放電加工による小径針側面への多数細穴加工*
和合 健**、下河邉 秀行***
放電加工条件が不明な非鉄材小径針の側面に放電加工により多数個の貫通細穴を加工する技術の構築を図った。その結果、10 個の貫通穴直径のばらつき σ0.9µm、低電極消耗率 32％を達成し、その時の加工速度は 1 穴あたり 6 分 46 秒であった。
キーワード：細穴放電加工、非鉄材料、鍼灸針、パラメータ設計

Electrical Discharge Machining for Processing Multiple Fine Holes on
Side of Thin Needle
Takeshi Wago and Hideyuki Shimokobe
We describe the development of a complete processing technique to generate numerous
small-diameter holes by electrical discharge machining (EDM) for Co–Cr–Mo-alloy
needles, for which processing conditions are unknown. The results reveal the many
advantages of EDM, which allow precision machining of holes with hole-diameter varianceσ = 0.9 µm and a low electrode-wear ratio (32%; defined as tool consumption length
divided by processing hole depth). The processing efficiency was high at 6 min 46 s perhole.
key words : electrical discharge machining of minute hole, Non iron material,acupuncture-and-moxibustion needle, parameter design
1 緒
言
製造部門では、設計部門の高機能製品の設計要求に対応するための高度な加工技術が求められている。ここでの要求事項は図 1 に示すとおり「φ0.25mm 程度の非鉄材小径針側面の先端から根本方向へ 15mm の範囲にできるだけ多個数の穴を開けること」であった。この要求事項を満足するためには、①曲げ剛性が低い小径針に対して加工力が小さく、②小径工具が利用できる加工方法であることが必要と考えた。放電加工は非接触加工法でありこの二つの要件を満たしていた。
ここでは、非鉄材小径針側面へ多数個穴を製作するための技術構築に取り組んだ。
2 実験計画2-1 基本機能
基本機能を以下に考える。電極を鉛直下方向の加工送りで小径針に当てた時に電極径と全く同等形状の貫通穴を生成させる動作を第一工程とする。小径針の中心軸方向と平行に等間隔ピッチで電極を移動させ位置決めする動作を第二工程とする。この第一工程と第二工程を順序良く正確に繰り返すことができれば多数個細穴が生成できる。次に各工程を分解してみる。第二工程は加工機械の NC 制御と機械的位置決め精度が十分に機能することを前提とすると、あとは単に小径針の中心軸を加工機械******の駆動軸に平行に設置しワーク座標系が定義できれば良い。第一工程は電極径と穴径の転写性でありその両者の容積が外乱誤差の影響下においても線形的な相互関係を持ち、かつその加工速度が速いことが良い。
2-2 入出力関係
小径針径はその用途に応じて異なることから、そこに生成する穴径も小径針径に応じて変更できる必要がある。
穴径を適宜変化させる加工方法は揺動で達成できる。揺動を用いることで φ0.1mm の棒電極を使用した場合では φ0.1mm 超～φ0.2mm 程度の細穴が生成できる。ここでは図 2 に示すとおり入力を理想除去量(mm3)、出力を実除去量(mm3)として誤差因子を揺動半径(mm)とした。
感度 β が大きいことで加工能率が高く、SN 比が大きいことで設定した穴径を安定して生成できる。
3 因子と水準
3-1 信号因子
信号因子は表 1 に示すとおり理想除去量とし水準１に0.0079mm3 を設定した。信号因子を多水準で設定することで頑健性の高い動特性を実現できるが、ここでは実験能率を考慮して信号因子の水準を一つとした。
3-2 制御因子
制御因子は直交表 L18 への割り付けを前提として表 2に示す 8 種類の因子を設定した。因子 A、因子 B、因子

平成 22 年度 基盤的・先導的技術研究開発事業、中東北 3 県公設試技術連携推進会議（共同研究）
材料技術部（現 素形材技術部）
岩手大学工学部

岩手県工業技術センター研究報告 第 18 号（2016）
表 1 信号因子
入出力関係

水準130.0079
y1

入力M：理想除去量：理想除去量(mm )図 1 加工空想図

実除去量

出力y：実除去量：実除去量(mm ）表 2 制御因子y

誤差因子
N1:揺動無し
揺動無し
N2:揺動有り
揺動有り(揺動半径揺動半径:: 0.0250mm)

N1N2

β03M1M

理想除去量
図 2 入出力関係

は微細加工電源を調整する回路である
E の補助
C は微細加工電源を調整する回路である。因子
電源(AUX)はコンデンサ電源の場合は充電抵抗
はコンデンサ電源の場合は充電抵抗(Ω)となはコンデンサ電源の場合は充電抵抗 とな
りこの数値を変更することで充電時間りこの数値を変更することで充電時間、、所謂 OFF 時間が制御できる。
。因子 F の F 回路(GAP)はコンデンサ電源の回路
はコンデンサ電源の場合は付加電圧場合は付加電圧(V)となり与えるエネルギーの大きさをとなり与えるエネルギーの大きさを示す。因子 G の加工調整の加工調整(GAIN)(GAIN)は異常放電回避のためのは異常放電回避のための放電時逃げ後の戻り速度を設定するもので数値が大きい程加工物に接近する速度が速くなる程加工物に接近する速度が速くなる。
3-3 誤差因子
誤差因子は穴径変更時の動特的安定性を高めるために二つの水準を設定した二つの水準を設定した。水準１は揺動半径が水準１は揺動半径が 0mm の場合で水準２は揺動半径が 0.0250mm の場合である。水準の場合である 水準
１と水準２の理想除去量を等しくするために下加工送り量を水準１で 0.1000mm、水準２で 0.4444mm に設定したに設定した。
3-4 共通の加工条件共通の加工条件を表 3 に示す。加工機械は微細加工用に示す 加工機械は微細加工用形彫放電加工機（三菱電機製 EDSCAN8E）を使用した
EDSCAN8E を使用した。
この加工機械は微細加工に特化した仕様になっており特に因子 A、因子
因子 B、因子 C で設定した微細加工回路を持設定した微細加工回路を持っている。電極は φ0.1mm0.1mm 銅パイプ電極とし、銅パイプ電極とし 小径電極を保持しパイプ管から加工液が噴出できるノック式ホルダで電極を保持した電極を保持した。加工物は非鉄系材料とし加工物は非鉄系材料とし、平坦な加工物は非鉄系材料とし、平坦な上端面に対して細穴加工をした上端面に対して細穴加工をした。加工穴数は信号因子
加工穴数は信号因子 1
水準×誤差因子
誤差因子 2 水準×直交表直交表 L18 での実験行数 18＝＝36個となる。
4 実験結果及び考察
4-1 加工結果
図 3 に加工深さと電極消耗率の実験番号毎の結果を示す。電極消耗率とは電極消耗長さ
電極消耗率とは電極消耗長さ(mm)／加工深さ
電極消耗率とは電極消耗長さ(mm)／加工深さ(mm)×100(%)で表される除去で表される除去で表される除去深さに対する電極消耗に対する電極消耗長さ長さの比である。
。図 3 から加工深さは電極消耗率と反比例の関係であることがわかる関係であることがわかる。
。また、誤差因子
誤差因子 N2 の揺動有りの場合は実験番号による加工深さの差が小さいことが分かる。図 4 に加工時間と電極消耗率の結果を示す。に加工時間と電極消耗率の結果を示す。加

制御因子
マイクロSF回路
回路
A
B
コンデンサ回路
電圧LOW回路
回路
C
ガイドの高さ(µm)Dµm)
補助電源（AUX
EAUX）
F
F回路（GAP）
G 加工調整（GAIN
GAIN）
H サーボ電圧（SVSV）
注）因子注）因子E,F,G,Hの数値はノッチの数値はノッチ

1ONONON200314105水準
2OFFOFFOFF1006122533－ONON50910400表 3 共通の加工条件
項 目電極： φ0.1mm銅パイプ電極
φ0.1mm銅パイプ電極
加工材： CCM合金
CCM(幅20mm×20mm×奥行20mm×20mm×高さ20mm)
加工液： メタルワークスEDF-K2(メタルワークスEDF-K2(新日本石油）
新日本石油）
加工液噴出強さ： ７／10７／
ホルダ： RCH-03LA(菱電工機
RCH-03LA(菱電工機)
触れ抑制ガイド： セラミック製φ0.1mm用
セラミック製Ｚ軸原点： 加工材表面
初期のZ座標：座標： 0.0500mm
回転数： 200rpm
加工経路： 単純下送り

工時間と電極消耗率では相互の関連性は見られない
工時間と電極消耗率では相互の関連性は見られない。
4-22 SN 比の算出
この実験計画では各因子間の相性が合わない組み合わせで非常に長時間の穴加工の場合があった
わせで非常に長時間の穴加工の場合があった。そのために最初に設定した
最初に設定した信号因子
最初に設定した
3 因子
因子及び誤差因子
差因子 2 因子から因子数を縮小せざるをら因子数を縮小せざるを得ずここでの実験計画に落ち着得ずここでの実験計画に落ち着いた。信号因子と誤差因子いた 信号因子と誤差因子の数を十分に実験に反映できの数を十分に実験に反映できないと十分な頑健性が得られないと言われているないと十分な頑健性が得られないと言われている。そのその対策として表 4 に示す誤差因子の効果を活用した従来のSN 比算出に併せて分散型の SN 比 1)を算出して合わせて最適条件を求めた。各最適条件を求めた
SN 比算出方法による要因効果図を図 5 に示す。誤差因子型の最適条件は A1、A1 B1、 C1、、D2、、 E1、 F3、 G2、 H3 でありであり、分散型の最適条件は分散型の最適条件は
A1、、 B1、 C1、、 D1、 E2、 F3、 G1、 H3 となった。
。
二つの SN 比算出方法で結果が異なる因子を本文中で太字斜体及び図 5 中に丸・四角で囲み、それは中に丸・四角で囲み、それは因子 D：ガ：ガ
イド高さ、因子イド高さ 因子 E：補助電源(AUX)(AUX)、因子
因子 G：加工調整：加工調整(GAIN)であった。
(GAIN)。最適条件の判定は高精度最適条件の判定は高精度、高能率が得最適条件の判定は高精度 高能率が得られる水準を選択することとしられる水準を選択することとし、最終的な最適条件は A1、A1
B1、、 C1、 D2、、 E2、 F3、 G2、 H3 を決定した。最を決定した 最適条件では微細加工回路の因子 A、因子 B、、因子 C がい
ずれも ON の場合に SN 比が高くなっており φ0.1mm 程放電加工による小径針側面への多数細穴加工

0.6250200
1500.41000.2500012345678

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
実験番号250200

電極消耗率(%)

150
0.4
1000.2500012345678

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
実験番号

5000

加工時間(秒)2504000

電極消耗率(%)

200

3000

150

2000

100

1000

500

電極消耗率(%)

012345678

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
実験番号

電極消耗率(%)

加工時間(秒)4000

250200

3000

150

2000

1001000500

電極消耗率(%)

加工時間(秒)5000

012345678

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
実験番号

図 4 加工時間と電極消耗率（上：N1、下：N2）

5 検証実験
オフライン実験により最適条件が得られたことから、この加工技術を利用して小径針側面に連続的に 10 個の穴加工を試みた。加工物は φ0.25mm の非鉄系小径針で穴位置ピッチは 0.4mm、その他の加工条件はオフライン実験と同等とした。加工後の小径針の写真を図 7 と図 8
表 5 確認実験での設定値
因子
AB
CD

項目
マイクロSF回路
コンデンサ回路
電圧LOW回路ガイドの高さ (µm)
ＥパックNo.

表 4 SN 比の算出方法
誤差因子型ＳＮ比実験番号行内で誤差因子のL1とL2のばらつきと感度からSN比を算出

分散型ＳＮ比誤差因子を共通外乱と位置付けて，制御因子の水準毎の実験番号行のばらつきと感度を利用してSN比を算出E

回路選択
補助電源: AUX
極性切換
加工セッティング: IP

62

誤差因子型

60分散型

休止時間: OFFF

Ｆ回路: GAP

G

加工調整: GAIN
上昇距離 :JUMP
上昇距離/降下時間:JU/JD
サーボ電圧 :SVH

現行条件

ONONON
1005029
SF6(－)
000
10250ON
OFFON50
1951
SF3(－)
000
144000↑1↓

0↑1↓

00

58

5250
12 123 123 123 123 123 123 123
E：AUX
A:µSF
G:GAIN
C:電圧low
H:SV
F:GAP
B:コンデンサ D:ガイド高さ

因 子
図 5 SN 比の要因効果図

0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

加工深さ

5000

加工時間

4000
3000
2000
10000

現行条件

54

最適条件(SN比)56
加工深さ(mm)SN比(db)

パルス幅: ON

最適条件

N1: 揺動無し

N2: 揺動0.025mm
加工条件

図 6 確認実験の加工結果

加工時間(sec)

加工時間(秒)

図 3 加工深さと電極消耗率（上：N1、下：N2）

現行条件

加工深さ(mm)

加工深さ(mm)0.6

電極消耗率(%)

0.8

度の細穴加工を行う場合での加工安定化に必須機能であることを示している。特に、因子 F：F 回路(GAP) で因子内の水準間の効果が大きくエネルギーを小さくする方向で SN 比が大きくなっている。
4-3 確認実験
加工物を非鉄系材料としてその平坦な上端面に対して表 5 に示す最適条件と現行条件で細穴加工を行い得られた加工結果を図 6 に示し、利得を表 6 に示す。ここでの現行条件は、加工機械製造者が示す電気加工条件、所謂 E パックを基に微細放電回路(因子 A、B、C)を加えたφ0.1mm 細穴加工条件とした。SN 比では推定値の利得が 17.7db、実験値の利得が 3.3db となりその差は 14.4dbとなり再現しなかった。感度では推定値の利得が 2.4db、実験値の利得が2.0dbとなりその差は0.4dbとなり再現したが感度の絶対値が小さいためその信頼性は低い。

最適条件
(SN比)

加工深さ(mm)

電極消耗率(%)

電極消耗率(%)

加工深さ(mm)0.8

岩手県工業技術センター研究報告 第 18 号（2016）
表 6 利得感度(db)SN
SN比(db)項目
最適条件(SN(SN比）
現行条件
利得

推定値
67.3
49.6
17.7

実験値
57.8
54.5
3.3

推定値
-3.2-5.6
2.4

実験値-3.2-5.22.0

図 7 検証実験の写真（上：最適条件（上：最適条件、下：現行条件）
下：現行条件）

図 8 検証実験の写真（拡大図）（左：最適条件（左：最適条件、右：現行条件）
右：現行条件）表 7 検証実験の結果
穴あたりの平均値（穴個数：10
1穴あたりの平均値（穴個数：10個）
項目
穴径(mm)
放電ギャップ(直径直径, µm)
加工時間(h:m:s)(h:m:s)

最適条件
0.10878.7
0:06:46

現行条件
0.124524.5
0:00:25

全10個穴の加工結果
個穴の加工結果
項目
総電極消耗長さ
総電極消耗長さ(mm):p
総加工深さ(mm):(mm): q
総電極消耗率(%):(%): p／q×100p
穴径のばらつき µm)
穴径のばらつき(σ,
総加工時間(h:m:s)(h:m:s)

最適条件
0.81622.500032.6
0.9
1:07:43

現行条件
2.18962.262396.8
3.2
0:04:11に示す。最適条件では鋭利なエッジで真円度が良好な穴最適条件では鋭利なエッジで真円度が良好な穴が全 10 個生成されているのがわかる個生成されているのがわかる。
対して現状条件では 10 個中 6 個で穴が貫通していない個で穴が貫通していない。
また現状条件では穴のエッジがダレて穴形状も歪んでいる穴のエッジがダレ歪んでいることことがわかる。
。
このことから現状条件では安定的な加工を目的とした場合はその目的に適する加工条件とは言えない
合はその目的に適する加工条件とは言えない。
次に検証実験での加工結果を表 7 に示す。最適条件はに示す 最適条件は穴径の平均値が φ0.1087mm となりその結果となりその結果、放電ギャ
放電ギャ
ップは直径で 8.7µm、穴径のばらつき8.7µ
穴径のばらつき(σ)はは 0.9µm となり数マイクロメートル台の精密な結果となった
数マイクロメートル台の精密な結果となった。さらに総さらに総加工深さは小径針径 φ0.25mm×100.25mm×10 個=2.5mm=2.5mm のところ総電極消耗長さが電極消耗長さが 0.82mm の結果の結果、総電極消耗率
総電極消耗率は 32.6%と算出され加工安定性が図れる低電極消耗の加工が実と算出され加工安定性が図れる低電極消耗の加工が実加工安定性が図れる低電極消耗の加工が実現
現さ れ てい た。
た 対 して 現状 条 件は 穴径 の 平均 値がφ0.1245mm
0.1245mm となり放電ギャップは直径で φ24.5µm、穴φ
穴径のばらつき(σ)は径のばらつき は 3.2µm であったであった。総加工深さが総加工深さ 2.3mmmmのところ総電極消耗長さは 2.2mm の結果、総電極消耗率が 96.8%であり電極消耗が最適条件より多い96.8%であり電極消耗が最適条件より多いであり電極消耗が最適条件より多い。ただし特
ただし特筆すべきは加工時間が１穴あたりでは最適条件が0:06:46(h:m:s)であるのに対し現状条件では0:06:46であるのに対し現状条件では 0:00:25(h:m:s)(h:m:s)であり加工速度が非常に速い。
であり加工速度が。現状条件の未貫通問題は
現状条件の未貫通問題は加工操作技術で回避出来れば個々の目的に応じた加工安定性重視または加工速度重視など定性重視または加工速度重視など目的別の穴加工方法が方法が選択できる可能性が見られた
選択可能性が見られた。
。
6 結言
φ0.25mm
φの小径針に多数個細穴を放電加工で生成する加工技術の構築を行った。その結果る加工技術の構築を行った その結果、以下の知見が得以下の知見が得られた。
られた(1) オフライン設計で得られた最適条件で確認実験を行った結果、った結果 推定値と実験値の利得の差は 14.4db となり再現しなかった。
再現しなかった(2) φ0.25mm の小径針径に φφ0.1mm 銅パイプ電極で 10個の穴加工を行った結果、最適条件では総電極消耗率個の穴加工を行った結果 最適条件では総電極消耗率
32.6%で全穴貫通による加工安定性を達成した
32.6%で全穴貫通による加工安定性を達成した
で全穴貫通による加工安定性を達成した。ただ
ただし、現状条件では不貫通穴
し 現状条件では不貫通穴 6 個が見られたが加工時間が0:00:25(h:m:s)が(h:m:s)／個と非常に速い加工速度が得られた／個と非常に速い加工速度が得られたので加工安定性と加工速度の目的に応じたので加工安定性と加工速度の目的に応じた穴加工方
穴加工方法が選択できる可能性が見られた
法が選択できる可能性が見られた。
文献1) 矢野宏：品質工学計算法入門
品質工学計算法入門、日本規格協会、
日本規格協会 p262-266
266（1998）（