(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック被覆層を有する金属部材の加工部位およびその近傍のセラミック被覆層の表面に導電性粒子を含有するペーストを塗布して導電層を形成すると共に、
この導電層と前記金属部材とを電気的に接続し、
導電層およびセラミック被覆層を放電加工する場合の放電開始を検出するしきい値電圧を金属部材を放電加工する場合の放電開始を検出するしきい値電圧より導電層およびセラミック被覆層による電圧降下に相当する分だけ高く設定し、
放電加工電極と被加工体である前記導電層、セラミック被覆層との間の放電開始を検出してそれ以降所定の時間放電加工電極と前記被加工体との間に放電電圧を印加させ、放電加工電極により前記導電層およびセラミック被覆層を貫通し、
引き続き、放電開始を検出するしきい値電圧を金属部材を放電加工する場合の放電開始を検出するしきい値電圧に変更し、
放電加工電極と金属部材との間の放電開始を検出して放電電圧を印加させ、放電加工電極が導電層およびセラミック被覆層を貫通した後において、放電加工電極と導電層およびセラミック被覆層との間の間隙を金属部材の放電加工の拡大代またはそれ以上に相当する間隙に形成し、前記金属部材の少なくとも一部を除去する
ことを特徴とするセラミック被覆層を有する金属部材の放電加工方法。
【請求項２】
セラミック被覆層がジルコニアまたはジルコニアを含有するセラミックスからなることを特徴とする請求項１に記載のセラミック被覆層を有する金属部材の放電加工方法。
【請求項３】
導電性粒子がカーボンおよび／またはグラファイトからなることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック被覆層を有する金属部材の放電加工方法。
【請求項４】
金属部材が耐熱鋼または耐熱合金からなることを特徴とする請求項１ないし３何れかに記載のセラミック被覆層を有する金属部材の放電加工方法。
【請求項５】
金属部材がガスタービンブレードを構成し、このガスタービンブレードに冷却孔を形成することを特徴とする請求項１ないし４何れかに記載のセラミック被覆層を有するタービンブレードの放電加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電加工電極と被加工材との間の放電によって被加工材を加工する放電加工方法に関するものであり、特にセラミック被覆層を有する金属部材の放電加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８はセラミック被覆層を有する金属部材の例であるガスタービン用のブレードの一例を示す横断面図である。図８において、ブレード６１は外表面を高温ガスに曝されるため、例えばＮｉ基合金またはＣｏ基合金のような耐熱合金によって製造されると共に、その表面にセラミック被覆層（遮熱コーティング、Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ（ＴＢＣ））６２を被着させると共に、内部に空洞６３を設け、更に空洞６３と連通する冷却孔６４を設けて、空洞６３から圧縮空気等を噴出し、セラミック被覆層６２の表面に冷却フィルムを形成するようにしている。この場合、セラミック被覆層６２の厚さ寸法は、例えば０．２〜０．７ｍｍ、冷却孔６４の直径寸法は、例えば１ｍｍに形成される。
【０００３】
上記のような冷却孔６４を加工する場合、セラミック被覆層６２が極めて硬質であるため、通常のドリル加工では、例えば超硬合金からなるドリルを使用しても不可能である。一方、放電加工により上記のような難加工材であるセラミックスを放電加工する方法が提案されている。
【０００４】
その一例として、例えば特開昭６３−１５０１０９号公報に記載されるように、予め加工すべきセラミックスからなる被加工体の表面に導電体層を形成しておき、この導電体層の加工によって生じた加工液中の炭素および導電体層の導電体粉がセラミックスに付着ないし含浸させられて形成された導電層および／または放電によってセラミックスが高温となることによって形成された導電層と、加工電極との間に放電を発生させることにより放電加工を行なうものがある。
【０００５】
また他の例としては、例えば特開平８−２２９７４０号公報に記載されるように、セラミックスの表面に導電性炭化物を形成できる金属層を設けるか、またはセラミックスの表面に多層の金属層を形成させ、少なくともその１層を導電性炭化物を形成できる金属層とし、最外層を比電気抵抗率の低い金属層として放電加工をするものである。
【０００６】
更にセラミック被覆層を有する金属部材に微細な孔を加工する方法が提案されている。その一例として、例えば特開平１０−２０２４３１号公報に記載されるように、セラミック被覆層の表面に導電性と弾力性を有するカーボンシートを介して導電体を配設し、この導電体の表面にパイプ状の放電加工電極を配設し、放電加工電源の−側を放電加工電極に接続し、＋側を導電体と金属部材に接続し、放電加工電極の中空部から加工液を噴射させ、放電加工電極を回転させながら放電加工を行なうものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記第１の方法においては、放電加工によって逐次形成されるべきセラミックス中の導電層が不安定であり、放電加工が円滑に進行しないことがあるという問題点がある。
【０００８】
一方、第２の方法においては、導電性炭化物を形成できる金属として、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆの１種または２種以上が望ましいとしているが、これらの金属は比較的高価なものであると共に、これらの金属層は例えば溶射、蒸着、メッキ等の手段によって形成できるものの、金属層をセラミックスの表面に密着するように形成しなければならず、金属層の形成が煩雑であり、かつその形成に長時間を要するという問題点がある。
【０００９】
更に第３の方法においては、放電加工によって逐次形成されるべきセラミック被覆層中の導電体層が不安定となり易く、放電加工が円滑に進行しないことがあるという問題点がある。すなわち、上記セラミック被覆層中の導電体層は、比較的高抵抗のものであり、この部分における放電電圧の降下があると共に、アーク放電若しくはそれに近い現象が発生するため、放電開始点の検出ができないことも原因していると認められる。
【００１０】
また放電加工電極を回転させる必要があるため、単一または少数の孔を放電加工する場合はともかくとして、多数の孔を効率よく放電加工する場合には、作業が煩雑となるという問題点もある。
【００１１】
本発明は、上記従来技術に存在する問題点を解決し、セラミック被覆層を有する金属部材を容易に、かつ円滑に加工できる放電加工方法を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明においては、セラミック被覆層を有する金属部材の加工部位およびその近傍のセラミック被覆層の表面に導電性粒子を含有するペーストを塗布して導電層を形成すると共に、この導電層と前記金属部材とを電気的に接続し、導電層およびセラミック被覆層を放電加工する場合の放電開始を検出するしきい値電圧を金属部材を放電加工する場合の放電開始を検出するしきい値電圧より導電層およびセラミック被覆層による電圧降下に相当する分だけ高く設定し、放電加工電極と被加工体である前記導電層、セラミック被覆層との間の放電開始を検出してそれ以降所定の時間放電加工電極と前記被加工体との間に放電電圧を印加させ、放電加工電極により前記導電層およびセラミック被覆層を貫通し、引き続き、放電開始を検出するしきい値電圧を金属部材を放電加工する場合の放電開始を検出するしきい値電圧に変更し、放電加工電極と金属部材との間の放電開始を検出して放電電圧を印加させ、放電加工電極が導電層およびセラミック被覆層を貫通した後において、放電加工電極と導電層およびセラミック被覆層との間の間隙を金属部材の放電加工の拡大代またはそれ以上に相当する間隙に形成し、前記金属部材の少なくとも一部を除去する、
という技術的手段を採用した。
【００１６】
上記の発明において、セラミック被覆層をジルコニアまたはジルコニアを含有するセラミックスによって形成することができる。
【００１７】
また上記の発明において、導電性粒子をカーボンおよび／またはグラファイトによって形成することができる。
【００１８】
更に上記の発明において、金属部材を耐熱鋼または耐熱合金によって形成することができる。また更に上記の発明において、金属部材がガスタービンブレードを構成し、このガスタービンブレードに冷却孔を形成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態における被加工物の例を示す横断面図、図２は図１におけるＡ方向要部矢視図であり、同一部分は前記図８と同一の参照符号で示す。図１および図２において、１は導電層であり、例えばカーボンおよび／またはグラファイトのような導電性粒子を含有するペーストを、加工すべき冷却孔６４の直上およびその近傍に塗布して形成される。
【００２０】
次に２は通電子であり、例えば銅板のような導電金属板により、複数個の櫛歯３を設けて形成し、セラミック被覆層６２の表面に固着し、櫛歯３を前記導電層１と接続すると共に、通電子２は例えば図示省略したリード部材を介してブレード６１（金属部材）と電気的に接続する。
【００２１】
なおブレード６１は、Ｎｉ基合金またはＣｏ基合金のような耐熱合金によって形成し、セラミック被覆層６２はジルコニア（ＺｒＯ2 ）を溶射等の手段によってブレード６１の表面に例えば０．２〜０．７ｍｍの厚さに形成されている。この場合、ジルコニアには立方晶の安定な温度領域を広げるために、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、イットリア（Ｙ2 Ｏ3 ）等の安定化剤を所定量含有させる。
【００２２】
次に導電層１を構成する導電性粒子としては、金属よりも高電気抵抗を有するカーボン、グラファイト等が望ましく、また侵入型金属炭化物ＭＣ（ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ等）のような導電性炭化物であってもよい。
【００２３】
本発明の実施の形態においては、グラファイト粉７０〜８０重量％と水その他の液体３０〜２０重量％とを混合したペースト（必要に応じて接着剤を添加）を使用して、セラミック被覆層６２の加工部位およびその近傍に厚さ０．３〜１．０ｍｍの帯状に塗布し、例えば１２１℃で３〜５時間加熱して乾燥固化させた。
【００２４】
なお、通電子２は上記導電層１を構成するペーストの塗布前にセラミック被覆層６２上に設けて、ペーストによって櫛歯３の部分を埋め込んでもよく、またペーストを塗布後、通電子２の櫛歯３の部分をペーストの上から押し込んでもよい。ペーストの乾燥固化によって、導電層１と通電子２の櫛歯部分とは完全に密着して、両者は機械的にも電気的にも完全に接続され得る。
【００２５】
図３は本発明の実施の形態における放電加工の態様を模式的に示す説明図であり、同一部分は前記図１および図２と同一の参照符号で示す。図３において、４は放電加工電極であり、例えば銅または黄銅により例えば外径０．７ｍｍの管状に形成し、上端部をマニホールド５と接続し、下端部を前記図１および図２のように形成した導電層１と対向させる。そして図示省略した放電加工電源の（＋）側を放電加工電極４と接続し、（−）側をブレード６１と接続する。なお導電層１とブレード６１とは前記のように通電子２（図示せず）を介して電気的に接続してある。
【００２６】
次にマニホールド５から放電加工電極４の中空部に水またはケロシン等の加工液を噴射させながら、放電加工電極４とブレード６１との間に所定の放電電圧を印加して放電加工を行なった（放電加工条件  Ｉｐ＝１３Ａ、τon＝４μｓｅｃ、τoff ＝４０μｓｅｃ）。
【００２７】
上記の放電加工により、図３においてまず導電層１に破線にて示されるように冷却孔６４が放電加工され、この放電加工によって発生した熱がその下層のセラミック被覆層６２に伝播されて加熱され、７００〜８００℃になり、ジルコニアからなるセラミック被覆層６２は導電性を持つようになる。従って放電加工電極４が導電層１を貫通した後、引続きセラミック被覆層６２に対して放電加工が行なわれ、このセラミック被覆層の貫通後、更にブレード６１が放電加工され、冷却孔６４が加工されるのである。
【００２８】
比較例として、図１および図２における通電子２を除去し、帯状の導電層１の両端部をブレード６１の端部と電気的に接続して上記と同様の放電加工を行なった。この結果、両端部の近傍においては放電加工が円滑に進行するものの、中間部、すなわちブレード６１との電気的接続点から遠隔の部分においては放電加工が円滑に進行せず、特にセラミック被覆層６２において著しいという現象が認められた。
【００２９】
上記のような非所望な現象が発生する原因としては、導電層１の電気抵抗率が金属のそれと比較して大であるため、導電層１における放電加工電圧・電流が適切でなく、このためセラミック被覆層６２に伝播される熱もまた不充分であるため、セラミック被覆層６２の導電性が不充分であることが考えられる。また導電層１の放電加工が完了した後におけるセラミック被覆層６２における放電加工時の放電加工電圧が不充分であるため、いわゆるアーク放電（集中放電）状態が発生していることも考えられる（正常加工の場合より低電圧、大電流であることが認められた）。これに対して、前記のように通電子２を設けたことにより、加工部位の如何に拘らず、放電加工が円滑にかつ均等に進行することが確認されたものであり、通電子２の設置は大いに意義があるものである。
【００３０】
図４および図５は各々ブレード６１およびセラミック被覆層６２を放電加工する場合の電圧および電流と時間との関係を示す波形図である。なお図５はブレード６１を放電加工する場合と同一条件でセラミック被覆層６２を放電加工した場合の好ましくない状態の波形図を示している。図４および図５において、ＥO,ＥT,Ｅは夫々直流電源の電圧、放電開始を検出するしきい値電圧および放電電圧、ＩP は放電加工電極と被加工体との間に流れる電流ピーク値、τonは電圧パルス幅、τoff は休止時間である。
【００３１】
まず図４において、ブレード６１のような金属材料を放電加工する場合には、放電加工電極と被加工体との間に電圧ＥO を印加して放電加工電極と被加工体との間隙を徐々に制御送りによって減少させると、所定の値の位置において放電が開始される。この場合の電圧ＥO は８０〜１００Ｖ、Ｅは２０〜３０Ｖ、ＥT は４０〜５０Ｖであるのが通常である。従って放電開始が検出されて、パルス幅τonに相当する時間内に放電加工が継続され、その後τoff 時間休止させ、再び電圧ＥO が印加される。なお一般にτon＝１〜１０００μsec ，τoff ＝１０〜１０００μsec に設定することができる。上記のような波形が反復して継続する場合は、放電加工が安定して進行していると認められる。
【００３２】
一方、ブレード６１を放電加工する場合と同一条件でセラミック被覆層６２を放電加工しようとする場合には、図５に示すように、電源電圧ＥO を印加後、所定の電極間隙値に到達すると放電が開始されるが、この時の放電電圧Ｅは放電開始を検出するしきい値電圧ＥT よりも大となってしまう。従って放電開始が検出されず、未だ放電が開始しないものとみなされて、例えば放電加工電極は被加工体側に送り続けられ、遂には短絡することになり、パルス幅τonが長くなり、所定の放電加工条件における加工ができないことになる。
【００３３】
すなわち、セラミック被覆層６２は、その直上の導電層１（図３参照）の放電加工により加熱されて導電性が付与されるものの、金属材料と比較すると電気抵抗が大であるため、電圧降下があり、この電圧降下分が放電電圧（Ｅ＝２０〜３０Ｖ）に付加される。従って、セラミック被覆層６２を加工する場合には、例えば６０Ｖのような高電圧（しきい値電圧４０〜５０Ｖと比較して）を設定しておいて放電加工が行なわれることになる。すなわち、しきい値電圧をＥT' として金属材料に対するしきい値電圧ＥT より、上記セラミック被覆層６２による電圧降下に相当する分だけ高く設定しておいて、放電開始時点を正しく把握させることが必要となる。図５において、しきい値電圧ＥT' を、Ｅ0 ＞ＥT' ＞ＥT ＞Ｅのように選定すれば、図４の場合と同様な形で正常な加工が行なわれてゆくことになる。本発明においては、このように、しきい値電圧を正しい値になるようにして、放電加工を行うのである。
【００３４】
図６は本発明の実施の形態におけるトランジスタパルス回路の例を示す要部説明図である。図６において、１１は直流電源であり、例えば交流入力を変圧器を介して降圧して、整流することによりＤＣ８０〜１００Ｖの直流電圧を印加するものである。１２はトランジスタであり、直流電源１１からの直流電圧をスイッチングしてパルスを発生するものであり、マイクロ秒単位のオンオフ制御が必要であるため、高周波高出力トランジスタが使用される。
【００３５】
１３は制御回路であり、トランジスタ１２からなるスイッチング回路に、パルス幅、休止時間を指令する発振回路、加工間隙を制御するサーボ回路や、休止時間を延長して定常アークを防止する回路等から構成される。１７は電流制限可変抵抗であり、放電加工電極１４と被加工体１５との間に流れる電流のピーク値ＩP を設定するものである。１６は放電開始検出器であり、放電加工電極１４と被加工体１５との間の放電開始時刻を検出するものであり、この信号により前記制御回路１３におけるτonがスタートする。
【００３６】
上記のようにして、図５におけるしきい値電圧ＥT よりも高いしきい値電圧ＥT' が設定されるから、放電加工電極１４と被加工体１５との間の放電開始が正確に検出され、パルス幅（τon）が所定の値に保持されて正常な放電加工が行なわれるのである。このようにして、図３におけるセラミック被覆層６２を放電加工電極４が貫通した後においては、ブレード６１、すなわち金属部材に対する放電加工条件に設定されて、引続き放電加工が継続されるのである。
【００３７】
図７は本発明の実施の形態における放電加工の態様を模式的に示す説明図であり、同一部分は前記図３と同一の参照符号にて示す。図７において、放電加工電極４が導電層１およびセラミック被覆層６２に対して放電加工を行ない、かつこれらを貫通すると、引続きブレード６１に対して放電加工を行なうのであるが、この場合には若干の工夫を要するのである。
【００３８】
導電層１およびセラミック被覆層６２に対する放電加工条件と、ブレード６１に対する放電加工条件とが異なるため、導電層１およびセラミック被覆層６２を放電加工電極４が貫通した後は、しきい値電圧ＥT' をしきい値電圧ＥT に変更することを含めて放電加工条件を変更する必要があるが、この場合単純に放電加工条件を変更すると下記のような非所望な現象が発生するのである。
【００３９】
まず、導電層１およびセラミック被覆層６２に対しては、例えば放電加工条件はＩP ＝４０Ａ，τon＝１０μsec であり、この場合放電加工電極４と冷却孔６４との間の加工拡大代δ1 は、例えば0.０５〜0.１ｍｍである。一方、ブレード６１に対する放電加工条件は、例えばＩP ＝２０Ａ，τon＝１００μsec として、放電加工電極４の消耗を抑制している。この場合の放電加工電極４と冷却孔６４との間の加工拡大代δ2 は0.２〜0.３ｍｍである。
【００４０】
従って、放電加工電極４が導電層１およびセラミック被覆層６２を貫通後において、放電加工条件を直ちにブレード６１のそれに変更すると、図７に示す状態において放電加工電極４の側面と導電層１およびセラミック被覆層６２との間において更に放電加工が行なわれることになる。この場合の放電加工条件はブレード６１に対するものであり、導電層１およびセラミック被覆層６２に対するものより厳しいものであり、特にセラミック被覆層６２にクラックが発生したり、アーク放電に移行する懸念が大である。
【００４１】
そこで本発明においては、図７における状態で予め導電層１およびセラミック被覆層６２に対する放電加工条件により、これらに対して揺動加工を行ない、放電加工電極４の周囲に拡大代δ2 またはそれ以上に相当する間隙を形成するのである。この場合の揺動加工は、放電加工電極４と被加工体である上記の層との間に相対移動を行なわせればよく、必ずしも放電加工電極４のみを揺動させるものには限定されない。また、上記揺動加工に代えて、放電加工電極４をより小径のものと交換してもよい。
【００４２】
上記のようにして、導電層１およびセラミック被覆層６２との間に、ブレード６１に対する放電加工条件によって形成されるべき加工拡大代δ2 を形成した後、放電加工条件を変更してブレード６１に対して放電加工を行なえば、導電層１およびセラミック被覆層６２に何等の悪影響を与えることなく、ブレード６１に冷却孔６４を形成することができるのである。
【００４３】
上記の実施の形態においては、通電子２を櫛歯状に形成した例について記述したが、これに限らず他の形状のものであってもよく、要するに導電層１に所定の放電加工電圧を、その位置に拘らず均等に印加できるものであればよい。
【００４４】
またセラミック被覆層６２を形成するセラミックスとしては、導電層１の放電加工による発生熱の伝播によって加熱されて導電性が付与されるジルコニアまたはジルコニアを含有するセラミックスが望ましいが、他の絶縁性セラミックスであってもよい。このような絶縁性セラミックスの場合には、導電層１の放電加工によって発生した炭化物の付着堆積ないし含浸によって絶縁性セラミックスの表面に導電体層が形成されて放電加工が進行するのである。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は、以上記述のような構成および作用であるから、下記のような効果を奏することができる。
（１）加工部位およびその近傍に設けるべき導電層は、導電性粒子を含有するペーストの塗布によって形成されるため、被加工材の表面が非平面のものまたは複雑な形状を呈するものであっても、容易かつ精度よく形成し得ると共に、その厚さ寸法も任意に設定できる。
（２）通電子によって導電層と金属部材とを電気的に接続して放電加工を行なうものであるため、加工部位の如何に拘らず、所定の放電加工電圧が均等に印加され、放電加工が円滑に進行し、高精度の加工が可能である。
【００４６】
（３）導電層およびセラミック被覆層を放電加工する場合の放電開始を検出するしきい値電圧を、金属部材を放電加工する場合の放電開始を検出するしきい値電圧より、導電層およびセラミック被覆層による電圧降下に相当する分だけ高く設定することにより、放電開始を正確に検出することができ、導電層およびセラミック被覆層、特に後者の放電加工を安定した状態でかつ円滑に行なうことができる。
【００４７】
（４）セラミック被覆層の放電加工完了後において、放電加工電極と導電層およびセラミック被覆層との間の間隙を、金属部材の放電加工の拡大代より大に形成することにより、セラミック被覆層に対する非所望な余剰の放電加工が行なわれるのを防止し、セラミック被覆層にクラックその他の損傷を与えるのを防止すると共に、金属部材に対する放電加工を円滑に継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における被加工物の例を示す横断面図である。
【図２】図１におけるＡ方向要部矢視図である。
【図３】本発明の実施の形態における放電加工の態様を模式的に示す説明図である。
【図４】ブレード６１を放電加工する場合の電圧および電流と時間との関係を示す波形図である。
【図５】セラミック被覆層６２を放電加工する場合の電圧および電流と時間との関係を示す波形図である。
【図６】本発明の実施の形態におけるトランジスタパルス回路の例を示す要部説明図である。
【図７】本発明の実施の形態における放電加工の態様を模式的に示す説明図である。
【図８】セラミック被覆層を有する金属部材の例であるガスタービン用のブレードの一例を示す横断面図である。
【符号の説明】
１  導電層
４  放電加工電極
６２  セラミック被覆層
【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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