆動機構６によってＺテーブル７が矢印Ｚ＋およびＺ−方向に駆動される。Ｚテーブル７上にはスピンドル８が設置されており、このスピンドル８によって工具素材９あるいは微細工具９’をＺ軸回りに回転させることができる。Ｙ軸駆動機構１０は基台１上に設置されており、このＹ軸駆動機構１０によってＹテーブル１１が矢印Ｙ＋あるいはＹ−方向に駆動される。Ｙテーブル１１上には微細工具９’によって加工されるワークＷ１が固定されている。
【００１８】
予めスピンドル８に取付けられた工具素材９はＸ軸駆動機構４およびＺ軸駆動機構６によって送られ、基台１上に設置されたワイヤ放電研削装置１２によって微細工具９’に創製される。創製された微細工具９’はスピンドル８から取り外されることなく、Ｘ・Ｙ・Ｚの３軸駆動とスピンドル８の回転によってＹテーブル上のワークＷ１を微細加工する。創製される微細工具９’の形状は微細加工の種類に応じて変わり、微細ドリルや微細エンドミルや微細砥石や微細放電電極などがある。
【００１９】
ワイヤ放電研削装置１２を図６に基づき詳述する。ワイヤ電極２０はワイヤ供給モータＭ１で回転するワイヤ供給ボビン２２によって送り出され、ワイヤ巻取りモータＭ２で回転するワイヤ巻取りボビン２３によって巻取られるとともに、ガイド部材２１に沿って走行する。また、ワイヤ電極２０は両モータのトルク差によって所定の張力を付与される。予めスピンドル８に取付けられた工具素材９は、走行中のワイヤに近づくようにＸ軸駆動機構４およびＺ軸駆動機構６によって送られる。工具素材９とワイヤ電極２０間には、抵抗２４とコンデンサ２５からなるＣＲ回路と電圧を可変できる直流安定化電源２６によって電位差が与えられており、両者の間隔が狭まると放電が生じて工具素材９が任意の形状に放電加工される。放電１回あたりのエネルギーは直流安定化電源２６の電圧とコンデンサ２５の容量によって任意に設定可能であり、必要であればコンデンサ２５の容量を自動で変更できる回路を組み込んでも良い。なお、放電が生じるワイヤ電極２０と工具素材９間には加工液をかけ流すか、あるいは両者を加工液に浸漬した状態で加工することが望ましく、加工液には灯油系液体やイオン交換した純水が望ましい。
【００２０】
次に図８に示す微細平切りドリルをワイヤ放電研削装置１２によって創製する手順を図７に基づき詳述する。図８に示す微細平切りドリルは外径３５μｍ、刃全長５００μｍ、約１６度の逃げ角を持つ超硬合金製のドリルである。このドリルを創製する手順として、まず、スピンドル８に予め取付けた円筒状の工具素材９を回転させながらＺ軸駆動機構６によって図示矢印Ｚ方向に送り、ワイヤ電極２０と工具素材９間の放電によって工具素材の外径を３５μｍにする外径加工をおこなう。工具素材の取り代が多い場合は上記外径加工を数回繰返して所定外径の３５μｍに仕上げる。その際に、前半は粗加工として放電エネルギーを高くして短時間で加工を進行させて、後半は仕上げ加工として放電エネルギーを低くして仕上げ面の面粗度を向上させ、かつ放電による加工変質層を低減すると好適である。なお、ワイヤ電極２０には例えば線径０．１ｍｍの円断面を持つ真鍮製ワイヤを用いる。
【００２１】
外径加工が完了したらスピンドル８の回転を停止し、工具素材９を矢印Ｚ方向と反対側に一旦引上げ、Ｘ軸駆動機構４によって矢印Ｘ方向に所定量（約１０μｍ）送る。その後工具素材９をＺ軸駆動機構６によって矢印Ｚ方向に送りながらＸ軸駆動機構４によって矢印Ｘ方向に徐々に送ることによりすくい面加工▲１▼をおこなう。すくい面加工▲１▼を完了後、工具素材９を１８０度回転させて同様にすくい面加工▲２▼をおこなう。なお、すくい面加工▲１▼・▲２▼を１回づつで完了させても良いが、取り代を数回に分けてすくい面加工▲１▼・▲２▼を繰返しおこなうとより好適である。理由は、加工によって工具素材９の内部応力のバランスが崩れてわずかながら反りが発生するが、すくい面加工▲１▼・▲２▼を交互に少しずつおこなうことにより反りの影響を低減することができる。また、外径加工と同様に前半を粗加工、後半を仕上げ加工とするとさらに好適である。
【００２２】
次に工具素材９を矢印Ｚ方向と反対方向に一旦引上げ、９０±α度回転させた後、Ｘ軸駆動機構４およびＺ軸駆動機構６によって図示矢印ＸＺ方向に送ることで逃げ面加工▲１▼をおこなう。ここで工具素材９の回転角度を９０度からずらす（±α度）ことで、逃げ面に逃げ角を与えることができる。実験ではα＝１５度にすることで逃げ角θ≒１５度を得ることができた。逃げ面加工▲１▼を完了後、工具素材９を１８０度回転させて同様に逃げ面加工▲２▼をおこない微細平切りドリルが創製される。
【００２３】
さて、ドリル外径にはバックテーパを付与することが望ましい。バックテーパとは図８に示すようにドリル先端部の外径を所望の穴径に合わせた外径（φ３５μｍ）とし、根元部に向かって外径を徐々に細くした形状（φ３５μｍ−β）である。これにより穴加工時のドリル外周と被加工物の接触面積を少なくすることができるので、摩擦による発熱やドリルに加わる応力を低減できる。「穴加工皆伝」１９９４年切削油技術研究会ｐ１６によると超硬ソリッドドリルではバックテーパを長さ１００あたり０．０２〜０．０７程度付与するのが一般的である。これを図８に示すドリルに適用すると、ドリル根元部での外径は３４．９〜３４．６５μｍとなり先端部外径との差はわずか０．１〜０．３５μｍとなる。
【００２４】
ワイヤ放電研削法によって被加工物にテーパを創製する場合は、図４のように被加工物Ｗ２を矢印Ｚ方向に送りながら徐々に矢印Ｘ方向に送る方法が一般的である。しかしながら工作機械などの最小送り単位は１μｍが一般的であり、前述のような微小角度のテーパを創製することは不可能である。また、バックテーパの角度を大きくする方法も考えられるが、バックテーパ角度が大きくなるにつれてドリル根元部の外径が細くなるため、図８のような先端外径が３５μｍという極めて小径のドリルでは根元部が強度不足となり穴あけ加工に耐えられなくなる。
【００２５】
そこでドリル創製の外径加工において、図１に示すようにワイヤ電極２０の走行速度を低速にして加工を開始すると、加工序盤では、工具素材９を単位体積除去する間に走行するワイヤ電極２０の長さが短いので放電によるワイヤ電極２０の消耗が大きくなる。その結果、ワイヤ電極２０の外径が細くなり工具素材９の外径は太めに仕上がる。その後徐々にワイヤ電極２０の走行速度を高速にすると放電によるワイヤ電極２０の消耗は徐々に小さくなり、加工終盤では、ワイヤ電極２０の外径が太くなる結果、工具素材９の外径は徐々に細くなり微小角度のテーパを得ることができる。実験では加工序盤のワイヤ電極走行速度を１ｍｍ／分、加工終盤を１０ｍｍ／分程度にすることでドリル先端部と根元部の外径差が０．５μｍ程度の滑らかな微小テーパを創製することができた。このときの抵抗２４は１ｋΩ、コンデンサ２５の容量は１０ｐＦ、直流安定化電源２６の電圧は７０Ｖである。なお、ワイヤ走行速度の変化は加工時間あるいはＺ方向の送り量に比例して変化させても良いが、より直線的なテーパを得るためには図９に示すような変化にすると好適である。この理由は、図９において、放電によるワイヤ電極の消耗量（ハッチングが入った円からの欠落部分）が多い状態から、一定量のワイヤ電極が消耗し、減少したときのＬ１寸法と、ワイヤ電極の消耗量が少ない状態から、一定量のワイヤ電極が消耗し、減少したときのＬ２寸法を比較したときにＬ１＜Ｌ２となるためである。即ち、単純に比例して変化させてもワイヤ消耗量に対応して変化する所望の加工量が得られないということである。
【００２６】
また、ワイヤ巻き取りモータとワイヤ供給モータによってワイヤ電極２０に加える張力を大きくして加工を開始し、徐々にその張力を小さくするとワイヤ電極２０の弾性変形によって細くなっていたワイヤ径が徐々に太くなる（素線径に近くなる）ので、同様に微小角度のテーパを得ることができる。
【００２７】
あるいは図２に示すように、小さい放電エネルギーで加工を開始すると、加工序盤では、加工によって発生する放電ギャップ（ワイヤ電極２０と工具素材９のクリアランス）が小さくなり、工具素材９の外径は太めに仕上がる。その後徐々に放電エネルギーを大きくすると放電ギャップが大きくなるので、加工終盤では、工具素材９は徐々に細くなり微小角度のテーパを得ることができる。実験では加工初期の直流安定化電源２６の電圧を７０Ｖ、コンデンサ２５の容量を１０ｐＦ、抵抗２４を１ｋΩとし、加工終盤の直流安定化電源２６の電圧を１１０Ｖ、コンデンサ２５の容量を１０ｐＦ、抵抗２４を１ｋΩとすることでドリル先端部と根元部の外径差が０．５μｍ程度の滑らかな微小テーパを創製することができた。放電１回あたりのエネルギーを計算で算出すると、加工序盤で２４．５ｎＪ、加工終盤で６０．５ｎＪとなる。実施例では直流安定化電源２６の電圧で放電エネルギーを変化させているが、コンデンサ２５の容量で変化させてもよい。なお、ワイヤ走行速度は１０ｍｍ／分で一定である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
ワイヤ放電研削法においてワイヤ走行速度、あるいは放電エネルギー、あるいはワイヤ張力を徐々に変化させることによって被加工物に微小角度のテーパ形状を創製するので、２軸の駆動機構を用いて微小角度のテーパを創製する場合と比べ、駆動機構の最小移動単位長さに従って階段状のテーパになることが無く、また最小移動単位以下のテーパであっても滑らかに創製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す概念図である。
【図２】本発明の別の実施例を示す概念図である。
【図３】ワイヤ放電研削法による加工の概要を示す天面図および正面図である。
【図４】ワイヤ放電研削法で被加工物にテーパを創製する従来技術の概念図である。
【図５】本発明を実施するためのワイヤ放電研削装置を搭載した加工機の正面図および側面図である。
【図６】図５に示す加工機に搭載されたワイヤ放電研削装置の天面図および正面図である。
【図７】図５に示す加工機に搭載されたワイヤ放電研削装置で微細平切りドリルを創製する手順を示す概念図である。
【図８】微細平切りドリルの正面図および側面図である。
【図９】より直線的なテーパを得るのに好適なワイヤ走行速度の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１…基台、２…コラム、３…トップビーム、４…Ｘ軸駆動機構、
５…Ｘテーブル、６…Ｚ軸駆動機構、７…Ｚテーブル、８…スピンドル、
９…工具素材、９’…微細工具、１０…Ｙ軸駆動機構、１１…Ｙテーブル
１２…ワイヤ放電研削装置、
２０…ワイヤ電極、２１…ガイド部材、２２…ワイヤ供給ボビン、
２３…ワイヤ巻取りボビン、２４…抵抗、２５…コンデンサ
２６…直流安定化電源
Ｍ１…ワイヤ供給モータ、Ｍ２…ワイヤ巻取りモータ
Ｗ１…微細工具によって加工されるワーク
Ｗ２…ワイヤ放電研削される被加工物
【図１】
2004114227.tif 000003
【図２】
2004114227.tif 000004
【図３】
2004114227.tif 000005
【図４】
2004114227.tif 000006
【図５】
2004114227.tif 000007
【図６】
2004114227.tif 000008
【図７】
2004114227.tif 000009
【図８】
2004114227.tif 000010
【図９】
2004114227.tif 000011