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【発明の名称】 ワイヤー電極線によるNC穿孔放電加工方法
【発明者】 【氏名】和泉 忠美

【要約】 【課題】ボビンに巻かれたワイヤーの先端を電極として薄い板状の被加工物に丸孔や輪郭形状を穿孔する放電加工方法及び装置を提供すること。

【構成】ボビンに巻かれたワイヤーの先端を電極としてテーブル上の被加工板の任意点に放電加工により丸孔または輪郭を穿孔加工するとき、XYZの三軸に回転C軸を加えた四軸制御放電加工機を設け、Z軸ヘッドに設けられたガイドローラーセットによりワイヤーをZ軸に沿って延伸し、ワイヤー把持部によりワイヤー先端を支える。ワイヤー先端をC軸テーブル上の被加工板の点Pに置き、C軸の旋回運動に同期してXY軸の円弧補間のNC運動を行えばワイヤー先端は点P上で相対的に自転する。この際ワイヤー電極と被加工板の間で放電加工をさせ、Z軸方向にワイヤーを送ればワイヤー径の丸孔が穿孔される。また、この際前記同期NC運動命令に図形要素の偏差を加えればより大きな丸孔または所望の図形が穿孔される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ボビンに巻かれた細線ワイヤーの先端を電極として被加工物を穿孔加工する放電加工に於いて、
円弧補間機能を有するXY軸と、垂直Z軸及び旋回C軸とを有するNC放電加工機を用い、
Z軸ヘッドに設けられたガイドローラセットによりボビンから引き出したワイヤー電極をZ軸に沿って延伸垂下させ、先端をチャックから繰り出し保持させるように構成して成り、
被加工物表面の指定位置Pにワイヤー電極の先端を位置決めし、前記C軸の旋回運動と前記XY軸の数値制御運動を、下記数式「数1」、「数2」、または「数3」で計算される補間運動に同期制御すると共にZ軸に放電加工の送りサーボ運動を行わせることを特徴とする穿孔放電加工方法。
「数1」 「数2」 「数3」
C=θi C=θi C=θi
Xi=Rsinθi Xi=Rsinθi Xi=Rsinθi
Yi=Rcosθi Yi=Rcosθi+β Yi=Rcosθi+qi
F:指定数 F:指定数 F:指定数
但し、RはC軸中心から点Pまでの距離、θiはC軸の回転角、Fは送り速度でC軸回転速度を定めるもの。
【請求項2】
前記被加工物上の指定位置Pが、C軸中心から半径Rの線上に位置決めされていることを特徴とする請求項1に記載の穿孔放電加工方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
この発明は、NC放電加工の分野であり、細孔の加工、微細形状のNC放電加工に関するものである。
【背景技術】
【0002】
細孔の放電加工ではパイプ電極を使用し、電極を回転させ、また高圧の加工液を注入しながら行われる。電極径が細くなると長い電極を製作することが困難であり、高圧の加工液を注入しても効果的な流量を得ることが出来ない。
【0003】
そのため、内燃機の燃料噴射オリフィスのような薄い円板に細孔を加工するような場合にはワイヤー電極を用いて放電加工が行われている。このような場合にはオリフィスの寸法精度、形状精度が高く要求されるが、電極を回転することが出来ないので要求に応ずることが難しい。例示される公知の方法ではワイヤー電極は被加工物に対して自転することはないから生成される加工孔の形状、寸法は電極断面に全く依存する(例えば、特許文献1、2参照。)。
さらに、高度の要求としては、例えば、前記応用事例における噴射条件を多様にするために、単なる円形だけではなく異形の形状を求められる場合もある。本発明は電極径を拡大したり、加工円の精度を高めたり、また非円形の加工孔の形成を実現することを可能にしている。
【0004】
静止した電極を被加工体に対して相対的に自転させて放電加工する方法は本発明者が提案しており(例えば、特許文献3参照。)、また異形の輪郭についてのNCプログラムを簡便に作成する方法も本発明者等が既に提案している(例えば、特許文献4参照。)。
【0005】
【特許文献1】特表2005−532914号公報
【特許文献2】米国特許第4771157号明細書
【特許文献3】特願2006−092614号特許出願
【特許文献4】特願2005−165458号特許出願
【特許文献5】特公平04−040127号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、例えば、ボビンに巻かれたような連続したワイヤー電極の先端により一以上の被加工板に丸孔を次々に多数穿孔すること、または異形の輪郭孔を多数穿孔することを課題とする。
従来技術ではボビンに巻かれたような連続ワイヤー電極を回転させて使用することは提案としては有るものの(例えば、特許文献5参照。)、精度の高い加工の実現は殆んど不可能であったが、本発明によればこれが可能になる。ワイヤー電極を連続使用するので電極消耗を考慮する必要がなく、電極回転と併せて放電加工が円滑に進行し、穿孔作業の能率が高まり、また形状精度が改善される。
【課題を解決するための手段】
【0007】
ボビンに巻かれたような連続ワイヤーの先端を電極として、薄い板状の被加工物に丸孔や輪郭形状を放電加工により穿孔する場合に次のようにする。
図1のようにXYZC軸を備えるNC放電加工機において、C軸テーブル12上の被加工板11の任意点Pに放電加工により丸孔または輪郭を穿孔加工するとき、機械本体近辺またはZ軸ヘッドにワイヤーボビン7を取り付け、ガイドローラーセット8によりワイヤーをZ軸に沿って延伸垂下させ、Z軸ヘッドに設けたワイヤー繰り出し保持装置19によりワイヤー6の先端を支える。
【0008】
図3は、C軸旋回テーブル上に被加工物11を載置してθ〜θに旋回したときの説明図である。ワイヤー先端を被加工板の穿孔点Pに置きC軸の旋回運動による点Pの移動(P〜 P〜 P )、をXY軸のNC円弧補間運動によって追従させる。このようにすると電極先端は常時点Pにあり、しかもワイヤー電極は点P上で相対的に自転する。この際ワイヤー電極と被加工板の間に放電加工電圧を印加して放電加工を行わせ、Z軸方向にワイヤーを送ればワイヤー径δの丸孔が穿孔される。
【0009】
このときNCプログラムは次の計算式「数1」によって作成される。
「数1」
Ci=θi
Xi=Rsinθi
Yi=Rcosθi
F=指定数
ただし、RはC軸中心から点Pまでの距離、θiはC軸の回転角、Fは送り速度であり、C軸回転速度を定めるものになる。
Z軸方向への運動は、図1の放電加工電源16内に装備された極間間隙サーボ制御機能の指令により、NC装置17とドライブユニット18を介してヘッド4が上下運動する。C軸の回転は穿孔終了まで繰り返される。
【0010】
勿論、他の実施方法として、ワイヤー電極をローラーセットで挟持し極間電圧信号によりローラーを往復動作させて加工を進行させる方法や、前記ワイヤー繰り出し保持装置19に補助運動軸を設けて、ワイヤー電極のみを独自にサーボ運動する方式も実施することができるが、ヘッド4を上下サーボ運動させることと同義である。
【0011】
また、この際前記同期NC運動命令に図形要素の偏差を加えれば、より大きな丸孔または所望の図形が穿孔される。
例えば、ワイヤー電極(直径δ)より大きな丸穴を得たいときは、後述の実施例図4で説明するように、式「数1」のYiの式に定数βを加えて式「数2」を作る。
「数2」
Ci=θi
Xi=Rsinθi
Yi=Rcosθi+β
F=指定数
式「数2」によれば、ワイヤー電極の軸心の円弧補間運動は点O’を中心とし半径Rの円であり、電極は(δ+2β)の丸孔を加工しながら相対的に自転する。したがって放電加工間隙を考慮しないならば(δ+2β)の径の円形孔を得る。送り速度Fは放電加工条件と除去量により適切な値を選定されるべきである。
【0012】
さらに、異形の輪郭を得ようとするときは、前述拡大丸孔を得るときと同様な手続きにより、式「数1」のYiの式を変形する。すなわち定数βの替わりに変数qiを加えて、式「数3」とする。qiはθiの関数であり図5で説明する輪郭形状の極座標の動径の値である
「数3」
Ci=θi
Xi=Rsinθi
Yi=Rcosθi+qi
F=指定数
式「数3」によれば、楕円や複合図形のような非円形の輪郭形状が加工される。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、ボビンに巻かれたワイヤー電極を自転させながら放電加工を実施する方法を提供し、被加工板に円形または異形の輪郭を穿孔する作業を効率的に実施することが可能になった。
本発明のワイヤー電極を用いる放電加工は電極が連続供給される利点があるので電極消耗は全く障害とはならず、むしろ歓迎すべき特性となる。何故ならば電極消耗が加工の進行中適度の放電間隙を自動的に維持する結果となるからである。このように電極材料の選択が自由であり、また放電加工条件ならびに電極送りサーボシステムの技術的困難から開放されているので、通常の放電加工機の構成に付加すべき事項は特にない。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
図1はXYZ軸およびXYテーブル上に設置されるC軸テーブルであり、X、Y、Z、およびCの四軸はNC制御装置の指令によりNC運動をおこなうNC放電加工機である。被加工物はC軸テーブル上に取り付けられ、他方の電極はZ軸に沿って運動するワイヤー電極である。ワイヤー電極の先端はZ軸ヘッドに設けられたワイヤー繰り出し保持装置により先端を保持されて被加工物の指定点Pに対向する。
【0015】
C軸を駆動して旋回するときX、Y軸を被加工物の指定点Pに追従して式「数1」により同期運動させれば、ワイヤー電極はP点上を自転しながらC軸について公転運動を行うことになる。両極間に放電加工電圧パルスを印加して放電加工を行えば(このときZ軸運動はサーボ制御運動であってNC制御運動ではない。)、被加工物に電極径δの孔加工が進行する。C軸回転運動は穿孔終了まで続行される。加工の終了後Z軸はNC命令により上昇する。
【0016】
前段の説明中のNC運動命令の数式「数1」を、式「数2」に置換すれば孔径が
(δ+2β)となり、また式「数3」に置き換えれば非円形の孔、たとえば楕円、複合図形が得られる。
【0017】
ワイヤー電極は放電加工により消耗するので適宜に繰り出して補充しなければならない。ボビンはZ軸ヘッドに取り付けられ、経路中にローラーを配置して前記ワイヤー繰り出し保持装置にワイヤー電極を供給する。
【0018】
細い電極により深い穴を加工しようとするとき、すなわちアスペクト比の大きな場合には電極材料の剛性が高いことが望まれる。本発明の作用構造では、ワイヤー電極を保持するチャックから突き出た作用部分はワイヤー電極自身の剛性によって加工作用力に耐えているのであるから、高アスペクト比の加工の場合には電極材に剛性を付加強化する機構、たとえば電熱アニーリング機構を備えることもある。
【0019】
そこで、ワイヤーガイドの手前に電流による加熱硬化を実現する機構を設けてワイヤー電極の剛性を改善する例を実施例に例示する。
【0020】
また、穿孔終了検知手段を備えて加工終了信号を発するようにすることも必要であり実施例に例示する。
【0021】
さらにまた、放電間隙に適切な条件を付与する支援手段として超音波振動子を電極に接触させることが可能である。電極は軽量であり非回転であるから振動子を密に接触させて効率よく超音波振動を伝播させることができる。
【実施例】
【0022】
図1は本発明装置の概念図である。機械本体は X、Y、Z、C軸の4軸NC工作機械であり、ベース1、Z軸スライド4とガイド3を持つコラム2、C軸回転テーブル12を備える。XYテーブル14とYサドル13を主要構成とし、Z軸ヘッド4の前面には絶縁板5を介してワイヤー電極系統を配置するヘッドプレート15が設けられている。X、Y、Z、Cの各軸運動はNC制御装置17により作動するドライブユニット18からの駆動パルスにより動作する。放電加工作用はC軸テーブル12に取り付けられる被加工物11と、ボビン7からガイドホイール8を介して繰り出されるワイヤー電極6との間隙に、放電電圧パルスを印加して生ずる極微短間隙放電によるものであり、放電加工電源16は給電線(A)9および(B)10によりパルス電流を供給するとともに、極間間隙を適正に維持し放電加工を円滑に進行させるため極間間隙の電圧を検出する手段により上下運動を制御する機能を備える。前記C軸回転テーブル12は被加工物11と同電位となり放電加工回路の一部となるが、保安上の配慮から機械本体から絶縁されることが望ましい。
【0023】
なお、前記ワイヤー電極6を繰り出したり先端部をチャックする機構部分として、別に詳細説明する装置19がある。また、放電間隙に供給されるべき加工液の供給手段については多様な公知手段を容易に選択できる。
【0024】
本発明の特徴は、細くて長く連続したワイヤー電極を使用できることにある。電極材料の材質については、一般の放電加工に使用される黄銅、銅、タングステン、鋼線などである。片持ち支持される形態であるから曲げ剛性が強さが求められるため鋼線に黄銅、銅を被覆したものが適する。
【0025】
被加工物の厚みは、ワイヤー電極の繰り出し保持装置19からの突き出し量と関連する。電極径の範囲は0.05mmから3mm程度であるから、突き出し可能長さは電極径に応じて定まり、したがって被加工物の厚みが定まる。電極が自転することと消耗分を逐次補充できることにより高いアスペクト比の加工が可能になる。
【0026】
図2の(A)及び(B)は、ワイヤー電極の繰り出し系統図であり、図2の(A)において、ヘッドプレート15に取り付けられたボビン7から伸延されるワイヤー電極6がその先端を被加工物11に対向するまでの経路を示すものである。ボビン7の軸にはブレーキ7aが付されウェイト8dと共に系の張力を一定に保つ。ローラ8b、8cはテンションローラである。ガイドローラ8以下は電極6を真直に保ち、また加工点で消耗した分を補給する。ボビン7に巻かれている間の曲がり、捩れを矯正し、また剛性を高めるために電熱加熱冷却の工程を与えるためにローラセット101,102,103,104、が用意される。ローラ101と102の間に電源105が挿入され、タイマースィッチ106により時間制御されアニーリングの目的を達成する。この工程を実施する時機を知るために前記ローラ8にエンコーダーが備えられる。ローラ104にはまた給電線9が接続され、他方の給電線10とともに放電加工回路を形成する。給電子10aは旋回するテーブル12に接触給電するユニットである。繰り出し保持装置19aの駆動源として圧縮空気の導管19bが接続される。感知子110は加工が終了して電極6が被加工物11を通過して接触したとき抵抗112を含む電源114の回路が閉じて発光体113により信号を発する。
【0027】
図2の(B)は、他の実施例として繰り出し保持装置19aを放電間隙信号により上下にサーボ運動制御させるようにしたもので、Z軸スライド4を制御運動させる代わりに軽量部分を駆動することで制御性能を改善する。15bは装置19aのための直線運動ガイドであり、スライド19cとの間にリニヤモータセットを設けて目的を達成することが出来る。
【0028】
図3は被加工物と電極の相対運動の説明図であり、また式「数1」の説明図でもある。テーブル12に取り付けられる被加工物11がC軸駆動によりθ〜θに旋回するとき、図示するように 11a〜11〜11b となる。他方電極先端はXY座標上で〔P 〜 P 〜 P 〕とXY軸円弧補間運動で同期して追従する。そうすると被加工物の点Pにある電極は被加工物11の上では相対的に自転していることがわかる。
すなわち、C軸回転数で電極が回転することとなり放電加工の能率および精度が改善される。電極回転の効果は極間の間隙維持やイオン排出のみならず、電極軸心の維持あるいは挫屈の復元等により形状精度を高める。
【0029】
図4は式「数2」による相対運動の説明図であり、ワイヤー電極6の径をδとするとき、式「数2」によれば、ワイヤー電極6の軸心の円弧補間運動は点O’を中心とし半径Rの円であり、その軌跡はRf(P〜P’)である。したがって、XY軸のNC命令は単純な円弧補間命令を用いて達成される。電極6の加工軌跡は6b(実線部分)となり、除去能率と周回速度が釣合っていれば一回の周回で点線で示される加工円6a(点線部分) が得られる。前記釣り合いが満たされなかったり、電極消耗のため除去量が不足の場合は、ワイヤー電極6が被加工物11を貫通しないから周回を繰り返す。
周回を繰り返すとき電極6の外周は、径(δ+2β)の丸孔を加工しながら自転する。したがって放電加工間隙を考慮していないならば(δ+2β)の径の円形孔を得る。送り速度Fは放電加工条件と除去量により適切な値を選定される。
このように、電極径よりも大きい穴を放電加工する場合には、はじめに前段図3で説明した方法で下孔を加工すると良い。送り速度は下孔のある場合は速い速度が可能であり、下孔がない場合には遅い速度になる。
前段の説明においてβ=0とすれば、式「数2」は式「数1」となり、前段図3で説明した電極径δの孔の加工の説明と一致する。
【0030】
図5の(A)及び(B)は、式「数3」による相対運動の説明図であり、楕円を例示するが類似した輪郭形状に適用される。
輪郭内部に定点Aを定め、極座標により角度θiと動径qi の関係を知る。その関係を式「数3」に代入する。 例示するように形状は滑らかに連続し、しかも完全に閉じた形状でなければならない。一例として図5の(A)に楕円を例示し、その内部に定点Aを定める。Aを極座標の原点として輪郭線までの動径qとθの関係を全周にわたって求める。このθiとqiの関係を、式「数3」に与えれば、前段図4の例と同様にして図5の(B)のように非円形の孔の放電加工が可能になるが、XY運動の軌跡は円ではないので単純な円弧補間命令を使用することが出来ない。θiを密に分割して点列を密にとって直線セグメント補間にする方法、或いは点列を疎にとって連続する3点を通る円を逐次計算して円弧補間命令を接続する 2 out of 3 の方法によって達成される。動径qとθの関係は計算により求めてもよいし、CADなどの手段を用いても良い。
【0031】
図6は繰り出し保持装置の一つの実施例である。
図6は実公昭63−42984を引用するので番号記号はこの段落固有のものとして説明する。この図は前記図2のワイヤ繰り出し装置19の主要部分となる保持機構19aの実施例の詳細である。
装置を大きく区分すると、電極Wを摩擦保持するホールド部70、シリンダ装置のシリンダボデイ10および管胴40、ガイドパイプ85からなる。シリンダボデイ10内にピストン20と戻りバネ30が設けられる。収縮可能なコレットチャック50の把持部52がワイヤ電極を把持または開放する。動作を制御するため開放制御リング60が設けられており、また適度の摩擦抵抗をもたせた電極ガイド80と弾性体81が備えられる。動力は空気圧が用いられる。
【産業上の利用可能性】
【0032】
本発明は、ボビンに巻かれた細線ワイヤーの先端を電極として被加工物を穿孔加工する放電加工の加工性能及び加工精度の向上に有効なものである。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】本発明の概念を示す実施例の説明図。
【図2】図2の(A)はワイヤー電極の繰り出し系統図、同(B)はZ軸送りの変更例図。
【図3】被加工物とワイヤー電極とを数式「数1」によって制御駆動したときの相対運動の説明図。
【図4】同じく数式「数2」によって制御駆動したときの相対運動の説明図。
【図5】図5の(A)及び(B)は、数式「数3」によって制御駆動したときの相対運動の説明図。
【図6】被加工体へ向けワイヤー電極を繰り出し保持する実施例装置の構成説明図。
【符号の説明】
【0034】
1、 ベース
2、 コラム
3、 Z軸スライドガイド
4、 ヘッド
5、 絶縁板
6、ワイヤー電極
7、 ボビン
8、ガイドホイール
9、 給電線A
10、 給電線B
11、 被加工物
12、C軸テーブル
13、Yサドル
14、XYテーブル
15、ヘッドプレート
16、放電加工電源
17、NC装置
18、ドライブユニット
19、ワイヤー繰出し保持装置
【出願人】 【識別番号】000132725
【氏名又は名称】株式会社ソディック
【出願日】 平成18年6月21日(2006.6.21)
【代理人】
【公開番号】 特開2008−834(P2008−834A)
【公開日】 平成20年1月10日(2008.1.10)
【出願番号】 特願2006−170875(P2006−170875)