JP4451155B2 - 放電加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、放電加工方法に係わり、特に仕上加工領域あるいは微細な形状加工を行なう電気的加工条件においても極めて低い電極消耗で放電加工が行なえる導電性ダイヤモンド電極を用いた放電加工方法に関する。

形彫り放電加工において、被加工物を放電加工する工具電極として、銅、グラファイト、銅タングステンなどの材料が多く用いられている。これらの電極材のうち、銅とグラファイト材は、荒加工から仕上げ加工の領域で広く用いられている。これは、被加工物を放電加工する場合に、放電パルス幅とピーク電流値（放電電流波高値）がある所定の比率となるように電気的加工条件を設定して放電加工を行なうと、電極がほとんど消耗しない低消耗加工あるいは無消耗加工と呼ばれる電極消耗率が１％以下の加工が行なえるからである。

銅電極を用いて電極無消耗放電加工を行なった時には、銅電極をプラスの極性とし被加工物の極性をマイナスに接続して、粗加工では、数百から千数百マイクロ秒の間に数十アンペアから百数十アンペアのピーク電流で被加工物を加工する。このとき銅電極はほとんど消耗せずに被加工物だけが加工される。この現象はグラファイト電極の場合も同様に起こる。このような電極無消耗の理由は、比較的長めの放電パルス幅が設定された加工が行われると、加工液が分解して発生した熱分解炭素が電極に付着して保護膜となるためであると説明されている。

このような無消耗加工又は低消耗加工は、加工面粗さの小さい加工や小物電極（例えば、５平方ミリ以下）では困難になり、ほぼ電極が消耗しない状態（電極消耗率が１％前後）で放電加工を行なうことができる限界は、放電ピーク電流で３Ａ（加工電流２Ａ程度）、加工面粗さで現在のところ６μＲｙ前後が限界とされている。そのため、加工面積が小さく電極の消耗を少しでも減らしたい場合などでは、銅タングステン電極が用いられる。これは銅タングステン電極が放電衝撃力には比較的強く電極のコーナ部分などが消耗しにくいからで、電極の消耗率が低いわけではない。

従来では、加工面積が小さい場合や上述の面粗度６μＲｙ以下の加工面を得る加工では、電極が消耗しない、即ち熱分解炭素の付着現象が得られる放電加工条件が設定できないので、通常放電パルス幅を数マイクロ秒から十数マイクロ秒程度に短くして、ピーク電流値も１０アンペア以下に設定するとともに、電極がいくらか消耗するのを見越して複数本の電極を使って加工を行なうようにしている。

上述のような熱分解炭素の付着現象が得られない放電パルス幅の短い領域においても放電加工時の電極消耗を抑制でき、かつ高い精度で被加工物を放電加工できる電極として、堆積成長した熱分解炭素からなる炭素電極を用いて、熱分解炭素の堆積成長する面と直角の面を放電加工面として利用して電極消耗を抑制することができる炭素電極が特許文献１で提案されている。

特開昭６２−１３０１３０号公報 特表２００３−５００８６６号公報

しかしながら、前記提案の炭素電極は、黒鉛電極と比較すれば電極消耗は著しく改善するが、電極に方向性があり堆積層の成長方向と直角な面で加工するという制約があるだけでなく、炭素基材部分が消耗すると言う問題が有り、事実上放電加工に用いるためにはいろいろな制約があり、その利用には問題が残されている。

そのため、銅やグラファイトの電極に熱分解炭素の付着現象が起こらない放電パルス幅の加工領域における電極無消耗加工は事実上不可能であると考えられており、小さい面積や面粗さの小さい加工を行なうときは、電極を複数本用意する必要があった。しかし、電極の消耗率を考慮して、精密な電極を必要本数製作するには製作時間とコストがかかるだけでなく、電極を交換した場合の位置決めも複数回行なうことになり加工精度の低下につながる虞もあった。

本発明は、現在まで実現できなかった、熱分解炭素の付着現象が起こらない短い放電パルス幅の領域においても電極無消耗加工を可能にする放電加工方法を提供することにある。

本発明の目的は、加工液中において被加工物を工具電極で無消耗加工又は低消耗加工を行なう放電加工方法において、前記工具電極として、合成ダイヤモンドに硼素をドープして比抵抗を０．４×１０ ^−３ Ω・ｍ乃至１×１０ ^−３ Ω・ｍおよび熱拡散率を２．３×１０ ^−４ ｍ ^２ ／Ｓ乃至２．８×１０ ^−４ ｍ ^２ ／ＳとしＣＶＤ法により形成された導電性ダイヤモンドを用い、該導電性ダイヤモンド工具電極と前記被加工物を放電電源回路に接続すると共に、放電パルス時間を３０μ秒以下に設定し、放電ピーク電流値を１５Ａ以下の値に設定した放電加工パルスを前記放電電源回路から供給して、電極の消耗を１％以下に抑制して前記被加工物を加工することを特徴とする放電加工方法により達成される。

本発明に用いられる導電性ダイヤモンド電極によれば、銅などの電極による加工では有消耗加工（電極消耗率数パーセント以上）となる放電加工条件でも電極無消耗加工が行なえるので形状精度の高い放電加工が行なえる。また、放電パルス幅の短い領域（３０μ秒以下）においてピーク電流を高く設定しても電極の消耗は極めて少ないため、加工面粗さの小さい加工においても放電周波数を高めることができ加工効率が向上する。また、仕上領域（６μＲｙ以下）で電極消耗率が極めて低く抑えられるので、小さく精密な加工形状を数少ない電極で加工することができ位置決め精度を含めた放電加工精度を向上させることができる。

本発明に用いられる導電性ダイヤモンドを貼り付けた電極によれば、銅電極で用いる有消耗加工条件を用いても電極無消耗加工が行なえる。導電性ダイヤモンド片を加工形状に合わせて製作された電極に導電性接着剤で接着して所望の形状の電極をワイヤカット放電加工機などで製作することができる。したがって、導電性ダイヤモンドの素材を単体で加工して所望の形状を形成する必要がなく、電極製作が容易になる。

本発明の加工法によれば、仕上加工領域でも他の電極材料では得ることのできない電極無消耗加工が行なえるので、電極形状が正確に被加工物に転写されるので放電加工精度を著しく向上させることができる。放電パルス幅の短い領域（３０μ秒以下）においてピーク電流を高く設定しても電極の消耗は極めて少ないため、加工面粗さの小さい加工においても放電周波数を高めることができ加工効率が向上する。また、仕上領域（６μＲｙ以下）で電極消耗率が極めて低く抑えられるので、小さく精密な加工形状を数少ない電極で加工することができる。

本発明に用いられる電極材料として好適な導電性ダイヤモンドは、高圧合成法、ＣＶＤ法、その他の方法で合成したダイヤモンドに硼素等をドープしたもので、合成ダイヤモンドの有する優れた特性、例えば硬度、弾性率、耐食性、熱伝導性などに加え導電性ダイヤモンドは、低比抵抗(導電性)、高熱拡散率(熱伝搬率＝熱伝導率÷密度×比熱［ｍ^２／Ｓ］)、高耐酸化温度（＋α℃）等の特性を有している。図１はその特性を銅と比較した値を示している。

放電加工用電極材料は放電加工性能を大きく左右するが、前述した理由により、現在でも銅、グラファイト、銅タングステンなどが主流である。理想的な電極材料は，高い熱拡散率（ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ＝熱伝導率÷（密度×比熱）［ｍ^２／Ｓ］）を持つこと、すなわち、温度が伝わる速さが速いことが重要であると言われている。本発明に用いられる硼素ドープした導電性ダイヤモンドは、比抵抗ρがρ≦１×１０^−３Ω・ｍと小さく、かつ、熱拡散率が０．２３〜０．２８×１０^−３ｍ^２／Ｓと大きいものであり、放電加工用電極として適している。また、ダイヤモンドは通常ダイヤモンド砥粒以外では機械的除去加工ができないが、導電性ダイヤモンドは、それ自体が放電加工可能であるため、所望の形状・寸法の電極を放電加工により製作できる特長を有している。

つぎに、導電性ダイヤモンド電極と他の従来の電極材料とを比較実験を行なった結果について説明する。５ｍｍ×６ｍｍ×０．５mm（底面積１．５ｍｍ^２）の導電性ダイヤモンドを固定用ホルダに取付たものを形彫り放電加工機主軸に取り付けて電極とし、高速度工具鋼（ＳＫＨ５１，ＨＲＣ６１）の放電加工を放電加工油（ソディック社製、バイトル加工液）中で行った。

銅およびグラファイト用推奨放電条件下で放電加工特性を比較した放電加工結果を、電極と被加工物の状態を示す写真で図２に示す。図２の（ａ）は、銅電極の推奨条件で、被加工物をそれぞれ１０分間加工した被加工材と電極の状態を示しており、（ｂ）は同様に、グラファイト電極の推奨条件で被加工物を１０分間加工した電極と被加工材の状態を示している。（ａ）の銅電極条件で１０分間の加工で導電性ダイヤモンドでは３５０μｍの深さ加工が行なわれ、銅電極の加工では６３０μｍの深さ加工ができた。その時の電極の状態は、写真から分かるように消耗量が僅少であった。なお、このときに用いた加工条件は、電極をプラス極とする、所謂、逆極性による極性で、加工電源電圧９０ｖ、加工電流１．５Ａ、放電時間２０マイクロ秒、休止時間１５マイクロ秒である。

図２の（ｂ）は、グラファイト電極の推奨条件による加工結果を示している。１０分間の加工の結果、導電性ダイヤモンド電極では、１３５μｍ、グラファイト電極では２７０μｍの深さ加工ができた。電極消耗は銅および導電性ダイヤモンド電極では僅少であるのに対し、２７０μm彫込んだ時点のグラファイト電極の消耗は５６μｍと大きかった。銅およびグラファイト電極に適する放電加工条件下では、導電性ダイヤモンド電極の除去能率は既存電極の半分程度となったものの、放電加工された溝の形状や面性状は写真から分かるように導電性ダイヤモンド電極の方が優れていた。

次に、導電性ダイヤモンド電極の放電加工特性を仕上げ加工条件に使われる短パルス幅条件下で、銅およびグラファイト電極と比較した。その結果を被加工物と電極の状態を示す写真で図３として示す。放電加工条件は、電源電圧ｕｉ＝１２０Ｖ, 放電加工電流ｉｅ＝４Ａ, 放電オンパルス時間／休止時間ｔｅ／ｔｏ＝６／５０μＳ、逆極性、放電時間１０分である。導電性ダイヤモンド電極での彫込み深さは６００μｍと極めて深く、しかも電極消耗はほとんどない。それに対し、銅およびグラファイト電極の彫込み深さは６０〜８５μｍと小さく，かつ電極消耗は銅が６５μｍ、グラファイト電極が３４μｍと非常に大きくなった。

次に、被加工物としてＳＫＤ１１に対し、仕上加工に用いられる上述の短い放電パルス幅の放電加工条件として、電源電圧ｕｉ＝１２０Ｖ, ピーク電流ｉｅ＝４Ａ, 放電パルス時間／休止時間ｔｅ／ｔｏ＝６／５０μＳで、逆極性放電加工を行なった時の導電性ダイヤモンドと仕上領域の加工で良く用いられる銅タングステン電極との消耗を比較する実験を行なった。図４は、その結果を示す写真である。図の上段が電極の側面から見た状態で下段が電極底面を見た写真である。図右側の導電性ダイヤモンド電極の電極消耗は非常に良好であることがわかる。これに対し銅タングステン電極では大きく段差ができているのがわかる。このことから導電性ダイヤモンド電極は、従来仕上領域で用いられる銅タングステン電極よりも低い消耗率であることが分かる。

図５は、それぞれの電極のコーナー消耗状態を示す拡大写真である。銅タングステン電極のコーナ部は丸くなっているのに対し、熱分解炭素の付着らしきものが見られ、コーナー部がまだ残っているのが分かる。図６は、被加工物の加工形状を示す写真で、同じ加工時間に対して導電性ダイヤモンド電極の加工形状は銅タングステン電極に比べより深く加工できると共に底面部の形状も電極形状が変わることなく転写されている。この実験における放電加工条件では、放電オンパルス時間を６マイクロ秒で加工したものを示したが、放電オンパルス時間３マイクロ秒、放電電流を１．５Ａにした場合も導電性ダイヤモンド電極の電極消耗はほとんどみられない。このように、導電性ダイヤモンド電極は、銅タングステンに較べても放電衝撃による電極消耗が極めて小さいことが理解でき、さらに微細な加工のために用いる放電加工条件にも対応することができることが分かる。このことは起硬合金を同様の放電加工条件で加工した場合の消耗比が１％以下であったことからも裏付けされている。

図７は、導電性ダイヤモンド電極を用いて、単位面積（１平方ミリメートル）あたりの電流密度を変化させて、被加工物ＳＫＨ５１を放電加工したときの結果を加工深さと加工速度の関係で示している。このとき設定した工具電極をプラス極とし、電源電圧は９０Ｖ、放電オン時間と放電休止時間のそれぞれを２０μ秒に設定して単位面積あたりの電流量を２Ａから１０Ａに変化させた。放電加工時間を１０分間とし、そのとき加工された深さから加工速度を計算して求めてグラフ化したものである。この加工条件における電極消耗率はほとんど見られなかった。

図８は、図７と同じ設定で単位面積あたりの電流量を変化させる代わりに、放電オンパルス幅の設定を変えた場合の結果である。この場合電流値（ピーク電流値）の設定を３Ａとして放電オン時間を６μ秒から６０μ秒に変化させたときの加工速度との関係を示している。放電パルス時間の変化に対して大きな加工速度の変化は見られなかった。そして、いずれの加工においても電極消耗率は僅少であった。

図９は、ピーク電流設定値（加工間隙を短絡させた場合に回路を流れる電源回路設計上の最大電流値設定）を３Ａ〜１５Ａに変化させた場合の消耗率の変化を、銅電極、銅タングステン電極及び導電性ダイヤモンド電極について比較実験した結果である。このときの他の放電加工条件は、工具電極側極性をプラス、放電パルス幅と休止幅をそれぞれ２０μ秒、被加工物材料をＳＨＤ１１とした。この実験結果から分かるように、銅電極と銅タングステン電極では電流設定値が大きくなるにつれて、電極消耗が大きくなるが、導電性ダイヤモンドでは消耗はほとんど０を示した。図１０は、図９の条件下での放電加工速度を示すグラフである。

種々の条件で放電加工を行った結果、導電性ダイヤモンド電極は銅やグラファイト電極と比べて電極消耗が極めて少ないことに加えて１０Ａ／ｍｍ^２という大きな電流密度条件でも安定して放電加工が行えること、放電オンパルス／休止時間を変化させても，デューティが同じ場合、加工能率が変化しないことがわかった。これらの結果から、導電性ダイヤモンド電極は、放電加工用電極材料として十分活用可能であると考えられる。

以上の実験で用いた導電性ダイヤモンドは、マイクロ波プラズマＣＶＤ法などで気相合成されたものを用いた。ＣＶＤ法では、メタンガスと水素ガスの混合ガスを２０００度以上の環境下で基板の上に一定時間かけて結晶を成長させて合成する。この方法ではバインダー層などがない純粋な炭素からなり、相互成長したダイヤモンドのマイクロ結晶として形成されているので、厳密には多結晶の構造になっている。このＣＶＤダイヤモンドの粒子を核に相互成長させながら厚く柱状の構造を有する合成ダイヤモンドとしたものに、例えば、特許文献２に記載される方法により硼素をドープさせて導電性をもたせたダイヤモンドとしている。
このような導電性を有するダイヤモンド素材は、例えばエレメントシックス社から板状のものやブロック状のものが入手できる。

上述のような、市販の導電性ダイヤモンドを工具電極として利用する場合は、放電加工する面に対し導電性ダイヤモンドの板状のものを、導電性接着剤を用いて接着するか、ろう付けする。板状の電極では取り扱いが難しいが、他の電極材に貼り付けることにより放電加工機への取り付けも簡単になる。また本発明に用いられる電極材は導電性であることを利用して、例えば銅や鉄材などのブロックの一面に上述のごとく貼り付けておき、ワイヤカット放電加工機を用いて所望の形状に切り取り加工したものを電極として用いることができる。

導電性ダイヤモンドを用いた放電加工用工具電極では、特に仕上領域といわれる面粗さの小さい領域の放電加工用電極として利用することができる。また、今まで、銅タングステンや銀タングステンが用いられていた微細な加工の電極として用いることができる。また、微細な加工を少ない消耗で加工できるため精密な金型を製作する際の加工方法としても有効である。

本発明に用いられる導電性ダイヤモンドの特性を銅で比較した図である。 銅及びグラファイトの推奨加工条件を用いて本発明に用いられる導電性ダイヤモンド、銅及びグラファイト電極加工を行なった結果を示す写真。 短いパルス条件における各電極の放電特性を示す写真。 銅タングステンと本発明に用いられる電極のコーナ消耗状態を示す写真。 銅タングステンと本発明に用いられる電極のコーナ消耗状態を示す写真。 銅タングステンと本発明に用いられる電極による加工状態を示す写真。 放電電流密度と加工速度の関係を示すグラフ。 放電パルス時間と加工速度の関係を示すグラフ。 銅タングステン、銅電極及び本発明に用いられる電極の消耗を示すグラフ。 銅タングステン、銅電極及び本発明に用いられる電極の加工速度を示すグラフ。

Claims (1)

1. 加工液中において被加工物を工具電極で無消耗加工又は低消耗加工を行なう放電加工方法において、
   前記工具電極として、合成ダイヤモンドに硼素をドープして比抵抗を０．４×１０ ^−３ Ω・ｍ乃至１×１０ ^−３ Ω・ｍおよび熱拡散率を２．３×１０ ^−４ ｍ ^２ ／Ｓ乃至２．８×１０ ^−４ ｍ ^２ ／ＳとしＣＶＤ法により形成された導電性ダイヤモンドを用い、
   該導電性ダイヤモンド工具電極と前記被加工物を放電電源回路に接続すると共に、放電パルス時間を３０μ秒以下に設定し、放電ピーク電流値を１５Ａ以下の値に設定した放電加工パルスを前記放電電源回路から供給して、電極の消耗を１％以下に抑制して前記被加工物を加工することを特徴とする放電加工方法。