JP2010076036A - 電極集合体、放電加工方法及び放電加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単かつ安価な電極構造で放電加工を効率良く実施する。
【解決手段】砥石加工装置は、テーブル１０上に支持した砥石Ｓと電極集合体２２との間に高周波電源３０により電圧を印加してコロナ放電を発生させることにより砥石Ｓを加工する。電極集合体２２は、複数本のいわゆる被覆電線２３が並列かつ一列に配列されると共に先端部分が一体に固定され、前記複数本の導体のうち一本が各被覆電線２３の先端側に所定長だけ突出して設けられることにより当該一本の導体の先端部分からなる複数の電極２２ａが前記被覆電線２３の配列方向に一列に設けられたものであり、各被覆電線２３が高周波電源３０に並列接続されることにより各電極２２ａと砥石Ｓとの間にコロナ放電を発生せるように構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、放電現象を利用して被加工物を加工する放電加工装置に適した電極集合体、放電加工方法及び放電加工装置に関するものである。

従来から、例えば特許文献１に開示されるような砥石の目立て（ドレッシング）装置が知られている。この装置は、メタルボンド砥石の砥石面に対して近接して配置された電極と前記砥石面との間にコロナ放電を発生させ、これによって砥石面のメタルボンド部分を溶融除去して砥石面の目立てを行うというものである。
特開２０００−２４６６３４号公報

大気圧下においてプラズマ放電加工を行う場合には、先端が細い放電電極を用いてコロナ放電を発生させるのがプラズマを安定的に生成する上で好ましい。

しかし、放電電極が細くなると単位時間当たりの加工範囲（面積）は狭くなり加工時間を要する。そこで、単位時間当たりの加工面積を稼ぐために、例えば放電電極として先端部分に円錐形状や四角錐形状の多数の突起を規則的に形成したものを用いることが行われているが、このような電極は製作が難しく、また高価であるため装置のコスト高を招く要因の一つとなっていた。

本発明は、上記のような事情に鑑みて成されたものであり、簡単かつ安価な電極構造で放電加工をより効率良く実施することを目的とするものである。

本発明は、被加工物に対向するように近接して配置され、当該被加工物との間にコロナ放電を発生させるための電極集合体であって、複数本の導体が絶縁材により一体に被覆された被覆電線が複数本並列にかつ一列に配列されると共に隣接するものの絶縁材同士が接触するようにこれら被覆電線の先端部分が一体に固定され、各被覆電線の前記複数の導体のうち一本が前記絶縁材から電線先端側に所定長だけ突出して設けられることにより当該一本の導体の先端部分からなる複数の電極が前記被覆電線の配列方向に一列に設けられているものである。

この電極集合体によれば、並列に並んだ各電極と被加工物との間にそれぞれコロナ放電が発生するころにより、電極の並び方向における一定の範囲を同時に加工することができる。しかも、この電極集合体は、いわゆる被覆電線を用いてこれらの末端部分を加工することにより構成されているため、簡単にかつ安価に製造することができる。例えば、複数本の導体が絶縁材により一体に被覆された複数本の被覆電線を用意する工程と、前記複数本の導体のうちの一本を各被覆電線の先端側に突出させることにより電極を形成する工程と、前記被覆電線を並列にかつ一列に配列すると共に隣接するものの絶縁材同士が接触するようにこれら被覆電線の先端部分を一体に固定することにより前記各電極が互いに前記被覆電線の直径とほぼ等しい間隔を隔てて並ぶ状態にする工程と、を経ることによって簡単に製造することができる。

従って、以下の本発明の放電加工方法に従うことにより、簡単かつ安価な電極構造でもって効率良く被加工物を加工することができる。すなわち、本発明の放電加工方法は、導電性を有しかつ接地された被加工物を加工するための放電加工方法であって、前記被加工物の表面に請求項１に記載の電極集合体の各電極を近接させることと、前記被覆電線を介して各電極と前記被加工物との間にそれぞれ加工電圧を印加してコロナ放電を発生させながら前記電極の並び方向と直交する方向に前記被加工物と電極集合体とを相対的に移動させることと、を含むものである。

なお、このような放電加工方法は砥石の加工に有用である。すなわち、導電性を有する結合材により砥粒を支持した砥石を前記被加工物として当該砥石に対向するように前記電極集合体の各電極を近接させ、各電極と前記砥石との間にコロナ放電を発生させて前記砥石面における結合材の一部を除去することにより当該砥石面の目立てを行うことができる。

この方法によれば、上記の通り簡単かつ安価な電極構成でもって効率良く砥石（砥石面）の目立てを行うことができる。

一方、本発明に係る放電加工装置は、放電電極を有し、導電性を有する被加工物に対向するように前記放電電極を近接配置した状態で前記被加工物と前記放電電極との間に加工電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて前記被加工物を加工する放電加工装置において、前記被加工物を支持すると共に当該被加工物を接地する支持手段と、この支持手段に支持される被加工物に対向するように配置されかつ当該被加工物に対して相対的に移動可能に設けられる前記放電電極と、前記被加工物と前記放電電極との間に前記加工電圧を印加する電源と、を備え、前記放電電極として上記した電極集合体を有しており、前記相対移動方向と直交する方向に電極が並ぶように前記電極集合体が配置されると共に各電極が前記被覆電線を介して前記電源にそれぞれ接続されているものである。

この放電加工装置によれば、上述したような放電加工方法に基づき効率良く被加工物を加工することができる。

上記の通り、本発明によれば、簡単かつ安価な電極構成でもって大気下においてコロナ放電を安定的に発生させながら効率良く被加工物を加工することが可能となる。

本発明の好ましい実施の形態について図面を用いて説明する。

図１及び図２は、本発明に係る放電加工装置の一つである砥石加工装置（本発明に係る放電加工方法が実施される放電加工装置）の一例を示しており、図１は正面図で、図２は側面図でそれぞれ砥石加工装置を概略的に示している。

同図に示す砥石加工装置（以下、加工装置と略す）は、導電性を有する砥石、具体的には導電性を有するメタルボンドを結合剤として所定の割合でダイヤモンド砥粒を支持したメタルボンド砥石をワークとし、大気圧下で放電現象を利用して砥石面に目立て（ドレッシング）を施すものである。

加工装置は、ベース１２と、このベース１２上に移動可能に支持されるテーブル１０（本発明の支持手段に相当する）と、このテーブル１０を駆動する駆動機構と、前記テーブル１０の上方に配置される加工用のヘッド２０等とを備えており、前記テーブル１０上に砥石Ｓを支持した状態で、前記ヘッド２０に対して当該テーブル１０と共に砥石Ｓを移動させながら（加工送りしながら）、前記ヘッド２０により砥石Ｓを加工するように構成されている。

上記駆動機構は、ベース１２上に固定されるレール１４，１４と、これらレール１４，１４と平行に延びかつ前記テーブル１０に設けられたナット部分１０ａに螺合挿入されるねじ軸１８と、このねじ軸１８の一端に連結されるモータ１６等とを有しており、当該モータ１６によりねじ軸１８を回転駆動することにより前記テーブル１０をレール１４，１４に沿って移動させる（加工送り）ように構成されている。

前記テーブル１０は、その一辺が前記加工送り方向（Ｘ方向）と平行な平面視矩形の形状を有しており、その上面には、前記加工送り方向と直交する方向（Ｙ方向）に並ぶ２つの砥石支持部１１ａ，１１ｂ（適宜第１支持部、第２支持部という）が設けられている。各支持部１１ａ，１１ｂは、図示を省略しているがチャック機構（図示省略）を各々備えており、個別に砥石を位置決めして固定できるように構成されている。

なお、後述するが、これら支持部１１ａ，１１ｂのうち一方側（図２では左側）の第１支持部１１ａはワークとしての砥石Ｓを支持するものであり、他方側の第２支持部１１ｂはダミー砥石Ｓｄを支持するものである。

前記ヘッド２０は、テーブル１０の可動領域内であって当該テーブル１０の上方に配置されている。ヘッド２０は、テーブル１０をその幅方向（Ｙ方向）に横断するように設けられており、コラム２１に対して昇降可能に支持されかつねじ送り機構等からなる図外の駆動機構により駆動されるようになっている。

前記ヘッド２０のうち第１支持部１１ａに対向する位置には、砥石加工用の放電電極として電極集合体２２が下向きに配置されており、第２支持部１１ｂに対向する位置には、前記電極集合体２２とは別に予備電極２４が下向きに配置されている。

電極集合体２２は、複数の電極２２ａを一体的に備えたもので、複数本のいわゆる被覆電線２３（複数本の導体を絶縁材により一体に被覆した電線；以下、単に電線２３という）から構成されている。詳しくは、複数本の電線２３が並列にかつ一列に配列されて絶縁材同士が接触するようにこれら電線２３の先端部分が一体に固定され、前記複数本の導体のうち一本が各被覆電線２３の先端側に所定長だけ突出して設けられることにより当該一本の導体からなる複数の電極２２ａが前記被覆電線２３の配列方向に一列に設けられたものである。

予備電極２４も同様に被覆電線２５（単に電線２５という）から構成されている。すなわち、予備電極２４は、電線２５の先端部分に導体の露出部分が形成され、当該露出部分において複数本の導体のうち一本を残して他が除去されることにより当該一本の導体により前記予備電極２４が構成されている。なお、当実施形態では、前記電線２３，２５として外径４ｍｍ、内径３ｍｍ（導体径０．３１ｍｍ）の３．５ｓｑ線を用いて各電極２２ａ、２４が構成されている。

図２に示すように、電極集合体２２の各電極２２ａ及び予備電極２４は、前記電線２３，２５及び図外のコネクタ等を介して互いに並列接続で高周波電源３０（本発明の電源に相当する）に接続されている。また、前記テーブル１０は、電線３１を介して接地（アース）されており、各支持部１１ａ，１１ｂに支持される砥石Ｓ，Ｓｄを各々接地するようになっている。この構成により、各支持部１１ａ，１１ｂに支持される砥石Ｓ，Ｓｄと前記電極２２ａ，２４との間に加工電圧を印加し得るようになっている。

なお、予備電極２４と高周波電源３０との間には、当該予備電極２４と高周波電源３０とを導通状態と非導通状態とに切替えるスイッチ３６が介設されており、このスイッチ３６が制御装置３４により切替え制御されるようになっている。この制御装置３４は、砥石加工装置を統括的に制御する例えばＮＣ装置等からなり、前記電極集合体２２の電極２２ａ（何れか一つ）に供給される電流の値を検出する電流計３８の検出電流値に基づきスイッチ３６を切替え制御する。

次に、上記砥石加工装置の砥石Ｓの加工（目立て）動作について説明する。

作業の開示に先立ち、まず、ワークである砥石Ｓを第１支持部１１ａに、ダミー砥石Ｓｄ（以下、ダミーＳｄという）を第２支持部１１ｂにそれぞれ位置決め固定する。ここで、砥石Ｓは、上記の通りメタルボンドを結合剤として所定の割合でダイヤモンド砥粒を支持したメタルボンド砥石であり、一定の厚み寸法を有した平面視矩形のものである。又ダミーＳｄは、砥石Ｓと同じ材質のダイヤモンド砥石からなり、幅（Ｙ方向寸法）が砥石Ｓよりも狭い以外は、その厚み及び長さ寸法（Ｘ方向寸法）は何れも砥石Ｓと同じ寸法に形成されている。

これら砥石Ｓ及びダミーＳｄを、図１，２に示すように、砥石Ｓについてはその被加工面（砥石面）が上向きになる状態で、ダミーＳｄについはその上面が砥石Ｓの被加工面と等しくなるように各々支持部１１ａ，１１ｂに固定する。

この作業が完了すると図外の開始スイッチの操作に基づき砥石Ｓの加工を開始する。

開始スイッチが操作すると、まずテーブル１０が駆動され、送り開始位置、すなわち砥石Ｓの一端（加工送り方向における一端）がヘッド２０（電極集合体２２）に対向する位置に砥石Ｓが配置される共に、ヘッド２０が駆動され、電極集合体２２（電極２２ａ）と砥石Ｓ（砥石面）とのギャップｈ（図３参照）が所定寸法に調整される。当実施形態では、当該ギャップｈがほぼ４．２ｍｍに調整される。なお、このようにテーブル１０及びヘッド２０が駆動されることにより、ダミーＳｄも同様にその一端が予備電極２４に対向する位置に配置され、また、ダミーＳｄと予備電極２４とのギャップｈが上記所定寸法に調整される。

その後、高周波電源３０により電極集合体２２の各電極２２ａと砥石Ｓとの間に加工電圧が印加されると共にテーブル１０が一定の送り速度で駆動される。これにより砥石Ｓの加工が開始されると共に電流計３８により電極２２ａに供給される電流の値の検出が開始される。なお、この時点ではスイッチ３６はオフ、すなわち予備電極２４と高周波電源３０とは非導通状態とされており、従って、予備電極２４とダミーＳｄとの間に電圧は印加されていない。

上記のように電極集合体２２の各電極２２ａと砥石Ｓ（砥石面）との間に加工電圧が印加されると、各電極２２ａと砥石Ｓとの間にコロナ放電が発生し、これによりプラズマが生成されて砥石面のうち主にメタルボンド部分が除去される。つまり、砥石Ｓの目立てが行われる。この際、各電極２２ａにコロナ放電が発生すると、各電極２２ａを中心とする一定範囲に目立てが施され（図３中の破線参照）、これにより電極２２ａの並び方向に亘って一定の範囲内に連続的に目立てが施されることとなる。

そして、このように各電極２２ａと砥石Ｓとの間に電圧が印加される一方で、テーブル１０の駆動により砥石Ｓが電極集合体２２に対して加工送りされることによって、砥石Ｓの一端側から順に一定幅でその砥石面に対して目立てが施されることとなる。

なお、砥石Ｓの加工が開始されると、電流計３８の検出値が制御装置３４において監視され、当該検出値が予め定められた閾値に達すると、前記スイッチ３６がオフからオンに切換えられて予備電極２４と高周波電源３０とが導通状態に切換えられ、これにより各電極２２ａに供給される電流の上昇が抑制される。すなわち、前記閾値は、電極集合体２２（電極２２ａ）と砥石Ｓとの間にアーク放電が発生するレベル（コロナ放電がアーク放電に遷移するレベル）の電流値より若干低い値に設定されており、検出値がこの閾値に達すると予備電極２４と高周波電源３０とが導通状態に切換えられることにより予備電極２４とダミー砥石Ｓｄとの間に電圧が印加されてコロナ放電が生成される。そして、このように予備電極２４に電流が流れることによって高周波電源３０にその内部抵抗３０ａ（出力インピーダンス）による電圧降下が生じ、その結果、各電極２２ａと砥石Ｓとの間に印加される加工電圧が瞬時に低下して各電極２２ａに流れる電流の値の上昇が抑制される。つまり、各電極２２ａに供給される電流値の上昇が抑制されることにより、各電極２２ａと砥石Ｓとの間に生成されるコロナ放電が意図せずアーク放電に遷移することが防止されることとなる。

こうして、ヘッド２０に対して砥石Ｓがその末端まで加工送りされると、高周波電源３０が停止されると共にテーブル１０の駆動が停止され、これにより一連の砥石Ｓの加工が終了する。

以上のように、この砥石加工装置では、複数の電極２２ａが一列に並ぶことにより一定の加工（目立て）幅を有する電極集合体２２を用い、電極２２ａの並び方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｘ方向）に砥石Ｓと電極集合体２２とを相対的に移動させながら当該砥石Ｓに目立てを行うので、砥石Ｓに対して効率良く目立てを行うことができる。

しかも、電極集合体２２は、複数本の被覆電線２３の末端を加工することにより前記電極２２ａを設けた非常に簡素な構成であるため、簡単にかつ安価に製造することができる。例えば、複数本の導体が絶縁材により一体に被覆された複数本の被覆電線２３を用意する工程と、前記複数本の導体のうちの一本を各被覆電線２３の先端側に突出させることにより電極２２ａを形成する工程と、前記被覆電線２３を並列にかつ一列に配列すると共に隣接するものの絶縁材同士が接触するようにこれら被覆電線２３の先端部分を一体に固定することにより前記各電極２２ａが互いに前記被覆電線２３の直径とほぼ等しい間隔を隔てて並ぶ状態にする工程と、を経るだけで簡単に電極集合体２２を製造することができる。

従って、簡単かつ安価な電極構成でもってコロナ放電を安定的に発生させながら効率良く砥石Ｓを加工（目立て）することができる。

なお、この実施形態では、上述のように外径４ｍｍ、内径（導体総径）３ｍｍの３．５ｓｑ線を用いて電極２２ａを構成しているが、これは図５に示す試験結果に基づくものである。この試験は、図４に示すように、２つの電極２２ａを有する電極集合体２２について、電極２２ａと砥石Ｓとの間隔ｈを４．２ｍｍに設定し、高周波電源４０により一定の加工電圧（４ｋＶ、５ｋＨｚ）を一定時間（２０ｓ）印加したきの目立ての状態を、電線２３の種類を変えて評価したものである。なお、砥石Ｓの幅（図４の左右方向の寸法）は７ｍｍである。電極２２ａと砥石Ｓとの間隔ｈ（４．２ｍｍ）は、コロナ放電が最も良好に発生し得ると考えられる値であって試験的に求めた値である。

図５に示すように、電線２３として８ｓｑ電線（電線径6.0ｍｍ、導体径0.45ｍｍ）を使用した場合には、中央部分に未加工部分が発生しており、これは電極間ピッチが広いためと考えられる。電極２２ａと砥石Ｓとの間隔ｈを広げるとやや改善されるが、この場合にはコロナ放電の発生が不安定となった。

電線２３として５．５ｓｑ電線（電線径5.0ｍｍ、導体径0.31ｍｍ）、３．５ｓｑ電線（電線径4.0ｍｍ、導体径0.31ｍｍ）を使用した場合には、砥石Ｓの幅方向全体に亘って加工を施すことできた。しかし、５．５ｓｑ電線の場合には、中央部分に加工ムラが生じてしまい均一加工が困難であった。電極２２ａと砥石Ｓとの間隔ｈを変えるとやや改善されるが傾向は同じてあった。

電線２３として２ｓｑ電線（電線径3.5ｍｍ、導体径0.26ｍｍ）を使用した場合には、砥石Ｓの端部に未加工部分が残ったがそれ以外の加工状態は概ね良好であった。従って、電極２２ａの数を増やすことで砥石Ｓの全体を良好に加工できると考察できる。

この結果から、電線２３として公称断面積（ｓｑ）が３．５ｓｑ以下のものを適用して電極集合体２２を構成すれば、電極２２ａの並び方向における一定幅を連続的にかつ均一に加工することができることが考察できる。但し、２ｓｑ以下の電線２３になると加工幅が狭くなる分、電極２２ａ（電線２３）の数を増やす必要が生じる。従って、少ない電極２２ａで広い加工幅を確保する観点からは３．５ｓｑの電線２３により電極集合体２２を構成するのが好適と考えられる。

ところで、上述した砥石加工装置は、本発明に係る砥石加工装置（本発明に係る砥石加工方法を実施可能な砥石加工装置）の一例であって、その具体的な構成等は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、板状の砥石Ｓを加工するための砥石加工装置について説明したが、例えば砥石Ｓとして砥石車を加工（目立て）する場合には、砥石Ｓの支持手段としてモータ駆動の主軸を設け、この主軸に砥石Ｓを固定すると共に砥石軸方向に電極２２ａが並んだ電極集合体２２を砥石面に対向するように配置し、主軸と砥石Ｓ等とを一体に回転駆動しながら電極集合体２２により放電加工を行うように構成してもよい。例えば内面研削盤や円筒研削盤に対して本発明に係る砥石加工装置を組込む場合には、この構成を採用することができる。

また、実施形態では、電極集合体２２（電極２２ａ）側に過電流が流れた際にアーク放電が発生するのを防止するために、予備電極２４を高周波電源３０に接続して当該予備電極２４からダミー砥石Ｓｄに電流を放電させて加工電圧を降下（低下）させるようにしているが、例えば、電極集合体２２（電極２２ａ）と予備電極２４とを近接配置することにより予備電極２４からの放電を被加工物である砥石Ｓに対して行うようにしてもよい。この構成によれば、電極集合体２２と共通の砥石Ｓに対して予備電極２４から放電を行うため、電極集合体２２（電極２２ａ）側と予備電極２４側との通電条件をより等しくすることができ、従って、予備電極２４からの放電時に電極集合体２２（電極２２ａ）側の放電状態が不安定になる等の不都合を良好に回避することが可能となる。

また、電極集合体２２（電極２２ａ）に過電流が生じた際に加工電圧を低下させるための具体的な構成は、上記のように予備電極２４を設ける以外に、例えば電極２２ａから砥石Ｓ及びテーブル１０を通じてアース（接地）に至る電極２２ａ側の通電経路と同等の抵抗値を有し、かつ高周波電源３０に対して電極２２ａと並列に接続されるアース回路のようなものを設けてもよい。この構成によっても理論的には上記実施形態と同様の効果を享受することができる。

本発明に係る放電加工装置の一つである砥石加工装置を示す正面略図である。 放電加を制御するための電気系統の図を含む砥石加工装置の側面略図である。 電極の構成を示すヘッドの要部拡大略図である。 放電加工試験の試験条件を示す模式図である。 放電加工試験の結果を示す表である。

符号の説明

１０ テーブル
２０ ヘッド
２２ 電極集合体
２２ａ 電極
２３，２５ 被覆電線
２４ 予備電極
３０ 高周波電源
３４ 制御装置
３６ 電流計
３８ 開閉器
Ｓ 砥石
Ｓｄ ダミー砥石

Claims (5)

1. 被加工物に対向するように近接して配置され、当該被加工物との間にコロナ放電を発生させるための電極集合体であって、
   複数本の導体が絶縁材により一体に被覆された被覆電線が複数本並列にかつ一列に配列されると共に隣接するものの絶縁材同士が接触するようにこれら被覆電線の先端部分が一体に固定され、各被覆電線の前記複数の導体のうち一本が前記絶縁材から電線先端側に所定長だけ突出して設けられることにより当該一本の導体の先端部分からなる複数の電極が前記被覆電線の配列方向に一列に設けられていることを特徴とする電極集合体。
2. 被加工物に対向するように近接して配置され、当該被加工物との間にコロナ放電を発生させるための電極集合体の製造方法であって、
   複数本の導体が絶縁材により一体に被覆された複数本の被覆電線を用意する工程と、前記複数本の導体のうちの一本を各被覆電線の先端側に突出させることにより電極を形成する工程と、前記被覆電線を並列にかつ一列に配列すると共に隣接するものの絶縁材同士が接触するようにこれら被覆電線の先端部分を一体に固定することにより前記各電極が互いに前記被覆電線の直径とほぼ等しい間隔を隔てて並ぶ状態にする工程と、を含むことを特徴とする電極集合体の製造方法。
3. 導電性を有しかつ接地された被加工物を加工するための放電加工方法であって、
   前記被加工物の表面に請求項１に記載の電極集合体の各電極を近接させることと、前記被覆電線を介して各電極と前記被加工物との間にそれぞれ加工電圧を印加してコロナ放電を発生させながら前記電極の並び方向と直交する方向に前記被加工物と電極集合体とを相対的に移動させることと、を含むことを特徴とする放電加工方法。
4. 請求項３に記載の放電加工方法であって、
   導電性を有する結合材により砥粒を支持した砥石を前記被加工物として当該砥石に対向するように前記電極集合体の各電極を近接させ、各電極と前記砥石との間にコロナ放電を発生させて前記砥石面における結合材の一部を除去することにより当該砥石面の目立てを行うことを特徴とする放電加工方法。
5. 放電電極を有し、導電性を有する被加工物に対向するように前記放電電極を近接配置した状態で前記被加工物と前記放電電極との間に加工電圧を印加することによりコロナ放電を発生させて前記被加工物を加工する放電加工装置において、
   前記被加工物を支持すると共に当該被加工物を接地する支持手段と、
   この支持手段に支持される被加工物に対向するように配置されかつ当該被加工物に対して相対的に移動可能に設けられる前記放電電極と、
   前記被加工物と前記放電電極との間に前記加工電圧を印加する電源と、を備え、
   前記放電電極として請求項１に記載の電極集合体を有しており、前記相対移動方向と直交する方向に前記電極が並ぶように前記電極集合体が配置されると共に各電極が前記被覆電線を介して前記電源にそれぞれ接続されていることを特徴とする放電加工装置。