非固定電極を用いた放電加工による金型冷却液曲がり穴流路の革新的加工法の開発
岡山大学 大学院自然科学研究科教授 岡田 晃
（平成 29 年度 重点研究開発助成Ｂ AF-2017002）
キーワード：放電加工，曲がり穴，金型
１． 研究の目的と背景

では穴入口から加工点までが湾曲し，その形状に合わせ工

射出成形金型等において，金型冷却時間の短縮は成形サ具が柔軟に変形することが必要であるが，工具に作用するイクルを短縮し，結果的に生産性向上をもたらす．そのた加工力が小さければそれが可能となる．このような観点かめに金型内に設けられる冷却穴は，流体や熱の効率的移動

らこれまで放電加工や電解加工を利用した曲がり穴加工の観点から考慮すると，流動抵抗を低減でき，かつ金型表法が提案されている．

面温度の均一な分布を可能にする，金型の成型品形状に沿

石田ら 1) はワイヤとコイルバネから構成される屈曲電った曲がり穴が理想的である．金型のみならず，様々な放極支持構造を提案し2)，それを用いた曲がり穴加工を報告

熱・冷却部品に対してこれが実現すれば，省エネルギー持している．また，深穴加工のために加工穴内部を走行する続可能社会にも貢献できるブレークスルーとなり得る．し電極送り機構を提案している．竹内ら3)はある曲率半径をかしながら，従来の機械的除去技術では金属塊材に対してもった形状記憶合金をガイドから押し出すことによっての小径曲がり穴の高精度加工は困難である．従って，図１設定した曲がり穴を加工する方法を検討している．さらに，に示すように，従来はドリル加工による直線穴を組み合わ

内山ら 4) はフレキシブルチューブで支持された電極球をせて冷却穴を構成し，不要な部分を塞いで冷却流路を作成用いて，電解加工による曲がり穴を実現している．しかししている．

ながら，これらの方法では，構造が複雑なために，加工で近年，その技術発展が目覚しいアディティブマニュファ

きる穴径が10mm以上と大きく，曲がり穴の曲率半径が大クチャリングにおいては，金属粉末をレーザや電子ビームきい，加工穴径が深さ方向で不均一など，複雑な曲がり穴を用いて焼結させる粉末床溶融結合法が実用化されておを精度よく加工することは困難である．

り，ヨーロッパでは，ニッケル基合金製のジェットエンジ

そこで，我々は極めて簡便な方法で小径曲がり穴を実現

ンのタービンブレードやチタン合金製人工関節コンポーすることを目的とし，図２に示すような柔軟に変形する箔

ネントに応用されている．エンドミルによる切削加工と組でつり下げられた非固定の直径数mmの電極球を用いてみ合わせて金型を作成する複合加工法も提案され，わが国

放電加工を行い，加工中に工作物を任意の角度に傾けるこの工作機械メーカーでも切りくず低減による材料節約をとで加工方向を制御し，高精度の小径曲がり穴を得る全く主目的とし，普及しつつある．しかしながら，塊材からの新しい加工法を提案している5),6)．近年の放電加工におけ削り出しと比較すると金型強度が完全ではなく，サポートる加工技術や極間コントロールの高応答化の進展は目覚無しで造形できる穴径には制限がある．また，冷却穴内面ましく，それを駆使し様々な従来にない加工形状を実現での表面性状や脱落粉末の冷却液への混入などの課題も残きる可能性がある．同時に設計の自由度も格段に高くなり，っている．さらにその造形加工時間は長時間に及ぶ．

従来にない高機能の機械要素を実現できると期待される．

一方，放電加工や電解加工等では，従来の切削や研削な本研究では非固定電極を用いた曲がり穴加工技術の性

どの機械加工と異なり，工具（電極）と工作物は非接触で工具に作用する加工力は極めて小さいため，原理的には工具を強固に固定しなくても加工可能である．曲がり穴加工

図１

コア金型理想冷却流路形状と従来加工

図２

非固定のつり下げ電極

能向上のため，鉄鋼系金型材料やアルミニウム合金に対する加工状態の安定化と深穴加工の実現，加工形状の機上での計測法，および小径穴加工における加工特性の解明と加工の安定化についての検討を行った．
２．非固定つり下げ電極による曲がり穴加工法の原理
図３に非固定のつり下げ電極を用いた曲がり穴放電加工法の原理を示す5)．この方法では，薄い絶縁膜で被覆された箔でつり下げた電極球を用いる．加工機の主軸（Z軸）を下降させることで，電極球は常に重力方向へ加工を進める．電極球が角度を変化させたい位置へ到達した際，工作図３

物を所定の角度に傾ける．つり下げ部が十分に柔軟であれば，その位置から重力方向へ加工が進行する．これらの制御を必要な角度，回数設定することによって，所望の形状の曲がり穴を得ることができる．
工作物には，亜鉛合金，アルミニウム合金（JIS A5052）および合金工具鋼（JIS SKD11）を使用した．放電加工
はNC形彫り放電加工機（Sodick製，AP1L / AQ35LR）を曲がり穴放電加工の原理
表１

放電穴加工条件

Electrode polarity
Open circuit voltage (V)Discharge current ie (A)Servo voltage Sv (V)Pulse duration te (s)Duty factor  (%)(+)
120
12 - 36
40 - 110
40050使用した．使用した主な加工条件を表１に示す．電極消耗を極力低減するためパルス幅は400μsと長く設定している．加工機主軸の制御はZ軸方向のみで，電極のジャンプ動作は行っていない．
３．亜鉛合金に対する曲がり穴加工
これまでに本加工法によって，その融点の低さから放電加工性の良好な亜鉛合金に対し基礎検討を行ってきた．得られた曲がり穴加工例を図４に示す．左の加工例は深さ30mm，直径約6.0mmの直線深穴加工後に工作物を徐々に傾斜させながら短い直線穴加工を繰り返すことで屈曲穴を加工した例である．この場合屈曲角度は90˚，その曲率半径は11.5mmとなっている．深い直線穴加工に続いてほぼ設定通りの形状が得られていることが分かる．また，右の例では，曲率半径の異なる2つの屈曲穴形状が連続する複雑な曲がり穴の加工を試みた．10mmの直線穴加工の後に 曲 率 半 径 5.7mm 角 度 60 度 の 屈 曲 穴 を 加 工 し ， 次 に

図４

亜鉛合金に対する曲がり穴放電加工例

10mmの傾斜した直線穴加工を行う．その後，曲率半径17.2mmの屈曲穴を加工，さらに直線加工となっている．
設定形状を中心線で示すとおり，十分な形状精度で複雑な曲がり穴が加工できる．
４．工作物振動による加工安定化と実用金属への加工
これまで放電加工特性の良好な亜鉛合金に対して基礎検討を行ったが，鉄 鋼 や ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 な ど で は ，極間が狭いため加工粉滞留に起因する短絡によって
加 工 継 続 が 不 可 能 と な る ．基礎検討7)で加工中工作物に振動を付与することで短絡を防止し加工不能状態が解消

図５

振動付与装置と工作物振動波形できることを把握しており，これを利用して安定加工状態の継続性と穴加工再開を検討した．

その振動を上部に支点を設けたL字型ステーを介して工図５に用いた振動付与装置を示す．タービンバイブレー作物に伝達する機構となっている． Z方向とX方向の工作タ（EXEN製，BTP24） を用いて振動を発生させており，物振動波形を示すが，工作物は水平方向よりも鉛直方向に大きく振動し，その振幅はそれぞれ約185μm，49μmであり，振動数は両者とも約121Hzである．
図６は，アルミニウム合金に直線穴加工を行った時の工作物振動の有無による加工進展の違いを示す．振動なしの場合，加工機ヘッドが頻繁に上昇を繰り返し加工が安定していない様子が伺える．これは電極球が加工穴内面と加工粉を介して接触し，放電が発生しない状態となり加工機が極間距離を広くする制御を行っているためである．そして加工深さ約16mmでアークして加工が停止した．これに対し，振動ありの場合，加工機ヘッドの上昇はなく，安定した加工が継続的に行えている．そして，振動なしの場合に比べ2倍程度の加工速度が得られる．振動付与により加工

図６

工作物振動の有無による加工進展の違い粉などの排出が促進されただけでなく8),9)，電極球と加工穴内面の長時間の接触を防ぐことができたためと考える．
合金工具鋼に対しても同様に工作物振動付与により安定した穴加工が可能となった．しかしながら，本加工法では加工粉を排出するための電極ジャンプ動作を使用することが出来ないため，より深穴になると加工が停止する可能性が大いにある．もし，加工穴途中からの加工再開が工作物振動付与によって可能となれば実用上非常に有効であると考えられる．そこで，工作物振動付与によってギャップを生じさせることで加工再開を試みた．
図７に示す赤線は，工作物振動を行いながらアルミニウム合金に対して，工作物表面から通常加工を行った場合の加工推移を示す．そして，深さ5 mmの加工後にその加工

図７

工作物振動付与による加工再開

穴底と電極球を接触させて加工再開した場合を青線で示す．工作物振動なしでは多少ギャップを開けても加工は再開できない．これに対し，工作物振動を付与した場合，加工再開が可能であり，かつ通常加工と同じ速度で加工できている．従って，工作物加振により容易に加工再開でき，安定した加工が継続できることが判明した．前述のように本加工法では，電極のジャンプ動作を行えないために加工深さが深くなると加工粉の排出が困難だが，たとえ加工が途中で停止した場合でも本手法を用いれば加工紛を排出した後に加工をそこから再開できるため，より深い曲がり穴加工が可能となる．
図８

放電加工可能条件

５．工作物振動下での放電加工特性
放電電流値，および極間距離を制御するサーボ基準電圧を変化させ，非固定つり下げ電極を用いた工作物振動によ防止でき安定した加工状態での加工が可能になるものと考えられる．

る穴加工の可否や，加工速度と加工穴径の変化について検また，図９には，工作物振動の下で電流値およびサーボ討した8)．図８は，工作物をSKD11とし，振幅134ミクロ電圧を変化させた場合の加工速度Vw，および加工穴直径dンでの工作物振動の下での放電穴加工が可能であった加の変化を示す．一般の固定電極を用いた放電加工と同様に，工条件を示す．図より電流値が大きいほど，またサーボ基電流値が大きいほど加工速度および加工穴径が増加する

準電圧が高いほど加工可能条件が拡大することが分かる．

ことが分かる．一方，サーボ電圧を変化させた場合，サー

これは，放電電流値が高いほど電極と加工面との距離であボ電圧が大きいほど加工速度が低下することは一般の放るクリアランスが広くなること，またサーボ基準電圧が大電加工特性と同様であるが，加工穴径は一般的加工特性ときいほど加工中の極間距離が広がることによるものと言異なりサーボ電圧が大きいほど小さくなっている．これはえる．本加工法では加工中に電極が放電衝撃によって揺れサーボ基準電圧が小さいと放電開始距離が小さくなるこ動くため，ある程度のクリアランスを設けたほうが短絡をとによって同じ放電パルス条件であっても非固定電極に

図９

放電電流値およびサーボ電圧が加工速度および加工穴径に及ぼす影響作用する力が大きくなり，電極の揺れが大きくなることで結果的に加工穴径が大きくなるものと考えられる．
次に，金型鋼に対して工作物振動振幅Azを変化させた場合の加工速度，および加工穴径変化についても検討した．
図10は，工作物振動振幅を変化させた場合の穴加工速度

Vw，および加工穴径dの変化を示す．振動振幅が大きいほど穴径は当然大きくなるが，その変化量は振動振幅Azに対してかなり小さい．従って，工作物に数百ミクロンの振動振幅を与えるだけで金型鋼，および超硬合金に対する安定した加工が可能となるが，振動振幅ほど穴径は拡大しないことが明らかとなった．
図 10工作物振動振幅が穴加工特性に及ぼす影響

６．実用金属への複雑穴曲がり穴加工
各実用材料に対して様々な曲がり穴加工を試みた．図11に合金工具鋼に対して屈曲穴加工を試みた工作物の断面写真を示す．それぞれの写真下に工作物の最終傾斜角と加工の際の回転比を示しており，左の場合であれば，直線加工を1.0mm行うごとに工作物を10°傾ける操作を3回行うことを表す．図より，60°までの屈曲穴形状が正確に得られていることが分かる．アルミニウム合金に対しても同様の加工が可能であった．
次に，複雑な曲がり穴を加工した例を図12に示す．左の写真は45°の屈折加工後に直線加工を行い，その後屈折方向を反対にして45°の屈折加工を試みた屈折形状が連続

図 11

合金工具鋼に対する屈曲穴加工する曲がり穴の加工である．2つの屈折形状が正確に得られていることが分かる．また，45°の屈折加工が連続して行えているためさらに複雑な形状の曲がり穴加工が期待できる．また，右の写真は2方向から90°の屈曲加工を行うことで，U字の形状を加工した結果である．このように，工作物に微振動を付与しながら加工することで，これまで安定した加工状態での加工が困難であった，金型鋼やアルミニウム合金に対しても精度よく曲がり穴加工が可能となった．
７．加 工 穴 形 状 の 機 上 測 定 法 の 検 討
加工穴が長くなると，加工中の電極箔つり下げ部

図 12

アルミニウム合金に対する複雑曲がり穴加工

図 14

工作物背面からの反射波強度マップ，20％強度抽出ライン，実際の加工穴計状を切断し撮影した曲がり穴形状を示している．両者を比較したところ，スキャン間隔の0.5mmの精度で両者が一致していた．従って超音波探傷法を活用して工作物背面からの反射波強度分布を調べることで，加工途中の曲がり穴形状を加工機上で精度よく計測できることが明らかとなった．
プローブの走査計測間隔をさらに短くすることで精度向図 13

超音波探傷を応用した機上加工形状計測のたわみ等に起因して電極の送り量と実際の穴加工上も期待できる．
８．加工穴小径化の検討

長さの誤差が大きくなり，設定値どおりの形状が得

これまで主に直径5mm程度以上の曲がり穴加工を検討られにくく，形状精度が悪化する．加工形状が加工してきた．近年の工業製品の小型化・軽量化，電子機器や中に外部より計測できれば形状精度の向上につなが光学機器部品の需要が高まる中で金型も小型化しており，る．そこで機上での加工途中での計測を可能とする

その冷却流路も直径数mmの場合もある．そこで，加工穴

た め ， 図 13に 示 す よ う な 超 音 波 探 傷 法 を 応 用 し た ，の小径化についても検討を行った．

加工形状の評価法を検討した．この装置では，工作物前面

図15は，直径de=2.0mm，3.0mm，4.0mm，5.0mmのを0.5mm間隔でスキャンしながら，工作部背面での反射波つり下げ電極球を用いてアルミニウム合金に対して直線の強度分布を計測して獲得する．その測定結果を図14に示穴加工を行った際の，加工可否に大きく影響する放電電流す．左に工作物背面からの強度分布を色相で示す．反射波およびサーボ電圧を変化させた場合の加工可能条件範囲

強度が高い部分は濃い色相となっており，内部に穴が存在を示している．加工の際には工作物に振幅約185mの振する場合は工作物背面からの反射波がほとんどないため，動を付与している．図の◯で示した条件は深さ10mm以上色相が薄くなる．ここで強度20％の位置のみ抽出すると赤の穴加工が可能な条件，●は深さ10mm以上の穴加工が可のドットが集合した輪郭形状となる．右に加工後に工作物

能だが，加工が不安定で箔が撓んだ状態で加工される条件，(a) de=2.0mm
We=0.06g
図 15(b) de=3.0mm
We=0.20g(c) de=4.0mm
We=0.47g(d) de=5.0mm
We=0.90g

電極球直径，サーボ基準電圧，および放電電流値による加工可能範囲の変化

謝

×は深さ10mmの穴加工が不可能な条件である．図よりい辞

ずれの直径の電極球を用いた場合でも，高いサーボ電圧で本研究は，公益財団法人天田財団平成 29 年度重点研究

は広い極間距離でアークが生じにくいために安定した加開発助成 B（AF-2017002）のもとで実施されました．こ工状態が継続でき，加工可能範囲が広がることがわかる．

こに深く感謝申し上げます．

一方，放電電流値の変化に対しては，放電電流値の増加に伴って放電反力が大きくなって，非固定の電極球が過度に揺れ動くために頻繁に短絡が発生するようになる．このた

参考文献
1)

め，電流値が大きいほど加工状態が不安定となる傾向が見

会誌, 65 (7), (1999) pp.982-986.て取れる．さらに電極球直径の影響については，電極球直径が小さくなるほど，すなわち電極球質量が小さくなるほ

石田 徹, 竹内芳美：圧縮コイルばねとワイヤを用いた曲がり穴放電加工用電極送り機構の開発，精密工学

2)石田 徹, 竹内芳美：スライダクランク連鎖を用いた

ど，放電反力に対する電極球の揺れが極端に大きくなるた

曲がり穴放電加工用電極送り機構の開発，精密工学会

めに，頻発する短絡に伴う加工状態の不安定が助長され，誌, 68 (2), (2002) pp.206-210.

加工不可能な加工条件が顕著に多くなる．従って小径電極

3)pp.222-223.

めには，放電電流値を小さく，またサーボ電圧の大きい条件を用いることで加工可能となる．例えば，電極球直径

竹内明伸, 幸地正信, 湯沢 隆：曲がり穴形状の放電加工技術の開発 ，型技術者会 議講演論文集 , (2001)

球を用いて小径穴加工を安定した放電状態で実現するた
4)

内山光夫，芝崎禎四郎：電解加工による曲がり穴加工

2.0mmでは，工作物に振動を与えながら，放電電流値4A，法の開発(第1報)－アクチュエータを持たない工具にサーボ電圧110Vの加工条件によって，これまで不可能で

よ る 加 工 法 － ， 精 密 工 学 会 誌 , 68 (11), (2002)
pp.1476-1480.

あった加工穴径2.6mmという3mm以下の小径穴の加工も可能となった．

5)

山口 篤, 岡田 晃, 三宅達也：つり下げ電極を用いた放電加工による曲がり穴加工法の開発－つり下げ構

９．まとめ

造の最適化と複雑曲がり穴加工の可能性－，精密工学
会誌, 81 (5), (2015) pp.435-439.

本研究では，非固定のつり下げ電極を用いた曲がり穴加工技術の性能向上のため，鉄鋼系金型材料やアルミニウム

6)

山口 篤, 岡田 晃, 池嶋俊貴, 三宅達也：つり下げ電合金に対する加工状態の安定化，加工形状の機上での計測極を用いた放電加工による曲がり穴加工法の開発－法，および加工穴小径化についての検討を行った．本研究

小径曲がり穴加工のための電極球質量および直径の検討－，精密工学会誌, 81 (11), (2015) pp.1039-1043.

で得られた結論は以下の通りである．
(1) 非固定のつり下げ電極を用いた放電穴加工によって，

7)

三宅達也, 池嶋俊貴, 岡田 晃, 山口 篤，つり下げ電放電加工性能の良好な亜鉛合金に対して様々な小径極を用いた曲がり穴放電加工における工作物振動付曲がり穴加工を創成できる．

与の影響，電気加工学会全国大会講演論文集，(2017)(2) アルミニウム合金や金型鋼に対して微振動を付与することによって，継続的に安定した放電穴加工が可能

pp.81-84.
8)

curved hole EDM drilling performance usingとなり，加工速度も向上する．
(3) 工作物微振動付与によって既に加工した穴底面からsuspended ball electrode by workpiece vibration,
CIRP Annals - Manufacturing Technology, 66 (1),の加工再開が安定して行え，深い穴加工が可能となる．
(4) 非固定のつり下げ電極を用いた放電加工によって，工作物に微振動を付与することで，実用金属に対して複雑な曲がり穴加工が可能となる．

A. Okada, A. Yamaguchi, K. Ota: Improvement of(2017) pp.189-192.
9)D.Kremer, J. L. Lebrun, B. Hosari, A. Moisan:Effectsof(5) 超音波探傷法を活用して工作物背面からの反射波強Performances

度分布を調べることで，加工途中の曲がり穴形状を加Manufacturing

工機上で高精度に計測できる．
(6) 電極球径の減少に伴い，安定した加工状態を得られにUltrasonicin

Vibrations

of

CIRP

AnnalsEDM,
Technology,38(1),the-(1989)

pp.199-202.
10) 小川 仁，坂東和宏，常本佳生：放電加工における加くくなる傾向があるが，最適加工条件下では直径 3ｍ

工液超音波振動援用の効果，電気加工学会誌，41（98），ｍ以下の小径穴加工も可能となる．

（2007）pp.163-168.