(57)【要約】加工電力供給手段（１６）によりワイヤ電極（１ａ）と被加工物（２）との極間に放電エネルギを供給し、位置決め手段によりワイヤ電極（１ａ）及び被加工物（２）を相対移動させて被加工物（２）を加工するワイヤ放電加工において、加工液中（４ａ）にて荒加工を行う第１の工程と、空気、酸素、窒素又は不活性ガス等の気体（７）中にて仕上げ加工を行う第２の工程とを備え、前記第２の工程におけるワイヤ電極（１ａ）と被加工物（２）との相対移動速度を前記極間に短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度以上で一定とするように制御手段（１７）により位置決め手段を制御する。ワイヤ放電加工の高精度化及び高品位化並びに生産性の向上を実現することができる。
2002040208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤ電極と被加工物との極間に放電を発生させて前記被加工物を加工するワイヤ放電加工方法において、
加工液中にて荒加工を行う第１の工程と、
気中にて仕上げ加工を行う第２の工程とを備え、
前記第２の工程におけるワイヤ電極と被加工物との相対移動速度を前記極間に短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度以上で一定とすることを特徴とするワイヤ放電加工方法。
【請求項２】
ワイヤ電極と被加工物との極間に放電を発生させて前記被加工物を加工するワイヤ放電加工方法において、
加工液中にて荒加工を行う第１の工程と、
気中にて仕上げ加工を行う第２の工程とを備え、
前記第２の工程におけるワイヤ電極と被加工物との相対移動速度を前記極間に短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度以上で可変とすることを特徴とするワイヤ放電加工方法。
【請求項３】
請求の範囲２において、前記可変とする相対移動速度を、単位時間当たりの正常放電パルス数が多い場合には速度を上げ、単位時間当たりの正常放電パルス数が少ない場合には速度を下げるように制御することを特徴とするワイヤ放電加工方法。
【請求項４】
請求の範囲１〜３のいずれかにおいて、前記短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度と放電集中発生頻度が要求仕様に応じて予め設定した頻度以下になる所定速度とを比較して、速い方の速度以上となるように、前記相対移動速度を制御することを特徴とするワイヤ放電加工方法。
【請求項５】
加工電力供給手段によりワイヤ電極と被加工物との極間に放電エネルギを供給し、位置決め手段により前記ワイヤ電極及び被加工物を相対移動させて気中にて前記被加工物を加工するワイヤ放電加工装置において、
前記ワイヤ電極と前記被加工物との相対移動速度を前記極間に短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度以上で一定とするように前記位置決め手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とするワイヤ放電加工装置。
【請求項６】
加工電力供給手段によりワイヤ電極と被加工物との極間に放電エネルギを供給し、位置決め手段により前記ワイヤ電極及び被加工物を相対移動させて気中にて前記被加工物を加工するワイヤ放電加工装置において、
前記ワイヤ電極と前記被加工物との相対移動速度を前記極間に短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度以上で可変とするように前記位置決め手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とするワイヤ放電加工装置。
【請求項７】
請求の範囲６において、前記可変とする相対移動速度を、単位時間当たりの正常放電パルス数が多い場合には速度を上げ、単位時間当たりの正常放電パルス数が少ない場合には速度を下げるように制御する制御手段を備えたことを特徴とするワイヤ放電加工装置。
【請求項８】
請求の範囲５〜７のいずれかにおいて、前記短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度と放電集中発生頻度が要求仕様に応じて予め設定した頻度以下になる所定速度とを比較して、速い方の速度以上に前記相対移動速度がなるように、前記位置決め手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とするワイヤ放電加工装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、ワイヤ電極と被加工物との極間間隙に放電を発生させて被加工物を加工する、ワイヤ放電加工方法及び装置の改良に関するものである。
背景技術
放電加工は金型等の加工技術として確固たる地位を築いており、自動車産業、家電産業、半導体産業等の金型加工の分野において多用されてきた。
第４図は、放電加工のメカニズムの説明図であり、図において、１は電極、２は被加工物、３はアーク柱、４は加工液、５は放電加工により生成された加工屑である。以下の（ａ）乃至（ｅ）のサイクル（第４図の（ａ）乃至（ｅ）に対応）を繰返しながら被加工物２の放電による除去加工が進行する。即ち、（ａ）放電の発生によるアーク柱３の形成、（ｂ）放電の熱エネルギによる局部的溶融及び加工液４の気化、（ｃ）加工液４の気化爆発力の発生、（ｄ）溶融部（加工屑５）の飛散、（ｅ）加工液による冷却、凝固、極間の絶縁回復、である。
この発明は、放電加工の中でも、くり貫き加工、切断加工等に使用されるワイヤ放電加工に関するものである。ワイヤ放電加工は、特に高精度化への要求が強まっており、例えば、半導体業界等で使用される高精度金型の加工では、１〜２μｍ程度の高い加工精度が要求されるようになってきている。
第５図は、ワイヤ放電加工の加工プロセスの例を示す説明図であり、図において、１ａはワイヤ電極、２は被加工物、４ａは加工液である水、６はイニシャルホールであり、第５図の（ａ）は荒加工であるファーストカットを、第５図の（ｂ）は荒加工後の中仕上げ加工であるセカンドカットを、第５図の（ｃ）は最終仕上げ加工であるサードカットを示している。
第５図の（ａ）のファーストカットの加工例は、イニシャルホール６にワイヤ電極１ａを通し、被加工物２をくり貫く加工を示している。このようなファーストカットの場合、後の加工で面粗さ及び精度を仕上げるため、それほど厳しい面粗さ及び精度は要求されず、生産性向上のために特に加工速度を上げることが重要である。ワイヤ放電加工において、加工速度を上げるためには、極間からの加工屑の排出を効率的に行うため、水４ａを極間に強く吹きかけることが行われる。また、極間への水４ａのかかりのむらを無くし、ワイヤ電極１ａの断線を防止するために、図示しない加工槽の中に水４ａを溜めて被加工物２を浸漬する方法が用いられる。
以上のような従来のワイヤ放電加工では、ファーストカット（第５図の（ａ））後のセカンドカット（第５図の（ｂ））及びサードカット（第５図の（ｃ））等の加工も、加工液である水４ａ中で行われる。
ワイヤ電極１ａと被加工物２の極間に電圧が印加されると、プラス極性とマイナス極性は互いに引き合う力が働くため、この静電力により剛性の小さいワイヤ電極１ａは被加工物２側に引っ張られることになる。これが、ワイヤ電極１ａの振動の原因となり、このような振動により高精度加工が困難になるという問題点があった。
また、放電エネルギにより加工液の気化爆発力が発生した状態（例えば、第４図の（ｃ））では、ワイヤ電極１ａには、加工液の気化爆発力により被加工物２と反対方向に大きな力が作用し、振動が発生する。このような振動により、被加工物２の形状に凹凸が生じ、精度の悪化につながるという問題点があった
ワイヤ放電加工の利用分野である半導体業界等において、例えば、ＩＣリードフレームの金型等の加工においては、形状精度が１μｍ、面粗さが１μｍＲｍａｘ以下というような被加工物に対して極めて高精度かつ非常に滑らかな面粗さが求められると共に生産性の向上が必要な用途が増加しており、特にこのような用途では、前記のようなワイヤ電極の振動等に起因する問題点が顕著であった。
このような液中ワイヤ放電加工の問題点を解決するための方策として、極間に加工液を介在させずに大気中でワイヤ放電加工を行う、気中ワイヤ放電加工に関する技術が開示されている（東京農工大学安達他、「気中放電加工によるセカンドカットの高精度化」、型技術、第１４巻、第７号、１９９９年、１５４頁、日刊工業新聞社）。この技術では、大気中におけるワイヤ放電加工により被加工物切断面の真直精度を向上することができることが開示されており、高精度化の観点での意義は大きいが、加工液中での加工と比べてワイヤ電極と被加工物との間で短絡が発生しやすい等、加工安定性及び加工速度の面での問題があり、実用化が困難であった。
発明の開示
ワイヤ放電加工の高精度化及び高品位化並びに生産性の向上を実現することができるワイヤ放電加工方法及び装置を得ることを目的とする。
この発明に係るワイヤ放電加工方法は、ワイヤ電極と被加工物との極間に放電を発生させて前記被加工物を加工するワイヤ放電加工方法において、加工液中にて荒加工を行う第１の工程と、気中にて仕上げ加工を行う第２の工程とを備え、前記第２の工程におけるワイヤ電極と被加工物との相対移動速度を前記極間に短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度以上で一定とするものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工方法は、ワイヤ電極と被加工物との極間に放電を発生させて前記被加工物を加工するワイヤ放電加工方法において、加工液中にて荒加工を行う第１の工程と、気中にて仕上げ加工を行う第２の工程とを備え、前記第２の工程におけるワイヤ電極と被加工物との相対移動速度を前記極間に短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度以上で可変とするものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工方法は、前記可変とする相対移動速度を、単位時間当たりの正常放電パルス数が多い場合には速度を上げ、単位時間当たりの正常放電パルス数が少ない場合には速度を下げるように制御するものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工方法は、前記短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度と放電集中発生頻度が要求仕様に応じて予め設定した頻度以下になる所定速度とを比較して、速い方の速度以上となるように、前記相対移動速度を制御するものである。
この発明に係るワイヤ放電加工装置は、加工電力供給手段によりワイヤ電極と被加工物との極間に放電エネルギを供給し、位置決め手段により前記ワイヤ電極及び被加工物を相対移動させて気中にて前記被加工物を加工するワイヤ放電加工装置において、前記ワイヤ電極と前記被加工物との相対移動速度を前記極間に短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度以上で一定とするように前記位置決め手段を制御する制御手段を備えたものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工装置は、加工電力供給手段によりワイヤ電極と被加工物との極間に放電エネルギを供給し、位置決め手段により前記ワイヤ電極及び被加工物を相対移動させて気中にて前記被加工物を加工するワイヤ放電加工装置において、前記ワイヤ電極と前記被加工物との相対移動速度を前記極間に短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度以上で可変とするように前記位置決め手段を制御する制御手段を備えたものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工装置は、前記可変とする相対移動速度を、単位時間当たりの正常放電パルス数が多い場合には速度を上げ、単位時間当たりの正常放電パルス数が少ない場合には速度を下げるように制御する制御手段を備えたものである。
また、この発明に係るワイヤ放電加工装置は、前記短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度と放電集中発生頻度が要求仕様に応じて予め設定した頻度以下になる所定速度とを比較して、速い方の速度以上に前記相対移動速度がなるように、前記位置決め手段を制御する制御手段を備えたものである。
この発明に係わるワイヤ放電加工方法及び装置は以上のように構成されているため、気中ワイヤ放電加工の安定性及び加工速度を向上するこができ、ワイヤ放電加工の高精度化及び高品位化並びに生産性の向上を実現することができるという効果を奏する。
発明を実施するための最良の形態
第１図は、この発明の実施の形態に係るワイヤ放電加工方法の一例を示す説明図であり、図において、１ａワイヤ電極、２は被加工物、４ａは加工液である水、６はイニシャルホール、７は空気等の気体であり、第１図の（ａ）は荒加工であるファーストカットを、第１図の（ｂ）は荒加工後の仕上げ加工であるセカンドカットを示している。ファーストカット及びセカンドカットという名称は便宜上のものであり、必ずしもワイヤ放電加工が２回の加工で終了するものではない。被加工物への要求精度が高い加工では、７回、８回と加工を行う場合もある。
次に、加工方法の概略について説明する。第１図の（ａ）のファーストカットは、イニシャルホール６にワイヤ電極１ａを通し、被加工物２をくり貫く加工である。ファーストカットでは、後の加工で面粗さ及び精度を仕上げるため、それほど厳しい面粗さ及び精度は要求されず、生産性向上のために特に加工速度を上げることが重要であり、背景技術の第５図と同様に加工液である水４ａを極間に介在させて加工を行う。
通常のワイヤ放電加工では、ファーストカット後も、加工液中で加工が進められるが、背景技術に示したようにワイヤ電極の振動等の問題があるため、高精度加工には適さない。この発明は、仕上げ加工において、極間に加工液を介在させずに加工を行い、被加工物の形状精度及び面粗さを改善するものである。
第１図の（ｂ）の仕上げ加工であるセカンドカットでは、ワイヤ電極１ａの振動を抑えて加工精度を改善するために、加工液４ａ中での加工ではなく、気体７中での加工を行うものである。このような気中ワイヤ放電加工により、以下に示すようにワイヤ電極１ａの振動等を抑えることができる。
即ち、極間に電圧が印加されたときにワイヤ電極１ａと被加工物２に作用する静電力は極間の誘電率に比例するため、同じ極間距離として計算すると、極間の介在物が水４ａである場合に比べて、極間の介在物が気体７である場合は、前記静電力が数十分の一となる（例えば、誘電率は真空中が最も小さく、水中では真空中の約８０倍である）。また、放電による気化爆発力は極間に介在する液体により生ずるため、極間に気体７しか存在しない場合には、ワイヤ電極１ａは気化爆発力の影響をほとんど受けない。従って、ワイヤ電極１ａの振動等を抑えることができる。
第２図は、この発明の実施の形態に係るワイヤ放電加工装置の構成を示す説明図であり、第１図の（ｂ）に示したような気中ワイヤ放電加工を実現できる構成例を示したものである。第２図において、１ａはワイヤ電極、２は被加工物、７は例えば空気、酸素、窒素又は不活性ガス等の気体、８はワイヤボビン、９ａ及び９ｂはワイヤ電極１ａと被加工物２との極間に気体７を供給する気体供給手段、１０はキャプスタンローラ、１１はピンチローラ、１２は被加工物２の水平方向（Ｘ方向）の駆動を行うためのＸテーブル、１３は被加工物２の水平方向（Ｙ方向）の駆動を行うためのＹテーブル、１４はＸテーブル１２を駆動する図示しない駆動モータを制御するＸ軸サーボアンプ、１５はＹテーブル１３を駆動する図示しない駆動モータを制御するＹ軸サーボアンプ、１６は加工電力供給手段、１７は制御手段である。
次に動作について説明する。キャプスタンローラ１０及びピンチローラ１１によりワイヤ電極１ａを挟持して牽引しワイヤ電極１ａを走行させ、ワイヤ電極１ａと被加工物２を対向させ、気体供給手段９ａ及び９ｂによりワイヤ電極１ａと被加工物２との極間に気体７を供給しながら、前記極間に加工電力供給手段１６により放電エネルギである加工電力を供給し、位置決め手段であるＸテーブル１２及びＹテーブル１３等によりワイヤ電極１ａと被加工物２とを相対移動させて被加工物２の仕上げ加工を行う。前記位置決め手段によるワイヤ電極１ａと被加工物２との相対位置決め制御及び電気加工条件の制御等は制御手段１７により統括される。気体供給手段９ａ及び９ｂは、例えば、ワイヤ電極１ａの周囲にノズルを形成して圧力気体を供給すること等により実現できる。このような圧力気体の極間への供給により、放電により除去された加工屑のワイヤ電極及び被加工物表面への付着を防止することができる。気中ワイヤ放電加工は、このような気体供給手段９ａ及び９ｂを用いずに、大気中で行うこともできる。
第１図の（ｂ）の説明で示したとおり、気中ワイヤ放電加工ではワイヤ電極の振動等を抑えることができるため、被加工物の形状精度及び面粗さが向上するが、気中放電に特有の問題も存在する。最も大きな問題は、極間距離が狭いことである。通常の加工液中でのワイヤ放電加工では、極間に介在する加工屑などの影響により放電が発生する際の極間距離が広くなるが、気中ワイヤ放電加工の場合には、加工屑が極間に滞留するということがほとんど無いため、極間距離が狭くなる。極間距離が狭いということは、加工精度を良くできるという利点でもあるが、一方では、背景技術において示したように加工中にワイヤ電極と被加工物が短絡しやすいという問題点を有しており、短絡の発生及び継続は加工面への筋の発生及び加工速度の低下等の原因となっていた。
即ち、気中ワイヤ放電加工において、一旦短絡が発生すると、同じ場所を進んだり戻ったりと繰り返し、短絡をなかなか解消できずに加工面に筋を付ける場合が多い。
このような現象の原因は解明されてはいないが、以下の▲１▼乃至▲３▼の推定原因が考えられる。
▲１▼短絡が発生した際には加工されないが、短絡発生直前までの加工部分は相対的にくぼみ、短絡した部分が凸の形状になり加工面に凹凸が形成される。短絡により電極は逆戻りするが、極間の平均電圧によりワイヤ電極と被加工物との極間距離を制御するいわゆる極間サーボを行っている場合には、前回短絡した部分の直前の部分は加工されているため、極間の平均電圧が高くなり前記相対移動速度が速くなる。この状態で前回短絡した部分に至ると、前記相対移動速度の急低下ができずにまた短絡が発生する。以上のような現象を繰り返して同じ場所での短絡を繰り返す。
▲２▼短絡が発生するとワイヤ電極が被加工物に溶着する場合があり、この溶着部分が引き離されるとワイヤ電極の進行方向と直交する方向（被加工物の加工面の方向）にワイヤ電極が振動し、その振動がなかなか減衰しないため、被加工物加工面の凹凸とワイヤ電極の短絡が続く。
▲３▼被加工物材料とワイヤ電極の組み合わせによっては、放電加工により被加工物が磁化され、ワイヤ電極と引き合うために短絡が解消できない。
以上のような推定原因が考えられるが、いずれにしても、一定の箇所に一定時間以上ワイヤ電極が留まることが問題であるといえる。
そこで、この発明に係るワイヤ放電加工方法では、気中ワイヤ放電加工において、ワイヤ電極と被加工物とを短絡が要求加工面精度等の要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度以上で相対移動させながら加工を行うものである。なお、この場合の制御は、極間サーボは行わずに、ワイヤ電極と被加工物とを前記所定速度以上で常に相対移動させる。
前記所定速度は、被加工物の材質及び板厚、ワイヤ電極の材質及び直径並びに放電加工の電気条件等の加工条件で決まり、被加工物の板厚が厚いほど、ワイヤ電極の直径が小さいほど、また、放電加工の電気条件による放電エネルギが小さいほど、速くする必要があり、被加工物の材質及び板厚、ワイヤ電極の材質及び直径並びに放電加工の電気条件等の加工条件に応じて、予め実験にて決定しておけばよい。
また、ワイヤ電極と被加工物との相対移動速度を前記所定速度以上として一定速度で加工を行ってもよいし、前記所定速度以上で可変としてもよい。前記相対移動速度を前記所定速度以上で可変とする場合は、例えば単位時間当たりの正常放電パルス数が多い場合には速度を上げ、単位時間当たりの正常放電パルス数が少ない場合には速度を下げ、前記所定速度以上の前記相対移動速度を維持するよう第２図の制御手段１７により制御を行えばよい。
また、特に被加工物の板厚が厚い場合には、被加工物の上端部又は下端部に放電集中が発生しやすい。これは主に以下の▲１▼乃至▲３▼の理由による。
▲１▼被加工物の上端部又は下端部のエッジ部分は放電が発生しやすいため、放電が集中しやすい。
▲２▼気中放電では、同じ位置に放電が集中するとワイヤ電極材料が被加工物側に付着する現象が見られ、このような被加工物へのワイヤ電極材料の付着が、さらに放電の集中を助長する。
▲３▼被加工物の板厚が厚い場合、ワイヤ電極と被加工物との相対移動速度を小さく設定することが多いため、放電集中が助長される。
そこで、被加工物の板厚が厚い場合の放電集中を抑制するために、ワイヤ電極と被加工物との相対移動速度を変化させる実験を行った。第３図は、被加工物が板厚１００ｍｍの鋼材である場合のワイヤ電極と被加工物との相対移動速度及び放電集中発生頻度の関係を示す図であり、ワイヤ電極と被加工物との相対移動速度を速くしていくと、ある速度で放電集中発生頻度が急激に低下し、前記相対移動速度をさらに速くすると放電集中発生頻度が零となり、即ち放電集中が発生しなくなることがわかる。
即ち、被加工物が板厚１００ｍｍの鋼材である場合において、加工液中でのワイヤ放電加工による仕上げ加工で通常使用されるワイヤ電極と被加工物との相対移動速度を１ｍｍ／ｍｉｎとして気中ワイヤ放電加工による仕上げ加工を行った場合には、ほぼ確実に被加工物の上端部又は下端部に放電集中が発生したが、前記相対移動速度を１０ｍｍ／ｍｉｎに上げたところ放電集中がほとんど見られなくなり、さらに前記相対移動速度を３０ｍｍ／ｍｉｎに上げたところ放電集中は全く見られなくなった。
このような放電集中発生頻度が要求仕様に応じて予め設定した頻度以下になる所定速度を、加工条件に応じて予め実験により求めておき、この所定速度と前記短絡が要求仕様に応じて予め設定した時間以上継続しない所定速度と比較して、速い方の速度以上となるように、ワイヤ電極と被加工物との相対移動速度を第２図の制御手段１７により制御すればよい。
以上のように、気中ワイヤ放電加工において前記相対移動速度を前記所定速度以上とした場合においては、前記相対移動速度が遅い場合に比べ加工除去量が小さくなるため加工回数を多くする必要はあるが、前記相対移動速度が速いため加工時間全体が遅くなることはない。
産業上の利用可能性
以上のように、この発明に係るワイヤ放電加工方法及び装置は、特に高精度ワイヤ放電加工作業に用いられるのに適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の実施の形態に係るワイヤ放電加工方法の一例を示す説明図である。
第２図は、この発明の実施の形態に係るワイヤ放電加工装置の構成を示す説明図である。
第３図は、ワイヤ電極と被加工物との相対移動速度及び放電集中発生頻度の関係を示す図である。
第４図は、放電加工のメカニズムの説明図である。
第５図は、ワイヤ放電加工の加工プロセスの例を示す説明図である。
【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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【国際調査報告】
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2002040208.tif 000009
2002040208.tif 000010