形彫放電加工機における加工時間短縮に関する研究

電気加工研究室
指導教員

小林和彦

知能機械コース
1055075
和田浩一

目次
第 1 章 形彫放電加工においての最適加工条件の選定
1.1 緒言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5
研究背景・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5
1.2 実験装置及び測定方法

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 6

1.3 加工深さと加工時間及び加工面粗さの関係についての調査研究・・ 10
1.3.1 実験概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・10
1.3.2 加工条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・10
1.3.3 実験方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・12
1.3.4 実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・13
1.3.5 考察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 15
1.4 各加工条件における加工深さと表面粗さの関係について・・・・・・16
1.4.1 実験概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 16
1.4.2 実験方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 19
1.4.3 実験結果及び考察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 19
最適加工条件の選定と実験結果・・・・・・・・・・・・・・ 25
1.5 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 28

2

第２章 放電・超高速回転ミーリングによる面性状の改善・・・・・・・
2.1 緒言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

29
29

1.1 従来の磨き作業について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 31
2.2 実験装置及び測定方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2.2.1 実験装置・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2.2.2 実験装置接続図・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2.2.3 6 軸センサ概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

32
32
38
40

2.3 切り込み深さと残留放電痕の関係についての実験・・・・・・・・
2.3.1 実験概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2.3.2 実験方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2.3.3 実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)放電荒加工面 15μm/Ry に対して加工を施した実験結果・・・
・顕微鏡写真による実験結果・・・・・・・・・・・・・・
・表面粗さの実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・センサによる Force/Torque の測定結果 ・・・・・・・・・
・放電荒加工面 15μm/Ry においての考察・・・・・・・・・(2)放電荒加工面 25μm/Ry に対して加工を施した実験結果・・・・・顕微鏡写真による実験結果・・・・・・・・・・・・・・
・表面粗さの実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・センサによる Force/Torque の測定結果 ・・・・・・・・・
・放電荒加工面 25μm/Ry においての考察・・・・・・・・・
2.3.4 結言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

45
45
45
47
47
47
50
51
55
60
60
63
64
67
71

2.4 放電面においての超高速回転ミーリング最小切り込み量での最大ピック量の選定 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 76
2.4.1 実験概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 76
2.4.2 実験方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 76
2.4.3 実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 78(1)放電荒加工面 15μm/Ry に対して加工を施した実験結果・・・
78
・顕微鏡写真による実験結果・・・・・・・・・・・・・・・ 78
・表面粗さの実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 81
・センサによる Force/Torque の測定結果 ・・・・・・・・・ 82
・ 放電荒加工面 15μm/Ry においての考察・・・・・・・・ 85

3

(2) 放電荒加工面 25μm/Ry に対して加工を施した実験結果・・・・ 88
・顕微鏡写真による実験結果・・・・・・・・・・・・・・・ 88
・表面粗さの実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 92
・センサによる Force/Torque の測定結果 ・・・・・・・・・ 93
・放電荒加工面 25μm/Ry においての考察・・・・・・・・・ 98
2.4.4 結言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・102
2.5 加工パターンの変化と表面粗さについて・・・・・・・・・・・・
2.5.1 実験概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2.5.2 実験方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2.5.3 実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2.5.4 結言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

106
106
106
107
108

2.6 3 次元形状による実験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2.6.1 実験概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2.6.2 実験方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2.6.3 実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2.6.4 結言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

109
109
109
113
114

2.7

結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 115

謝辞・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 117
参考文献・資料・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

118

付録・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 119
1. Force/Torque データ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 119
2. エンドミルの加工距離と磨耗についての顕微鏡写真・・・・・・
125

4

第1章

形彫放電加工における最適加工条件の選定

1.1 緒言研究背景
一般に形彫放電加工機の利用技術は、熟練と経験が必要とされ、ユーザの使い方の違いによって加工効率にかなりの差が出ると言われてきた。とくに加工条件は、加工深さとともに細かく変化させて選定するために、どのようにして加工条件を選定したらよいかについては、利用してまだ日が浅いユーザにとっては、なかなか理解できない難しい問題ということになる。そのため、たとえユーザの加工内容から見て若干不適当であっても、メーカから与えられた一般的な加工条件を利用して加工を行う場合が通常である。それに加え形彫放電加工機の加工速度（単位時間当たりの工作物除去量）は、一般的に他の刃物を使用する切削加工に比べ遅いのがデメリットであり、最適な加工条件の選定は形彫放電加工機の加工時間短縮にも大きく関連するものである。
この加工条件の決定では、荒加工から仕上げ加工までの多段条件を加工精度を満足させ、かつ加工時間が最短になるように決定することが問題となる。この問題の解決には、多段階加工での加工工程が明確になっていなければならない。これまでの加工条件の最適化に関する研究として、岸は多段加工工程における加工特性について検討されているが 1)、最適化加工方法においては未だ確立していない。また、多段加工に対する最短加工条件は、加工段数と加工条件（荒加工から仕上げ加工までの加工面粗さの組合わせ）を同時に最適化しなければならないと述べている 2)。
そこで、本研究では、メーカから与えられた加工ノウハウに基づき、実際に加工を行いデータベース化することにより多段階加工条件を技術的に解明し、実際に加工する場合の加工条件の最適選定を目的とした研究である。上述したとおり、加工
条件は加工深さに対して細かく加工条件を変化させる必要があり、かなりの熟練と経験を要する場合が多い。したがって、加工条件の選定を技術的に解明し、Technology としてとらえることは非常に意義があり、今後の形彫放電加工の利用技術の発展に大きく貢献するものと考えられる。

5

1.2 実験装置及び測定方法(1)形彫放電加工機

三菱電機社製 VX10

本研究においては、
図 1-1 に示す三菱製形彫放電加工機 VX10 を用いて行った。
また、同機の主な仕様を表 1-1 に示す。

図 1-1

表 1-1

形彫放電加工機の外観写真

形彫放電加工機 VX-10 の主な仕様

最小指令単位0.1μm

最小駆動単位

0.1μm

駆動方式

AC サーボモーター

位置検出方式

ロータリーエンコーダー本研究において、使用した加工条件は、形彫放電加工機 VX-10 に内蔵されている加工条件自動探索機能である ESPA3)を使用して加工条件を導きだした。加工条件自動探索機能の仕組みを図 1-2 に示す。図 1-2 において、入力データに仕上げ面粗さ、加工面積、加工深さなどの条件を入力し、また、優先度においては加工における優先度、例えば、速度重視や表面粗さ重視などがあげられるが、それらを入力するば、図に示した構造において、メーカの加工ノウハウに基づき最適な加工条件が生成される仕組みである。

6

加工特性

知能

データ

データベース

入力
データ

優先度

推論エンジン
加工条件

加工条件

生成部

補正部

図 1-2

(2)東京精密製

加工条件

加工条件自動探索機能の仕組み

小型表面粗さ測定器

ハンディサーフ E‐30A

面粗さ測定器は図 1‑3 で示した東京精密製、小型表面粗さ測定器 E‐30Aを使用し、その仕様を表 1‑2 に示す。

図 1‑3

面粗さ測定器7表 1-2

面粗さ測定器 E‐30A の仕様

測定範囲

X 軸:12.5mm Z 軸:±160μm

変換器

差動インダクタンス方式

触針先端

ダイヤモンド 90o円錐 5μmR

測定力

4mN(0.4gf)以下

パラメータ(JIS)Ra,Rmax,Ry,Rz,Rt,Rtm,Rpm,Pc

面粗さ測定器は、形彫放電加工後の加工表面の測定に用い、本章の研究においては Rmax を使用した。測定方法は図 1-4 に示したとおりであり、加工表面に対して 4 箇所を二度測定した。測定において、カットオフ値は、0.8mm で行い、測定長さは 4mm で行った。また、図に示した測定パターン①は、加工機手前側と定義して測定を行う。

放電面

③
④

②
①

図 1-4

面粗さ測定パターン8

測定パターン

(3) 測定顕微鏡

MITUTOYO

TF−510F

形彫放電加工を施したワークに対して、図 1‑5 に示す測定顕微鏡にて観察、及び測定を行った。この顕微鏡は 30〜500 倍まで測定できる他に、測定機能を持っており、クロスゲージを利用して X 軸、Y 軸共に最小 1μm までの計測を行うことが可能である。また、機械上部にマイクロ・ネット社の NYpixW マルチシステムを介在させることにより、NIKON
coolpix950 を装着してデジタルカメラで画像を記録することが可能である。本実験では加工表面観察には 500 倍の倍率を用いた。同機の主な仕様を表 1‑3 に示す。

表 1‑3

測定顕微鏡の仕様

形式

支柱直立型

接眼鏡筒

30°

対物レンズ倍率

×3、×10、×50

接眼レンズ倍率×10

透過照明装置

反射照明装置

測定最小寸法1μM

接続用アタッチメント

マイクロ・ネット社製 NypixW マルチシステム 00201

記録用デジタルカメラ

NIKON

COOLPIX

図 1‑5

950

測定顕微鏡の外観写真

9

1.3 加工深さと加工時間及び加工面粗さの関係について
1.3.1 実験概要
形彫放電加工機 VX10 の制御装置に内臓されている、加工条件自動探索機能(以下ESPA と略称)の推奨加工条件を使用して実際に加工を行い、その際の加工時間に対する加工深さおよび加工面粗さの変化を調査する。

1.3.2 加工条件
加工条件は、加工深さに応じて、加工条件と揺動条件を変化させて加工を行う、
いわゆる多段階加工の条件を上述した ESPA によって求めた。また、ESPA 内のパラメータである面粗さ重視と加工速度重視の 2 種類の加工条件を求め使用した。それぞれの加工条件を表 1-4 と表 1-5 に示す。
表 1-4 面粗さ重視の加工条件表
電気条件

4753

4754

4755

4756

4757

4758

4759

4760

回路選択

SC

SC

TP

TP

TP

TP

GM

GM

補助電源

4

4

0

0

0

0

0

0

極性切換

＋

＋

＋

＋

＋

＋

−

−

加工ｾｯﾃｨﾝｸﾞ

4.2

2.3

1.5

1.3

1.2

0.2

1.2

1.2

ﾊﾟﾙｽ幅

8.6

6.5

6.0

4.0

2.0

1.0

0.1

0.1

休止時間

10.5

5.0

4.0

4.0

2.0

2.0

0.4

0.4

F 回路

0

10

10

13

15

13

13

13

放電安定

1

1

1

1

1

1

1

1

上昇距離

4

3

3

3

3

3

4

4

降下時間

1

1

1

1

1

1

3

3

ｺﾝﾃﾞﾝｻ切換

0

0

0

0

0

0

0

0

加工調整

80

80

70

60

60

60

50

50

サーボ電圧

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

OP 感度

8

8

8

8

8

8

8

8

10

表 1-5 加工速度重視の加工条件表
電気条件

4817

4818

4819

4820

4821

4822

4823

4824

回路選択

SC

SC

TP

TP

TP

TP

GM

GM

補助電源

4

4

0

0

0

0

0

0

極性切換

＋

＋

＋

＋

＋

＋

−

−

加工ｾｯﾃｨﾝｸﾞ

4.2

2.3

1.5

1.3

1.2

0.2

1.2

1.2

ﾊﾟﾙｽ幅

8.6

6.5

6.0

4.0

2.0

1.0

0.1

0.1

休止時間

10.5

4.0

4.0

4.0

2.0

2.0

0.4

0.4

F 回路

0

10

10

13

15

13

13

13

放電安定

1

1

1

1

1

1

1

1

上昇距離

4

3

3

3

3

3

4

4

降下時間

1

1

1

1

1

1

3

3

ｺﾝﾃﾞﾝｻ切換

0

0

0

0

0

0

0

0

加工調整

80

80

70

60

60

60

50

50

サーボ電圧

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

0.0

OP 感度

8

8

8

8

8

8

8

8

電気条件として E 番号が振り当てられており、これはメーカで規定されている種々な電気条件の組み合わせである。加工段階が進むにつれて電気条件が弱まる方向になっている。
また、加工深さ( Z )と揺動半径( R )の各加工段階における設定値は、それぞれ表
1-6、表 1-7 に示す。また、このときの揺動パターンは、円モードであり、加工途
中はスパイラルに Z と R を変化させる方式である。

表 1-6

面粗さ重視の各段階における加工深さ Z と揺動半径 R の設定値 [Z,R:mm]

加工段階

1

2

3

4

5

6

7

8

絶対移動

Z

-0.161-0.367-0.411-0.433-0.452-0.473-0.492-0.522

揺動半径

R

0.333

0.494

0.533

0.550

0.563

0.578

0.595

0.555

揺動ﾊﾟﾀｰﾝ D

200

E

4753

4754

4755

4756

4757

4578

4579

4760

電気条件

11

表 1-7

加工速度重視の各段階における加工深さ Z と揺動半径 R の設定値 [Z,R:mm]

加工段階

1

2

3

4

5

6

7

8

絶対移動

Z

-0.251-0.401-0.433-0.449-0.463-0.478-0.492-0.522

揺動半径

R

0.405

0.522

0.550

0.562

0.572

0.583

0.595

0.555

揺動ﾊﾟﾀｰﾝ D

200

E

4817

4818

4819

4820

4821

4822

4823

4824

電気条件

表 1-6 と表 1-7 を見てわかるように加工速度重視の方の加工取り代は、面粗さ重視のそれに比べて、荒、中加工段階で少しでも深く加工して加工時間の短縮を狙っていることが分かる。

1.3.3 実験方法
実験に使用した電極は、図 1-6 に示すようなφ12mm の円筒形の銅(Cu)を用い、ワーク材料は、S50C と SK-5 の 2 種類を用いた。実験は、前述した速度重視及び、面粗さ重視の 2 種類の加工条件で加工を行い加工時間 60sec に一度、加工機のモニ
ターから加工深さ( Z )の値をプロットする。また、各加工段階ごとに加工をストッ
プさせ各加工段階終了時の加工面粗さを面粗さ計 E-35A を用い加工面を 4 パター
ン測定しその平均を求めた。また、各加工開始時において、銅電極底面を#1500 の耐水ペーパーで磨き、各加工開始時においての電極の面粗さを一定とした。

図 1-6

銅電極写真

12

1.3.4 実験結果
実験結果を以下に示す。まず、ワーク材料として S50C の場合の面粗さ重視
および加工速度重視の場合の、加工時間に対する加工深さおよび面粗さとの関係を図 1-7、図 1-8 にそれぞれ示す。

図 1-7

加工時間に対する加工深さおよび面粗さの関係

図 1-8

加工時間に対する加工深さおよび面粗さ

13さらに、ワーク材料が SK-5 の場合の加工速度重視に対応した実験結果を、図1-9 に示す。また、SK-5 においては、加工深さと加工時間の関係をより詳しく知るために加工深さのプロット時間を 5sec に一度とし示す。

図 1-9 加工時間に対する加工深さおよび面粗さ

14

1.3.5 考察
まず、図 1-7 と図 1-8 においてのワーク材料 S50C においての加工面粗さ重視と加工速度重視とでは、最終での面粗さがほとんど同一にもかかわらず、最終加工時間の比較で非常に大きな差があることが分かる。次に、図 1-8 と図 1-9 においての加工速度重視でのワーク材料の違いにおいて比較してみると S50C に比べ
SK-5 のほうが若干最終加工時間が短いことが言えるが、この程度の長時間加工を考慮すると、ほとんど差がないと見ることができる。また、全体の加工時間を見ると荒、中加工時間が全体の 1/3、仕上げ段階の加工時間が 2/3 を占めている
ことがそれぞれのグラフにおいて言える。
図 1-7 と図 1-8 において荒、中加工時間を比較すると加工面粗さ重視の方が、
およそ 34 分で、加工速度重視の方が、およそ 23 分であり、荒、中加工で少しでも加工代ろを深く設定している加工面粗さ重視のほうが加工時間が短縮されているといえる。すなわち、荒、中加工段階において最終加工深さに対してどこまで加工深さを深く追い込んでいけるかが、荒、中加工段階の時間短縮となりその結果、仕上げ加工においての加工深さが少なくなり、仕上げ段階においての加工時間短縮につながると考えられる。本実験での加工速度重視と加工面粗さ重視のそれぞれの各段階における加工深さの比較を表 1-8 に示す。
表 1-8

加工面粗さ重視と加工時間重視の各段階における加工深さ(Z)の加工値[mm]
5

6

7

8

加工面粗さ重視 0.161 0.206 0.044 0.022

0.019

0.021

0.019

0.030

0.251 0.150 0.032 0.016

0.014

0.015

0.014

0.030

加工段階
加工速度重視1234

次に、各加工段階について見ると、各加工段階の加工深さ設定値に達したの
ちに加工深さがフラットになっている部分が見られる。これは、電極が揺動運
動しながら加工をしているため、電極のある一点が加工深さ設定値に達したの
ち揺動運動により面を均一にしているものと考えられる。また、この揺動運動に費やしているグラフのフラットの部分が意外に無視できない程度の時間がかかっていることが分かる。とくに、仕上げ段階においては、この部分の時間が８割程度、荒、中加工においても 1/3 から 1/2 程度費やしていることが分かる。このことにより、揺動も加工時間に大きく関わっていることが分かる。

15

1.4 各加工条件における加工深さと表面粗さの関係について
1.4.1

実験概要

3 節の実験において使用した多段階式の加工条件をもとに、各加工段階における加工深さと表面粗さの関係を調査する。実験は、荒加工で仕上げ加工深さに対して多く加工深さを設定している速度重視の設定を使用し、荒加工における各段階の加工深さと表面粗さについて測定を行うものとする。すなわち、荒加工における最適な加工条件の選定を目的とするものである。

1.4.2 実験方法
実験に使用する加工条件は、3 節の実験において使用した、加工条件自動探索機
能を使用した速度重視で表 1-9 に示す。また、電極においても 3 章の実験で使用した銅電極を使用し、ワーク材料は、SK-5 を使用する。
表 1-9 加工速度重視の各段階における加工深さ Z と揺動半径 R の設定値
加工段階

[Z,R:mm]

1

2

3

4

5

6

7

8

絶対移動

Z

-0.251-0.401-0.433-0.449-0.463-0.478-0.492-0.522

揺動半径

R

0.405

0.522

0.550

0.562

0.572

0.583

0.595

0.555

揺動ﾊﾟﾀｰﾝ D

200

E

4817

4818

4819

4820

4821

4822

4823

4824

電気条件

表 1-9 において荒加工である加工段階１〜6 において表 1-10〜表 1-14 に示すような実験条件を定め、実験を行った。
表 1-10

第 2 段階における測定設定値[Z,R:mm]
加工段階

1

2

絶対移動 Z-0.25 1∞揺動半径 R

0.405 0.522

揺動パターン2 0 0

電気条件 E4817 4818

16表 1-11

第 3 段階測定方法 1 における測定設定値[Z,R:mm]1

加工段階

表 1-1223

絶対移動 Z-0.25 1 -0.40 1揺動半径 R

0.405 0.522 0.550

揺動パターン2 0 0

電気条件 E4817 4818 4819∞

第 4 段階測定方法 1 における測定設定値[Z,R:mm]
1

加工段階

2

3

4

絶対移動 Z-0.25 1 -0.40 1 -0.43 3揺動半径 R

0.405 0.522 0.550 0.562

揺動パターン2 0 0

電気条件 E4817 4818 4819 4820

表 1-13∞

第 5 段階測定方法 1 における測定設定値[Z,R:mm]
1

加工段階

2

3

4

5

絶対移動 Z-0.25 1 -0.40 1 -0.43 3 -0.449

揺動半径 R

0.405 0.522 0.550 0.562 0.572

揺動パターン2 0 0

電気条件 E4817 4818 4819 4820 4 8 2 1

表 1-14
加工段階∞

第 6 段階測定方法 1 における測定設定値[Z,R:mm]
1

2

3

4

5

6

絶対移動 Z-0.25 1 -0.40 1 -0.43 3 -0.449 - 0 . 4 6 3揺動半径 R

0.405 0.522 0.550 0.562 0.572 0 . 5 8 3

揺動パターン2 0 0

電気条件 E4817 4818 4819 4820 4 8 2 1 4 8 2 2

17∞

表 1-10〜表 1-14 を見て分かるとおり多段階加工において各段階から順当に加工を行っていき任意に定めた加工段階において、加工深さを基本的に無限大と仮定し、次の加工段階にステップせずに加工を進めていくものとする。また、測定は加工深さ無限大と仮定した加工段階において、加工深さ 10μm おきに加工をスットプさせ表面粗さを測定し、測定後、加工を再スタートさせた。測定は、加工深さに対して表面粗さが約一定となったと思われる時点、つまり、測定加工段階における電気条件で最小の表面粗さになったと思われる時点で測定を終了した。

18

1.4.3 実験結果及び考察
第 2 段階〜第 6 段階における実験結果をそれぞれ図 1-10〜図 1-14 に示す。

90

表面粗さRmax[μm]

80

81.40

70

第2段階

58.40

60
50

45.67

40

41.33

35.83

34.98

35.40

35.23

37.53

30

32.68

33.16

34.20

20
10
0
0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

加工深さ[mm]
図 1-10

38

36.08

36
表面粗さRmax[μm]

第 2 段階における加工深さと表面粗さの関係

第3段階

34
32
30

28.30

28

26.02

26

24.47

23.82

24

23.76

22

23.63

20
0

0.01

図 1-110.02

0.03
加工深さ[mm]

0.04

0.05

第 3 段階における加工深さと表面粗さの関係

19

0.06

表面粗さRmax[μm]

25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15

24.23
第四段階
21.60
19.36
17.60
17.60
17.25

0

表面粗さRmax[μm]

17.65

17.62

18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8

0.03
0.04
0.05
加工深さ[mm]

17.45

0.01

0.02

0.06

0.07

図 1-12

第 4 段階における加工深さと表面粗さの関係

0.08

17.51
第五段階
14.48
12.13
11.13

10.53

10.61

11.08

10.53

10.60

0

0.02

図 1-130.04
0.06
加工深さ[mm]0.08

第 5 段階における加工深さと表面粗さの関係

20

0.1

11
表面粗さRmax[μm]

10.5

第六段階

10.20

10
9.5
9

8.64

8.5
7.87

8
8.06

8.00

0.01

0.02

7.5
0

0.03

加工深さ[mm]
図 1-14

第 6 段階における加工深さと表面粗さの関係

図 1-10〜図 1-14 のグラフをみてわかるように、加工深さの増加とともに表面粗さが低下していき、ある加工深さに到達すると、それ以降は加工深さの増加に依存せずおよ
そ一定の表面粗さを保ちながら加工を進めていく結果となっている。表面粗さが一定となるまでの加工深さと表面粗さの関係を表 1-5 に示す。

表 1-15
加工段階

加工深さと最小面粗さの関係

表面粗さ一定となるま

表面粗さ一定となるまでのでの加工深さ[μm]表面粗さの差[μm/Rmax]

第 2 段階50

46.90

第 3 段階30

12.16

第 4 段階30

6.70

第 5 段階30

6.43

第 6 段階

10

2.22

21

表 1-15 より第四段階と第五段階においては、加工深さと表面粗さの差にほとんど差がでない結果となったが、全体からみると加工段階が進むにつれて、表面粗さが一定になるまでの加工深さは減少する結果となり、また 10μm あたりの表面粗さの改善率も悪くなっていっていることがわかる。これは、加工段階が進むにつれて放電エネルギーが減少する設定となっているためであるが、本実験により各段階における加工深さと表面粗さとの関係がグラフ化できたことになる。また、測定は 10μm（第六段階においては 5μm）おきに測定を行ったが、グラフにおける測定点を 6 乗近似方程式で近似し、図Ⅳ-1〜図Ⅳ-5 のグラ
フに表示した。本実験での実験結果をみて分かるように、各段階における初段階においては加工深さに対して表面粗さが減少するが、加工深さがある深さに到達後、表面粗さは一定となる。そのためグラフに示したような特徴的な傾向のグラフとなり、近似に関しては 6乗近似が最も適していると考えられ、それを適応した。図 1-10〜図 1-14 に示した 6 乗近似の方程式をそれぞれ表 1-16 に示す。

表 1-16

各加工段階における近似方程式

加工段階

近似方程式

第 2 段階y =6.511×107x6 - 3.958×107x5 + 9.604×106x4 - 1.195×106x3 +8.154×104x2 −2.975×103x + 81.4

第 3 段階y =8.799×106x6−1.816×107x5+5.222×106x4−6.186×105x3 +3.626×104x2 −1.052×103x + 36.08

第 4 段階y =−4.428×108x6 + 1.350×108x5−1.546×107x4+7.909×105x3− 1.407×104x2−1.828×102x + 24.23

第 5 段階y = −4.020×107x6 + 1.381×107x5 - 1.483×106x4 + 2.083×
104x3 + 6.069×103x2 - 3.806×102x + 17.51

第 6 段階y =−2.281×109x6 + 1.875×108x5+4.508×106x4-8.794×105x3 +3.153×104x2 −4.473×102x + 10.2

22

本実験で求めた結果を、前節で示した加工条件自動探索機能を用いて加工を行った加工速度重視の結果と比較し、図 1-15 と図 1-16 に示した。図 1-15 は、第 2 段階においての加工速度重視の結果を示し、同グラフ中に本章で求めた実験結果を合わせて表示した。第 2 段階での加工深さは、設定値 150μm であるがグラフをみてわかるように第二段階においての加工条件では、50μm 以降では、表面粗さは一定のまま加工していることがわかる。つまり、この段階での最良の表面粗さに到達しているにもかかわらず、
同条件での加工を続けていることになる。同様に図 1-16 に示した第 3 段階においても同様のことがいえるが前者のものに比べるとその割合は、短いものとなっている。逆に、
第 4 段階と第 5 段階においては、その段階においての最良の表面粗さになる前に、次の段階に切り替わっている。それらの関係を表 1-17 に示す。

0.30

80.00

第2段階

71

35.73

61

加工深さ[mm]

58.40
0.34

51

45.67
41.33
37.53
35.83

0.36

33.73
35.73

表面粗さ一定

41
31

0.38

21
11

0.40

1
5.4

5.9

6.4

6.9

7.4

7.9

8.4

加工時間[sec]

図 1-15

速度重視の第 2 段階における最小面粗さの関係

23

表面粗さ Rmax[μm]

0.32

第3段階

28.30

0.41
加工深さ[mm]

36

35.73

26.02

22.57
23.57

23.82

31
26
21

0.42
16

表面粗さ一定110.43

表面粗さ Rmax[μm]

0.40

6

図？

0.44
8.5

1

9

9.5

10

加工時間[sec]

図 1-16

速度重視の第 3 段階における最小面粗さの関係

表 1-17ESPA 条件と本実験結果との各段階における加工深さ(Z)の加工値[μm]
加工段階

1

2

3

4

5

6

7

8

加工面粗さ重視

161

206

44

22

19

21

19

30

加工速度重視

251

150

32

16

14

15

14

30

表面粗さ一定とな -------

50

30

30

30

10

------- -------

るまでの加工深さ

表 1-17 で示したとおりまず加工面粗さ重視と加工速度重視を比較して、第 1 段階での追い込みが加工速度重視の方が多くなっているのがわかる。多段階加工の加工段階においては加工段階の初めから終わりにかけて順当に放電エネルギーが減少するため、加工段階の初期、つまり加工速度の早い段階において、できるだけ仕上げ加工深さに近いところまで追い込んでおくほうが、加工時間は短くなるといえる。しかし、放電エネルギーの大きい段階において、仕上げ加工深さぎりぎりまで追い込んでしまうのは、強い放電によって仕上げ加工深さよりも深く加工がおよんでしまう可能性がある。そのため、適量なマージンを設けて加工深さを追い込む必要性がある。

24

最適加工条件の選定と実験結果
そこで、本実験結果を用い前述したような表面粗さが一定になったにもかかわらず加工
段階をステップせずに加工している段階において表 1-17 の数値を基に、加工条件を変更し加工を行った。加工条件は、表 1-18 に示す。
表 1-18 ESPA 加工速度重視と最適化条件の加工条件の比較

[mm]

加工段階

1

2

3

4

5

6

7

8

加工速度

-0.251-0.401-0.433-0.449-0.463-0.478-0.492-0.522-0.358-0.408-0.438-0.454-0.468-0.478-0.492-0.522-0.350-0.405-0.438-0.454-0.468-0.478-0.492-0.522-0.342-0.402-0.438-0.454-0.468-0.478-0.492-0.522

重視
パターン1
(0%)
パターン2
(10%)
パターン3
(20%)

表 1-18 は、本実験の実験結果をもとに、加工速度重視をベースに荒加工段階の加工深さを最適化した加工条件である。パターン 1〜パターン 3 までの 3 とおりの加工条件を作成しそれぞれの括弧内に示したパーセントは、その段階での加工深さに対するマージンでありパターン 1 では、マージンなしで加工を行い、その段階での最小の表面粗さになった時点
で次の段階にステップした。なお、マージンの適応は荒加工段階の中でも初期の段階、つまり放電エネルギーの大きい段階であり、今回は第二段階及び第三段階にのみ適応した。
また、第四段階及び第五段階においては、加工速度重視での加工深さはそれぞれ 16μm
及び 14μm と設定されているが、この値は、本実験より求めた最小表面粗さまでの加工深さ 30μm よりも小さな値のため、この二つの段階では加工速度重視の設定値を用いた。
パターン 1、2、3 の加工条件で実際に加工を行い、その結果を以下に示す。表 1-19 にそれぞれの加工時間を示し、そのグラフを図 1-17 に示す。また、荒加工（段階 1〜6）と仕上げ加工(段階 7)に分類し、加工速度重視を基準として、それぞれの加工条件の短縮率(%)を表
1-20 に示す。

25

表 1-19 各加工時間における加工時間の実験結果

加工段階

1

2

3

4

5

6

7

8

合計

加工速度

5分

３分

１分

２分

２分

11 分

33 分

18 分

79 分

重視

6秒

49 秒

55 秒

48 秒

58 秒

8秒

43 秒

1秒

27 秒

パターン1

8分

1分

１分

2分

２分

３分

15 分

18 分

53 分

(0%)

30 秒

47 秒

41 秒

22 秒

32 秒

9秒

19 秒

1秒

21 秒

パターン2

7分

1分

1分

2分

２分

2分

15 分

18 分

52 分

(10%)

4秒

45 秒

49 秒

28 秒

42 秒

38 秒

57 秒

1秒

24 秒

パターン3

7分

1分

1分

２分

３分

３分

21 分

18 分

59 分

(20%)

37 秒

53 秒

59 秒

43 秒

19 秒

1秒

8秒

1秒

41 秒

図 1-17

各加工条件の加工時間比較

表 1-20 各加工条件における短縮率 [%]
加工条件

荒加工（段階 1〜6）

仕上げ加工(段階 7)

パターン 1 (0%)

27.8

54.6

パターン 2 (10%)

33.5

52.7

パターン 3 (20%)

26.0

37.3

26

表 1-19 にそれぞれの加工条件においての加工時間を示し図 1-17 にグラフを示したが、加工条件自動探索における加工速度重視をベースとし、今回設定した加工条件パターン 1〜パターン 3 において比較したところ、まずベースの加工条件から本実験結果を用いて変更した段階、つまり第 2 段階・第 6 段階においては加工時間は短縮されていることがわかる。また、第一段階の加工条件の変更は、ベースの加工条件より加工深さを深く設定しているため、当然加工時間は増えた結果となる。しかし、全体加工のおよそ 2/3 を占めていた
仕上げ加工 7 段階目においては、加工条件は、ベースの加工速度重視と変更を行っていな
いにもかかわらず加工時間がおよそ 2/3 から 1/2 になっていることがわかる。これは、表1-20 をみてもわかるように荒加工段階よりも仕上げ段階のほうが加工時間短縮率がよい結果となった。この結果については、現段階においてははっきりとした結論はできないが、考えられる要因としてあげられるものは、荒加工段階において仕上げ加工深さに対してぎ
りぎりまで追い込んだ加工条件から、加工効率にかかわるスラッジの付着量が仕上げ段階
において少なくなったことなどが考えられる。そのため、マージンが増す加工条件になる
程、７段階における加工時間は徐々に増加しているものと推測ができる。今後、仕上げ加工におけるスラッジの量を測定することで明らかになると考えられる。
次に、加工条件パターン 1〜パターン 3 においての加工面の顕微鏡写真(×500)を図 1-18
〜図 1-20 に示す。

100μm

図 1-18パターン 1（0%）

100μm

図 1-19パターン 2 (10%)

100μm

図 1-20 パターン 3(20%)

図をみて明らかなように、荒加工初段階（段階 2 及び 3）においてマージンを設けていな
い加工パターン 1 においては、加工面に肉眼でも確認できるくらいのクレーターが存在しこれは、初段階における放電エネルギーが強いため仕上げ加工深さよりも深く加工がおよんでしまった結果だといえる。また、図 1-19 のマージンを段階の加工深さに対して 10％とった場合においても、マージンなしのクレーターよりは、若干小さいものの数多くのクレーターが確認できた。次に、マージンを 20%設けたパターン 3 においては、加工面に前者のようなクレーターが確認できず、仕上げ加工深さどおりの加工が実現できたといえる。
また、パターン 3 での表面粗さは 2.17μm/Rmax であり加工速度重視の 2.56μm/Rmax とほぼ同等な結果が得られたといえる。

27

1.5 結論
形彫放電加工機における加工条件自動探索装置 ESPA をデータ化することで、総加工時間のおよそ 2/3 は、仕上げ加工が占めていることがわかり、また、ESPA による加工条件である加工面粗さ重視と加工速度重視を比較することにより、最終の表面粗さに違いがなく加工時間は、後者の方が短いということから多段階加工においては、荒加工段階での仕上げ加工深さに対する追い込みが重要な要素であり、つまり仕上げ段階においていかに加工深さを減らすかが加工時間に大きく関わるということがわかった。
次に、各加工段階においての加工深さと表面粗さの実験において、各加工段階での最小の表面粗さ、及びそれに到達するまでの加工深さが明確となり、また、６乗近似方程式により、その関係を数式化することができた。
このことにより、ESPA での加工速度重視の加工条件を見直し、荒加工段階においての最適化加工条件を選定し、実験を行った結果、荒加工段階及び仕上げ段階において加工時間が短縮された結果となった。また、加工仕上げ深さに対しての荒加工での安全マージンも明確となり、その値は、その加工段階における加工深さのおよそ 20％をマージンととる必要がある。その結果、ESPA での加工表面粗さと同等の表面粗さが得られ
総加工時間は、およそ 24.9％短縮された。
また、今後の課題として以下に示す。
1.

加工深さと加工時間及び加工面粗さの関係の実験により、各段階の終了段階において揺動による加工底面を一定する時間が、その段階の加工時間は仕上げ段階においてが割程度、荒加工においても 1/3 から 1/2 程度費やしていることが分かった。すなわち、加工条件の最適化及び加工時間短縮にこの時間は、大きな要因であり、揺動においても最適化が必要であると考えられる。

2.

今回の実験では、荒加工段階においての初段階のみを変更し加工を行ったが、荒加工段階全体における、加工条件の最適化を、本実験により求めた各段階の 6 乗近似方程式を用い、モンテカルロ法などの手法により、より最適な加工条件を検
討する。

3.

本実験において荒加工段階の初段階においての最適化を行ったが、これにより仕上げ段階における、加工時間も短縮された。このことに関するメカニズムを明白とする必要があり、仕上げ加工深さに対して荒加工でぎりぎりまで追い込むことによる、仕上げ加工に及ぼす影響を調査・検討する。

28

第2章

放電・超高速回転ミーリングによる面性状の改善

2.1 緒言第 1 章において形彫放電加工においての最適加工条件の選定における加工時間短縮
について述べたが、本章においては、更なる加工時間短縮を目的とした加工法についての研究を行うものである。第 1 章で述べたとおり、形彫放電加工の加工時間のおよそ2/3 は仕上げ加工に費やしてる。そこで、本研究では、最近注目されている超高速域とされる回転数や送り値での切削加工などに代表されるパワーエレクトロニクスの技術
4)を仕上げ加工に用いることで、形彫放電加工における、仕上げ加工の大幅な加工時間の短縮を検討したものである。具体的には、本研究では、形彫放電加工機において荒加
工後、同機上で超高速回転ミーリングを用い仕上げ加工を行うという複合加工においての研究開発を行いその可能性について検討する。（以下この加工法を複合加工と略称）。
また、放電加工後の磨き作業は、現在においても人手による磨きに頼っており、この磨き作業においても、大幅な時間を要すことが、古くからきわめて大きな課題である。
それに加え、磨きの作業は、作業者の経験や技能に依存するとことが多く、それぞれの職場の歴史や、工作物の材質によっても異なる。そうしたなかで、磨き作業を受けもつ
熟練工の確保が次第に難しくなってきた昨今、広い範囲で利用可能な磨き加工法の研究開発が必要であると考えられる 2)。
すなわち、形彫放電加工と超高速回転ミーリングの複合加工を行うことにより、形彫
放電加工の仕上げ時間の大幅な短縮と共に、放電加工後の磨き作業における、大幅な加工時間短縮が可能であることがいえる。
また、複合加工における加工時間短縮以外においても、以下に示すような利点が挙げられる。
1. 仕上げ工程を切削加工で行うことによって仕上げ加工と同時に金型において致命的とされる表面変質層も除去できるものであり、磨き作業の低減に繋がる。
2. 現在放電加工において加工時間の大部分は仕上げ工程に費やされている。これを複合加工法を用いることによって加工時間の大幅な短縮を図れると共に、仕上げ工程のＮＣ化が出来る。
3. 高硬度材や難切削材を加工するにあたっては、ミーリングのみで加工を施すよりも、荒加工段階を放電加工で加工することによって加工の効率化を図ることが出
来る。

29

4.

荒加工から仕上げ加工までを同一機械上で行うために、ワークのチャッキングに伴う位置決め寸法誤差や、その他の付随する誤差発生原因を除去できるものである。また、同一機上で加工するためにワークを加工液に完全に沈めて加工できることから、加工液を軸付近から噴出する従来のミーリング加工法よりも冷却効果を始め、排出効果などの効率を向上させることが出来る。

5.

従来、放電加工機のみで金型を精密に仕上げる場合には荒加工用電極や仕上げ用電極など数本の電極を用いる必要があった。これを複合加工法を用いることによって仕上げ用電極を不要とできることから、それに費やす時間やコストを削減出来る。

以上の点より、複合加工法を用いることによって様々な利点を見出すことが出来る。
そこで、本論文では最終目的を実際の 3 次元形状の複合加工とし、それに関する研究内容を大きく 4 つの項目に分けて論文を進めていく。まず、切り込み深さと残留放電痕の関係についての実験を行い各放電荒加工面に対する最小切り込み値 Z を求める。次に前実験で求めた最小切り込み量での最大ピック量の選定を行い使用限界値となるピック量を選定する。次に加工パターンを変化させて最適とされるパターンを決定し、最後に実験結果に基づいた条件下において 3 次元形状を複合加工法を用いて加工を行う。また、全体を通して種々のデータを採取すると共に、特に表面粗さと加工時間に着目して、従来加工法と比較を行い複合加工法の実現に向けた考察を行うものである。

30

2.1.1 従来の磨き作業について
みがき作業とは手作業または電動工具を用いて行われる作業で、加工によって発生した変質層の除去や、鏡面となる加工面を得るために行われる仕上げ作業のことである。
この工程には金型製作に費やす時間の中でも多くの比率を占めているため、金型製作の現場では常に問題視されてきた。この作業には(加工工程)

多大な労力を必要とする他、非常に熟練を要する
フライス加工かこうでもあり、昨今みがき技術者の確保が難し

放電加工

くなってきたために、自動化を促すことが早急なては、金型自体が単品で生産されることや、現在

形状加工問題となっている。自動化が難易である理由とし

化学研磨

使用されている金型には複雑な形状を持つものが(作業内容）

多いことなどがあげられる。また、技術面では、法、使用工具も各現場や職人によって異なること

平滑加工

多くの経験や技能を必要とされることや、作業方

ヤスリ、キサゲ

うねり、キズステック砥石の除去

ステック砥石〜3μm/Ry の表面粗さを必要とする場合にはかな

みがき作業は図 1.1 に示す工程をおいて進めら

みがき

鏡面仕上加工ジ部の加工や平面加工に問題が生じてしまう。

#120

#180

研磨布紙
#320

つや出し

ステック砥石

#400
#600
#900

バフ仕上げ

れ、やすり、きさげなどの作業の他に電動工具を

フェルト #1200
ナイロン
#3000
皮
#8000
木片

用いて作業を行うことが一般的である。また、表1.1 に示す各加工法の加工限界より、必要とされる（砥粒番号）

手加工も自動化する点で問題となってくる。さらに、2りの熟練が要求され、経験の浅い技術者ではエッ軸付砥石

図2-1 仕上げ加工手順例5)

表面粗さまで処理を行い、金型としてようやく用できるようになるのである。
表 1.1

仕上げ加工法の加工限界 5）

仕上げ加工法

表面粗さ

ヤスリ

5〜50

3〜8

研磨布紙

0.4〜2

5〜10

ステック砥石

0.4〜6

5〜10

ラッピング

0.1〜0.8

3〜5

電解研磨

3〜8

10〜15/10min

化学研磨

2〜5

20/10min２注）加工面積を 10ｃｍ としたとき

31

取りしろ

2.2 実験装置及び測定方法
2.2.1 実験装置
(1)彫放電加工機

三菱電機社製 VX10

本研究は、放電加工と超高速回転ミーリング加工の複合加工を行うことを目的としている。つまり、放電荒加工を行った後に同機械上にてミーリング機能を持ったものに軸交換して加工を行うわけである。そのためにも加工機にはその二つの機能が必要となる。機械は、図 2-1 に示すような、第 1 章で使用した三菱電機社製 VX10を用いて実験を行った。同機の主要な仕様を表 2-1 に示す。

図 2-1

形彫放電加工機の外観写真

表 2-1

VX10 の主要な仕様

最小指令単位0.1μm

最小駆動単位

0.1μm

駆動方式

AC サーボモータ

位置検出方式

ロータリーエンコーダ

まず放電荒加工についてであるが、使用した加工条件は、形彫放電加工機 VX-10 に内蔵されている加工条件自動探索機能である ESPA を使用して加工条件を導きだした。
加工条件自動探索機能については、第 1 章で述べたとおりである。
放電加工機にて荒加工を施した後、機械軸は本実験のために製作した超高速回転ミーリング用の機器に軸交換を行って加工を行った。これについての詳細な説明は次の 2.2
項にて述べるものとする。

32

(2)スピンドルコントロールユニット

NSK 社製 ASTRO‑E400

本論文中の切削加工は全て図 2‑2 に示すスピンドルユニットを用いて加工を行った。こ の スピンド ル ユニット は 歯科医療 器 具を応用 し たもので あ り、0〜
40,000rpm の回転制御域を有している。また同機は本来マシニングセンタ用に開発されているために、放電加工機に直に取り付けることは出来な構造になっている。
したがって、ユニット上部のチャック用部分であるテーパ部を取り外し、次節に示
すスペーサを割り込ませることによって放電加工機に取り付けた。

図 2-2 スピンドルコントロールユニット外観写真(3)６軸力覚センサ

ATI 社製

Delta ST‑330‑30

放電加工機に超高速回転ミーリング加工機能を付随させることによって加工軸に多大な切削力が負荷される事が考えられる。そこで、図 2‑3 に示す ATI 社製の 6
軸力覚センサを加工軸と機械の間に取り付けて、機械に負荷する種々の力を測定した。このセンサは、Force 及び Torque を測定することが出来るセンサである。機能については定格で Foece の x,y 方向では±330N、ｚ方向では±990N、Torque に関しては書く方向に±30N‑m まで測定できるものであり、分解能は Force の x,y 方向では±1/64N、z 方向では±1/32N、Torque に関しては±3/3200N‑m を有するものである。このセンサは上部に 6 つ、下部に 4 つねじ穴を有しており、取り付けの際はこのねじ穴を用いて行った。取り付け方法に関しては次節にて説明を行う。

33

図 2-3(4)ISA‑BUS カード

６軸力覚センサ外観写真

ATI 社製

図 2‑4 に示した Force 及び Torque は図 2.4 に示す ISA‑BUS カードを介してパソコンにデータを転送する。このカードは 6 軸力覚センサにて得られたデータをパソコンにリアルタイムに表示させるためのものである。表 2‑2 にその機能を示
す。

図 2-4

表 2‑2

ISA‑BUS カード外観写真

ISA‑BUS カードの主要な仕様

I/O アドレス4 ポート占有バス仕様

AT バス仕様

サンプリング

7.8kHz

分解能

12〜16bit

34

(5)ATI ISA F/T Demo ソフト Ver2.6.0

ATI 社製

6 軸力覚センサと ISA‑BUS カードにて得られたデータは、図 2‑5 に示すソフトウェ
アによって単位換算され、N と N‑m としてリアルタイムに表示される。このソフトウェ
アは数値で値を表示すると同時に、仮想空間上に力を表示することが出来る。また、採取したデータを記録する機能も備えており、Excel のマクロを用いて表示する機能も兼ね備えている。データは 10Hz から 7800Hz までの周期で採取することが可能である。

図 2-5 ATI ISA F/T Demo ソフト

35

(6)

東京精密製

小型表面粗さ測定器

ハンディサーフ E‐35A

今回用いた面粗さ測定器は図 2‑6 に示す東京精密製のものである。これは、ハンディータイプであるために、計測箇所まで同機を持ち運び測定することが出来る。
また、同機は測定データをパソコンに取り込む機能を有しており、Excel のマクロを通じてデータを表示、解析することが出来るようになっている。本実験での測定は図 2‑7 に示すように、超高速回転ミーリング加工後のカッター筋に対して垂直方
向と水平方向の 2 方向について行い、10 回の測定値の平均値より表面粗さ求めた。
ここで、カットオフ波長 0.8mm で行い、測定長さはカットオフ値の 5 倍である 4mmとして測定を行った。同機の主要な機能については表 2‑3 に示す。

図 2-7

測定方法

図 2-6 面粗さ測定器

表 2‑3

表面粗さ測定器の主要な使用

測定範囲

X 軸:12.5mm Z 軸:±160μm

変換器

差動インダクタンス方式

触針先端

ダイヤモンド 90o円錐 5μmR

測定力

4mN(0.4gf)以下パラメータ(JIS)Ra,Rq,Ry,Rz,Rt,Sm,Pc,tp,Rpk

36

(7)

測定顕微鏡

MITUTOYO

TF−510F

超高速回転ミーリングを施したワークに対して、図 2‑8 に示す測定顕微鏡にて観察、及び測定を行った。この顕微鏡は 30〜500 倍まで測定できる他に、測定機能を持っており、
クロスゲージを利用して X 軸、Y 軸共に最小 1μm までの計測を行うことが可能である。また、機械上部にマイクロ・ネット社の NYpixW マルチシステムを介在させることにより、
NIKON
coolpix950 を装着してデジタルカメラで画像を記録することが可能である。本実験では加工表面観察には 100 倍の倍率を用い、加工断面写真計測は 500 倍の倍率を用いた。同機の主な仕様を表 2‑4 に示す。

図 2‑8

表 2‑4

測定顕微鏡の外観写真

測定顕微鏡の主要な使用

形式

支柱直立型

接眼鏡筒

30°

対物レンズ倍率

×3、×10、×50

接眼レンズ倍率×10

透過照明装置

反射照明装置

測定最小寸法1μM

接続用アタッチメント

マイクロ・ネット社製 NypixW マルチシステム 00201

記録用デジタルカメラ

NIKON

COOLPIX

37

950

2.2.2 実験装置接続図
超高速回転ミーリング加工用に製作した軸は図 2-9 中の①〜⑧の部品で構成されている。この各部品の詳細は表 2-5 に示す通りで、⑦のモータ・スピンドルユニ
ットに⑧のボールエンドミルをチャックさせて加工するものである。また、④の 6
軸力覚センサを加工軸内に収め、軸に付加する力を測定できるようにした。機械に対しては①のエアーチャックアダプターと②のマクロパレットを通じて図 2-10 中の⑨の自動チャックマクロに接続する形式をとっている。このチャック法を用いる
ことによって、他の加工、例えば放電加工を行うときは⑨に放電加工用の電極をチャックすると加工出来るようになる。つまり、放電加工機とのチャック用部分と 6
軸力覚センサ、モーター・スピンドルを③、⑤、⑥の各スペーサを用いて一つにまとめたものである。この加工軸をネジ等で組み立てたものが図 2-10 である。
⑦のモーター・スピンドルは、有線にてコントロールユニットに接続されており、このユニットから回転数の制御、及びエアーの供給を行うものである。このユニットはシーケンス制御にて機械との組み合わせも出来るが、今回接続は行わなかった。
図 2-9 中のパソコンは 6 軸力覚センサから得られたデータを、単位換算して画面に数値と擬似模型で表示すると共に、得られたデータを記録する役割を持っている。
また、同機はインターネットを介して作成したＮＣデータを放電加工機に送る機能も備えている。また、その逆に放電加工内に記録されているＮＣデータを取り込むことも出来るようなシステムになっている。

①
②
③
④
⑤
⑥

⑦

⑧

図 2-9 実験装置概要図38

表 2-5

図 2-9、図 2-10 内の部品表

図中の番号

製造社名

品番または材質

種類①

System3R

3R-605.1

エアーチャックアダプター②

System3R

3R-601.116-PA

マクロパレット③

自作

ジュラルミンスペーサ 1④

ＡＴＩ

Delta ST-330-30 6 軸 Force/Torque センサ⑤

自作

ジュラルミンスペーサ 2⑥

自作

アルミスペーサ 3⑦ＮＳＫ

ASTORO-E400

モーター・スピンドル⑧

コベルコツール

VC-2MB

ボールエンドミル⑨

System3R

3R-607.1

自動チャックマキシ/マクロ⑨―→

図 2-10 軸周り組み立て図

39

2.2.36 軸センサ概要

図 2-9 で示したとおり Force/Torque センサを加工機軸のスピンドルにスペーサ
ー上下を用いて取り付けた。センサからのデータは、ISA‑BUS カードを用いパソコンでリアルタイムに表示・保存することが可能である。次に、図 2‑11 にセンサにおける Force/Torque の向きを示した。本論文中では Force をＦと略称し、TorqueをＴと略称する。また、各々の方向に対する成分を x,y,z と規定して、Fx、Tx のように呼ぶこととする。図の手前側が加工機の手前にあたり、それぞれの軸に対して図のように方向を定義するものとする。

図 2-11Force/Torque センサ定義

図 2-12 と図 2-13 は加工ワークと非接触状態でのスピンドル 40000rpm 時のForce と Torque のデータをそれぞれ示したものであり、非加工時での回転による負荷を示したものである。測定は、5 分間行いサンプルレートは 100Hz で測定した。グラフをみてわかるように、まず非加工時においてのスピンドルの回転による負荷は Force/Torque ともにごくわずかで、Force においては±0.1[N]以内であり、Torque はプラス方向は、0.0025[N-M]以内であることから、マイナス方向においては 0.005[N-M]以内ということがわかる。以上のように、これらの値は、ごく小
さい値であり、実際の加工及び測定時には、無視できる値であるといえる。

40

図 2-12

非加工時 40000rpm の Force

図 2-13

非加工時 40000rpm の Torque41次に、一辺 10mm の正方形を時計回りと反時計回りに一回り超高速回転ミーリングを行い切削方向における Force/Torque の正負の関係を調べた。それぞれのForce/Torque のテスト加工の測定結果を図 2-14〜図 2-17 に示す。

図 2-14

図 2-15

正方形における時計回りの高速切削の Force

正方形における時計回りの超高速回転ミーリングの Torque42図 2-16

正方形における反時計回りの超高速回転ミーリングの Force

図 2-17

正方形における反時計回りの超高速回転ミーリングの Torque以上のグラフ 2-14〜図 2-17 の方向性を表 2-6 と表 2-7 に表す。

43

表 2-6 時計回り加工の Force/Torque の加工方向
Fx

Fy

Fz

Tx

Ty

Tz

↑

−

＋

−

−

−

0

→

−

−

0

＋

−

0

↓

＋

−

0

＋

＋

0

←

＋

＋

−

−

＋

0

加工
方向

表 2-7 反時計回り加工の Force/Torque の加工方向
Fx

Fy

Fz

Tx

Ty

Tz

→

−

−

0

＋

−

0

↑

−

＋

−

−

−

0

←

＋

＋

−

−

＋

0

↓

＋

−

0

＋

＋

0

加工
方向

表 2-6 と表 2-7 より双方の実験結果においての加工方向と Force 及び Torque の正負の向きが一致していることがわかり、このことにより加工方向による Force 及
び Torque の力の向きを判別することが出来る。

44

2.3 切り込み深さと残留放電痕の関係について
2.3.1 実験概要
本実験では、荒加工放電面において超高速回転ミーリング加工を行い、切り込み深さと残留放電痕の関係について実験を行う。放電荒加工面 15μm/Ry と 25μm/Ry のワーク材料において任意に切り込み量 Z 値を設定し、それぞれの表面粗さ、軸にかかる Force/Torque を測定し、完全に放電痕が取り除ける最小の切り込み量（Z）の値を求める。また、残留放電痕と切り込み値との関係を調べると共に、放電加工による加工表面の変質層との関係も調べ、切り込み量の変化における白層除去量を検討する。

2.3.2 実験方法
形彫放電加工機を用いワーク材料 SK-5 において荒加工を行い、放電荒加工面 15
μm/Ry と 25μm/Ry のワーク材料を製作し、表 2-8 で示すように Z の値を設定して縦 10mm×横 10mm の正方形を図 2-18 で示すように走査線状に超高速回転ミーリングを行った。本実験においては、表 2-9 に示す加工条件を一定とした中で、表 2-8 に示す実験条件を変化させて実験を行った。

表 2-8 実験条件
試験材料

放電面 15μｍ/Ry

放電面 25μｍ/Ry

切り込み

15

25

量

20

35

Z

25

40

μm

35

45

表 2-9

加工条件

被加工物

SK5

電極材料

CU

送り[mm/min]

100

主軸回転数[rpm]40000

ピック量 Y[μm]10

ボールエンドミル直径[mm]0.8

加工液液面高さ[mm]2045ボールエンドミル

ワーク

切り込み量 Z

放電面
ピック量 Y
図 2-18超高速回転ミーリング加工パターン図

46

2.3.3 実験結果
(1) 放電荒加工面 15μm/Ry に対して加工を施した実験結果
・顕微鏡写真による実験結果
放電荒加工面 15μm/Ry においての超高速回転ミーリング後の顕微鏡写真を以下に示す。まず未切削の放電面の顕微鏡写真を図 2-19 に示し、各切り込み量(Z)での顕微鏡写真を図 2-20〜図 2-23 に示す。図 2-20 をみて分かるように、放電荒加工面 15
μm/Ry の表面において超高速回転ミーリングを切り込み量(Z)15μm で加工した場
合、放電痕はかなりの割合で取り残されており、約 40％余り残されているといえる。
つぎに、図 2-21 においての切り込み量(Z)20μm においては、約 10％程度の放電痕が取り残されているといえる。図 2-22 の切り込み量(Z)25μm においては、ほぼ放電痕は取り除かれているといえ、残留放電痕は、約 5％以下とみられ十分使用可能であるといえる。さらに、図 2-23 の切り込み量(Z)30μm の実験結果においては、ほぼ完
全に放電痕が取り除かれていることが分かる。すなわち、顕微鏡写真で判断する放電
荒加工面 15μm/Ry においての超高速回転ミーリングにおいては、
切り込み量(Z)は、25μm〜35μm が切り込み量が最小で実用的だということがわかった。

図 2-19 放電荒加工面 15μm/Ry の場合の顕微鏡写真(×100)47

図 2-20 放電荒加工面 15μm/Ry を超高速回転ミーリングで切り込み量 15μm 加工した
顕微鏡写真
(×100)

図 2-21 放電荒加工面 15μm/Ry を超高速回転ミーリングで切り込み量 20μm 加工した
(×100)

顕微鏡写真48

図 2-22 放電荒加工面 15μm/Ry を超高速回転ミーリングで切り込み量 25μm 加工した
顕微鏡写真
(×100)

図 2-23 放電荒加工面 15μm を超高速回転ミーリングで切り込み量 35μm 加工した顕微
鏡写真(×100)

49

・表面粗さの実験結果
次に、図 2-24 に表面粗さを示したが、本実験では、超高速回転ミーリングのエン
ドミルの加工方向、すなわち加工カッター筋に対して平行方向に測定した結果と、加工方向に対して垂直方向に測定した結果と二種類の表面粗さを図示した。表面粗さは、
当然、垂直方向より平行方向のほうが表面粗さは良い結果となり、測定項目においての 4 種類の垂直方向と平行方向の表面粗さの Ry 値の差の平均は、1.04μm と垂直方向の加工カッター筋は、およそ 1μm 程度ということが推測できる。
値は多少前後しているものの、その最大値と最小値の Ry 値の差は垂直方向では0.34μｍ、平行方向では 0.49μm であることから、表面粗さは切り込み量（Z）15μm 以上ではほぼ一定であるといえる。しかしながら、表面粗さは一定であるのに対して加工表面写真に違いがあることが確認できるが、これは切り残し放電痕が極々微細であるために表面粗さに影響をほとんど及ぼさないものであることが考えられる。
また、切り込み量（Z）が 15μm 以下の条件下で加工したときは、当然切り残し放電痕が増加することが予想でき、表面粗さは悪くなるものと予想できる。

3

表面粗さ Ry[μm]

2.5

2.49
2.15

2

平行方向
垂直方向
線形 (垂直方向)
線形 (平行方向)

2.00
1.54

1.5
1.47
1

2.36

1.18
1.05

0.5
15

20
25
30
Z方向切り込み深さ[μm]図 2-2435

放電荒加工面 15μm/Ry での表面粗さ実験結果

50

・センサによる Force/Torque の測定結果
次に、Force/Torque のグラフを図 2-25〜図 2-48 に示した。Force/Torque の測定は、非接触で 40000rpm 状態で測定を開始し、約 5 秒後に加工を開始した。

図 2-26 切り込み量 Z20μm においての Fx

図 2-25 切り込み量 Z15μm においての Fx

図 2-27 切り込み量 Z25μm においての Fx

図 2-28 切り込み量 Z35μm においての Fx

図 2-29 切り込み量 Z15μm においての Fy

図 2-30 切り込み量 Z25μm においての Fy

51図 2-31 切り込み量 Z25μm においての Fy

図 2-32 切り込み量 Z30μm においての Fy

図 2-33 切り込み量 Z15μm においての Fz

図 2-35 切り込み量 Z25μm においての Fz

図 2-34 切り込み量 Z20μm においての Fz

図 2-36 切り込み量 Z35μm においての Fz52図 2-37 切り込み量 Z15μm においての Tx

図 2-38 切り込み量 Z20μm においての Tx

図 2-39 切り込み量 Z25μm においての Tx

図 2-40 切り込み量 Z35μm においての Tx

図 2-41 切り込み量 Z15μm においての Ty 図 2-42 切り込み量 Z20μm においての Ty

図 2-43 切り込み量 Z25μm においての Ty

53

図 2-44 切り込み量 Z35μm においての Ty図 2-45 切り込み量 Z15μm においての Tz

図 2-47 切り込み量 Z25μm においての Tz

図 2-46 切り込み量 Z20μm においての Tz

図 2-48 切り込み量 Z35μm においての Tz

54

・放電荒加工面 15μm/Ry においての考察
図 2-49 に Force/Torque のグラフの評価概要を例で示した。図中における A は、非接触での 40000rpm の状態をあらわしており、B については、ボールエンドミルが加工ワークに切り込み X プラス方向に加工した状態である（以下Ｂの加工を First
Approach と略称）
。以後、この X 方向のプラス方向、マイナス方向の往復加工の繰り返しであり、その形状の繰り返しのグラフとなっていることがわかる。また、ここで図に示す段階①は各加工において必ずしもＸ+方向の加工であるというわけではなく、Fx
や Tx などの要素によって異なってくる。
測定要素と加工方向の関係を表 2-10 に示す。
表より Tx 以外はＸプラス方向加工がグラフの下側にくることがわかる。図中 B においては、他の X プラス方向の加工よりもかなり大きな値となっているが、これは、加工の一番初めの段階での X プラス方向の加工である。すなわち、この後の繰り返し加工
からピック量 Y 値を設定値に合わせてピックするわけだが、初期の切り込みからの X
プラス方向の加工においては、当然、ピック後の切削量よりも切削量は増加する。
Force/Torque の実験結果の評価法として、図 2-49 よりまず初期段階 B においての加工初期時における値、次に初期段階 B 以後における X プラス方向とマイナス方向における値の 2 つを各実験における設定値ごとに求め評価・解析を行う。

図 2-49Force/Torque グラフの評価概要

55

表 2-10における番号と加工方向の関係

図 3.33 に示す番号

Fx Fy Fz Tx Ty Tz

奇数

+

+

+

-

+

+

偶数

-

-

-

+

-

-

図 2-50 と図 2-51 にそれぞれ本実験においての放電荒加工面 15μm/Ry においてのFirst Approach の Force/Torque をあらわし、次に、図 2-52〜図 2-55 に初期段階以後の X プラス方向、及び X マイナス方向の Force/Torque を示した。また、本実験においては、切り込み量 Z 値が数十ミクロンと非常に小さい設定のため、図 2-52〜図 2-55 にはより広い範囲で比較が可能なように切り込み量 Z 値を 100μm、200μm、300μmと測定し測定結果をグラフに追加して示した。図 2-50 においての First Approach のForce については、切り込み量（Z）値の増加とともに、軸のそれぞれの ForceX、Y、
Z 共に増加傾向であるといえる。図 2-51 の First Approach の Torque については、Tz
に関しては他の軸でみられたような First Approach 特有の増加がみられなく、X につ
いては、増加傾向にあり逆に Ty については減少傾向にある。また、Tx 及び Ty の増減の関係はグラフからもわかるように対象的であるといえる。次に、図 2-52〜図 2-53 の加工方向別の Force のグラフについて、プラス方向、マイナス方向の加工それぞれをみても、切り込み量（Z）に対する Force の差は、最大でも 1[N]前後であり、First Approach
においての最大差 9[N]から比較してもその差は微小であり、ほぼ一定といえる。また、
図 2-54〜図 2-55 の加工方向別の Torque においても同様といえ切り込み量 Z の増加に伴う Torque の差は、0.1[N-m]以下であり、こちらも First Approach の 0.8[N]と比較
しても、その差は一定といえる。

56

-10
-9
-8
Force[N]-7

Fx First Approach
Fy First Approach
Fz First Approach

-6
-5
-4
-3
-2
-1 0

100

200

300

400

0
切り込み量（Z） [μm]図 2-50 First Approach における Force

図 2-51 First Approach における Torque57図 2-52 加工方向プラス方向における Force

図 2-53 加工方向マイナス方向における Force58図 2-54 加工方向プラス方向における Torque

図 2-55

加工方向マイナス方向における Torque59

(2) 放電荒加工面 25μm/Ry に対して加工した実験結果
・ 顕微鏡写真による実験結果
放電荒加工面 25μm/Ry においての超高速回転ミーリング後の顕微鏡写真を以下に示す。まず未切削の放電荒加工面の顕微鏡写真を図 2-56 に示し、各切り込み
量での顕微鏡写真を図 2-57〜図 2-60 に示す。顕微鏡写真図 2-57〜図 2-60 より放電荒加工面 15μｍ/Ry 加工時と同様に切り込み量（Ｚ）が深くなるにつれて切り残し放電痕が減少していることがわかる。切り込み量（Ｚ）25μm で多く見られる放電痕が切り込み量（Z）35μm においてもまだ微かに点在しているのが、一方切り込み量（Z）40μm と（Z）45μm を見る限り切り残し放電痕は確認できない。
ここから残留放電痕を残さないための最小切り込み値（Z）は最低 40μm 必要となり、実際切削する際にはこれよりも大きい値を用いる必要があることが計り得る。

図 2-56 放電面 25μm/Ry の顕微鏡写真（×100）60

図 2-57 放電荒加工面 25μm/Ry を超高速回転ミーリングで切り込み量 25μm 加工した顕微鏡
写真(×100)

図 2-58 放電荒加工面 25μm/Ry を超高速回転ミーリングで切り込み量 35μm 加工した顕微
鏡写真(×100)

61

図 2-59 放電荒加工面 25μm/Ry を超高速回転ミーリングで切り込み量 40μm 加工した顕微鏡写真(×100)

図 2-60 放電荒加工面 25μm/Ry を超高速回転ミーリングで切り込み量 45μm 加工した顕微
鏡写真(×100)

62

・表面粗さの実験結果
一方、表面粗さにおいては図 2-61 をみてわかるように、放電荒加工面 15μm/Ry 加
工時と同様に、値は多少前後しているものの、その最大値と最小値の Ry 値の差は垂直方向、平行方向ともに 0.21μm であることから、表面粗さは切り込み量（Z）25μm 以
上ではほぼ一定であるといえる。これより前実験と同じで放電荒加工面 25μm/Ry を加工する際には切り込み値（Z）が 25μｍ以上であれば表面粗さは、ほとんど変わらないという結果が得られる。しかしながら、顕微鏡写真を見る限り表面には違いが見られるため、同条件で加工する際には Z 値を 40μｍ以上とる必要があると言える。

表面粗さ Ry[μm]

3
2.5

2.32
2.23

2
1.5

2.26

1.45
1.46

1

1.35

2.44平行方向
垂直方向
線形 (垂直方向)
線形 (平行方向)
1.24

0.5
25

図 2-61303540Z方向切り込み深さ[μm]45

放電荒加工面 25μm/Ry での表面粗さ実験結果

63

・ センサによる Force/Torque の測定結果
本実験での Force/Torque の測定結果グラフを図 2-62〜図 2-85 に示す。

図 2-62 切り込み量 Z25μm においての Fx

図 2-64 切り込み量 Z40μm においての Fx

図 2-63 切り込み量 Z35μm においての Fx

図 2-65 切り込み量 Z45μm においての Fx

図 2-66 切り込み量 Z25μm においての Fy

図 2-67 切り込み量 Z35μm においての Fy

図 2-68 切り込み量 Z40μm においての Fy

図 2-69 切り込み量 Z45μm においての Fy

64

図 2-70 切り込み量 Z25μm においての Fz

図 2-71 切り込み量 Z35μm においての Fz

図 2-72 切り込み量 Z40μm においての Fz

図 2-73 切り込み量 Z45μm においての Fz

図 2-74 切り込み量 Z25μm においての Tx

図 2-75 切り込み量 Z35μm においての Tx

図 2-76 切り込み量 Z40μm においての Tx

図 2-77 切り込み量 Z45μm においての Tx

65図 2-78 切り込み量 Z25μm においての Ty

図 2-79 切り込み量 Z35μm においての Ty

図 2-80 切り込み量 Z45μm においての Ty

図 2-81 切り込み量 Z45μm においての Ty

図 2-82 切り込み量 Z25μm においての Tz

図 2-83 切り込み量 Z35μm においての Tz

図 2-84 切り込み量 Z40μm においての Tz

図 2-85 切り込み量 Z45μm においての Tz

66

・放電荒加工面 25μm/Ry においての考察
次に図 2-86 と図 2-87 に放電荒加工面 25μm/Ry においての First Approach のForce 及び Torque を示し、図 2-88〜図 2-91 においての First Approach 以降の加工
方向別の Force と Torque のグラフを示した。また、放電荒加工面 25μm/Ry の実験結果と同様に本実験においても、切り込み量(Z)値を 100μm、200μm、300μm と三種類を追加しグラフに表示した。図 2-86 の First Approach の Force においては、
各軸 Fx、Fy、Fz ともに切り込み量(Z)の増加とともにプラス方向に増加していることがわかる。
同様に、図 2-87 の First Approach の Torque においては、Tx はプラス方向に増加
し、逆にマイナス方向に増加する結果となり、Tx 及び Ty は対称的な傾向のグラフだといえる。また、Tz に関しては First Approach 特有のグラフの増加はみられなかった。
図 2-88 と図 2-89 の加工方向別の Force のグラフについて、プラス方向、マイナス方向の加工ともそれぞれ、切り込み量(Z)に対する変化は微小であり、プラス方向のFz を除いてはその差の最大値は 1[N]以内である。加工方向プラス方向の Fz に関しては、切り込み量(Z)値が 25μm〜45μm において、最大でおよそ 2[N]程度の差があるが、100μm〜300μm においての Fz 値の変化がごく微細であり一定といえるため、切り込み量(Z)値 25μm〜45μm においての Fz 値は、切り込み量(Z)値の変化が５μm と細かい設定のため、測定によるばらつきであると考えられ、Fz についても一定であると推測できる。次に、図 2-90 と図 2-91 の加工方向別の Torque のグラフについても Force と同様の測定結果が得られ、X、Y、Z それぞれの軸において一定といえる。

67

図 2-86

First Approach における Force

図 2-87First Approach における Torque68図 2-88 加工方向プラス方向における Force

図 2-89 加工方向マイナス方向における Force69図 2-90

加工方向プラス方向における Torque

図 2-91 加工方向マイナス方向における Torque702.3.4 結言
以上の結果より放電荒加工面 15μｍ/Ry と 25μｍ/Ry 表面それぞれに切り込み量（Z）を変化させ超高速回転ミーリングを施した場合、どちらの放電面に対しても同様の結果
を得ることが出来、お互いに最低切り込み量（Z）の値が明確となった。どちらの表面についても、それ以下の切り込み量の値で加工した場合は切り残し放電痕が残留してしまい表面精度は低下する傾向になることが判明した。
実験より放電荒加工面 15μm/Ry の時は必要最低切り込み量（Z）は 25μｍ、放電荒加工面 25μm/Ry では（Z）40μm 以上となることがわかったが、ここで双方の（Z）
値は、表面粗さ Ry 値の 1.7 倍であり、これらをふまえると最低必要切り込み量（Z）
値は、放電荒加工面の表面粗さ Ry 値の 1.7 倍であることが実験より判明した。この結果を踏まえて各放電荒加工面を切削する際の切り込み量を推測したグラフを図 2-92 に示す。

推定切り込み量Ｚ[μｍ]

180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0

20

40
60
80
放電荒加工表面Ｒｙ[μｍ]

100

120

図 2-92 推定切り込み量Ｚ

一方、表面粗さについてはどちらの条件下においてもほぼ一定であるという結果が得られ、加工の際に万一切り残し放電痕が存在した場合でも表面粗さにはあまり影響を及
ぼさないということになるが、Ｚ値が実験値以下になると表面粗さは劣化することが予測できる。またＺ値の増減が表面粗さにあまり影響を及ぼさないにしても、表面の写真を分析する限り違いを確認でき、切り込み量の選定に関しては表面顕微鏡写真に依存する必要があることになる。
Force/Torque については、放電荒加工面 15μｍ/Ry と 25μｍ/Ry の加工において同様の結果を得ることができたといえる。加工データでは全ての要素の増分が一定もしく

71

は微小に増減という結果を得た。ここで、ＭＳ20 を用いて Z 値の変化量に伴う切削量の変化値の概要を図 2-93 に示す。図中の①に示す部分は Z 値を最適切り込み量とされる 25μｍより切込みを 10μm 増加させたときに生じる切削量であり、②・③は同様に切り込み値を 20μｍ・30μｍと増加させたものである。Force/Torque のグラフによるとその値の増減は、ほぼ一定であるという結果を得たが、これは図よりわかるように切削量の増分が極微小であるためであると思われる。
しかしながら、初回の加工、すなわち First Approach においてはその切削量の増分は一定ではないことから、Force/Torque についてはこの First Approach の変化量をより考察することが必要であると言える。First Approach では、各軸の Fx、Fy、Fz は
切り込み量(Z)の増加と共に対数的なプラス方向への増加傾向となった。また、Torqueについては、Tx はプラス方向に増加し、逆にマイナス方向に増加する結果となり、Tx
及び Ty は対称的に変化し、これも対数的グラフだといえるため、First Approach については対数で近似式を得ることが出来るものではないかと推測する。この傾向は、15μm/Ry よりも 25μｍ/Ry について著しく見られたが、15μｍ/Ry もこれと同様の変化を取るものと思われる。
また、本実験の Z 値の変化量は微小であり、さらに加工の際に凹凸状の放電加工面において端面位置決めを行なっているために測定値は多少の誤差を生じているものと思われる。すなわち、表面粗さ Ry 値が増加するにつれて端面位置決め時の誤差も大きくなるものであるといえる。

図 2-93

切込み量 Z 値の変化量に伴う切削量の変化値の概要図

72

・加工表面の性質について

通常、放電加工後の表面は加工変質層が形成されており、その際表面は、金型寿命に最も良くないとされる数μm〜数十μｍの白層ができているので、加工表面を除去する
ための 2 次加工を行う必要が生じる 6)。白層とは、放電加工時に溶融した材料の一部が除去されずに残留し、再凝固した(焼入れされた)層であり、その表層部には、電極材料の蒸発、溶融・飛散除去されたものの一部と、加工液（油の場合）の燃焼生成炭素物質が付着して浸炭作用も受けた加工（放電）面を形成しているものである。この層には、微小なクラックも発生し、また再凝固時に生じる引張りの残留応力が働いているといわれていることから、白層が存在したまま金型として使用すると欠けや割れに繋がってしまうとされている 7)。
本実験に用いた放電加工を施したワークにおいても白層を確認することができることから、ここでは切り込み量 Z と白層の除去について述べる。
図 2-94 は放電面 1.48μm/Ry の断面を処理し、表面の変質層を可視できるようにした写真である。図より、断面の最上面に白層が均等に存在していることがわかる。また、図 2-95は放電面 25μm/Ry の断面写真であるが、この写真では白層が層状ではなく局部的に発生

図 2-94 放電面 1.48μm/Ry 断面写真(×500)

している。
これは図 2-95 に示す放電加工面 1.48
μm/Ry の写真では見られないことや、荒加工
断面によく存在していることから、局部的に大きい白層は荒加工において生成されるものと推測することができる。
本実験に用いた放電荒加工のみを施した表面
15μm/Ry と 25μm/Ry のワークの断面写真を
図 2-96、図 2-97 に示す。図 2-96 と図 2-97 を
写真の上で比べる限り放電加工面 15μm/Ry の

図 2-95 放電面 25μm/Ry 断面写真(×500)

方が白層の厚さが小さいことがわかる。また図2-94 も念頭において考察する限り白層は表面粗さが小さくなるにつれて減少する傾向にあると言える。以上の結果を表 2-11 と図 2-98 に示す。図 2-98 より白層の厚さと表面粗さ Ry はほぼ比例関係にあるといえる。ここで、図に示す最低切り込み量は実験より求めた数値であることから、選定した切り込み量を用いて加工を行う限り、切削仕上
げ加工によって白層を除去できるといえるものである。また、図 2-99 は実験より選定

73

した切り込み量 Z で放電面を加工した断面写真であり、写真右端に見える白層部分が切削時の切込みによって除去できていることがこの写真からも判断できる。したがって、
複合加工法を用いることによって仕上げ加工と表面処理が同時にできたものと言える。

図 2-96 放電面 15μm/Ry 断面写真(×500) 図 2-97 放電面 25μm/Ry 断面写真(×500)

表 2-11 放電加工表面 Ry と白層の関係

放電加工面

放電加工面

放電加工面

1.48μm/Ry

15μm/Ry

25μm/Ry

平均厚さ[μm]

1.56.85714286

12.4657534

最大厚さ[μm]

2

14

25

45
40
白層厚さ[μm]

3530
平均厚さ[μm]
最大厚さ[μm]
最低切り込み量

25
20
15
10
5
0
0

5

図 2-98101520
放電加工表面粗さRy[μm]
放電加工表面 Ry と白層の関係

74

25

30

図 2-99 白層と選定切り込み量75

2.4 放電面においての超高速回転ミーリング最小切り込み量での最大ピック
量の選定
2.4.1

実験概要

本実験では先の実験で求めた切り込み値において加工する際の最低必要限とされるピック値を選定する。ここで、ピック量とは、図 2-100 に示す Y 値のことであると規定する。ピック量Ｙを変化させて加工し、各々の表面粗さ、加工の際に付加する
Force/Torque を測定し、適切なピック値を求める。

ボールエンドミル

ワーク

切り込み量 Z

放電面
ピック量 Y

図 2-100

2.4.2

超高速回転ミーリング加工パターン図

実験方法

形彫り放電加工機において荒加工を行い加工表面粗さ 15μｍ/Ry 及び 25μm/Ryのワーク材料を作成する。作成したワーク材料において表 2-12 に示す加工条件下において、表 2-13 に示す実験条件を変化させて実験を行う。
表 2-12

加工条件

放電荒加工面 15μm/Ry 放電荒加工面 15μm/Ry
被加工物

SK5

SK5

電極材料

Cu

Cu

送り[mm/min]

100

100

主軸回転数[rpm]

40000

40000

切り込み量 Z[μm]2540ボールエンドミル直径[mm]

0.8

0.8

加工液液面高さ[mm]

20

20

76

表 2-13 ピック量
放電面 15 放電面 25

ピック量
〔μｍ〕

μm/Ry

μm/Ry

10

10

50

20

75

25

100

30
50
75
100

77

2.4.3 実験結果
(1)放電荒加工面 15μm/Ry に対して加工した実験結果

・顕微鏡写真による実験結果
顕微鏡写真を図 2-101〜図 2-104 に示したとおり、ピック量（Y）10μm、及び 50μm においては、超高速回転ミーリングによる切り残しは、ほとんど確認できない。一方、ピック量（Y）75μm、及び 100μm においては、超高速回転
ミーリングのカッター筋との間に、切り残しと見られる顕微鏡写真での黒い部分が確認できる。

図 2-101 放電荒加工面 15μm/Ry を超高速回転ミーリングでピック量 10μm 加工した顕微鏡写真(×100)78

図 2-102

放電荒加工面 15μm/Ry を超高速回転ミーリングでピック量 50μm 加工した顕微
鏡写真(×100)

図 2-103

放電荒加工面 15μm/Ry を超高速回転ミーリングでピック量 75μm 加工した顕微
鏡写真(×100)79図 2-104

放電荒加工面 15μm/Ry を超高速回転ミーリングでピック量 100μm 加工した顕微
鏡写真(×100)80

・表面粗さの実験結果
次に、表面粗さを図 2-105 に示したが、まず平行方向の表面粗さ Ry 値においては、
ピック量（Y）が増加するごとに、若干ではあるが表面粗さが増加する傾向にあり、ピック量(Y) 100μm と 10μm との表面粗さ Ry 値の最大値と最小値は、1.49 程度でありほぼ一定といえる。一方、垂直方向において表面粗さ Ry は、ピック量（Y）が 10μmと 50μm の場合は、双方の差が、0.19μm でありほぼ一定の表面粗さといえる。また、ピック量（Y）が、75μm と 100μm においては、表面粗さはピック量に比例し増大しており実用的ではないといえる。つまり、ピック量（Y）は、50μm を超えると急激に増大することがわかる。これらの結果より、顕微鏡写真と表面粗さとの双方の結果が共に 50μｍとなり、切り残しが発生しないピック量（Y）の最大値は、50μm ということがわかった。

実験2 W15 ピック量Yと表面粗さの関係

22.21

表面粗さ Ry[μm]

20
15

12.97
平行方向
垂直方向

10
5

2.34

2.15

0
0

20
図 2-105

1.46

1.29

1.18
40

60
80
ピック量 Y[μm]

2.67
100

120

放電荒加工面 15μm/Ry でのピック量変化の表面粗さ実験結果

81

・センサによる Force/Torque の測定結果
図 2-106〜図 2-129 に Force/Torque 測定データを示す。

図 2-106 ピック量 Y10μm においての Fx

図 2-107 ピック量 Y50μm においての Fx

図 2-108 ピック量 Y75μm においての Fx

図 2-109 ピック量 Y100μm においての Fx

図 2-110

図 2-111 ピック量 Y50μm においての Fy

ピック量 Y10μm においての Fy

図 2-112 ピック量 Y75μm においての Fy

図 2-113 ピック量 Y100μm においての Fy82

図 2-114 ピック量 Y10μm においての Fz

図 2-115 ピック量 Y50μm においての Fz

図 2-116 ピック量 Y75μm においての Fz

図 2-117 ピック量 Y100μm においての Fz

図 2-118 ピック量 Y10μm においての Tx

図 2-119 ピック量 Y50μm においての Tx

図 2-120 ピック量 Y75μm においての Tx

図 2-121 ピック量 Y100μm においての Tx

83図 2-122 ピック量 Y10μm においての Ty

図 2-123 ピック量 Y50μm においての Ty

図 2-124 ピック量 Y75μm においての Ty

図 2-125 ピック量 Y100μm においての Ty

図 2-126 ピック量 Y10μm においての Tz

図 2-127 ピック量 Y50μm においての Tz

図 2-128 ピック量 Y75μm においての Tz 図 2-129 ピック量 Y100μm においての Tz

84

・放電荒加工面 15μm/Ry においての考察
図 2-130 と図 2-131 にそれぞれ本実験においての放電荒加工面 15μm/Ry においての加工方向プラス方向及びマイナス方向の Force を示した。図 2-130 においてのプラス方向の加工においては、Fx 及び Fy のピック量(Y)値の変化に伴う差は、最大でも 0.5[N]程度でありピック量に対する Fx、Fy は一定であるといえる。逆に、Fz に関してはピック量(Y)値の増加とともにマイナス方向へ増加する傾向となった。図 2-131 においてのマイナス方向の加工においては、Fx は、ほぼ一定といえ、Fy においてはピック量(Y)
値の変化に伴う差の最大値は 1.5[N]でありピック量(Y)値の増加に伴い若干の増加傾向にあるものでないかと思われる。Fz に関しては、ピック量(Y)値の増加に伴いその差の最大値は 2[N]でありマイナス方向に大きく増加している結果となった。

図 2-130 加工方向プラス方向における Force

図 2-131 加工方向マイナス方向における Force85次に同様に、加工方向プラス方向及びマイナス方向の Torque のグラフをそれぞれ図2-132 と図 2-133 に示した。図 2-132 においての加工方向プラス方向における Torque
は、ピック量(Y)値の増加に伴い Tx はプラス方向に増加傾向にありその差の最大値は0.3[N-M]である。Ty に関しては、Tx と対称的なマイナス方向の増加だといえる。逆に、Tz はピック量(Y)依存しなく一定であるといえる。図 2-133 は、同様に加工方向マイナ
ス方向の Torque を示したが、Tx においてはピック量(Y)値の増加によりマイナス方向に増加する傾向であり、Ty、Tz に関してはピック量(Y)に関係せず一定であることがいえる。
以上の結果を表 2-14 に示す。

図 2-132 加工方向プラス方向における Torque

図 2-133 加工方向マイナス方向における Torque86

表 2-14

加工方向と Force/Torque の向き

加工方向 要素

増減

最大差

Fx

一定

0.02[N]

Fy

一定

0.60[N]Fz−増大 4.55[N]

Fx

一定

Fy

＋増大 1.25[N]Fz−増大 1.73[N]Tx＋増大 0.02[N-M]

Ty−増大 0.60[N-M]

Tz

一定

Tx

−増大 0.20[N-M]

Ty

一定

1.25[N-M]

Tz

一定

1.73[N-M]

＋方向

−方向

＋方向

−方向

87

0.20[N]

4.55[N-M]

(2)放電荒加工面 25μm/Ry に対して加工を施した実験結果

・顕微鏡写真による実験結果
顕微鏡写真は、図 2-134〜図 2-140 に示したとおりで、放電荒加工面 25μm/Ryの場合においても、放電荒加工面 15μm/Ry の場合と同様に、ピック量（Y）値
が 50μm 以下においては切り残しの部分が確認できず、50μｍ/Ry が実用的だということがわかった。
一方、ピック量（Y）値が 50μm より大きく設定した場合においては、放電
荒加工面 15μm/Ry の場合と同様に、超高速回転ミーリングにおけるカッター筋との間に切り残しが確認できた。

図 2-134 放電荒加工面 25μm/Ry を超高速回転ミーリングでピック量 10μm 加工した顕微
鏡写真(×100)

88

図 2-135 放電荒加工面 25μm/Ry を超高速回転ミーリングでピック量 20μm 加工した顕微
鏡写真(×100)

図 2-136 放電荒加工面 25μm/Ry を超高速回転ミーリングでピック量 25μm 加工した
顕微鏡写真
(×100)

89

図 2-137 放電荒加工面 25μm/Ry を超高速回転ミーリングでピック量 30μm 加工した
顕微鏡写真
(×100)

図 2-138 放電荒加工面 25μm/Ry を超高速回転ミーリングでピック量 50μm 加工した
顕微鏡写真
(×100)

90

図 2-139 放電荒加工面 25μm/Ry を超高速回転ミーリングでピック量 75μm 加工した
顕微鏡写真
(×100)

図 2-140 放電荒加工面 25μm/Ry を超高速回転ミーリングでピック量 100μm 加工した顕微鏡
写真(×100)91

・表面粗さの実験結果
次に、表面粗さは、図 2-141 に示したとおりであり、まず平行方向においての表面粗さ Ry 値は、ピック量（Y）値が 50μm 以下では、ピック量の増加とともに表面粗さ
Ry 値も、若干の増加がみられるが、その最大値と最小値の差は、1.04μm 程度であり、ピック量（Y）値が 50μm 以下においては、表面粗さはほぼ一定といえる。逆に、ピック量（Y）値が 50μm を超えると表面粗さ Ry 値が、6μm 程度まで増加することが分かった。垂直方向においても、放電荒加工面 15μm/Ry の場合と同様の形状の結果が得られ、同様にピック量(Y)値が 50μm 以下では、ほぼ一定の表面粗さであるといえ、
ピック量（Y）値が 50μm を超えると表面粗さはピック量(Y)の増加とともに、急激に増加するものとなった。
このことにより、放電荒加工面 25μm/Ry の場合においても、顕微鏡写真、及び、表面粗さの結果から一致したとおり、切り残しが発生しない最大のピック量（Y）値は、50μm であることがわかった。

30
27.50

表面粗さ Ry[μm]

25
20.60
20
平行方向
垂直方向

15
10
5
0
0

6.48

6.64

60
80
ピック量 Y[μm]

100

4.08

3.70

2.41

2.79

1.95

1.97

1.56

20

40

2.60
120

図 2-141 放電荒加工面 25μm/Ry でのピック量変化の表面粗さ実験結果

92

・センサによる Force/Torque の測定結果
Force/Torque の測定結果を図 2-142〜図 2-177 に示す。

図 2-142 ピック量 Y10μm においての Fx

図 2-143 ピック量 Y20μm においての Fx

図 2-144 ピック量 Y30μm においての Fx

図 2-145 ピック量 Y50μm においての Fx

図 2-146 ピック量 Y75μm においての Fx

図 2-147 ピック量 Y100μm においての Fx

93図 2-148 ピック量 Y10μm においての Fy

図 2-149 ピック量 Y20μm においての Fy

図 2-150 ピック量 Y30μm においての Fy

図 2-151 ピック量 Y50μm においての Fy

図 2-152 ピック量 Y75μm においての Fy

図 2-153 ピック量 Y100μm においての Fy

図 2-154 ピック量 Y10μm においての Fz

図 2-155 ピック量 Y20μm においての Fz94図 2-156 ピック量 Y30μm においての Fz

図 2-157 ピック量 Y50μm においての Fz

図 2-158 ピック量 Y75μm においての Fz

図 2-159 ピック量 Y100μm においての Fz

図 2-160 ピック量 Y10μm においての Tx

図 2-161 ピック量 Y20μm においての Tx

図 2-162 ピック量 Y30μm においての Tx

図 2-163 ピック量 Y50μm においての Tx95図 2-164 ピック量 Y75μm においての Tx

図 2-165 ピック量 Y100μm においての Tx

図 2-166 ピック量 Y10μm においての Ty

図 2-167 ピック量 Y20μm においての Ty

図 2-168 ピック量 Y30μm においての Ty

図 2-169 ピック量 Y50μm においての Ty

図 2-170 ピック量 Y75μm においての Ty

図 2-171 ピック量 Y100μm においての Ty

96図 2-172 ピック量 Y10μm においての Tz

図 2-173 ピック量 Y20μm においての Tz

図 2-174 ピック量 Y30μm においての Tz

図 2-175 ピック量 Y50μm においての Tz

図 2-176 ピック量 Y75μm においての Tz

図 2-177 ピック量 Y100μm においての Tz

97

・放電荒加工面 25μm/Ry においての考察
次に、図 2-142〜図 2-159 に示すグラフにおける加工方向別の Force をまとめたグラ
フを図 2-178 と図 2-179 に示す。ここで、図 2-178 には超高速回転ミーリングにおいての加工方向プラス方向の測定結果をグラフである。グラフをみてわかるように Fx 及び Fy は、ほぼ一定であるといえ、ピック量(Y)の変化に対する Force の差の最大値においても 1[N]前後である。また、Fz においてはピック量(Y)の増加とともに Force は、マ
イナス方向に増加する傾向にあり、その差の最大値は 7.26[N]である。
次に図 2-142〜図 2-159 に示すグラフにおける加工方向マイナスについての Force のグラフをまとめたものを図 2-179 に示す。図より、Fx は一定であるといえピック量(Y)の変化に伴う Force の差の最大値においても 0.26[N]程度でありごくわずかである。Fy及び Fz においては、それぞれプラス方向、マイナス方向に増加する結果となり、そのForce の最大値の差はそれぞれ 2.44[N]と 1.90[N]である。また、両者のグラフは対称的な傾向だといえる。

図 2-178 加工方向プラス方向における Force98図 2-179 加工方向マイナス方向における Force
さらに、図 2-180 と図 2-181 に加工方向プラス方向においての Torque の測定結果をまとめたものを示す。Tx 及び Ty においてもそれぞれプラス方向、マイナス方向に
Torque が増加する傾向にあり、両者も対称的な傾向のグラフだといえる。Tx、Ty のピック量(Y)の変化に対する Torque の最大値の差は、それぞれ 0.37[N-M]、0.44[N-M]であった。Tz に関しては、ほぼ一定の結果が得られその差は、0.08[N-M]と微少である。
図 2-181 の加工方向マイナス方向の Torque のグラフにおいては、ピック量(Y)の増加とともに Tx のみマイナス方向に増加し、その差の最大値は 0.51[N-M]である。Ty と Tz
に関しては、その差は 0.05[N-M]と 0.01[N-M]とごくわずかであり、ピック量に依存しないということがいえる。
以上の Force/Torque の結果を表 2-15 に示す。

99

図 2-180 加工方向プラス方向における Torque

図 2-181 加工方向マイナス方向における Torque100表 2-15 加工方向と Force/Torque の向き
加工方向 要素

増減

最大差

Fx

一定

0.90.[N]Fy

一定

1.42[N]Fz−増大 7.26[N]

Fx

一定

Fy

＋増大 2.44[N]Fz−増大 1.88[N]Tx＋増大 0.37[N-M]

Ty−増大 0.44[N-M]

Tz

一定

Tx

−増大 0.51[N-M]

Ty

一定

0.05[N-M]

Tz

一定

0.01[N-M]

＋方向

−方向

＋方向

−方向

101

0.26[N]

0.08[N-M]

2.4.4

結言

以上の実験結果より放電荒加工面 15μｍ/Ry と 25μｍ/Ry それぞれにピック量（Y）
値を変化させ超高速回転ミーリングを施した場合、同様の結果を得ることが出来、お互いに最大ピック量（Y）の値が明確となった。どちらの放電荒加工面においても、最大ピック量（Y）値は、50μm という結果が得られ、それ以下のピック量においては、ほぼ同程度の表面精度が得られるが、当然、超高速回転ミーリングにおける加工時間は、低下してしまうことになる。逆に、ピック量(Y）値が 50μm 以上であると、ピック量の増加による取り残しが、超高速回転ミーリングのカッター筋の間に発生し、表面粗さにも大きく影響を与え表面精度を低下させてしまう要因となった。
このピック量(Y)とカッター筋の間に発生する取り残しとの関係の原理図を図 2-182に示した。

図 2-182 ピック量(Y)値と切り残しの関係図
図を見てわかるように、本実験においては、ボールエンドミルを使用したため、ピック量(Y)値の増加にともない、ボールエンドミルの移動量の間に切り残し部分が発生してしまう。本実験においては、放電荒加工面 15μｍ/Ry と 25μｍ/Ry の双方の実験においてもピック量（Y）値は、50μm を超えてしまうと切り残し部が発生し、削りきれないごく微細な部分がめくりあがっている状態となっていることが顕微鏡写真より予想される。顕微鏡を詳しく観察すると切り残し部の発生についてはＸマイナス方向の加工を行った際に発生していることがわかる。これより切り残し部を低減させ、更なる表面精度向上を目指す方法として以下の加工法が有効的であると思われる。

102

1. 一度加工した後に加工方向を 90 度回転させてもう一度加工を行う。
2. 加工方向をＸ+方向のみとする 8)。
次に、図 2-183 にピック量（Y）と切り残し高さ（H）との関係を図示した。ピック
量（Y）の増加とともに切り残し部が増大し、同時に切り残し高さ（H）も増加する。
その関係を MS20 を用いて計算し、ピック量（Y）と切り残し高さ（H）との関係を図2-184 に示す。

切り残し高さ（H） [μm]図 2-183 ピック量(Y)と切り残し量(H)の関係図

14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0

y = 0.0003x2 - 0.0009x + 0.0179

0

50

100

150

ピック量（Y) [μm]図 2-184 ピック量(Y)に対する切り残し高さ(H)の理論値

103

200

図 2-184 に示したとおり、ピック量(Y)の増加とともに、切り残し高さ(H)は二次曲線的に増加することがわかる。これにより、実験結果の表面粗さグラフの垂直方向のグラ
フと同じような増加がみられ、このことから垂直方向の表面粗さ Ry 値の増加は、切り残し高さ(H)に依存するものと考えられる。また、実験結果の表面粗さはピック量(Y)
値が 50μm 以下の場合においては、表面粗さ Ry 値は、ほぼ一定となったが図 2-184
をみてわかるようにピック量(Y)が 50μm 以下での、切り残し高さ(H)は 1μm 以下であり、切り残し高さ(H)が 1μm 以下では、表面粗さに変化がでないことがわかる。
つまり、放電荒加工面 15μm/Ry 及び 25μm/Ry において、双方とも最大ピック量(Y)は、50μm という結果が得られ、その場合の切り残し高さ(H)がおよそ 1μm 以下であるということが理論値より判明した。
Force/torque についても放電加工表面粗さ 15μｍ/Ry と 25μm/Ry とで同様の結果
を得ることができた。表 2-16 と表 2-17 にその関係を示す。
表 2-16 と表 2-17 の結果より Force/Torque の関係は、放電加工表面粗さ 15μｍ/Ryの方がすべての点において小さいことが伺える。これは放電加工表面粗さ 25μｍ/Ryの切り込み量Ｚが 40μｍであるのに対して、放電荒加工面 15μｍ/Ry の切り込み量が25μｍと小さいためであるものと推測することができる。したがって、放電荒加工後に切削仕上げ加工を施す際には放電荒加工面 15μｍ/Ry から切削を行うほうが軸に対する負荷は小さいものであることが考察される。

表 2-16

放電荒加工面 25μm/Ry と 15μm/R における加工方向と Force の向きの比較
15μm/Ry と要

加工方向 素+方向-方向

増減 及 15μm/Ry 25μm/Ry 25μｍ/Ry のび 方向 最大差[N] 最大差[N] 差[N-m]

Fx 一定

0.02

0.9

0.88

Fy 一定

0.6

1.42

0.82

Fz 増大 -

4.55

7.26

2.71

Fx 一定

0.2

0.26

0.06

Fy 増大 +

1.25

2.44

1.19

Fz 増大 -

1.73

1.88

0.15

104

表 2-17 放電荒加工面 25μm/Ry と 15μm/R における加工方向と Torque の向きの比較
15μm/Ry と増減

及 び 15μm/Ry 最大差 25μm/Ry 最大差 25μm/Ry の加工方向 要素 方向
+方向

-方向

[N-m]

差[N-m]

[N-m]

Tx

増大 +

0.278

0.37

0.092

Ty

増大 -

0.301

0.44

0.139

Tz

一定

0.005

0.08

0.075

Tx

増大 -

0.29

0.51

0.22

Ty

一定

0.05

0.05

0

Tz

一定

0.004

0.01

0.006

105

2.5

加工パターンの変化と表面粗さについて

2.5.1 実験概要
実際の 3-D 形状の加工は走査線加工や等高線加工を用いて製作することが多い。
前実験では単一方向の加工を行ったが、本実験では単一方向に加工した後に加工方向
を９０度変化させてもう一度加工を行う。また、それに伴う表面粗さを双方比較し、次節で行う 3-D 形状加工に対する最適な加工パターンを模索する。

2.5.2 実験方法
加工方法としては図 2-185②に示すように十字方向に切削を行う。加工条件は表 2-18 に示す条件を用いる。放電荒加
工面 15μｍ/Ry と 25μｍ/Ry①の双方において加工を行い、表面粗さを測定の測定と、表面顕微鏡写真を撮影する。
図 2-185

表 2-18

十字方向加工パターン図

加工条件

放電荒加工面 15μm/Ry

放電荒加工面 25μm/Ry

非加工物

SK5

SK5

電極材料

Cu

Cu

送り[mm/min]

100

100

主軸回転数[rpm]

40000

40000

ピック量 Y[μm]5050切り込み量 Z[μm]2540ボールエンドミル直径[mm]

0.8

0.8

加工液液面高さ[mm]2020

走査線角度[度]

0,90

0,90

106

2.5.3 実験結果
以下に加工面の表面顕微鏡写真を示す。

図 2-186

放電荒加工面 15μm/Ry における十字方向超高速回転ミーリングの顕微鏡写真(×100)

図 2-187

放電荒加工面 25μm/Ry における十字方向超高速回転ミーリングの顕微鏡写真(×100)

107

図 2-188 加工パターンの違いによる表面粗さの比較

2.5.4 結言
図 2-186 と図 2-187 に示す加工後の表面顕微鏡写真を見る限り、単一方向加工である前実験の表面顕微鏡写真と比べて、一度単一方向に走査線加工した時と更に９０
度反転させて走査線加工を施した場合とでは、明らかに後者のほうが表面粗さが優れていることが判明した。ここで、図 2-188 よりその表面粗さの値は垂直方向でおよそ2 分の 1 になっている。これは、単一方向で加工した際に発生するカッター筋間の切り残し部が 90 度反転し再び加工することによって除去されるためであると思われる。
したがって、３次元形状加工をする際にも十字方向に走査線加工したほうがよりよい
表面精度の製品を得られるという結果になる。

108

2.6

3 次元形状による実験

2.6.1 実験概要
本実験は金型における高速・高精度仕上げ加工を目的としており、論文中の 3〜５節において実用化に向けた加工条件の探索を行ってきた。そこで本節では、前実験で求められた条件を用い、実際の金型を製作することを念頭に置いて３−Ｄ形状の仕上げ加工を行った。また、放電加工のみで仕上げ加工まで行った場合と、荒加工を放電加工機において行い、仕上げ加工をミーリングを用いて行った
場合との所要時間を検討して、複合加工法の実用性を検討する。

2.6.2 実験方法
本実験では、図 2-189 に示すような半球状の形状を加工する。加工手順は、まずCNC 旋盤（図 2-190）を用いて加工電極を設計・製作する。電極製作に用いたプログ
ラムを次頁に示す。
製作した電極が図 2-191である。図中では電極形状はボタン形状となっているが、設計の都合上実際に加工に用いるのは電極の先端部だけである。次に製作した電極を用いて放電加工を行う。加工は荒仕上げ加工のみとし、放電加工表面
15μｍ/Ｒｙに加工する。加工終了後、放電加工機の軸交換を行い MS20（図 2-192）にて製作した NC データを用いて切削加工にて仕上げ加工を行う。加工は第 5 章で述べたように十字方向に行うものとする。この時ワークとエンドミル間を絶縁しておく必要がある。
また一方で、放電加工のみで仕上げ加工まで行い、放電加工表面 1μm/Ry に仕上げる。実験に関しては全ての加工時間を記録しておく。

109

2-189

加工形状図

・電極加工に用いた NC プログラム
F0.18

N0107 G01 X0 Z1VTLIN[1]=1
VTLFN[1]=1

N0108 X41

N0210 X0 F0.12

VTLL[1]=40

N0109 Z-21.95

N0211 G03 X19.874

VTLA2[1]=5

N0110 G81

VTLA1[1]=80

N0111 G00 X0 Z2.2

Z-9.104 K-9.975
Z-10.013 I0.996 K0.087

G42

VTLIN[3]=7
VTLFN[3]=1

N0112 G01 Z0.2 E0.12

VTLL[3]=40

N0113 G03 X20.347
Z-9.777 K-10.175 E0.18

VTLA2[3]=3

N0114 X40.3 Z-19.95

VTLA1[3]=60

N0212 G02 X21.692
N0213

G03

X39.9

Z-19.95 I-0.871 K-9.937
N0214

G01

Z-21.95

F0.18

I-0.199 K-10.173 E0.12

N0215 X41.8

N0115 G01 Z-21.75

N0216 G40VCHKX=38.7

N0116 X43.4 E0.18

N0217 G80

VCHKZ=-122.5

N0117 G40

N0218

DEF WORK

N0118 G80

Z-20.85

PT

N0119 G00 X49

N0219 G00 X49

LF,LC,[-129,0],[41,41],[1N0120 G97 S611 M09

N0220 G97 S1500 M0530,0]N0121 Z5VWKR=9999.999
VCHKL=0VCHKD=0N0122 X500

CLEAR

N0123

X500

N0221 Z5
Z800

NAT03

N0002 G50 S1500

N0200 G97 S1500 M42
M08

N0101

N0201

G00

G00

Z5

T010101

N0202 X49
N0203 Z2

N0102 X49

N0204 X4

N0103 Z6.2

N0205 G96 S800

N0104 G96 S94

N0206 G87 N0207

N0105 G85 N0106 D1

N0207 G81

F0.12 M85
N0106 G83

Z5

T030303

M03 M08

X500

T0300

N0001 G00 X500 Z800

N0100 G97 S611 M41

N0222 X500
N0223

T0100

NAT01

X42

M09

END
DRAW

G01

N0208 G00 X-0.8
N0209 G01 Z0 G42

110

N0224 M02

Z800

図 2-190

CNC 旋盤

図 2-191

半球状銅電極

図 2-192 MS20 を用いた加工シュミレーション図111

表 2-19
・加工条件詳細

加工条件表

加工段階 1

加工段階 2

曲面加工タイプ

走査線仕上

走査線仕上

工程区分

1

2

工具名

BES0.8

BES0.8

指定した加工条件であり、表中の加工

型

BEM

BEM

段階 1、2 は走査線仕上げの水平方向

型詳細

超鋼

超鋼

への加工と垂直方向への加工の十字

工具径

0.8mm

0.8mm

パターン加工を表している。工具は 2

加工範囲上限Z0

Z0

枚刃超鋼エンドミルの直径が 0.8mm

加工範囲下限Z1Z1のものを用い、加工を行う範囲をワー

加工領域補正工具半径

工具半径

ク上面である Z0 に、下限をワーク下

加工領域補正量

0.4mm

0.4mm

面に指定した。ＮＣを製作する際の起

角度指定

なし

なし

動補正を工具半径とし、第 1 段階の加

走査線角度

0

90

工では 0°、第 2 段階の加工では 90°

経路除去

なし

なし

の角度で走査線を走らせることとし除去面エッジ除去なし

なし

た。仕上げ代に関しては今回の加工で仕上げ代 Cr0mm

0mm

は、第 2 段階目に目標寸法となる

Pr/Pz 指定方法

PrPz

PrPz

0mm に設定し、第 2 段階も 0mm とピック量 Pr

0.05mm

0.05mm

した。ピック量は第 3 節で最大ピック

形状トレランス量

0.01

0.01

量とされる 50μm に指定して、目標

直線トレランス量

0.01

0.01

加工形状に対するＮＣの依存度であ

送り速度 Fr

100mm/h

100mm/hるトレランス量を 0.01 に指定し、よ送り進入脱出 Fz

100mm/h

100mm/h

り高精度なけ以上加工を目標にした。

主軸回転数 S

40000rpm

40000rpm

送り速度は 100mm/min に指定し、主ピックモード往復

往復

軸回転数を 40000rpm とした。切削

切削モード

UP

UP

方向は往復加工で行い、加工安全を

復帰モード

I(G1)

I(G1)

3mm 取るこことした。加工のアプロ

加工面安全代3mm

3mm

ーチは Z 方向について行い、加工に対アプローチモード

Z

Z

アプローチ量 Z

10mm

10mm

エスケープモード

ZZ

エスケープ量 Z

10mm

10mm

表 2-19 は今回の仕上げ切削加工に用いた加工条件である。これは MS20にてＮＣプログラムを製作する際にする安全代を 10mm 取る事にした。
以上の加工条件よりＮＣプログラ
ムを製作して加工を行った。

112

2.6.3 実験結果
放電加工によって表面粗さ 15μｍ/Ry に加工したものが図 2-193 である。図 2-194
は放電加工後に MS20 で製作したプログラムで３次元における超高速回転ミーリング
加工したものである。図 2-195 は放電加工のみで仕上げ加工まで行った写真である。

図 2-193 放電荒加工面 15μm/Ry の表面写真

図 2-194 放電荒加工面 15μm/Ry より複合加工を施した表面写真

113

図 2-195
表 2-20放電加工面 1μm/Ry の表面写真
加工時間の比較表

複合加工

放電加工のみ放電加工

26 分 25 秒

6 時間 38 分 36 秒

切削加工

27 分 59 秒×2

全加工時間

1 時間 22 分 23 秒−
6 時間 38 分 36 秒

2.6.4 結言
3-D 形状を加工する際の加工時間を表 2-20 に示した。これより同条件のものを加工する際に、放電荒加工後に仕上げ切削加工を行うことにより、加工時間を 5 時間
16 分１３秒短縮できる結果となり、比率では加工時間を 79％削減できたことになった。また、仕上げ工程を切削加工で行うことで放電加工用仕上げ電極も不要となる事も判明した。さらに、放電加工において仕上げ加工まで行った場合は、その後に変質層を除去する必要性が生じる事は 3 節の結言にて述べたが、3-D 形状の仕上げ加工を複合加工法にて行った場合でも荒加工における表面変質層も加工の際に除去できる
ため、新たな除去作業を不要とすることが出来る事となる。電極加工に関する時間とコストも削減できるものであり、当加工法は 3-D 形状に関しても十分使用可能であるという結果を得られた。

114

2.7 結論
本研究は、形彫放電加工において荒加工段階で超高速回転ミーリング加工に同機械上で切り替え加工を行うことで、加工時間、加工精度及び形彫放電加工機での超高速ミー
リングの複合加工の適応性について検討したものである。今までのミーリング加工と違い放電荒加工面への加工のため、従来のデータでは対応できない点が生じる。そのため、放電荒加工面に対する超高速回転ミーリングの加工条件及び表面精度を明らかにする研究である。
まず、切り込み深さと残留放電痕の関係についての実験では、放電荒加工面に対する最小な切り込み値が判明したとともに、数式化することができ、切り込み量

Z [μm]=1.7×Ryという公式を得た。
次に、放電荒加工面において超高速回転ミーリング最小切り込み量での最大ピック量の選定の実験では、最大ピック量を選定することができた。
最大ピック量(Y)＝50μm
また同時に最小切り込み量と最大ピック量においての超高速回転ミーリング最適条
件での表面粗さを得ることができ、形彫り放電加工機と同等の表面精度が得られることがわかった。
放電荒加工面 15μｍ/Ry では 1.2μm
放電荒加工面 25μm/Ry では 2.60μm
同時に、6 軸センサの測定結果より、放電荒加工面に対して超高速回転ミーリング加工を行う場合においての機械軸に加わる Force/Torque も明確となり、また超高速回転
ミーリングにおいての加工方向に対する Force/Torque のかかる向きも明確となった。
超高速回転ミーリングにおいての Force/Torque は、ごくわずかなものであり、形彫放電加工機において超高速回転ミーリングが使用可能であることが判明し、複合加工の可能性が見出された。
そこで以上の結果をふまえ、実際に半球状の 3 次元形状の加工を行い、放電加工のみで仕上げる場合と複合加工を用いて仕上げる場合との加工時間を比較した。これにより複合加工法を用いることによって、加工時間をおよそ 1/5 に短縮することができた。また、表面粗さでは形彫放電加工機とほぼ同程度の精度が得られたことからも、複合加工法がより実用的であることがわかった。

115

放電加工のみ 6 時間 38 分 36 秒
複合加工

1 時間 22 分 23 秒

79％の時間短縮

最後に、本研究を行ってきた中で問題視された点を列挙し、今後の課題として以下に示す。
1.

深溝加工を施す際の加工法について

2.

鋭角を有する形状やエッジ部の加工法について

3.

焼き入り材料での超高速回転ミーリング加工の試み

4.

精度向上のための軸のＡＴＣ化

5.

6 軸センサのデータをリアルタイムで機械にフィードバックさせ、加工を制御する。

116

謝辞
本研究及び本論文は、小林和彦のご指導の元に行われ、完成するに至りました。終始
御指導、ご鞭撻を賜りました同教授に厚く御礼申し上げます。
共同研究者の静弘生氏には研究を進めるにあたり、多くの御教示、御助言を頂くと共に、研究外の事柄に対しても非常に御世話になり、同氏に深く感謝の意を示すものであります。
また、電気加工研究室及び長尾研究室の方々には本研究の完成に際し、ご援助、ご協力を頂いた事に関して感謝し、御礼申し上げる次第であります。

117

参考文献・資料

1)岸雅一 ：形彫放電加工の高度自動化システムの研究
P3-1〜P3-222)岸雅一 ：形彫放電加工の高度自動化システムの研究
P.序 43)三菱電機：三菱 NC 形彫放電加工機 VX シリーズ

取扱説明書

P.IV-80〜IV-86
4) 安斎正博：高速・高精度な金型加工を実現するためには
精密工学会秋季大会 2001 年度講演論文集5) 武藤一夫

高松英次：金型設計・加工技術
P.155

6) 武藤一夫

高松英次：金型設計・加工技術
P.165

7)向山芳世：形彫・ワイヤ

放電加工マニュアル

P.78〜818)ツールエンジニア編集者：エンドミルのすべて
P50〜54

118

P.314

付録 1

Force/Torque データ

119切り込み深さと残留放電痕の関係についての Force/Torque の結果
1.放電荒加工面 15μm/Ry

図 F-1 切込み量 15μm においての Force

図 F-2 切込み量 20μm においての Force

図 F-3 切込み量 25μm においての Force

図 F-4

図 F-5 切込み量 15μm においての Torque

図 F-7 切込み量 25μm においての Torque120

切込み量 15μm においての Force

図 F-6 切込み量 20μm においての Torque

図 F-8

切込み量 30μm においての Torque2.

放電荒加工面 25μm/Ry

図 F-9 切込み量 25μm においての Force

図 F-10 切込み量 35μm においての Force

図 F-11 切込み量 40μm においての Force

図 F-12 切込み量 45μm においての Force

図 F-13 切込み量 25μm においての Torque

図 F-14

切込み量 35μm においての Torque

図 F-15 切込み量 40μm においての Torque

図 F-16

切込み量 45μm においての Torque121超高速回転ミーリング最小切り込み量での最小ピック量の選定の Force/Torque 結果

1.放電荒加工面 15μm/Ry

図 F-17

ピック量 10μm においての Force

図 F-18 ピック量 50μm においての Force

図 F-19 ピック量 75μm においての Force

図 F-20 ピック量 100μm においての Force

図 F-21 ピック量 10μm においての Torque

図 F-22 ピック量 50μm においての Torque

図 F-23 ピック量 75μm においての Torque

図 F-24122

ピック量 100μm においての Torque2.放電荒加工面 25μm/Ry

図 F-25 ピック量 10μm においての Force

図 F-27

図 F-26

ピック量 20μm においての Force

ピック量 30μm においての Force

図 F-28 ピック量 50μm においての Force

図 F-29 ピック量 75μm においての Force

図 F-30 ピック量 100μm においての Force

123図 F-31

ピック量 10μm においての Torque

図 F-32

ピック量 20μm においてのTorque

図 F-33 ピック量 30μm においての Torque

図 F-34 ピック量 50μm においての Torque

図 F-35 ピック量 75μm においての Torque

図 F-36 ピック量 100μm においての Torque

124

付録 2

エンドミルの加工距離と磨耗についての顕微鏡写真

エンドミルの加工距離と消耗について、任意に設定した加工距離において、ボール
エンドミルの顕微鏡写真を撮影した。

125

エンドミル新品

2m 加工後1m 加工後5ｍ加工後126

10m 加工後
30m 加工後

20m 加工後新品

127

30ｍ加工後128

129