【手続補正書】
【提出日】平成19年3月12日(2007.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素含有量０．０５％〜０．３％の銅を放電加工用電極として用い、対向する被加工物との間隙に放電を発生させて加工を行う放電加工方法。
【請求項２】
放電加工用電極を陰極として加工を行うことを特徴とする請求項１に記載の放電加工方法。
【請求項３】
加工条件として、５Ａ以上２００Ａ程度までのピーク電流値においてパルス幅３２μｓ以下の短い条件で加工することを特徴とする請求項１，２に記載の放電加工方法。
【請求項４】
放電加工用電極として、銅の精錬工程の電解精錬が行われる前の粗銅を用いることを特徴とする請求項１に記載の放電加工方法。
【請求項５】
放電加工は、パイプ電極による細孔加工、ワイヤ電極によるワイヤ放電加工、三次元に走査する創成電極による創成放電加工であることを特徴とする請求項１〜４に記載の放電加工方法。
【請求項６】
表面に酸化銅または亜酸化銅の被膜が形成された銅線、或いは表面に酸化銅または亜酸化銅の被膜が形成された銅メッキが施された抗張力の高い線材を、ワイヤ電極として用い、加工を行うことを特徴とする放電加工方法。
【請求項７】
ワイヤ電極表面に形成される酸化銅または亜酸化銅の被膜は、加工に伴うワイヤ走行経路において、空気中または酸素雰囲気中において加熱することにより被膜形成されることを特徴とする請求項６に記載の放電加工方法。
【請求項８】
対向する被加工物と間隙に放電を発生させて加工を行うワイヤ放電加工装置において、
放電加工点の上流であってワイヤ走行経路上に、空気中または酸素雰囲気中においてワイヤ電極を加熱することにより、上記ワイヤ電極表面に酸化膜を被膜させるワイヤ加熱酸化機構を設けたことを特徴とするワイヤ放電加工装置。
【請求項９】
ワイヤ走行経路上に所定間隙離間して、ワイヤ加熱酸化機構を複数配置し、ワイヤ電極を加熱酸化、冷却を繰り返すことにより酸化膜形成を行うことを特徴とする請求項８に記載のワイヤ放電加工装置。
【請求項１０】
酸素含有量０．０５％〜０．３％の銅を用いて形成されたことを特徴とする放電加工用電極。
【請求項１１】
表面に酸化銅または亜酸化銅の被膜が形成されたことを特徴とするワイヤ放電加工用電極。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】放電加工方法及びその装置並びに放電加工用電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一の加工仕上げ面粗さやクリアランスのもとに、より加工速度が増大する放電加工用電極に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、放電加工において使用される電極材料は、タフピッチ銅（純銅）が多く用いられている。
これは、電気伝導度、機械加工等の電極作成の容易性、放電加工時の電極低消耗性、低コストの観点から利用されている。
タフピッチ銅は、銅鉱石から製造した粗銅を電気分解（電気精錬）により精錬して得られる材料で（JIS合金番号C1100）を放電加工用電極として用いることで、被加工物との間隙で放電を発生させて加工を行っている。（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開昭６２−２８１２０号公報（第１頁  右欄１１行）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術で提示された技術は、放電加工面の被加工面の面性状（凸凹）を減らすための技術で、銅電極材料としてタフピッチ銅を用いることで、均一な電極消耗特性を得て加工面性上を改善させている。
一方、近年、生産性向上のために、仕上加工面粗さやクリアランスを一定に保った上で、放電加工速度がより高いことが切望されている。
特に電極消耗特性よりも加工速度特性が重要視される放電加工事例が多くある。
例えば、ジェットエンジンの冷却孔、ディフューザー孔あけ加工、自動車等の噴射ノズル孔、化学工業用のフィルター、火災消火器用孔の加工、マグネトロン電極加工など多くの穿孔加工用途、電極を三次元形状に走査することにより被加工物を加工する創成放電加工及びワイヤ放電は、電極消耗特性はその加工形状の点から考慮する必要がないため、同一の加工仕上面あらさやクリアランスのもとに加工速度がより高いことが望まれる分野である。
このような分野の加工においては、従来の消耗性を重視する上記タフピッチ銅電極では、自ずと加工速度に限界がある。
【０００４】
本発明の目的は、電気伝導度、機械加工性の点で優れた銅電極を用いて加工を行う放電加工の分野で、より高速加工性が得られる電極材料を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかる放電加工方法は、酸素含有量０．０５％〜０．３％の銅を放電加工用電極として用い、対向する被加工物との間隙に放電を発生させて加工を行うものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、放電加工において、電気伝導度、機械加工性、の点で優れた銅電極を用いながら、より高速加工性が得られる電極材料を得るものである。
また放電加工のうち、特に細穴加工、ワイヤ放電加工、創成加工の分野において電極消耗特性よりも加工速度性能が重視されることから、同等な仕上げ面粗さでありながら、加工速度を飛躍的に高めることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
実施の形態１．
本実施の形態では、金属酸化物の存在による熱電子放射といった放電現象に着目し、通常使用されるタフピッチ銅（酸素含有量：0.03％以下）とは異なり、酸素含有量を増加させた銅電極を用いるものである。
なお、純銅電極は、電気伝導度、機械加工性の点で優れているのは上述したとおりである。
【０００８】
まず、金属酸化物の存在による熱電子放射について説明する。
高温の金属又は半導体が１０００Ｋ以上（７２７℃）以上の高温になると、その物質内部の電子の運動が激しくなり、やがてその運動エネルギーが仕事函数以上に達すると金属または半導体の表面から飛び出してくる。飛び出す電子の数（電子流の強さ）は温度上昇と共に指数関数的に増加するが、これを熱電子放射という。
熱電子放射材料としては、タングステンやタンタルが知られているが仕事函数が大きいため２０００Ｋ（１７２７℃）以上にならないと放出しない。
一方、Ｂａ０やＳｒ０などの酸化物は、それ自体は絶縁物であるが金属の表面に塗ると１０００Ｋ（７２７℃）程度で大きな電子流が流れるので真空管の陰極として広く用いられていることは、よく知られている。
放電加工の電極としても酸化銅をはじめ金属酸化物が存在していれば、上記熱電子電流を大きく出来ることが期待できる。
【０００９】
金属酸化物の存在により、低い温度で熱電子電流が流れると、熱電子電流量は増加させることができる。さらにこれにより、加工間隙に存在する電子流が増加するため、加工間隙の電界により加速されて電界放射電流も増加することができる。すなわち低いエネルギーで放電電流が発生することになり、放電の発生頻度を高め、しいては放電効率を高める放電電流を増大させることができる。
そこで、本実施の形態では、熱電子放射を起こしやすくするために、酸化物を形成するための酸素含有量を増加させた銅電極を用いたものである。
【００１０】
図１は、一般に使用されるタフピッチ銅電極による加工と、酸素含有量を増加させた本実施の形態における電極との加工速度の比較を示した図である。
図において、酸素含有量を変化させた電極としては、酸素含有量0.07〜0.1％程度の粗銅電極を用いた。
加工条件としては、電極側を陽極、陰極それぞれの条件で、被加工物に対して、パルス幅８μｓで、ピーク電流値を変更し、加工速度の関係を示している。
【００１１】
図に示されるように、粗銅電極を用いたものは、タフピッチ銅電極を用いたものに対して、電極極性が陰極の場合は、約２倍の加工速度を示している（ピーク電流３５Ａ）。
これは、タフピッチ銅電極も多少の残存酸素による酸化物の作用によって（Cu2O）熱電子放射があり得るが、本実施の粗銅電極よりは少ないため、熱電子電流、電界放射電流ともに少なくなり、電子電流自体も減少する。
なお、粗銅電極でも電極極性を陽極とした場合には、電極から電子電流が放出されないため、粗銅を用いても電極極性が陰極に比べて加工速度が１／２程度に低下する。
なお、これらの結果は我々の実験によって見出されたものである。
【００１２】
また、パルス幅を２μｓとして実験した結果を図２に示す。
この場合でも、銅、あるいは粗銅の電極極性を陰極にして加工すると、粗銅電極を用いた場合は、通常の銅電極を用いた場合の加工速度に対して約２倍の加工速度が得られた。
また、被加工面の面粗さを測定したところ、図１の実験において極性を陰極とした場合には、陰極放電痕は深い凸凹が刻まれるが陽極（被加工物）放電痕は平坦となるため、仕上げ面粗さは荒くならず、同一仕上面粗さのもとに加工速度が向上する。
【００１３】
次に、本実施の形態で使用した粗銅について説明する。
まず、電気銅と粗銅との組成上の違いを説明するために、銅の精錬工程について説明する。
銅の精錬工程では、転炉で空気を送り込みながらまず粗銅が作られる。
この粗銅は、純度が98.17%程度で、残部は酸素のほか金、銀、鉛、アンチモン、テルル等であるが、酸素が多すぎるため電気伝導率が低く、また機械的には脆いので、酸素を少なくする還元処理が施される。
この還元処理した粗銅が電解処理前のものであり、酸素が0.1%程度、他に金属不純物は酸化物やそのままの金属として残っている。
そして、還元処理された粗銅を、電気分解（電解精錬）によって不純物を除去し、導電性を高くしたタフピッチ銅が精錬される。
これら、電解処理前でかつ還元処理された後の粗銅は、ビッカース硬度がＨｖ５７ＭＰａ程度であり、圧延されたタフピッチ銅（ビッカース硬度Ｈｖ８８ＭＰａ）よりも軟質であるため、タフピッチ銅（純銅）と同様にパイプやワイヤー電極等に展延加工が可能である。
【００１４】
本実施の形態で放電電極として用いられる粗銅は、電解精錬前の粗銅、すなわち、酸素が0.05〜0.3%程度、他に酸化物や金属の金属不純物を含有している銅をもちいている。
また、酸素含有量の点から考察すれば、酸化物が多すぎると、金属として脆くなりやすく、塑性展延加工が困難になるが、酸素含有量を0.3％程度を上限としているため、塑性展延加工ができる程度の硬さに保つことができる。
同様に、酸素含有量を0.05％程度以上含むことにより、酸素の存在に伴う酸化物からの熱電子放射しやすい特性が得られる。
【００１５】
本実施の形態によれば、酸素含有量が0.05〜0.3％程度含まれる銅（粗銅）を用いて電極を製造したため、金属酸化物の存在による熱電子放射により、高速な加工を行うことができる。
なお、熱電子放射をより効率的に活用するためには電極を陰極にすることが重要である。
【００１６】
ところで、放電加工として電極消耗よりは加工速度特性を重視する加工内容としては次の加工事例がある。丸棒あるいはパイプ電極を用いた細穴加工、ワイヤ電極を用いたワイヤ放電加工、パイプ状の電極などを三次元形状に走査することで被加工物に任意の形状を加工する創成放電加工などである。
細穴加工の適応事例としては、ジェットエンジンの冷却孔、ディフューザー孔あけ加工、自動車等の噴射ノズル孔、化学工業用のフィルター、火災消火器用孔の加工、マグネトロン電極加工など多くの穿孔加工用途がある。
上記加工方法においては、電極として丸棒あるいはパイプ形状のもの、あるいはワイヤ線形状のものが必要となる。
本実施の形態で説明した放電加工用電極としては、銅を主成分とすることにより、展延塑性加工によってパイプ電極等の形状の加工が容易に行えることから、電極の消耗を無視できる細孔加工用の電極に適用するのに適している。
ここで、粗銅の電極は、従来のパイプ電極生産工程と同様で良いが、不純物が通常の銅に比べて多いので加工硬化しやすい傾向があるため、２００℃〜４００℃の加熱によって、なまし作業を加えて線引することで電極生産がより容易になる。同様に、粗銅からワイヤ電極を作る場合にも、なまし効果を与えるために２００℃〜４００℃に加熱して線引を行うことで電極生産が容易になる。
【００１７】
実施の形態２．
実施の形態１では、酸素含有量0.05〜0.3％の銅を用いた放電加工用電極について説明したが、ワイヤ電極を作るために粗銅から線引を行う代わりに、銅線に酸化被膜を形成すべく、空気又は酸素中で酸化膜の形成されやすい赤熱温度以下３００℃程度で加熱して、主としてワイヤ電極表面にＣu2０（亜酸化銅）、Ｃu０（酸化銅）でコーティングされた銅線を作ることも可能である。
これは、上述した実施の形態１と同様に、金属酸化物の存在による熱電子放射特性を得るべく、ワイヤ電極表面に酸化被膜を形成するものである。
形成された酸化被膜は、加工中に放電エネルギーの爆圧で次第に除去される。ワイヤ放電加工の場合は、常時新しいワイヤ電極が送り出されるが、常に加工間隙に酸化被膜が残存するような速度でワイヤ電極を送り出す必要がある。
あるいはワイヤ電極の送り速度を上げる代わりに酸化被膜の膜厚の厚いワイヤ電極を用いる方法もある。
いずれにしても被加工物と対向して加工する間は、酸化被膜が加工間隙に存在するようにする必要があり、そのために一定以上の酸化膜の厚みが必要となる。
これは上記のＣu2０、Ｃu０でコーティングすることで実現可能である。
【００１８】
なお、ワイヤ放電加工を行う際は、加工形状の精度を上げるためにワイヤ張力を高く設定する場合がある。
この場合、上記のように表面が酸化被膜でコーティングされると銅の抗張力が弱いためワイヤ電極が断線してしまう場合がある。
通常のワイヤ放電ではワイヤ張力を強めることができるワイヤ電極として、鋼線、黄銅線（高張力線）の上に銅メッキしたワイヤを用いられる場合がある。
この場合、ワイヤ電極の表面をＣu2０、Ｃu０でコーティングするとさらに加工速度が高まる特徴を引き出すことができる。
【００１９】
すなわち本実施の形態によれば、鋼線、黄銅線（高張力線）に銅メッキをしたワイヤを空気中又は酸素中で加熱してＣu2０又はＣu０を形成することにより、銅線の抗張力の弱さを鋼線、黄銅線でカバーして高い張力で加工すると共に、Ｃu2０、Ｃu０でコーティングされた銅線を形成し、加工精度と、金属酸化物の存在による熱電子放射により加工速度の双方を向上させることが可能となる。
【００２０】
実施の形態３．
実施の形態２では、電極製造過程において、Ｃu2０、Ｃu０膜を形成すべく、赤熱温度以下３００℃程度の空気中もしくは酸素中で加熱する場合について説明したが、本実施の形態は、酸化膜を生成する工程をワイヤ放電加工機のワイヤ送給経路に装置し、ワイヤ送りと同時にＣu2０、Ｃu０膜を形成する場合について説明する。
【００２１】
図３は、本実施の形態を説明するワイヤ放電加工装置の構成図である。
図３は、銅メッキしたワイヤ又は銅線を加熱して、そこに酸素又は空気を送る機構をワイヤ放電加工機のワイヤ送給経路に設けたものである。
該機構は、ワイヤ電極表面に酸化膜が充分に生成して加工進行速度が高まるようにワイヤの加熱源と酸素又は空気の送給機構を制御することが必要になる。
【００２２】
ＮＣ装置によりワイヤ加工送り速度等が制御されている関係上、加工進行速度が最適値になるように、加熱温度と酸素や空気の送給をＮＣ装置で自動制御することができる。また、加熱温度と酸素や空気を送給する流量を作業者が調整することができる。
通常、ワイヤの送出速度は、断線限界、および経済性の観点から決められる。
これに対して被加工物の加工厚さが厚い場合は、十分に厚い酸化被膜を形成し加工速度を向上させる必要がある。
一方、加工板厚が薄い場合は、薄い酸化被膜でも加工間隙に酸化物から電子を供給するのは十分となる。
すなわち被加工物の厚さやワイヤの送出速度により、酸化被膜の厚みは最適化する必要があるが、これはワイヤ放電加工機の制御装置（ＣＮＣ装置）内にあるデータを用いて制御することができ、最適化を図ることができる。
例えば、加熱温度の制御、使用する酸素と空気の流量は、ワイヤ放電加工機の制御装置内で最適値が算出され、これら外部の機器に対して制御することで、加工速度を最適に維持することが可能である。
【００２３】
本実施の形態によれば、ユーザは銅ワイヤ電極、銅メッキワイヤ電極を購入さえすれば酸化膜生成はワイヤ放電加工機による加工作業工程中に作ることができるので、加工に最適の酸化条件を選ぶことができるため、加工精度、加工速度の双方を最適に制御することができる。
なお、現在のワイヤ放電加工機上においても、ワイヤ電極の捲きぐせ等を矯正する目的で、ワイヤ電極に通電、加熱し、焼きなましする装置が搭載される場合がある。
本発明による酸化膜生成用の加熱装置は、加熱温度を設定変更することにより、この捲きぐせ矯正用の電源と共用させることもできる。
【００２４】
実施の形態４．
図４は、ワイヤ送給経路に複数のワイヤ加熱酸化機構を設置した場合を示している。
ワイヤ加熱酸化機構は、１つの装置でもよいが、複数設置することにより、次のような効果を生み出すことが期待される。
酸化作用というものは、化学反応に共通することであるが、温度の高低だけでなく、時間の長短が関係する。
図４において、ＮＯ．１ワイヤ加熱酸化機構によって加熱酸化し、ＮＯ．１の機構を通過した後、いったん空気冷却されるが、再びＮＯ．２の加熱酸化機構で再度加熱酸化されることにより酸化膜が厚くなる効果がある。
これは、加熱冷却を繰返すことによって、冷却時に生ずるＣｕ2０、Ｃｕ０等の脆い酸化膜の亀裂部分に酸化を進めることになる。
また、ワイヤ送給経路の空いている部分を利用できるので構造設計製作が容易になる効果がある。
さらに、加熱酸化機構ＮＯ．１とＮＯ．２をワイヤが通過すれば過熱時間が長くなるので化学反応が進むという効果がある。
【００２５】
ここで、ワイヤの加熱装置としては、次のものがある。
・発振回路により高周波トランジスタを制御して、ワイヤ電極通電による加熱（図５参照）。
これは、特に表皮作用などによるワイヤ表面の熱の発生を大きくするためには正弦波高周波電流、矩形波電流を流すのが効果的という考えに基づくものである。
・電気ヒーターによる加熱。
・空気又は酸素の中に加燃性ガスを混入して酸性炎による加熱。
【００２６】
本実施の形態によれば、小型の装置をワイヤ放電加工機に実装することで、通常使用する鋼線、黄銅線（高張力線）のワイヤ表面に酸化被膜を構成することができるため、高張力ワイヤを使用して加工精度を高めながら、酸化被膜からの電子放出により加工速度を同時に高めることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】加工速度に対する電極材料、極性、ピーク電流の関係を示したものである（パルス幅８μsの実験例）。
【図２】加工速度に対する電極材料、極性、ピーク電流の関係を示したものである（パルス幅２μsの実験例）。
【図３】ワイヤ加熱酸化機構を示す図である。
【図４】ワイヤ加熱酸化機構を複数個備えた構成を示す図である
【図５】通電加熱回路構成を示す図である。