(57)【要約】【課題】加工間隙付近における加工液の流動性を低下させるような大きな気泡の発生を低減する放電加工装置、放電加工方法、および放電加工装置用加工液を得ること。【解決手段】被加工物と加工電極との間の微少な加工間隙に水を主成分とする加工液で満たした状態で被加工物と加工電極との間にパルス状電圧を印加して被加工物に加工を施す放電加工装置において、加工液は、該加工液全量に対する重量濃度が０．０５〜５パーセントの範囲の非イオン性界面活性物質を含有する、ことを特徴とする。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物と加工電極との間の微少な加工間隙に水を主成分とする加工液で満たした状態で前記被加工物と前記加工電極との間にパルス状電圧を印加して前記被加工物に加工を施す放電加工装置において、
前記加工液は、該加工液全量に対する重量濃度が０．０５〜５パーセントの範囲の非イオン性界面活性物質を含有する、
ことを特徴とする放電加工装置。
【請求項２】
前記加工液は、前記被イオン性界面活性物質に加え、前記非イオン性界面活性物質以外の有機化合物を、前記非イオン性界面活性物質の重量濃度以下含有することを特徴とする請求項１に記載の放電加工装置。
【請求項３】
前記非イオン性界面活性物質は水酸基を有する物質であることを特徴とする請求項１または２に記載の放電加工装置。
【請求項４】
前記水酸基を有する非イオン性界面活性物質は、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、ヘプタンジオール、およびオクタンジオールおよびそれらの異性体からなる群のうちの少なくとも１つである、ことを特徴とする請求項３に記載の放電加工装置。
【請求項５】
被加工物と加工電極との間の微少な加工間隙に水を主成分とする加工液で満たした状態で前記被加工物と前記加工電極との間にパルス状電圧を印加して被加工物に加工を施す放電加工方法において、
前記加工液は、該加工液全量に対する重量濃度が０．０５〜５パーセントの範囲の非イオン性界面活性物質を含有する加工液である、
ことを特徴とする放電加工方法。
【請求項６】
被加工物と加工電極との間の微少な加工間隙にパルス状電圧を印加して前記被加工物に加工を施す放電加工装置において使用される前記加工間隙を満たす水を主成分とする放電加工装置用加工液であって、
全量に対する重量濃度が０．０５〜５パーセントの範囲の非イオン性界面活性物質を含有することを特徴とする放電加工装置用加工液。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物と加工電極との間の微少な加工間隙に水を主成分とする加工液で満たした状態で被加工物と加工電極との間にパルス状電圧を印加して被加工物に高精度な加工を施す放電加工装置、放電加工方法、および放電加工装置用加工液に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
放電加工では、電極と被加工物であるワークの間でアーク放電を起こし、火花がワークに当たった部分を溶融、蒸発させることで微小に削り取る。一般的に、火花による熱の除熱や、ワークが溶融・蒸発させられることによって発生する加工屑の加工間隙付近からの除去などを目的として、電極とワークとの間の微少な加工間隙に加工液を満たした状態で放電加工が行われる。
【０００３】
加工液に関する公知の技術としては、特許文献１に示す技術によれば、電極の消耗率を低減するために、組成を工夫した複数のポリエーテルおよび水を夫々３０〜７０重量パーセントと、多価アルコールが４０重量パーセント以下の割合で配合される技術が開示されている。また、同様の目的のために、特許文献２には、ＨＯＲＯＨの一般式で示され、Ｒは炭素数４〜８のアルキレン基で示される化合物を必須成分とする、加工液の技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１２１７２４号公報
【特許文献２】特開平２−３６０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
さて、加工液は電極とワークとの間の火花により、加工間隙付近で局所的に蒸発してプラズマ化し、結果として加工液の分解生成物の気体が発生する。例えば加工液が純水の場合は、水素と酸素とが発生する。有機化合物の添加物が用いられている水系加工液の場合、添加物の分解生成ガスとしてＣＯなども発生する。
【０００６】
このような分解生成ガスは、直径がサブミリメートルレベルの気泡となり、加工間隙付近で加工液の流動性を低下させることが問題であった。このような大きな気泡が加工液付近に発生すると、除熱性能や加工屑の除去性能などの加工液に求められる性能が低下し、結果として放電加工特性が悪化する。
【０００７】
特許文献１および特許文献２に開示される技術は、電極の消耗率を低減するための技術であり、上記の大きな気泡発生の問題を解決するに至っていない。また、有機化合物が大量に添加されており、該有機化合物に由来する分解生成ガスのＣＯなどによる環境への影響が懸念される。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加工間隙付近における加工液の流動性を低下させるような大きな気泡の発生を低減する放電加工装置、放電加工方法、および放電加工装置用加工液を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被加工物と加工電極との間の微少な加工間隙に水を主成分とする加工液で満たした状態で前記被加工物と前記加工電極との間にパルス状電圧を印加して前記被加工物に加工を施す放電加工装置において、前記加工液は、該加工液全量に対する重量濃度が０．０５〜５パーセントの範囲の非イオン性界面活性物質を含有する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、加工間隙付近における加工液の流動性を低下させるような大きな気泡の発生を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明にかかる放電加工装置、放電加工方法、および放電加工装置用加工液の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態．
図１は、一般的な放電加工装置の構成を示す図である。図１において、放電加工装置１は、加工液２の中でワイヤ形状の電極３とワーク４との間でアーク放電させ、ワーク４を加工する。なお、本発明の実施の形態では、電極３がワイヤ形状であるワイヤ放電加工装置について説明しているが、ワークと電極との間の微少な加工間隙に水を主成分とする加工液で満たした状態でワークと電極との間にパルス状電圧を印加してワークに高精度な加工を施す放電加工装置であれば、放電加工装置のタイプは問わず、例えば形彫放電加工装置や細孔放電加工装置であってもよい。
【００１３】
本発明の実施の形態にかかる放電加工装置および放電加工方法では、電極３とワーク４との間でアーク放電させることによって発生する分解生成ガスの微小な気泡が合一して大きな気泡となることを抑制するために、水を主成分とし、非イオン性界面活性剤を０．０５ｗｔ％〜５ｗｔ％添加した加工液を使用することが主な特徴となっている。ところで、これまで水中放電での詳細な気泡発生過程の観察は行われていなかった。そこで水中放電時の様子を高速度ビデオカメラで詳細に観察した。その結果以下のことが分かった。まず、分解生成ガスの微小な気泡が発生し、該微小な気泡が大きな気泡になる過程を、図２を用いて説明する。
【００１４】
図２において、放電加工装置１が電極３とワーク４との間の加工間隙で極間放電させると、加工間隙に満たされている加工液が蒸発してプラズマ化する気化爆発を起こす（図中番号（１）の状態）。続いて、気化爆発により生じた分解生成ガスの気泡とワーク４がアーク放電により溶融・蒸発させられたことによって生じた加工屑の微粒子とにより形成される塊が風船のように直径数百μｍ程度まで拡大する（図中番号（２）の状態）。そして、場合によっては該塊が収縮振動する（図中番号（３）の状態）。そして、該塊は圧壊し、加工屑の微粒子は加工液中を分散し、分解生成ガスは直径が数μｍ以下のサイズの無数の気泡となる（図中番号（４）の状態）。以下、直径が数μｍ以下のサイズの気泡のことを、単にマイクロバブルということとする。
【００１５】
その後、加工液に非イオン性界面活性剤を添加しない場合、すなわち例えば加工液として純水を使用している場合、マイクロバブルが合一して加工間隙付近で大きな気泡となり、図中番号（５）の上段の状態に示すように、時にはワーク４や電極３に付着する。典型的な場合において、電極３とワーク４との間の加工間隙は１０μｍ〜２０μｍ程度に設定される。これに対して、合一して成長する気泡のサイズは、５０μｍ〜１００μｍ程度または場合によってはそれ以上になり、このような大きな気泡が上記のような微少な加工間隙付近で発生することにより、加工間隙付近の加工液の流動性が著しく低下することとなる。
【００１６】
一方、加工液に非イオン性界面活性剤を０．０５ｗｔ％〜５ｗｔ％の範囲で添加した場合、図中番号（４）の状態で発生した無数のマイクロバブルは、図中番号（５）の下段の状態に示すように、そのまま加工液中を拡散あるいは加工液中に溶解し、やがて加工間隙付近から消失してゆく。
【００１７】
加工液に純水を使用した場合と加工液に非イオン性界面活性剤を０．０５ｗｔ％〜５ｗｔ％の範囲で添加した場合とにおいて極間放電により生じる気泡の大きさの時間推移を、図３を用いて説明する。図３は、電極３とワーク４との間の極間放電にて発生した代表的な気泡の直径を高速度ビデオカメラにて測定し、横軸を極間放電を行ってから経過する時間としてプロットしたグラフである。
【００１８】
図３において、極間放電から約１００μ秒後にマイクロバブルが発生している。すなわち、図２の図中番号（４）の状態となる。そして、純水を加工液とした場合においては、極間放電から約２８０μ秒が経過したあたりでマイクロバブルが合一を開始し、気泡の直径の数値が急峻に立ち上がり、極間放電から約２８０μ秒が経過したあたりでは気泡の直径が数十μｍ以上となっている。これに対して、非イオン性界面活性剤を添加した加工液においては、気泡の直径も極間放電から約４００μ秒が経過した時点でも１０μｍ以下のままとなっている。すなわち、非イオン性界面活性剤を添加した加工液においては、マイクロバブルの合一がほとんど起こっていないことが読み取れる。
【００１９】
なお、図３以降に示す種々の測定の結果および写真においては、非イオン性界面活性剤として１,４−ブタンジオールを使用している。また、図３において使用した１,４−ブタンジオールの濃度は、０．５ｗｔ％であった。
【００２０】
図４は、純水の加工液、非イオン性界面活性剤を０．５％添加した加工液、および非イオン性界面活性剤を３０％添加した加工液の夫々を使用した場合において、極間放電から８ｍ秒が経過した時点における高速度ビデオカメラによる加工間隙付近の撮影写真である。図４の夫々の写真において右側に写っている電極３は、直径３００μｍのワイヤ電極である。夫々の写真から読み取りにくいが、電極３とワーク４との間隙は１μｍに設定してある。
【００２１】
図４（１）に示す純水の加工液を使用した場合の写真によれば、複数の大きな気泡が観察される。例えば、直径がおよそ１００μｍの気泡が加工間隙からおよそ２００μｍ程度はなれたところに存在している。複数の大きな気泡以外には、マイクロバブルなどはほとんど見られない。図４（２）に示す非イオン性界面活性剤を０．５％添加した加工液を使用した場合の写真によれば、マイクロバブル群が加工間隙からおよそ６００μｍほど離れた位置に黒くぼやけた雲のように写っている。この２枚の写真を比較すると、純水の場合は非イオン性界面活性剤を０．５％添加した場合に比べて、気泡が合一しやすいだけでなく、加工間隙付近から気泡が遠ざかる時間がより多くかかることがわかる。移動は、放電に伴う爆発エネルギーによって起こるが、純水の場合には気泡が大きく水の抵抗も大きくなるため遠ざかる時間がより多くかかると考えられる。
【００２２】
図４（３）に示す非イオン性界面活性剤を３０％添加した加工液を使用した場合の写真によれば、加工間隙までの距離が図４（２）の場合に比べて近くの位置にマイクロバブル郡が写っている。マイクロバブル群を示す黒い雲のように写っている部分も、図４（２）の場合に比べてより濃く、かつ小さく写っている。また、直径がおよそ１００μｍ程度の大きな気泡も加工間隙からおよそ１００μｍ程度はなれた位置に写っている。このことから、非イオン性界面活性剤の濃度が濃くなると、非イオン性界面活性剤の濃度が薄い場合に比べて粘性が高くなるため、マイクロバブルおよび大きな気泡が移動しにくく、また、非イオン性界面活性剤由来の分解生成ガスの量も増加してくるため、マイクロバブルの密度が高くなり、結果としてこのマイクロバブルが合一して大きな気泡を生じやすくなる傾向があることがわかる。
【００２３】
図５は、一回の極間放電あたりに発生する直径１００μｍ以上の気泡の数と非イオン性界面活性剤の濃度との関係を示すグラフである。図５においては、極間放電を行って直径１００μｍ以上の気泡の数を数える動作を、夫々の濃度で５回行い、５回の測定結果の平均値を気泡の数として採用している。
【００２４】
図５に示すように、非イオン性界面活性剤の濃度が０ｗｔ％〜０．５ｗｔ％の範囲では、非イオン性界面活性剤の濃度が高くなるほど直径１００μｍ以上の気泡の数が少なくなる傾向があることがわかる。特に、非イオン性界面活性剤の濃度が０．０５ｗｔ％〜０．５ｗｔ％の範囲では、測定した気泡の数が純水の場合に比べて半分以下の値となっている。また、０．５ｗｔ％〜１００ｗｔ％の範囲では、非イオン性界面活性剤の濃度が高くなるほど直径１００μｍ以上の気泡の数が多くなる傾向があることがわかる。しかしながら、非イオン性界面活性剤の濃度が０．５ｗｔ％〜５ｗｔ％の範囲では、気泡の数が依然として純水の場合に比べて半分以下に抑えられている。
【００２５】
ここで、個数を数える対象の気泡の条件を直径１００μｍ以上としているが、マイクロバブルが合一してできる直径数μｍ〜１００μｍの範囲の気泡の数も、測定した気泡の数の増減に応じて増減する傾向があった。
【００２６】
図４に示す写真観察の結果および図５に示す直径１００μｍ以上の気泡の数と非イオン性界面活性剤の濃度との関係を示すグラフから得られた知見を、図６に示す模式図を用いて説明する。
【００２７】
図６において、純水を加工液として使用する場合、放電によって水が分解されて、主に水素のマイクロバブルが発生する。そしてマイクロバブルが合一して、複数の大きな気泡ができ、マイクロバブルは非常に少なくなる（図中（１）の状態）。発生した大きな気泡は流動性が低く、加工間隙付近の電極３やワーク４に付着する場合もある。非イオン性界面活性剤の添加量を０．５ｗｔ％まで増やしていくと、マイクロバブルの数が増えていくとともに、合一してできる大きな気泡の数は減っていく傾向がある（図中（２）、（３）、（４）の状態）。マイクロバブルは大きな気泡よりも流動性が高く、加工間隙付近から速やかに消失する。
【００２８】
一方、非イオン性界面活性剤の添加量を０．５ｗｔ％からさらに３０ｗｔ％まで増やしていくと、今度は加工液自体の粘性の上昇による影響が顕著になってくるとともに、非イオン性界面活性剤に由来する分解生成ガスの量が増加し、発生する気泡の全量が増加する傾向がある（図中（５）、（６）、（７）の状態）。粘性が高くなると、マイクロバブルおよび大きな気泡の移動度も低下して速やかに拡散できなくなるため、マイクロバブル群が高密度化され、結果としてマイクロバブルが合一して大きな気泡を発生させる原因となる（図中（７）の状態）。
【００２９】
以上の結果および知見により、大きな気泡の発生を低減するには、非イオン性界面活性剤の添加量を０．０５〜５ｗｔ％の範囲とするとよい、と言える。
【００３０】
次に、０．５ｗｔ％の範囲の非イオン性界面活性剤を添加した水を加工液２とした場合と純水を加工液とした場合において、電極３とワーク４との間で実際に放電加工を行い放電加工特性を検証した結果を説明する。
【００３１】
加工中の放電パルスを観察した結果、非イオン性界面活性剤を０．５ｗｔ％添加した水を使用した場合の方が純水を使用した場合に比べて正常パルスの数が多く、すなわち即放電パルス及び短絡パルスの割合が低くなっていることが判明した。一般的に、加工屑が極間に多く存在すると、即放電パルスおよび短絡パルスの数が多くなる傾向がある。つまり、観察結果は、非イオン性界面活性剤を０．５ｗｔ％添加した水を使用した場合、純水を使用した場合に比べて、加工間隙付近の加工液の流動性を阻害するような大きな気泡の発生が抑制されたので、結果として極間から加工屑を排出する効果が高まったことを示している。また、非イオン性界面活性剤を０．０５〜５ｗｔ％添加した加工液を用いた加工結果も同様となる。
【００３２】
次に、放電加工装置１を用いてワーク４から図７に示す形状の物体を切り出す加工を行った。図７に示す図において紙面をＸＹＺの直交座標系のＸ軸とＹ軸とで張る平面とすると、電極３のワイヤがＺ軸方向に張るように配置して加工を行った。放電加工装置１を用いて、ワイヤ形状の電極３を、「１ｓｔ  ＳＴＡＲＴ」の位置にくるようにセットして加工開始し、図中の番号において（１）〜（６）の順番に動かし、「１ｓｔ  ＥＮＤ」の位置まで動かして、板厚６０ｍｍ（Ｚ座標相当）の被加工物の加工を行い、そして、加工精度の評価を行うために、図中に「計測寸法」と示す部分の長さを計測した。
【００３３】
図８は、加工液に純水を用いた場合と、非イオン性界面活性剤を０．５ｗｔ％添加した水の加工液を用いた場合との夫々について、板厚方向、すなわちＺ軸方向の各位置において前記する寸法を計測した結果を示す図である。
【００３４】
図８に示すように、Ｚ軸方向のどの部分で計測しても、非イオン性界面活性剤を０．５ｗｔ％添加した加工液を用いた場合のほうが加工物の寸法が大きかった。これは、非イオン性界面活性剤を０．５ｗｔ％添加した水を使用した場合、純水を使用した場合に比べて、加工間隙付近の加工液の流動性を阻害するような大きな気泡の発生が抑制されたので、極間から加工屑を排出する効果が高まったことにより、電極３とワーク４との加工間隙、すなわち極間ギャップが小さくなったことを示している。極間ギャップが小さくなると、より高精度な加工が可能となる。
【００３５】
図９は、電極３とワーク４との極間の平均電圧値をモニタした結果を示す図である。一般的に、加工中の極間には、加工屑が大量に発生し、極間に存在する加工屑の濃度ばらつきに応じて極間平均電圧値の波形が変動する。図９の純水を加工液に用いた場合の波形を示すグラフ（１）と非イオン性界面活性剤を０．５ｗｔ％添加した加工液を用いた場合の波形を示すグラフ（２）とを比較すると、非イオン性界面活性剤を０．５ｗｔ％添加した加工液を用いた場合のほうが明らかに極間平均電圧波形のばらつきが抑制されている。つまり、非イオン性界面活性剤を０．５ｗｔ％添加した加工液を用いた場合のほうが、純水を加工液に用いた場合よりも、極間の加工屑の濃度が低減されていることがわかる。そして、極間の平均電圧波形が安定すると、平均加工電圧に応じて極間距離の制御を行う極間サーボの変動が少なくなり、加工速度が向上する。
【００３６】
図１０は、実際に純水を加工液に用いた場合と、非イオン性界面活性剤を０．５ｗｔ％添加した加工液を用いた場合とにおいて、加工速度を計測した結果を示す図である。この図に示されるように、非イオン性界面活性剤を０．５ｗｔ％添加した加工液を用いた場合のほうが加工物を加工する速度が向上していることがわかる。
【００３７】
以上の検証結果により、０．５ｗｔ％の濃度で含まれる非イオン性界面活性剤が大きな気泡の発生を低減することによって、加工間隙から加工屑を除去する効果が高まることが確認された。また、該効果により、極間の電圧変動が抑制され、加工サーボが安定し、結果として加工速度を向上させる効果が確認された。なお、これらの検証には非イオン性界面活性剤の濃度が０．５ｗｔ％である加工液を用いたが、大きな気泡の発生を低減する０．０５〜５ｗｔ％の範囲であれば同様の効果が期待できる。
【００３８】
また、図３、図４、図６、図８、図９、および図１０の各データを取得するにあたって、非イオン性界面活性剤として１,４−ブタンジオールを用いているが、界面活性作用を有する非イオン性の物質であれば１,４−ブタンジオールに限る必要はない。代表的な非イオン性界面活性物質としては、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、ヘプタンジオール、およびオクタンジオール、およびそれらの異性体（同一炭素数で直鎖または側鎖のあるものおよび／または水酸基の位置が異なるもの）など、親水基として水酸基を有する物質が挙げられる。ヘキサンジオールの異性体の例としては、１，６−ヘキサンジオール、１，２−ヘキサンジオール、２，５−ヘキシレングリコールなどがある。本実施の形態における非イオン性界面活性剤としてこれらのうちのいずれの非イオン性界面活性物質を使用しても、また、分子内にエーテル結合やエステル結合を有していても、また、疎水基であるアルキル基やフェニル基が付加されていても程度の差はあれ、１,４−ブタンジオールを用いた場合と同様の効果を得ることができる。このような物質の例として、エチレングリコールモノプロピルエーテル（Ｃ３Ｈ７−Ｏ−Ｃ２Ｈ４ＯＨ）があげられる。
【００３９】
また、加工液に、電極３およびワーク４の酸化を防ぐ防錆剤など、非イオン性界面活性物質以外の有機化合物を添加する場合がある。この場合においては、前述する粘性上昇の影響や、有機化合物に由来する分解生成ガスの増加を防ぐために、添加される有機化合物の重量濃度は非イオン性界面活性物質の重量濃度を超えない範囲であることが望ましい。
【００４０】
このように、本発明の実施の形態によれば、加工液全量に対する重量濃度が０．０５〜５パーセントの範囲の非イオン性界面活性物質を添加するようにしたので、電極とワークとの間である加工間隙付近における加工液の流動性を低下させるような大きな気泡の発生を低減し、結果として加工屑を加工間隙付近から除去する効果を向上させ、放電加工特性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上のように、本発明にかかる放電加工装置、放電加工方法、および放電加工装置用加工液は、被加工物と加工電極との間の微少な加工間隙に水を主成分とする加工液で満たした状態で被加工物と加工電極との間にパルス状電圧を印加して被加工物に高精度な加工を施す放電加工装置、放電加工方法、および放電加工装置用加工液に適用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】一般的な放電加工装置の構成を示す図である。
【図２】分解生成ガスの微小な気泡が発生し、該微小な気泡が大きな気泡になる過程を説明する図である。
【図３】気泡の大きさの時間推移を説明するグラフである。
【図４】高速度ビデオカメラによって加工間隙付近を撮影した写真である。
【図５】直径１００μｍ以上の気泡の数と非イオン性界面活性剤の濃度との関係を示すグラフである。
【図６】気泡が発生する現象に関する知見を説明する図である。
【図７】加工物の形状を説明する図である。
【図８】Ｚ軸方向の各位置において加工物の寸法を計測した結果を示すグラフである。
【図９】極間の平均電圧値をモニタした結果を示すグラフである。
【図１０】加工速度を計測した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１  放電加工装置
２  加工液
３  電極
４  ワーク
【図１】
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【図２】
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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】
2009241238.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図３】
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