微細放電加工の高精度化のための加工条件*（精度重視と能率重視の目的に応じた加工条件の探索）
和合 健**、浅沼 拓雄**、下河邉 秀行***
形彫放電加工機を用いて φ0.25mm の小径針に φ0.1mm 程度の多数個微細穴を開ける場合について、精度重視と能率重視の目的に応じた加工条件を探索した。その結果、目的に応じた入出力関係を設定して直交表実験を行うことで目的に応じた加工条件を求めることができ、能率重視では精度重視に比較して加工時間が 1／3 に短縮できた。
キーワード：細穴放電加工、加工精度、加工能率、入出力関係

Conditions for Highly Accurate Microprocessing with Electrical Discharge
Machining(Method to determine conditions to assure accuracy and efficiency as a function of target)
Takeshi Wago, Takuo Asanuma and Hideyuki ShimokoubeThis study proposes a method to determine the requisite conditions as a function of target
to obtain accurate and efficient microprocessing. The target in this study consists of a0.25-mm-diameter needle in which numerous 0.1-mm-diameter holes are fabricated bysinking electrical discharge machining. By defining input–output relations according to thepurpose and conducting orthogonal-array experiments, suitable processing conditions areobtained. When using conditions for efficiency, the processing time was decreased by 67%
compared with that obtained when using conditions for accuracy.
key words : sinking electrical discharge machining of minute hole, processing
accuracy, processing efficiency, input-output relations
1 緒
言
放電加工は加工用電極と加工物の間、所謂、極間に起こさせた放電の作用で、加工物表面層を除去する加工法
で、高周波パルス電源により極間に連続的に電圧および電流を流す。トランジスタ電源の場合では、この際のピーク電流値とパルス幅が放電エネルギーの大きさを決定し、単発放電終了後から次の単発放電発生までの休止時間とともに加工速度に影響を与えている。
ピーク電流は、大きさにより加工速度が最大となるパルス幅が存在するため、この組み合せの結果により加工速度は変化する 1)。
放電加工の加工原理は非接触での金属加工を可能としており、微細かつ硬質な加工物への加工も可能にした。
特に放電加工は付与エネルギー量と放電ギャップの関係が高い線形性を持つため、その二つの特性を制御することで 1µm 台の高精度寸法加工が行える。このため高精度な寸法加工が要求される精密金型製作においてマザーマシンの位置付けとなり広く活用されている。一方で加工速度が遅いため生産性に課題があり、加工速度の向上は加工時間の短縮につながるため金型製造におけるリード******タイムの短縮に寄与できる。
ここでは細穴放電加工において、精度と能率の相反する要求に対して精度重視の場合、または能率重視の場合とした目的を分けた細穴放電加工において適切な加工条件探索方法の構築について取り組んだ。
2 実験方法2-1 実験装置
実験装置は創成放電加工機(三菱電機 EDSCAN8E)を用いた。EDSCAN8E は型彫放電加工機の本体に微細加工電源を搭載した装置であり、加工目的に応じた電源を選択できる。この装置の放電加工を行う際の電気条件は、E パックと呼ばれ、これは加工機械製造者が示す電気条件の最適値である。
2-2 細穴加工での要求事項
図 1 のとおり、穴開けの対象は φ0.25mm の SUS 材の針とし、針の側面に φ0.1mm 程度の穴を 10 個開けることが指示されている。この場合に高精度と高能率の各加工条件を求める。

平成 22～24 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）
ものづくり基盤技術第２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 制御因子
精度重視（直交表L18)
精度重視（直交表L18)
1ON
ON
ON
200
33（大）
1414（強）1010（遅）5水準
2OFFOFFOFF
100
61225
33－ON
ON
50
9（小）
10(弱）
40（速）
0

付加電圧(GAP)
付加電圧
時間(AUX)
OFF時間
戻り速度
戻り速度(GAIN)
微細電源回路11010（弱）99（小）1010（遅）①水準
212625②314（強）
3（大）
40（速）
③D回路
µSF回路
コンデンサ回路
電圧LOW
LOW回路

①：強OFFON
OFF②：中OFF
ONON③：弱ONONOFF因子
AB
CDEFGH

図 1 穴開けの要求事項
穴開けの能率重視（直交表L9)
能率重視（直交表L9)

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

yN1
β00.0079

因子

加工深さ(mm)

実除去量 (mm2)

yM

AB
C
D

β0612

理想除去量 (mm2)

加工時間 (min)

精度重視の場合能率重視の場合

M

図 2 目的に応じた入出力関係

2-3 入出力関係
図 2 に精度重視の場合と能率重視の場合の目的に応じた実験の入出力関係を示す
た実験の入出力関係を示す。精度重視の場合は精度重視の場合は、入力
入力 M
2が理想除去量（（mm2）で出力 y が実除去量(mmが実除去量)とし、、信号因子は 1 水準
水準、誤差因子は誤差因子は N1：揺動無：揺動無し、N2：揺動：揺動有り（揺動半径 0.0250mm）を設定した0.0250mm）を設定した。能率重視の場
能率重視の場合は、入力 M が加工時間(min)(min)で出力 y が加工深さ(mm)(mm)とし、信号因子は信号因子は 2 水準、、誤差因子は設定しなかった
設定しなかった
設定しなかった。
精度重視の場合は精度重視の場合は、式(1)に示すばらつきのに示すばらつきの影響に示すばらつきのσ2 と感度の効果 β2 の二つの指標を総合的に判断する SN 比 η で評価し、SN 比 η が大きい程高精度測定が行われていると判定する。一方
一方、能率重視の場合は能率重視の場合は、単に加工時間が短単に加工時間が短ければ良いと定義すれば式ければ良いと定義すれば式(1)の感度の効果の感度の効果 β2 が大きければ良いことになりれば良いことになり、感度感度 β のみで加工の良し悪しを判定した。

β2
η= 2σ回路µSF回路
コンデンサ回路
電圧LOW
LOW回路
ガイドの高さ µm
時間(AUX)
OFF時間
付加電圧
付加電圧(GAP)
戻り速度
戻り速度(GAIN)
サーボ電圧

(1)

ここで η は SN 比(db)、β2 は感度の効果、は感度の効果 σ2 はばらつきの影響であるである。
2-4 因子と水準制御因子は表 1 のとおり設定した。精度重視の場合はのとおり設定した 精度重視の場合は最初の実験であるため直交表 L18 を使用し、各因子の効を使用し 各因子の効果の大きさが不明であったため A～H の 8 種類の因子を割り付けた。
。能率重視の場合は能率重視の場合は 2 回目の実験であったため効果の大きいめ効果の大きい4種類の因子のみを取り上げて直交表種類の因子のみを取り上げて直交表種類の因子のみを取り上げて直交表L9に因子 A～D
D のとおりに割り付けた。のとおりに割り付けた 因子 D は調合して割り付けた。
。共通の加工条件は表共通の加工条件は表 2 のとおりとし、特にのとおりとし 特に加工材は図 3 のとおり精度重視の場合では CCM 合金合金、能率重視の場合では SUS440 とした。これは対象とした針の材質がその時の指示で異なっていたため、割付実験

表 2 共通の共通の加工条件
電極
振れ止めガイド
加工材
加工液
加工液噴出強さ
回転数

φ0.1mm銅パイプ
φ銅パイプ
セラミックス製φ0.1mm
セラミックス製φ
精度重視： CCM合金，能率重視：
精度重視：CCM
合金，能率重視：SUS440
メタルワークスEDF-K2
メタルワークスEDF-K2
77／10-1200min

図 3 加工材（左：CCM
加工材（左：CCM 合金合金、右：SUS440
SUS440）時の材質を針の材質に合わせた時の材質を針の材質に合わせた。
3 実験結果及び考察
3-1
1 直交表実験での結果
図 4 に精度重視の場合の直交表実験でのに精度重視の場合の直交表実験での結果を示す。
。
直交表 L18 の実験番号 No.1～～No.18 毎に加工深さと電極消耗率を図示した。ここで右側の縦消耗率を図示した ここで右側の縦軸とした電極消耗率軸とした電極消耗率とは電極消耗長さ(mm)／加工深さとは電極消耗長さ／加工深さ(mm)×100(%)(mm)×100(%)で表さで表される除去深さに対する電極消耗長さの比であるれる除去深さに対する電極消耗長さの比である。図 4 から加工深さと電極消耗率は反比例の関係である
ら加工深さと電極消耗率は反比例の関係であることがわことがわかる。また、誤差因子
かる
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。
による加工深さの差が小さい。
図 5 に能率重視の場合の直交表実験での結果を示すに能率重視の場合の直交表実験での結果を示す。
。
精度重視の場合と同様に実験番号毎に加工深さと電極消耗率を図示した。
この図から実験番号 No.8 が加工深さが大きく、かつ電極消耗率が小さい良大きく、かつ電極消耗率が小さい良好な加工条件である
好な加工条件である

微細放電加工の高精度化のための加工条件
加工深さ(mm)
電極消耗率(%)

0.61500.4
1000.250

因子

電極消耗率(%)

200023456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18
実験番号0.62001500.41000.250060585623456785452
50013－ONON509（小）
10(弱）
40（速）
0

↑（因子と水準）250
加工深さ(mm)
電極消耗率(%)

SN比 db0.8水準
2OFFOFFOFF1006122531ONONON2003（大）14（強）
10（遅）5µSF回路
コンデンサ回路
電圧LOW回路ガイドの高さ µm
OFF時間(AUX)
付加電圧(GAP)
戻り速度(GAIN)
サーボ電圧

AB
CDEFGH01

加工深さ(mm)

精度重視（直交表L18)250

電極消耗率(%)

加工深さ(mm)0.8

48

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
実験番号

46
1 2

図 4 精度重視の場合の実験結果

1 2 3

1 2 3

1 2 3

1 2 3

1 2 3

1 2 3

1 2 3

OFF時間（AUX)

付加電圧（GAP)

戻り速度（GAIN)

サーボ電圧（SV)EF

GHµSF回路 コンデンサ回 電圧LOW回 ガイドの高さ
路
路（上：N1、下：N2）

B

AC

D0.5

Depth_6min

1,4000.4

Depth_12min
Wear_6min

1,200
1,000

Wear_12min0.3

8000.2600
4000.1

能率重視（直交表L9)

A
B
CD

2000.0012345678

付加電圧(GAP)
OFF時間(AUX)
戻り速度(GAIN)
微細電源回路110（弱）
9（小）
10（遅）
①水準
212625②314（強）
3（大）
40（速）
③D
µSF回路
コンデンサ回路
電圧LOW回路①：強OFF
ON
OFF②：中OFFON
ON③：弱ONON
OFF

因子

電極消耗率 %

加工深さ mm

図 6 精度重視の場合の SN 比(db)の要因効果図↑（因子と水準）9

実験番号：No.8の条件と一致

図 5 能率重視の場合の実験結果
感度 mm-2

ことがわかる。
3-2 要因効果図
図 6 に精度重視の場合の SN 比の要因効果図を示す。
要因効果図とは、各因子において水準毎に SN 比または感度の工程平均を計算しグラフ化したものである。図から因子において SN 比の最も大きい水準の組み合わせである最適条件は A1、 B1、 C1、 D2、 E1、 F3、 G2、H3 となった。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。また、因子 F：付加電圧(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。
図 7 に能率重視の場合の感度の要因効果図を示す。ここでの基本機能は単に加工速度が速いことであるため、体積 mm3 の次元で感度の要因効果図を作成した。その結果、最適条件は A3、B2、C1、D3 となった。これを図 5で示した実験結果の No.8 と比べたところまさに No.8 の条件と完全に一致した。つまり、No.8 の条件が要因効果図で求めた最適条件だったわけである。
3-3 検証実験
オフライン実験による直交表実験で得られた最適条件を使用して、針側面への細穴放電加工を行い、再現性を検証した。表 3 に精度重視と能率重視の場合の電気条件

0.00080.00060.00040.00020123123

付加電圧(GAP)

OFF時間(AUX)AB

123123

戻り速度(GAIN)

マイクロ回路CD-2

図 7 能率重視の場合の感度(mm )の要因効果図を比較した。ここで推奨条件とはメーカが示した E パックである。その結果、精度重視と能率重視では僅かに 3因子のみが異なる設定であり、この 3 種類の因子が加工精度と加工能率の分岐となっていた。
表 4 に加工時間、表 5 に針穴加工での結果を示す。表1 から精度重視の場合は穴 10 個の加工時間は 1 時間 07分 43 秒、能率重視の場合は 23 分 57 秒であった。その結果、1 個あたりの加工時間は精度重視の場合が 6 分 46 秒、能率重視の場合が 2 分 24 秒であった。その結果、能率重視の場合は精度重視の場合に比較して加工時間が約 1／3 に短縮できた。
表5から能率重視では加工時間が1／3に短縮できるがその反面、電極消耗率が精度重視の場合は 32.6％に対し、能率重視の場合は 200.2％と大幅に増加した。
これは深さ1mm の穴を開ける場合に精度重視では電極の消耗長さが 0.326mm、能率重視では 2.002mm を要することを示している。また、精度重視では穴径がφ0.109mm となりφ0.1mm の電極を使用していることから電極の振れ量を岩手県工業技術センター研究報告 第 18 号（2016）
表 3 各目的での電気条件
推奨条件

最適条件
（精度重視）

最適条件（能率重視）

上昇距離 :JUMPOFFOFFOFF501951SF3(－)
00014400ONONON1005029SF6(－)
00010250ONONOFF1005033SF6(－)
00014100

上昇距離/降下時間
降下時間:JU/JD0↑1↓0↑1↓↓0↑1↓000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.
回路選択
OFF時間: AUX
極性切換
加工セッティング:: IP
パルス幅: ON
休止時間: OFF
付加電圧: GAP
戻り速度: GAIN

サーボ電圧 :SV

図 9 能率重視での加工穴

表 4 加工時間(h: m: s)
穴番号

精度重視

能率重視

123
45678
9
10

0:07:01
0:06:47
0:06:27
0:06:25
0:06:01
0:06:48
0:06:55
0:06:43
0:07:04
0:07:32

0:02:27
0:02:27
0:02:24
0:02:23
0:02:23
0:02:23
0:02:220:02:23
0:02:220:02:23

合計

1:07:43

0:23:57

表 5 針穴加工での結果
穴あたりの加工結果
1穴あたりの加工結果
穴径(mm)
放電ギャップ
放電ギャップ(直径,µm)
加工時間(h:m:s)(h:m:s)
電極消耗長さ
電極消耗長さ(mm):p
加工深さ(mm):(mm): q
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)

図 8 精度重視での加工穴精度重視
0.109
8.6
0:06:46
0.082
0.250
32.6
0.9

能率重視
0.143
42.5
0:02:24
0.500
0.250
200.2
縦横の差）
34(縦横の差）

1:07:43

0:23:57

含めた放電ギャップが直径で 8.6µm であるのに対し、能であるのに対し 能率重視の場合は穴径の縦横差で 34µm と楕円形状の穴になった。図なった
8 と図 9 に精度重視と能率重視のそれぞれの加工穴を示す。図加工穴を示す 図 8 の穴は真円に近い丸形状であるがの穴は真円に近い丸形状であるが、、
図 9 ではまさに楕円形状の穴となっている。これは、針針の円筒側面への加工であるため針の肉厚の違いにより除去効率効率が異なり、、楕円形状になったと予想される楕円形状になったと予想される。
楕円形状になったと予想される
4 結
言
φ0.25mm
φの針側面へ φ0.1mm0.1mm の細穴放電加工を行う
際の精度重視と能率重視の目的に応じた加工条件の探索に取り組んだ結果、以下の結論が得られたに取り組んだ結果 以下の結論が得られた。
(1) 各目的に応じた入出力関係を設定して直交表実験を行うことで、を行うことで 目的に応じた加工条件を求めることが出来た。
出来た(2) 1 穴の加工時間が精度重視の場合は穴の加工時間が精度重視の場合は6 分46分 秒に対し、秒に対し能率重視の場合は2分24秒となり能率重視の場合は秒となり0.35倍を達成した倍を達成した。
。
ただし、
ただし 電極消耗率は精度重視の場合で 32.6％に対しに対し、能率重視では 200.2％となりとなり、6.1 倍となった。
倍となった(3) 精度重視の場合ではほぼ真円の穴形状であるのに対し、対し 能率重視では穴の縦横差が能率重視では縦横差が 34µm の楕円形状にになった。
なった文
献1) 三菱電機株式会社：形彫放電加工
三菱電機株式会社：形彫放電加工技術資料
技術資料（2001）