JP4892682B2

JP4892682B2 - ワイヤ放電加工の表面改質方法

Info

Publication number: JP4892682B2
Application number: JP2006342972A
Authority: JP
Inventors: 武夫田村; 倉之介金子
Original assignee: 国立大学法人新潟大学
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: JP2008149439A

Description

本発明は、ワイヤ放電加工の表面改質方法に関する。

超硬合金は、耐摩耗性及び耐熱性に優れ、各種の用途に幅広く利用されている。そして、超硬合金は、炭化タングステンの粉末をコバルトやニッケルなどをバインダーにして焼結してなり、ビッカース硬さＨＶ約１４００と極めて硬いため、切削等の刃物を用いて加工することが難しく、一般に放電加工が主に用いられている。

しかし、超硬合金を放電加工すると、加工条件によっては、その加工面にクラックや微小穴などの表面欠陥が生じ、この表面欠陥が材料強度を下げ、製品寿命が低下する問題がある。

そこで、表面欠陥をできるだけ除去することが望ましいが、超硬合金は非常に硬く、従来の機械的研磨のみでは表面欠陥を除去することが困難であった。

そして、上記クラックなどの表面欠陥は、金型などの早期破壊の原因となることから、生産現場では、手作業による磨きなどが行われている。しかし、熟練者に頼らざるを得ない磨き工程は、多くの時間とコストを必要とする。また、大きな問題点として、クラックなどの欠陥を完全に除去できないこと、磨きにより形状寸法を損ねてしまうこと、及び熟練者の不足が挙げられる。

このような問題を解決するため、本願発明者は、ワイヤ放電加工によって成形した超硬合金放電加工面の研磨方法であって、前記加工面を加熱し酸化処理してこの加工面に酸化層を形成し、この酸化層に砥粒を接触させて前記加工面から前記酸化層を完全に剥離することを特徴とする超硬合金放電加工面の複合研磨方法（例えば特許文献１）を提案しており、この複合研磨方法では、研磨が困難な、ワイヤ放電加工によって成形した超硬合金放電加工面を、酸化処理による表面改質法と砥粒による研磨とを組み合わせた複合研磨によって、単に機械的な研磨だけでは、表面欠陥を全て除去することは極めて困難であった超硬合金の加工面においても、表面欠陥の全く存在しない表面健全性に秀れた加工面に仕上げることができる。

また、加工素材を放電加工した後、加工部分の表面に生じている溶融残留層を、ワイヤ放電研削法により製作されたツールを用いて除去することを特徴とする金型部材の製造方法（例えば特許文献２）が提案されており、この金型部材の製造方法によれば、加工精度が高く高硬度で微小なツールを製作することができ、このツールを用いて、放電加工によって加工部に生じた溶融残留層を除去するから、該溶融残留層が均一にまた高精度に除去された金型部材の製造が可能となる。

また、アルミニウム押出し加工用に使用される熱間工具鋼をワイヤカット放電加工によって金型に成形した後、工具鋼表面にある変質層を電解研磨によって均一に除去する方法（例えば特許文献３）も提案されている。
特開２００５−３２０５７６号公報特開２００３−２８５１１６号公報特開平９−４１１２３号公報

上記各特許文献の方法は、何れも表面欠陥の除去に効果があるが、特許文献１では、ワイヤ放電加工後、研磨装置で研磨を行い、特許文献２では、放電加工後、専用ツールにより溶融残留層を除去し、特許文献３では、ワイヤ放電加工後、電解研磨装置を用い、何れも放電加工装置と別個の装置により研磨を行う方法であるから、ワイヤ放電加工後のワークを後処理装置に移送し、後処理を行うというように、作業工程が増加する欠点がある。

そこで、本発明は、作業性に優れ、溶融再凝固層を除去して表面を改質することができるワイヤ放電加工の表面改質方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、脱イオン水を用いて超硬合金をワイヤ放電加工機により加工するワイヤ放電加工方法において、ワイヤ電極と前記超硬合金との間に前記脱イオン水を介在させた状態で、電圧が印加された前記ワイヤ電極により前記超硬合金に放電加工を施して加工面を形成した後、電圧が印加されたワイヤ電極により前記超硬合金に放電加工を施して前記加工面の溶融再凝固層のワイヤ電極成分を除去し、前記ワイヤ電極成分を除去することにより前記溶融再凝固層のクラックを露出し、この露出した溶融再凝固層のクラックにより脱イオン水を溶融再凝固層下部の超硬合金の母材の面まで浸透させ、前記放電加工から電解作用による電解加工に電圧を調整し、この調整した電圧が印加された前記ワイヤ電極により前記加工面に前記電解加工を施して前記溶融再凝固層を母材の面から浮き上がらせて除去する方法である。

また、請求項２の発明は、前記電解加工時の前記ワイヤ電極は、前記電解加工の前の放電加工時の軌跡と同じ軌跡で前記加工面に沿って移動する方法である。
また、請求項３の発明は、前記電解加工を施す前に、電圧が印加されたワイヤ電極により前記超硬合金に放電加工を複数回施して前記溶融再凝固層のワイヤ電極成分を除去する方法である。

請求項１の構成によれば、ワイヤ放電加工により、超硬合金の加工面には、クラックなどを含む溶融再凝固層が形成され、放電加工から電解加工に電圧を調整し、電解作用により前記溶融再凝固層を除去することができ、溶融再凝固層を除去した加工面は超硬合金の母材による緻密な面となり、他の研磨装置などを用いることなく、ワイヤ放電加工機のみを用いて、切断加工と加工面の改質処理とを行うことができる。

また、請求項２の構成によれば、ワイヤ電極と加工面とのオフセット量や移動軌跡などを、前の放電加工時の設定から変更することなく、そのまま電解加工を行うことができるため、機械の設定に係る作業を簡便に行うことができる。

また、請求項１又は３の構成によれば、ファーストカットなどにおいて、ワイヤ電極の成分が溶融再凝固層のクラックなどに入り込むと、脱イオン水が溶融再凝固層下部の母材まで浸透しなくなるため、放電加工によって前記クラックに詰まったワイヤ電極成分を除去することにより、電解加工時に母材から溶融再凝固層を円滑に除去することができる。

また、請求項１の構成によれば、溶融再凝固層のクラックにより、溶融再凝固層下部の母材の面に脱イオン水が浸透し、電解作用により溶融再凝固層を円滑に除去することができる。

本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。各実施例では、従来とは異なるワイヤ放電加工の表面改質方法を採用することにより、従来にないワイヤ放電加工の表面改質方法が得られ、そのワイヤ放電加工の表面改質方法を夫々記述する。

以下、本発明の実施例１について図１〜図４を参照して説明する。同図に示すように、ワイヤ放電加工機１は、被加工物たる超硬合金２にあらかじめ穿設したスタート穴３に、ワイヤ電極４を挿通し、超硬合金２をプラス極、ワイヤ電極４をマイナス極に印加し、前記ワイヤ電極４を挿通方向に走行させながら、ワイヤ電極４とスタート穴３との間で放電させ、この状態で、前記挿通方向と交差方向に前記超硬合金２を移動することにより、移動軌跡に沿って超硬合金２を所定の形状に形成するものである。尚、前記超硬合金２の移動は、ワイヤ放電加工機１の図示しない制御部と移動手段とによりなされる。

また、ワイヤ電極４は、供給リール５から連続的に供給され、超硬合金２の両側に配置されたコロ６を通って巻取りリール７に巻き取られると共に、この巻取りリール７とコロ６との間にテンションローラ８を設け、このテンションローラ８によりワイヤ電極４の張力を調整するようになっている。また、前記ワイヤ電極４は、例えば真鍮などを主成分とする。また、超硬合金２には、ワイヤ放電加工による複数回切りが行われ、ワイヤ放電加工により形成した超硬合金２の加工面９とワイヤ電極４の間隔（オフセット量）を徐々に近づけ、且つ回数に応じて放電エネルギーを徐々に低下させながら放電加工が行われる。

また、前記放電加工部分は、加工槽（図示せず）内に配置され、加工液たる脱イオン水12を超硬合金２の加工面９に掛け流した状態で、前記放電加工及び後述する電解加工が行われ、脱イオン水12は加工槽から回収されて循環供給されている。尚、この例では、放電加工部分に対して、上下に加工液供給ノズル13，13を配置し、これら上下のノズル13，13から放電加工部分に脱イオン水12を噴射供給することにより、ワイヤ電極４と加工面９との間に脱イオン水12を介在するようにしている。

上記のような汎用的なワイヤ放電加工機１において、ワイヤ放電加工と表面改質とを行う方法について説明する。ワイヤ放電加工の１回目（ファーストカット）においては、ワイヤ電極４と加工面９との間に放電を起させ、上述したように、超硬合金２を所定形状に形成する。そして、放電加工は、放電時の熱による材料の溶融除去現象を利用しているため、加工面９には、母材である超硬合金２と質的に異なる溶融再凝固層が形成され、この溶融再凝固層には、溶融，急冷を伴って形成されるためクラックが発生する。また、特に、切断加工を伴うファーストカットにおいては、ワイヤ電極４の成分が前記溶融再凝固層側に入り込み、前記クラックを塞いでいる。

ワイヤ放電加工の２回目（セカンドカット）では、直前のファーストカットより加工面９にワイヤ電極４を近づけ、即ちオフセット量を小さくし、且つ放電エネルギーをファーストカットより下げて、ワイヤ放電加工を行う。これにより、クラックに入り込んだワイヤ電極成分のない溶融再凝固層が形成される。さらに、セカンドカットに続けてワイヤ放電加工の３回目（サードカット）を行うことが好ましく、このサードカットでは、直前のセカンドカットより加工面９にワイヤ電極４を近づけ、即ちオフセット量を小さくして、セカンドカットと同じ放電エネルギーでワイヤ放電加工を行う。このようにセカンドカットとサードカットとを行うことにより、クラックに入り込んだワイヤ電極成分のない溶融再凝固層を確実に得ることができる。このクラックが現れた溶融再凝固層を有する加工面９の顕微鏡写真に図２に示す。この顕微鏡写真は、走査型電子顕微鏡で、加工面９を拡大したものである。

図２のように、サードカットにより、溶融再凝固層のクラックが現れ、それらクラックの幾つかは、溶融再凝固層に覆われた超硬合金２の母材の面まで達するものとなる。
サードカット後、オフセット量を変更することなく、直前のサードカットより印加する電圧を下げ、加工水の流量や供給電圧を適正に維持しながら、放電が発生せずに、超硬合金２の加工面９に脱イオン水12を掛け流しながら電解作用が発生するように設定し、直前の放電加工である前記サードカットの軌跡と同じ軌跡でワイヤ電極４を超硬合金２に対して相対移動させて電解加工を行う。

このように電解加工を行うと、脱イオン水12を掛け流した状態で、加工面９側はプラス極で、前記脱イオン水12がクラックから超硬合金２の母材の面まで浸透し、電解作用により、溶融再凝固層が母材から浮き上がる。この場合、溶融再凝固層は、主として、コバルト（超硬合金２のバインダ）の接着作用により母材に接着され、電解作用により、溶融再凝固層を母材に接着するコバルトが、接着力を失うものと思われる。この電解加工後の加工面９の顕微鏡写真を図３に示す。図３に示すように、溶融再凝固層は、浮き上がり、この状態で、水道水などにより洗浄することにより、溶融再凝固層だけが流れ落ちて除去され、図４の顕微鏡写真に示すような加工面９が現れ、この加工面９にはクラックなどの表面欠陥が全く存在せず、超硬合金２本来の炭化タングステン粒子群に覆われていることが分かる。

特に、上記方法では、ワイヤ放電加工機１によりワイヤ放電加工を行い、そのままワイヤ放電加工機１に超硬合金２をセットした状態で、電解加工を行うことができ、しかも、電解加工前のオフセット量を変更することなく、電解作用を生じるように電圧を下げる等の調整をして電解加工を行い、電解加工前の放電加工の軌跡と同じ軌跡でワイヤ電極４を相対移動することにより加工を行うことができる。

このように本実施例では、請求項１に対応して、脱イオン水12を用いて超硬合金２をワイヤ放電加工機１により加工するワイヤ放電加工方法において、ワイヤ電極４と超硬合金２との間に脱イオン水12を介在させた状態で、電圧が印加されたワイヤ電極４により超硬合金２に放電加工を施して加工面９を形成した後、電圧が印加されたワイヤ電極４により超硬合金２に放電加工を施して加工面９の溶融再凝固層のワイヤ電極成分を除去し、前記ワイヤ電極成分を除去することにより前記溶融再凝固層のクラックを露出し、この露出した溶融再凝固層のクラックにより脱イオン水12を溶融再凝固層下部の超硬合金２の母材の面まで浸透させ、前記放電加工から電解作用による電解加工に電圧を調整し、この調整した電圧が印加されたワイヤ電極２により加工面９に電解加工を施して前記溶融再凝固層を母材の面から浮き上がらせて除去するから、ワイヤ放電加工により、超硬合金２の加工面９には、クラックなどを含む溶融再凝固層が形成され、放電加工から電解加工に電圧を下げ、電解作用により前記溶融再凝固層を除去することができ、溶融再凝固層を除去した加工面９は超硬合金の母材による緻密な面となり、他の研磨装置などを用いることなく、ワイヤ放電加工機１のみを用いて、切断加工と加工面９の改質処理とを行うことができる。

また、このように本実施例では、請求項２に対応して、前記電解加工時のワイヤ電極４は、前記電解加工の前の放電加工時の軌跡と同じ軌跡で加工面９に沿って移動するから、ワイヤ電極４と加工面９とのオフセット量や移動軌跡などを、前の放電加工時の設定から変更することなく、そのまま電解加工を行うことができるため、機械の設定に係る作業を簡便に行うことができる。

また、このように本実施例では、請求項１に対応して、前記電解加工を施す前に、電圧が印加されたワイヤ電極４により超硬合金２に放電加工を施して溶融再凝固層のワイヤ電極成分を除去し、また、請求項３に対応して、前記電解加工を施す前に、電圧が印加されたワイヤ電極４により超硬合金２に放電加工を複数回施して溶融再凝固層のワイヤ電極成分を除去することで、ファーストカットなどにおいて、ワイヤ電極４の成分が溶融再凝固層のクラックなどに入り込み、脱イオン水12が溶融再凝固層下部の母材まで浸透しなくなることを防ぐことができるため、電解加工時に母材から溶融再凝固層を円滑に除去することができる。

また、このように本実施例では、請求項１に対応して、溶融再凝固層のクラックにより、溶融再凝固層下部の母材の面に脱イオン水12が浸透し、電解作用により溶融再凝固層を円滑に除去することができる。

また、実施例上の効果として、サードカット後に電解加工を行うから、一層、加工における作業性に優れた方法となる。

なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば、実施例では、放電加工の３回目（サードカット）の後に電解加工を行う例を示したが、放電加工の４回目以降の後に電解加工を行っても良く、また、放電加工の２回目（セカンドカット）の後に電解加工を行ってもよい。さらに、実施例では、脱イオン水を掛け流すことにより、ワイヤ電極と超硬合金との間に脱イオン水を介在させる例を示したが、放電加工部分を脱イオン水に浸漬することにより、ワイヤ電極と超硬合金との間に脱イオン水を介在させてもよい。

本発明の実施例１を示すワイヤ放電加工機の概略説明図である。同上、サードカット後の加工面の顕微鏡写真である。同上、電解加工後の加工面の顕微鏡写真である。同上、溶融再凝固層を除去した後の加工面の顕微鏡写真である。

１ワイヤ放電加工機
２超硬合金
４ワイヤ電極
９加工面
12 脱イオン水（加工液）

Claims

脱イオン水を用いて超硬合金をワイヤ放電加工機により加工するワイヤ放電加工方法において、ワイヤ電極と前記超硬合金との間に前記脱イオン水を介在させた状態で、電圧が印加された前記ワイヤ電極により前記超硬合金に放電加工を施して加工面を形成した後、電圧が印加されたワイヤ電極により前記超硬合金に放電加工を施して前記加工面の溶融再凝固層のワイヤ電極成分を除去し、前記ワイヤ電極成分を除去することにより前記溶融再凝固層のクラックを露出し、この露出した溶融再凝固層のクラックにより脱イオン水を溶融再凝固層下部の超硬合金の母材の面まで浸透させ、前記放電加工から電解作用による電解加工に電圧を調整し、この調整した電圧が印加された前記ワイヤ電極により前記加工面に前記電解加工を施して前記溶融再凝固層を母材の面から浮き上がらせて除去することを特徴とするワイヤ放電加工の表面改質方法。
前記電解加工時の前記ワイヤ電極は、前記電解加工の前の放電加工時の軌跡と同じ軌跡で前記加工面に沿って移動することを特徴とする請求項１記載のワイヤ放電加工の表面改質方法。
前記電解加工を施す前に、電圧が印加されたワイヤ電極により前記超硬合金に放電加工を複数回施すことを特徴とする請求項１又は２記載のワイヤ放電加工の表面改質方法。