(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気中において、金属材料からなる陽極側微細電極と金属材料からなる陰極側工作物間に所定の電流値および通電パルス時間によって放電加工を行う微細放電加工法において、前記電流値および通電パルス時間を制御することによって微細電極と工作物間に熱的不均衡状態を現出させ、沸点以上の状態にある微細電極材料を融点以上で沸点以下の工作物材料の表面に付着させて付着加工を行うようにしたことを特徴とする微細放電加工法。
【請求項２】
前記微細電極を陰極にするとともに工作物側を陽極とし、前記電流値および通電パルス時間を制御することによって微細電極と工作物間に熱的不均衡状態を現出させ工作物の除去加工を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の微細放電加工法。
【請求項３】
前記微細電極と工作物とを、同種あるいは異種の金属材料で構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の微細放電加工法。
【請求項４】
前記微細電極を３次元的に走査するとともに、微細電極と工作物との極性を適宜切り換えて放電加工を行うことによって、工作物の３次元造形を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の微細放電加工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、除去加工のみならず付着加工も可能にする微細金型３次元加工や異種金属接合等に適した微細放電加工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作物の表面改質に放電加工を利用することが近年盛んに研究されている。例えば、電極消耗の大きなシリコン等の特殊な電極を用いて鋼材工作物の表面に放電を行い、高硬度、高耐磨耗性層を形成したもの、本来電極消耗の小さな材料のものでも圧粉体構造や焼結構造として見かけ上の電極消耗を大きくして電極の工作物への付着加工を容易にする圧粉体電極を採用して、銅のような電極消耗の小さな材料で通常の５０〜１００倍程度の電極消耗が得られた例や、通常電極をそのままに、付着すべき粉末材料を混入した加工液を用いて、それらの粉末材料や加工液の分解生成物と電極材料との化合物の被膜を工作物上に形成するように構成することによって、長さ２ｍｍ程度の柱が形成されることも報告されている。また、微細電極や通常の金属電極を用いても膜形成が可能なことも報告されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の放電加工法において、特に放電付着加工では、工作物表面への単なる膜の形成が主な目的であり、電極や工作物の材料に制限があり、鋼などの通常材料の３次元形状を直接造形することには成功していない。
また、工作物の表面に部分的に凸形状を造形する場合であっても、凸形状部分の周囲を多量に除去する放電除去加工法の採用によって３次元造形がなされているのが実情である。
【０００４】
そこで、発明者らがこれまで行ってきた、微細放電加工における電極消耗率についての電極直径等の影響の調査研究をもとに、従来の放電加工法における課題を解決して、電極と工作物における放電加工条件を明らかにすることで、微細放電加工において、通常の金属を電極に用いた場合でも容易に電極材料を工作物上に付着させて３次元造形を行うことを可能にする微細放電加工法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
気中において、金属材料からなる陽極側微細電極と金属材料からなる陰極側工作物間に所定の電流値および通電パルス時間によって放電加工を行う微細放電加工法において、前記電流値および通電パルス時間を制御することによって微細電極と工作物間に熱的不均衡状態を現出させ、沸点以上の状態にある微細電極材料を融点以上で沸点以下の工作物材料の表面に付着させて付着加工を行うようにしたことを特徴とする微細放電加工法である。 また、前記微細電極を陰極にするとともに工作物側を陽極とし、前記電流値および通電パルス時間を制御することによって微細電極と工作物間に熱的不均衡状態を現出させ工作物の除去加工を行うようにしたことを特徴とする微細放電加工法である。
また、前記微細電極と工作物とを、同種あるいは異種の金属材料で構成したことを特徴とする微細放電加工法である。
また、前記微細電極を３次元的に走査するとともに、微細電極と工作物との極性を適宜切り換えて放電加工を行うことによって、工作物の３次元造形を行うことを特徴とする微細放電加工法である。
【０００６】
【実施の形態】
以下、本発明における微細放電加工法の１実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図６は、本発明における微細放電加工法の１実施の形態を示すもので、図１は解析モデルとなった微細放電加工法の実験装置の概念図、図２は電極放電面中心軸上の放電開始後の温度変化例図、図３は鋼（Ｆｅ）電極と鋼工作物における融点および沸点を横切る時刻をまとめた放電流の大きさとの関係を示す図、図４は平板状の工作物に形成された電極材料の付着柱を示す図、図５はチタン電極で鋼板工作物における融点および沸点を横切る時刻をまとめた放電流の大きさとの関係を示す図、図６はチタン電極でチタン工作物における融点および沸点を横切る時刻をまとめた放電流の大きさとの関係を示す図である。
【０００７】
＜付着加工条件の解析＞
解析モデル
本研究では単発放電における電極と工作物の温度を比較することで、付着加工が可能な条件を検討した。基礎方程式は非定常熱伝導方程式であり、数値計算には差分法を用いた。放電は微細電極の中心軸上で発生すると仮定して、解析は軸対称２次元で行った。
図１に示すように、初期条件は電極１および工作物２全体を室温で一様とし、境界条件は次のようにした。放電面では後述する領域にア−ク柱からの熱流束が一様に流入すると仮定し、その領域より外側は断熱とした。電極１の外周面は断熱、放電面から軸方向に１ｍｍの位置を室温で一定とした。熱流束が流入する領域の直径についてはア−ク柱の膨張に伴う時間的な変化を考慮し、（１）式から求められる値と、電源３により通電される放電流ｉｅ＝２．５Ａ、パルス時間ｔ＝５μｓの条件で実測した放電痕直径（１０μｍ）のうちの大きい方を各時刻における値として採用した。
ｄ（ｔ）＝２．４×１０-3ｉe 0.4 ｔ0.4 〔ｍ〕・・・・・・（１）
ただし、ｄ：放電痕直径、ｉe ：放電流、ｔ：時間である。
【０００８】
ア−ク柱から電極１および工作物２に流入する熱流束の大きさには、Ｘｉａ（Ｘｉａ，ｅｔ，ａｌ：Ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，（１９９４）６０１）ら、や虞（東京農工大学修士学位論文）が実測した放電エネルギ−の配分率を考慮した。配分率が実測されていない条件については、陽極と陰極に同じ材料を用いた場合のエネルギ−配分率は陽極側の方が大きいこと、および、陽極または陰極の一方を熱伝導率の大きい材料に変えるとその電極へのエネルギ−配分率が大きくなるという傾向を利用して推定した。物性値の温度依存性と電極材料の溶融潜熱、蒸発潜熱は簡単のために無視した。
【０００９】
＜付着加工条件の検討＞
図２は電極放電面の中心軸上のメッシュ（△ｒ＝△ｚ＝１μｍ）の、放電開始後の温度変化の例である。このメッシュの温度が放電開始後約１μｓで最大値をとった後で低下するのは、ア−ク柱直径が時間とともに増大することで熱流束が小さくなるためである。図３は電極と工作物がともに鉄で直径φが１００μｍの場合について、図２の温度が融点Ｔｍ（１８１２Ｋ）および沸点Ｔｂ（３０１３Ｋ）を横切る時刻をまとめた結果である。なお、電極材料が鉄の平板の場合の温度変化は、放電開始から１０μｓ程度の時間内では直径１００μｍの場合とほぼ一致していた。この図から、電極側だけを溶融あるいは蒸発させるには放電流やパルス時間をどんな値に設定すればよいかがわかる。
例えば、図２の例では、電極直径が１００μｍ、放電流ｉe が１．５Ａ、エネルギー配分率２０％の条件にて、電極材料が融点Ｔｍ（１８１２Ｋ）を超えて溶融状態を呈している時間はｔｍ１（０．２μｓ前後）〜ｔｍ２（７μｓ前後）で、沸点Ｔｂ（３０１３Ｋ）を超えて蒸発状態を呈している時間はｔｂ１（０．５μｓ前後）〜ｔｂ２（１．２μｓ前後）である。
【００１０】
図３は鋼（Ｆｅ）電極と鋼工作物における融点および沸点を横切る時刻をまとめた放電流の大きさとの関係を示す図で、つまり、図３において、放電流が１．５Ａ（図２の条件）のところに点線を立てると、該点線と陰極側の沸点線図（Ｆｅ（−）Ｔｂ）および融点線図（Ｆｅ（−）Ｔｍ）との間に交点が存在し、これらの交点の座標を縦軸の融点および沸点を横切る時刻によって見ると、前記図２における時刻ｔｂ１、ｔｂ２およびｔｍ１、ｔｍ２に対応する。
このことは、図３において所定の放電流値に対応して立てた点線が、電極あるいは工作物における沸点線図および融点線図との間に交点を持つならば、その時刻間（時間）では電極材料あるいは工作物材料が溶融状態の融点以上にあるか蒸発状態の沸点以上にあることに他ならない。
【００１１】
放電加工による付着加工を実現させるためには、電極と工作物の熱的な不均衡が重要な役割を果たすと予想され、そこで、電極が沸点に達しているが、工作物は沸点に達していないときに電極から除去された材料が工作物溶融部に付着すると仮定すると、例えば放電流２．５Ａ，パルス幅５μｓ，逆極性という条件を満たす点Ｐ１について見ると、逆極性の下で点Ｐ１は、電極側の沸点線図（Ｆｅ（＋）Ｔｂ）の蒸発域内に位置し、工作物の沸点線図（Ｆｅ（−）Ｔｂ）の蒸発域外で工作物の融点線図（Ｆｅ（−）Ｔｍ）の域内にある。
このことは、点Ｐ１は電極材料（＋側）が沸点以上の蒸発状態にあり、工作物材料（−側）が沸点以下で融点以上の溶融状態にあることを示し、このような微細電極と工作物間に熱的不均衡状態を現出させることによって、鋼等の通常の材料であっても容易に電極材料を工作物に放電付着加工することが可能になることが知見された。
【００１２】
そこで次に、電極に直径１００μｍの鋼、工作物に鋼の平板を用い、前述の加工条件で空気中で連続加工を行った。その結果、鋼の平板上に電極材料が付着し、図４のような直径約１４０μｍ，高さ２ｍｍ以上の柱が形成されることが確認できた。この結果から、付着現象が生じるメカニズムとして、沸点に達した電極から離間した電極材料が工作物の溶融部に付着することが一つの役割を果たしていると考えられる。
次に、電極に直径１００μｍのチタン、工作物に鋼またはチタンを用いた場合について、図３と同様な解析を行った。その結果を図５、図６に示す。ただし、チタンの場合も平板の温度変化は、１０μｓ程度の時間内では直径１００μｍの場合と一致していた。前述の付着のメカニズムが正しければ、例えば逆極性で、放電流２．５Ａ、パルス幅２μｓ（図５の点Ｐ２（＋電極のチタンが蒸発状態で−極の工作物Ｆｅが溶融状態）、図６の点Ｐ３（＋電極のチタンが蒸発状態で−極のチタンが溶融状態））という加工条件を選ぶことで、鋼の基板上にチタンを付着させ、さらにその上にチタンを成長させることができると推察された。
【００１３】
＜付着加工と除去加工の組み合わせによる３次元造形の可能性＞
図３や図６を見ると、付着加工が可能な加工条件において極性を反対にするだけで、付着加工と除去加工を容易に切り換えることができると予想される。そして、ある程度の高さまで付着加工を行った後に極性だけを反対にすると、今度は付着物が除去されることも確認できた。したがって、付着工程と除去工程を組み合わせることで、電極よりも幅の狭い溝や突起を含む３次元形状の造形が、１台の放電加工機上で同一の電極を用いて行えることになる。
＜結論＞
上述したように、微細放電加工における電極と工作物の熱伝導解析を行い、電極だけを消耗させて電極材料を工作物上に付着させるのに適した加工条件を検討し、本文中で述べた加工条件で加工を行い、電流値および通電パルス時間を制御することによって微細電極と工作物間に熱的不均衡状態を現出させ、沸点以上の状態にある微細電極材料を融点以上で沸点以下の工作物材料の表面に付着させて付着加工が実現されることを確認した。また、極性を反対にするだけで付着加工と除去加工を自在に切り換えられることを解析結果から予測でき、微細電極を工作物に対して３次元的に走査するとともに、微細電極と工作物との極性を適宜切り換えて放電加工を行うことによって、放電加工による３次元造形の可能性が示された。
【００１４】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で微細電極および工作物の材料（同種および異種も含めて）および形状、放電のための電流値および通電パルス時間の制御形態、微細電極と工作物との極性の切換え形式、放電加工の雰囲気、電極の３次元走査形式等については適宜選定できるものである。
【００１５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明では、微細電極と工作物間に所定の電流値および通電パルス時間によって放電加工を行う微細放電加工法において、前記電流値および通電パルス時間を制御することによって微細電極と工作物間に熱的不均衡状態を現出させ、沸点以上の状態にある微細電極材料を融点以上で沸点以下の工作物材料の表面に付着させて付着加工を行うようにしたことにより、電極材料の消耗の大小、電極および工作物の材料に関わらず、電極材料だけを効果的に工作物材料の表面に容易に付着させてこれを改質させることが可能となる。
また、前記微細電極と工作物との極性を単に逆にするだけで、電流値および通電パルス時間を制御することによって同様に、微細電極と工作物間に熱的不均衡状態を現出させて工作物の除去加工が容易に行える。
【００１６】
さらに、前記放電加工が気中にて行われる場合は、放電加工雰囲気として単純で有害な廃液等も生ぜず、加工反力も小さくて済むので高精度の加工が可能となる。
さらにまた、特に、前記微細電極と工作物とを同種の金属材料とした場合は、前記微細電極と工作物との極性を逆にして付着加工と除去加工を繰り返す際に、付着された材料が同種であるために違和感がなくて済む。
また、前記電極を３次元的に走査するとともに、微細電極と工作物との極性を適宜切り換えて放電加工を行うことによって、工作物の３次元造形が行え、微細金型加工や異種金属接合等広範囲の加工分野にて実用化が期待できる。
このように本発明によれば、通常の金属を電極に用いた場合でも容易に電極材料を工作物上に付着させて３次元造形を行うことを可能にする微細放電加工法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における微細放電加工法の１実施の形態を示すもので、図１は解析モデルとなった微細放電加工法の実験装置の概念図である。
【図２】同、電極放電面中心軸上の放電開始後の温度変化例図である。
【図３】同、鋼（Ｆｅ）電極と鋼工作物における融点および沸点を横切る時刻をまとめた放電流の大きさとの関係を示す図である。
【図４】同、平板状の工作物に形成された電極材料の付着柱を示す図である。
【図５】同、チタン電極で鋼板工作物における融点および沸点を横切る時刻をまとめた放電流の大きさとの関係を示す図である。
【図６】同、チタン電極でチタン工作物における融点および沸点を横切る時刻をまとめた放電流の大きさとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１      電極
２      工作物
３      電源
【図１】
0003863328.tif 000002
【図２】
0003863328.tif 000003
【図３】
0003863328.tif 000004
【図４】
0003863328.tif 000005
【図５】
0003863328.tif 000006
【図６】
0003863328.tif 000007