2023 年度 自転車等機械振興補助事業報告書

高アスペクト比放電穴加工における
実加工深さ計測と加工条件の適応制御

工学院大学
武沢

英樹

第一章

緒言

1.1 はじめに放電加工とは、非接触加工であり電極と工作物の間に微小な放電を繰り返し発生させることにより、要求する形状を形成する加工方法である。切り刃となる放電は、加工反力が小さく、工具電極形状をそのまま転写することができる。巨大形状から微細形状まで幅広く形成することが可能であり、形状の自由度が高いことが特徴の一つである。また放電加工は基本的に導電性のある材料であれば、材料の硬さや靭性に関係なく加工が可能である。そのため、ものづくりに欠かせない超硬合金や焼き入れした鉄等を使用した金型の形成および仕上げ加工等の切削研磨が困難な材料加工に用いられている。放電加工法が誕生してから 70 年以上が経過した現在では、高硬度材料の加工にとどまらず、アークプラズ
マを利用した表面性状などの機能付与や、他の加工分野への応用も進んでいる。
1.2 放電加工概要
放電加工は 1947 年頃、ソ連の学者ラザレンコ夫妻により発明された加工法である。日本でも第二次世界大戦後間もない頃から研究が始まり、1948 年から「放電加工法」と命名された。1950 年代には「電気加工研究会」や「電子加工懇話会」などが設立された。
1967 年には両研究会が母体となり「電気加工学会」が設立された。
国産の放電加工機は西部電機やファナック、牧野フライス等の現在でも名のある企業が1960 年～1970 年頃にかけて生産を始めた。世界の先端を行くまでに発展した電気・電子
機器、半導体などの技術力と、主要な販売先である金型産業の急速な規模の拡大を追い風に、日本の放電加工機産業は目覚ましい成長を遂げ、1980 年代には世界トップメーカの多くを日本企業が占めるまでに至った。
放電加工は油や脱イオン水などの絶縁液中で工具電極と工作物をμm 単位で向かい合わ
せ、放電による火花で工作物を溶融除去する除去加工の一つである。放電の熱によって溶融された金属が絶縁液により急激に冷やされ、飛散し、クレータのような除去加工がおこなわれる。このように、放電を断続的に行い、金属の溶解・冷却・飛散を繰り返し加工することが放電加工の原理である。放電加工中は電極と工作物の間で図１.1 に示す A～D の
4 つの放電プロセスを繰り返し行うことで放電加工を行う。放電一回当たりの除去量は数百μ単位であるが毎秒、数千から数十万回を超える放電を繰り返し発生させることで実用的な加工法としている。また放電加工では工作物のみならず電極側も放電により消耗する。電極の消耗量は放電条件により決定される。

2

B．アーク柱成長及び気泡膨張

A．絶縁破壊、放電発生

金属溶融・蒸発・向かい合わせに配置された電・アーク放電が発生した周辺で極と工作物の間に電圧を印加すは超高温が発生し、工作物、電極がると、絶縁破壊が発生しアーク溶融する。発生した熱により、加工放電が発生する。

液が急激に気化、膨張を始める。

C．溶融金属飛散・放電痕形成

D．絶縁回復B.で気化、膨張した加工液が放電終了後、温度の低い加工液

気化爆発を起こすことによってが放電部分へと流れ込み、冷却、溶融部は除去される。

絶縁回復がおこる。

図 1.１ : 放電プロセス

1.3 様々な放電加工
放電加工の種類としてワイヤ放電加工、形彫り放電加工、細穴放電加工の 3 種類に分けられる。
1.3.1 ワイヤ放電加工
輪郭加工とも呼ばれるワイヤ放電加工法は、図 1.2 に示すように X、Y 軸の平面方向と上下に分かれ、相対的な動作を行う U、V 軸の合計 4 軸で加工を行う。電極には黄銅やタングステン等の材料を用い、φ0.05～0.3mm 等のワイヤ電極を常に送り続けながら放電を3発生させ加工を行う。上下ワイヤガイド U、V 軸の位置を相対的に制御させることによって、ワイヤ電極を傾け、テーパカット、上下異形状などの加工が可能である。さらに回転軸を付与し同時 5 軸加工を行うことでドリル形状や複雑なスパイラル形状を加工することも可能である。
一般的に加工液には脱イオン水を使用し、液中で加工を行うため、火災等の心配がない
ことから、無人運転が可能である。
ワイヤ放電加工では、常に新たな電極を送り続けながら加工を行うため電極消耗を考慮せず加工を行える。

図 1.２ : ワイヤ加工概要

4

1.3.2 形彫り放電加工
形彫り放電加工は底付き加工とも呼ばれる。図 1.3 のようにあらかじめ加工したい形状に加工された形状の電極を工作物に近づけて放電加工を行う。電極には銅やグラファイト、
タングステン等の導電性に優れた金属が多く用いられ、これらの素材は形状を加工させやすいような柔らかい金属であることも特徴である。工作物を固定し、電極側を X、Y、Z
軸の 3 軸を動かし加工を行う。切削加工では困難な深い溝やコーナー部も加工が可能である。形彫り放電加工では灯油系の加工液を用いられることが多く、火災の危険性から無人運転ができない。しかし近年では、AI の進出により遠隔での無人運転、保守を可能としている。
工具電極はエッジ等が少量であるが消耗してしまう欠点がある。形彫り放電加工における電極消耗量は長手方向にはあまり消耗しない。そのため、電極の重量消耗率で評価することができる。電極形状にもよるが電極の消耗率は数％の重量消耗率である。

電極重量消耗率 =加工前 電極重量[g] − 加工後 電極重量[g]
加工前 工作物重量[g] − 加工後 工作物重量[g]5
図 1.3 : 形彫り放電加工概要

1.3.3 細穴放電加工
細穴放電加工は放電加工の特徴である非接触加工、及び工具電極形状をそのまま転写できることを生かし、微細穴の加工に特化した放電加工法である。φ0.2～3mm の穴加工が可能である。加工には銅や黄銅等でできたパイプ電極を用いて加工を行う。図 1.４のように、細穴放電加工ではワイヤ、形彫り放電加工とは異なり、パイプ電極内に脱イオン水を流し、放電によって高温になった部分を冷却すると同時に融解した金属片を排出しながら加工を進める。ドリルなどの切削では難しい曲面への穴加工や高アスペクト比の加工が可能である。細穴放電加工で使用するパイプ電極は、形彫り放電加工とは異なり加工中に電極自身も長さ方向に大きく消耗してしまう。その消耗量は、形彫り放電加工のように電極の重量ではなく、長さ消耗率で評価される。

電極長さ消耗率 =加工前 電極長さ[mm] − 加工後 電極長さ[mm]
実際の加工深さ[mm]

細穴放電加工での電極消耗率は工作物や加工条件等により幅があり、80％や 500％を上ることもある。

図 1.４ : 細穴放電加工概要6

1.4 研究背景・目的
1.4.1 研究背景
研究背景には、細穴放電加工では電極の長さ消耗率が大きく、その消耗率は 100％を超えることが多く、電極消耗率を含む主軸降下量を測定しただけでは実加工深さが予測できないといった課題がある。
前述したとおり、形彫り放電加工は一般的に細穴放電加工よりも電極の長さ消耗率が少なく、その消耗率は数％であることから主軸降下量を精確に把握できれば、放電ギャップを加味することで、工作物側の実加工深さを予測することは可能である。しかし、細穴放電加工では、電極の長さ消耗率が大きく、さらにその消耗率は加工後の電極消耗長さと実加工深さから導かれる。そのため細穴放電加工における電極消耗率とは加工全体にわたる
平均的な電極長さ消耗率である。
さらに、細穴放電加工における深穴加工時では放電が不安定になり、主軸降下量が停滞
し、加工速度が変化する。そのため、電極の長さ消耗量が激しい細穴放電加工では加工中、電極消耗量を含む主軸降下量を測定しただけでは、その瞬間の実加工深さを予測することは極めて難しい。よって細穴放電加工において深さが指定された止め穴加工を行う際は、同一放電条件による実加工を複数回行い、電極長さ消耗率を実測するなどを繰り返し行い、主軸降下量を決定する。
1.4.2 目的
本研究は前述した課題解決のため、細穴放電加工における加工中の実加工深さを予測することが目的である。細穴放電加工における実加工深さ予測を行うことで、現在困難とされている細穴放電加工における止め穴加工の効率化や、加工精度の向上、加工時間の短縮、さらには深穴加工での放電不安定に陥る原因究明に携わるといった、様々な面での効果が期待できると考える。方法は、放電加工では発熱が伴うことを利用して、工作物側面
近傍に細穴放電加工を行う際の側面温度変化を予測する解析モデルを構築し、実加工中の深さ方向における側面温度分布の実測値の両者を比較することでその瞬間の実加工深さを
予測する。

7

第二章

深さ方向における側面温度測定

2.1 はじめに本章では、本研究で用いた温度測定機器、温度測定モデル、等について述べる。また深さ方向の温度上昇間隔および主軸降下量との関係と解析モデル構築のために、実加工中における工作物側面温度の実測を行い、取得した基礎データを記す。まず初めに、実加工中に側面温度を実際に測定できるどうか検証実験を行った。その後に解析モデル作成のための側面温度測定を行った。
2.2 熱電対を使用した側面温度測定
熱電対 K タイプを用いた側面温度測定について、用いた機器や測定手法、測定結果を以下に示す。
2.2.1 温度測定に使用した機器加工には、アステック製 A22M 細穴放電加工機を用いる。側面温度測定にはスリーハイ
製の熱電対 K タイプ デュープレックスを使用し、データロガーは TandD 製の熱電対 4ch
温度データロガー MCR-4TC を使用する。また温度データは TandD 製のグラフ解析ソフ
ト T&D Graph からデータ処理を行った。以下に各機器の概要についてまとめる。
機器概要

図 2.1 : 加工に用いた細穴放電加工機の基本構造

細穴放電加工機 アステック製 A22M

8

スリーハイ製 熱電対 K タイプ 概要
・許容差クラス 2（±2.5℃または±0.75%）
・常用温度 250[℃]
・線径 0.32[mm]・絶縁体 ガラス被膜

図 2.2 : スリーハイ製 熱電対 K タイプ

TandD 製 MCR-4TC 概要
・連結して最大 16 チャンネルの同期記録
・測定範囲 －273～1370[℃]
・精度(センサの誤差含まず)±0.5℃ at 本体環境温度 10～40℃±0.8℃ at 上記以外、本体環境温度±(0.5℃+読み値の 0.3 %) at -100℃以上
・測定分解能：0.1[℃]
・記録間隔：
100, 200, 500 ミリ秒
1, 2, 5, 10, 15, 20, 30 秒 1, 2, 5, 10, 15, 20,
30, 60 分
・サイズ：H 120mm×W 75mm×D 32mm
図 2.3 : TandD 製 MCR-4TC

9

T&D Graph 概要
データロガーの記録データファイルを複数読み込み・結合・保存およびグラフ表示する
ソフトウェア。表示しているグラフへのコメ
ントやメモの追加といった編集機能もある
図 2.3 : T&D Graph アイコンおよび概要

2.2.2 測定モデルと温度測定手法
図 2.4 に実際に用いた工作物を、図 2.5 に加工位置および熱電対ガイド、測定点の配置を示す。W100 ×D40 ×H56 mm の炭素鋼（S45C）角材の側面から穴中心 1.5 mm 離れた位置に φ1.0 mm の黄銅パイプ電極、ポンプ圧５Mpa で貫通穴加工を行う。側面温度測定の際には、熱電対を差し込む φ1.0 mm の横穴をあけた厚さ 10 mm のガイド板を、工作物側面に押し当てながら温度測定及び細穴加工を行う。熱電対の差し込み位置は上面から 5mm（ch 1）の位置を最上部として 10 mm 間隔で上面から 45 mm（ch 5）の位置まで合計５点である。各穴に放熱用シリコンを充填し K 熱電対を差し込み工作物側面に接触させる。放電条件は表 2.1 に示す放電条件 A と放電条件 B の 2 種類を用いる。放電条件は加工速度による側面温度比較をするため２種類の放電条件を用いた。

図 2.4 : W100 ×D40 ×56 mm 実際の工作物

10図 2.5 : W100 ×D40 ×H56 mm 温度測定モデル※単位は[mm]

図 2.6 :実際の熱電対による側面温度測定の様子

11表 2.1 :放電条件

Ton
Toff 電流値[μsec] [μsec] ［A］

条件
A
条件
B

20

10

12

10

30

8

軸回転速度 コンデンサ サーボスピード
指定

指定

調整

9

8

27

ギャップ電圧48

表 2.2 : ch1～ch5 までの温度測定点概要
表

2.2.3 側面温度測定結果
W100×D40 ×Ｈ56 mm の結果を示す。図 2.9 に放電条件 A、図 2.10 に放電条件 B の場
合の加工時間に対する主軸降下量と各温度測定点における温度変化を示す。表 2.3、2.4 には加工終了時における主軸降下量、電極消耗量および電極消耗率を示す。放電条件 A では高さ56mm の炭素鋼を 115 秒で、条件 B では 350 秒で加工が終了した。表 2.3、2.4 より電極消耗
量及び消耗率は放電条件 A では 88ｍｍ、157％であり、放電条件 B では 70ｍｍ、129.6％であった。このことから主軸降下量が両者で異なり、放電条件 A では 140 mm、放電条件 B では
120 mm である。
条件 A では ch5 で 100℃近傍であるのに対し、条件 B では ch5 で 70℃近傍と条件 A よりも低い側面温度である。しかしながらどちらの加工条件であっても、加工が進むにつれ、上側の側面温度 ch1 から ch5 まで段階的に側面温度が上昇している。さらに、それぞれの ch でピー
ク温度をとり、その後はそのピーク温度近傍で温度が一定に保たれている。

12

100

0

80

40
60

60
80
100

側面温度[℃]

主軸降下量[mm]

20

40

120
140
0

20

40

60

80

100

20
120

加工時間[sec]
図 2.9 : 放電条件 A による主軸降下量と熱電対を用いた側面温度測定結果
W100 ×D40 ×Ｈ56 mm

表 2.3 : 放電条件 A における主軸降下量や電極消耗率など

放電条件 加工時間 主軸降下量 電極消耗量 電極消耗率
A

115[sec] 140[mm]13

88[mm]

157[%]

0

100

80

40
60

60
80
100

側面温度[℃]

主軸降下量[mm]

20

40

120
140

20
0

50

100

150

200

250

300

350

加工時間[sec]
図 2.10 : 放電条件 B による主軸降下量と熱電対を用いた側面温度測定結果
W100 ×D40 ×Ｈ56 mm

表 2.4 : 放電条件 B における主軸降下量や電極消耗率など

放電条件 加工時間 主軸降下量 電極消耗量 電極消耗率
B

350[sec] 120[mm]1470[mm]

129.6[%]

2.2.4 工作物体積を変化させたときの側面温度測定
本節では解析モデル作成のために工作物高さ 60mm の時の側面温度測定を行った結果を記す。図 2.7 に、工作物の体積を W 100×D 12×H 60 mm と変化させたときの実際に用いた工作物、及び図 2.8 に温度測定モデルを示す。炭素鋼（S45C）角材も同様に細穴放電加工、加工中の側面温度測定を行う。熱電対の差し込み位置は W100×D40 ×H56 mm の
炭素鋼の測定位置と同じ、上面から 5 mm（ch 1）の位置を最上部として 10 mm 間隔で上面から 45 mm（ch 5）の位置まで合計５点と、上面から 55 mm（ch 6）の位置 1 点を追加した合計 6 点である。放電条件は表 2.1 に示す放電条件 A、1 種類のみを用いる。

図 2.7 : 実際の工作物
W100 ×D12 ×H60 mm

15図 2.8 : 温度測定モデル
W100 ×D12 ×H60 mm※単位は[mm]
表 2.5 : ch1～ch6 までの温度測定点概要
表

2.2.5 工作物体積を変化させたときの側面温度測定結果
図 2.11 に W 100×D 12×H 60 mm の主軸降下量と各測定点の温度変化の時間変化を示す。工作物高さを変えたことによって 60mm の炭素鋼を 130 秒かけて加工が終了した。また電極消耗量及び消耗率は、84.5mm、140.8％であり主軸降下量は 150ｍｍとなった。
上面から 55 mm 下の側面温度は 100 ℃を超える温度を示した。こちらも図 2.9 放電条
件 A、図 2.10 放電条件 B と同様に加工が進行するに従い順次時間が遅れて深さ方向側面の温度は上昇し、各 ch で一定温度に保たれていた。

16

0

120

20

主軸降下量[mm]

60

80

80
60

100
120

側面温度[℃]

100

40

40

140
160
0

20

40

60

80

100

120

20
140

加工時間[sec]
図 2. 11: 放電条件 A による主軸降下量と熱電対を用いた側面温度測定結果
W100 ×D12 ×Ｈ60 mm

表 2.6 : 放電条件 A における主軸降下量や電極消耗率など
W100 ×D12 ×Ｈ60 mm

放電条件
A

加工時間 主軸降下量 電極消耗量 電極消耗率130[sec] 150[mm]1784.5[mm]140.8[%]

2.3 サーモカメラを用いた側面温度測定
熱電対による側面温度分布と比較を行うため長波長（8~14μm）の非冷却マイクロボロ
メータ型サーモカメラを用いた側面温度測定を行った。用いた機器や測定手法、測定結果を以下に示す。
2.3.1 温度測定に使用した機器加工には、熱電対 K タイプの側面温度測定と同様にアステック製 A22M 細穴放電加工機を用いる。側面温度測定には日本アビオニクス製のサーモカメラ R450PRO を使用する。
データ記録、処理は日本アビオニクス製の InfReC Analyzer NS9500 Professional とInfReC Analyzer NS9500 Standard を用いて、温度データを処理する。以下に各機器の概要についてまとめる。
機器概要
サーモカメラ R450 PRO

概要

・素子数：480×360
・最小測定距離：0.1m～
・温度測定範囲[℃]

R1：-20~60 R2：-40~120
R3：0~650

R4：0~1500

・温度精度
レンジ 1 のみ±1℃or1％、他±2℃or2%・温度分解能（30℃）[℃]
R1 : 0.05

R2 : 0.08

R3 : 0.3

R4 : 1.2・空間分解能0.87[mrad]
図 2.12 : サーモカメラ R450 PRO 概要
InfReC Analyzer NS9500 Professional 概要
R450 PRO の熱画像、動画撮影（高フレームレート）に必要である。リアルタイム録画およびリアルタイムでの熱画像解析が可能。記録した熱画像データを解析編集は不可。
図 2.13 : InfReC Analyzer NS9500 Professional 概要

18

InfReC Analyzer NS9500 Standard 概要
R450 PRO より取得した熱画像および可視画像データの解析および編集を行う。撮影後の熱画像等のデータ処理解析のみを行える。
リアルタイムデータを取得することは不可。

図 2.14 : InfReC Analyzer NS9500 Standard 概要

2.3.2 測定方法と結果
加工位置および実際の測定方法を図 2.16 に示す。W100×D20 ×60 mm の炭素鋼
（S45C）角材に熱電対を用いた側面温度測定と同様に側面から穴中心 1.5 mm 離れた位置に φ1.0 mm の黄銅パイプ電極で貫通穴加工を行う。側面温度測定の際には、ワーキング
ディスタンス 0.3ｍで毎秒 40 コマで記録を行う。放射率値は 0.3 として、熱電対を用いた
側面温度と近似するような側面温度になるように設定し側面温度測定を行う。また加工液が測定面に漏れ出ないよう、図 2.17 のように加工液をせき止めながら加工を行う。
W100×D20 ×60 mm の加工の放電条件は表 2.1 に示す放電条件 A の一種類のみを用いた加工を行う。
温度測定点は、熱電対による側面温度測定手法と同様の位置として、撮影距離と空間分解能から温度測定点 ch1～ch6 までを決定した

図 2.15 : 実際の工作物
W100 ×D20 ×Ｈ60 mm
19図 2.16 : W100 ×D20 ×Ｈ60mm 温度測定モデル※記載していない単位は[mm]

図 2.17 :実際のサーモカメラを用いた側面温度測定の様子

202.3.3 測定結果
サーモカメラによる W100×D20 ×60 mm の結果を示す。図 2.18 に放電条件 A における加工時間に対する主軸降下量と各点の温度変化を示す。放電条件 A を用いた加工では高さ 60mm の炭素鋼を 150 秒で加工が終了した。電極消耗量及び消耗率は 84ｍｍ、140％であった。
サーモカメラによる側面温度測定であっても ch6 で 100℃を超える側面温度を記録した。熱電対による側面温度測定の結果と同様に加工が進むにつれ、上側の側面温度 ch1 から ch6 まで段階的に側面温度が上昇している。さらに、それぞれの ch でピーク温度をとり、その後はそのピーク温度よりも若干温度は低下するものの、各 ch で温度が保たれて
いる。

0

120
100

40
60

80

80
60

100
120

側面温度[℃]

主軸降下量[mm]

20

40

140
160
0

20

40

60

80

100

120

140

20
160

加工時間[sec]
図 2.18 : 放電条件 A による主軸降下量とサーモカメラによる側面温度測定結果
W100 ×D20×H60 mm

21

表 2.7 : サーモカメラを用いた場合の放電条件 A における主軸降下量や電極消耗率など
W100 ×D12 ×Ｈ60 mm

放電条件
A

加工時間 主軸降下量 電極消耗量 電極消耗率150[sec]

140[mm]84[mm]

140[％]

2.4 まとめ
熱電対、サーモカメラを用いた側面温度測定の結果よりどちらの測定手法であっても、類似した傾向の側面温度分布となることが分かった。細穴放電加工中では加工速度にかかわらず、側面温度は上方の側面から下方の側面温度が段階的に上昇し、それぞれの測定点
で温度ピーク値を取ることが分かった。また温度ピークを取った後はその温度ピークで側面温度は一定に保たれる。ch 1 や ch 2 などの上部の側面温度測定位置では、加工が進行し加工部がその位置を通過したあと、側面温度はサーモカメラによる温度測定では側面温度はある程度低下するものの、一定温度を保つ傾向にある。これは、パイプ電極中心から排出される加工液が放電位置で高温になり、その高温の加工液が放電ギャップの隙間を通って上部に排出される。この高温液体から工作物への熱伝達によって側面温度が低下しな
い、もしくは一定の温度を保つ原因であると考える。またサーモカメラと熱電対による側面温度測定結果の誤差原因は、放射率値が 0.3 と極端に低いことから、温度測定周囲の温度や測定面に反射した温度をとらえてしまったのが原因であると考える。
これら、深さ方向の側面温度上昇間隔またはピーク温度を取る時間、および主軸降下量との関係等をもとに、細穴放電加工における深さ方向側面温度分布を数値解析でモデル化し、実加工深さをリアルタイムに予測するシステムの構築を目指す。

22

第三章

細穴放電加工における深さ方向側面温度分布の簡易解析モデル
3.1 はじめに前章で、細穴放電加工時に深さ方向側面温度分布は上方から段階的に温度が変化し、一定温度を保つことが分かった。そこで本章では実測値のデータから解析モデルを構築し、熱源位置と側面温度分布の関係を探る。初期モデルとしてとして材料除去過程や加工液による噴出等は考慮せず、材料内部を放電点に見立てた一定の熱量を持つ発熱体が上方から下方に移動した際の、側面温度変化を捉えることを目的とする。
解析には COMSOL Multiphysics ver5.3 を用いて解析を行う。COMSOL Multiphysics
は多様な解析をまとめて行うことができ、例として流体力学、伝熱、化学反応の 3 種類を組み合わせた解析が可能な解析ソフトである。本研究では伝熱固体フィジックスを用いて工作物と電極間の熱伝導の解析を行い、構造力学フィジックスと移動メッシュフィジック
スを用いて熱源の移動をモデルし熱源移動の解析を行った。本章では解析モデル及び解析
条件、結果などを記す。
3.2 解析モデル
炭素鋼ブロックの側面から中心位置で 1.5 mm 離れた位置に、直径 1.0 mm の細穴加工を行う際の側面温度変化を解析するモデルを構築する。図 3.1 に示すように、W 30×D
10×H 60 mm のサイズで工作物を定義し、電極は、φ1.0 mm 高さ 60mm の中実銅電極と定義する。図 3.2 に示すように工作物側面から穴中心で 1.5 mm 離れた位置に φ1.0 mm の貫通穴を空けておき、上方に φ1.0 mm の中実銅丸棒を、下方に同一直径の炭素鋼丸棒を、対向面を接触させて穴位置に配置する。工作物と炭素鋼丸棒、中実銅電極モデルの材
料にはそれぞれ steel と copper を定義し材料物性値は表 3.1 に示す。
図 3.1 に示すように工作物、電極モデルともにオートメッシュ機能でメッシュ分割する。メッシュサイズについてはオートメッシュ機能を用いているため、サイズが 0.48～
6.61mm と場所によってサイズが異なるメッシュを定義する。メッシュはログより 42592
ドメイン要素, 7588 境界要素, 1641 エッジ要素からなるメッシュが作成された。

23

図 3.1 : 解析モデル及びメッシュモデル概要
W30 ×D10×H60 mm

図 3.2 : 工作物モデルと電極モデルの接触面概要
W30 ×D10×H60 mm

24

表 3.1 : 材料物性値

3.3 解析条件
実加工でのパイプ電極を用いた加工液による噴出や加工液から工作物への熱伝達、放電による材料除去は考慮しない。
初期条件として、初期外気温、個体初期温度ともに 20℃と定義した。そのほかの初期値については解析概要の図 3.3 に示す。
炭素鋼丸棒は初期状態として工作物上面に一致させる。また中実銅電極は工作物上面から 0.1mm 上方に炭素鋼丸棒と向かい合わせて配置する。両者の接触面は熱伝導固体フィ
ジックスで、以下の伝熱式で定義する。解析開始と共に中実銅電極と炭素鋼丸棒の対向面を接触させたまま、下方に移動する。炭素鋼丸棒と既設穴側面も熱伝導固体フィジックス
でコンタクトペアと定義し熱の移動があるものとしている。銅丸棒先端と中実銅電極先端の接触面を熱源として定義し、φ1.0mm に 15 W の熱量が常に存在するとした。この熱量は幾度か解析を試行し、解析における工作物側面の温度が図 2.10 の実加工における実測値に近似するよう設定した。このときの中実銅電極と炭素鋼丸棒の移動速度は、構造力学フィジックスと移動メッシュフィジックスを用いて 0.45 mm/s と定義した。これは、図 2.11に示した細穴放電加工における実際の加工時間から、穴加工が定常速度で進行していると仮定して算出した値を用いている。中実同丸棒と既存穴側面と炭素鋼丸棒と既存穴側面との摩擦は無いものとしている。
解析には 3 次元非定常解析を用い 0~140 秒まで計算を行う。図 3.5 に示すように計算間隔（stepsize）はログより 0.0042~0.092 秒間隔で行われた。
以下に解析に使用した初期値、フィジックスおよび用いられた方程式、計算ログ等を記
す。

25

解析概要

図 3.3 : 解析における外気設定概要

図 3.4 : 伝熱個体フィジックスにおける方程式概要26

図 3.5 : 計算ログ抜粋
3.4 解析結果
図 3.6 に、上記解析による熱源の移動と図１に示した温度測定位置 ch 1～ch 6 の側面温度変化を示す。解析モデルでは高温の加工液から工作物への熱移動を考慮していないため熱源が通過すると上方の ch の温度は材料内部の低温部へ熱が移動することから各温度測定
点で温度が低下した。図 3.7 に示すように、各測定点におけるピーク温度を示す時間とその瞬間の熱源位置に注目したため、図 3.7 ではピーク温度を示した以後はその温度を保つ
ように補正して表示している。図 3.7 より、材料内部の熱源が移動する際の側面温度の時間変化を簡易的に解析した結果であるが、図 2.11 の細穴放電加工における実加工の側面温度変化に近い結果を得ることができている。
また、表 3.2 解析による温度データ、熱源位置のログより、熱源位置が測定点真横にある
場合に温度ピークを取るのではなく、熱源位置が測定位置より少し下方 0.6～0.9mm ほど進んだ瞬間に ch１～ch６の各測定点での側面温度はピーク値を取ることが分かった。
27

0

100

10
20
30

60

40

側面温度[℃]

熱源位置[mm]

80

40
50
60
0

20

40

60

80

100

120

20
140

時間 [sec]
図 3.6 : 解析結果温度処理なし

0

100

10
20
30

60

40
40
50
60
0

20

40

60

80

100

時間 [sec]
図 3.7 : 解析結果温度処理あり
28

120

20
140

側面温度[℃]

熱源位置[mm]80

表 3.2 : 解析による温度データ、熱源位置のログ一部抜粋

29

3.5 まとめ
ごく単純な移動熱源モデルでランダムな入熱である放電による側面温度変化を実加工中の側面温度変化と近しい値にすることが可能である。また、本解析モデルでは放電による材料除去や加工液の噴出等を考慮していないモデルである。そのため、温度ピークを取ったあと ch1 や ch2 といった上方の温度測定点は、熱源位置が下方に進行するにつれ徐々に
材料内部の低温部へ熱が移動することによって温度が低下してしまう。しかしながら、細穴放電加工における実加工中の側面温度分布を数値解析によってモデル化することができ、熱源位置と工作物側面の温度分布の相対的な関係を導くことができた。本解析モデル
で、測定点真横に熱源位置があるときに温度ピークを取るのではなく、熱源位置が下方に0.65～0.9mm ほど進んだ瞬間に温度ピークを取ることから、個体間の伝熱による熱移動の遅延を数値解析で求められた。

30

第四章

細穴放電加工中の実加工深さ予測実験

4.1 はじめに前節で構築した簡易的な移動熱源モデルによる解析結果導くことができた。そのため本章では前節で得た解析をもとに、細穴放電加工の途中で加工を停止し、その瞬間までの側
面温度分布から実加工深さを予測することを試みた。本章ではどのように予測したか、予測値と実測値の誤差、誤差の原因等について記す。
4.2 実験モデルおよび実験方法
第 2 章で用いた W 100×D 12×H 60 mm の大きさの炭素鋼角材を工作物として用いる。使用する電極も同一のφ1.0mm、長さ 400mm の電極を使用し加工を行う。温度測定
方法は熱電対による温度測定方法を用いる。熱電対による側面温度測定は図 2.7 と同一のモデルを使用し実加工中の側面温度測定を行う。放電条件については、表 2.1 の放電条件
A を用いる。
4.3 側面温度結果
図 4.1 に細穴放電加工中、主軸降下量 115 mm の瞬間に加工を停止した際の主軸降下量とそれぞれの側面温度測定点における温度変化を示す。このときの加工時間は 102 秒である。
4.4 実加工深さの予測と計測誤差
前節で求めた側面温度の実測値と解析で得た側面温度データをもとに実加工深さ予測を行う。予測の方法結果を以下に記す。
4.4.1 実加工深さ予測の方法
本実験では各 ch のピーク温度を示す時間に注目した。そこで図 4.1 より実加工中における ch 3 のピーク温度発生と ch 4 のピーク温度発生時間の間隔は 21 秒程度であり、この温度ピーク間隔は、図 3.7 の解析結果でもほぼ同等である。この判断から図 4.1 における ch
5 の温度はほぼピーク温度を示した瞬間であると考察した。図 3.7 の解析結果において ch
5 上面から 45mm でのピーク温度を示した瞬間の熱源位置を参照したところ、約 46 mm
である。

31

図 4.1: 放電条件 A による加工途中までの主軸降下量と熱電対を用いた側面温度の時間変化
W100 ×D12 ×Ｈ60 mm

4.4.2 予測結果と実測加工深さ
前節より ch 5 の側面温度実測ピーク値を取った瞬間のみを参照して実加工深さを予測すると 46mm である。一方で主軸降下量 115 mm で停止した後の実加工深さを、φ0.8mm の電極を挿入して実測したところ 48 mm であった。また電極消耗量と電極消耗率について
は、67ｍｍと 139.58％であった。側面温度の実測から解析データを参照して予測すると、2mm の誤差が生じた。

32

表 4.1: 放電条件 A による加工途中までの加工深さの予測値と実測値
W100 ×D12 ×Ｈ60 mm

表 4.2 : 放電条件 A による加工途中までの主軸降下量と電極消耗率など
W100 ×D12 ×Ｈ60 mm

4.5 まとめ
細穴放電加工における実加工深さを側面温度と解析による側面温度分布から予測することができた。ある ch におけるピーク温度に注目して予測した実加工深さである。しかしながら、本実験で用いた解析モデルは、放電による材料除去や加工液の噴出、加工液から工作物への熱伝達等を考慮していないモデルである。単純に材料内部を熱源が移動するモデルであり、実加工とは異なる。そのため、より予測実加工深さの精度を高めるには解析モデルをより実加工に寄せたモデルに改良することや、一つの ch におけるピーク温度だ
けでなく、他の ch との相関を用いて細穴放電加工における実加工深さ予測をすることで予測精度が向上できると考察する。

33

第五章

結言

5.1 本研究のまとめ
細穴放電加工における実加工深さの予測を目的に、貫通加工時における側面の温度分布の実測、解析モデルの構築および細穴放電加工における止め穴加工時の側面温度の実測を行い、実加工深さの予測を行った。
1)

細穴放電加工による貫通穴加工時に側面温度はある加工時間で温度ピークを取り、今回の加工位置、放電条件での側面温度は ch５や ch6 で 100℃近くなることが分かった。また、細穴放電加工中加工穴近傍の側面温度はある一定の温度に保たれる。これは、放電により高温になった加工液から工作物へ熱が伝達していることが原因であると考えられる。

2)

細穴放電加工による貫通穴加工時の側面温度や主軸降下量などの基礎データをもとに材料内部を熱源が移動するとした簡易的な細穴放電加工の側面温度変化モデルを作成することができた。このモデルにより、工作物側面温度と熱源位置の相対的な時間変化を予測することができた。ただし、このモデルはパイプ電極からの加工液の噴出、加工液から工作物への熱伝達や放電による材料除去過程を考慮していない簡易モデル
である。

3)

高さ 60 mm の炭素鋼角材の側面から穴中心で 1.5 mm 離れた位置に、φ1.0 mm の黄
銅パイプ電極で穴加工を実施し、主軸降下量 115 mm で加工を停止した。その時間までの側面温度測定データのうちピーク温度を示す時間に注目して実加工深さを予測した結果、誤差マイナス 1.3 mm で予測することができた。

参考文献
1.

武沢英樹， トコトンやさしい放電加工の本， 日刊工業新聞社 20142.

岩崎 健史 放電加工機技術の系統化調査 技術の系統化調査報告
第 32 集 2023 年 3 月「https://sts.kahaku.go.jp/diversity/document/system/pdf/132.pdf」

3.

Hideki Takezawa et al., “Effects of electrode cross-sectional shape and machining fluid
ejection pressure on small hole EDM”, International Journal of Electrical Machining,
pp.28-34, No.27 (2022).

4.

株式会社スリーハイ デュープレックス（先端溶接）タイプ（クラス 2 ガラス被覆）「https://www.threehigh.co.jp/products/index.php?dispatch=categories.view&categor
y_id=32」
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最終閲覧 : 2024.1.31
5.

TamdD おんどとり MCR-4series「https://www.tandd.co.jp/product/ondotori/mcr4-series/mcr4tc/」
最終閲覧 : 2024.1.31

6.

日本アビオニクス株式会社 InfReC R450 シリーズ
「https://www.avio.co.jp/products/infrared/lineup/ir-thermo/r450/」
最終閲覧 : 2024.1.31

7.

Jan-Philipp Weiss 小さな自動時間ステップに対抗するための戦略「https://www.comsol.jp/blogs/strategies-to-counter-small-automatic-time-steps/」
2020.3.16 更新 最終閲覧 : 2024.1.31

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