JP2010201521A - 形彫放電加工装置の加工用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高ピーク電流値で短いパルス幅の放電電流パルスおよび電流振幅の変動が小さい放電電流パルスを供給することが困難である。
【解決手段】放電加工回路１０は、加工間隙に直列に直流電源１２と電流検出器１４を備える。直流電源１２と加工間隙に直列に第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が設けられる。直流電源１２に並列かつ加工間隙と第１のスイッチング素子１６に直列に第１のバイパス電路３０が接続され、直流電源１２に並列かつ加工間隙と第２のスイッチング素子１８に直列に第２のバイパス電路４０が接続される。オン時間中の電流上昇期間中は各スイッチング素子１６，１８を同時に導通させるとともに、交互に非導通にされることになるように、電流検出器１４の検出信号に応答して第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８の一方を所定時間非導通にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、形彫放電加工装置の加工用電源装置に関する。特に、工具電極と被加工物との間に形成される加工間隙に所望の波形の放電電流パルスを供給する形彫放電加工装置における加工用電源装置に関する。

形彫放電加工は、工具電極と被加工物とで形成される加工間隙に放電を発生させ、放電エネルギにより被加工物から材料を除去する加工方法である。一発の放電における放電エネルギが大きいほど被加工物から除去される材料の量が多くなる。放電エネルギの大きさは、加工間隙に流れる放電電流の電流密度に依存するから、放電一発当たりの加工除去量は、放電電流パルスのピーク電流値とパルス幅によって異なる。放電一発当たりの加工除去量が多いほど加工速度が速くなる一方で、加工面粗さが粗くなるとともに、加工形状精度が低下する傾向にある。

そのため、加工穴が小さく加工除去量が極端に少ない場合を除いて、一般に形彫放電加工で求められる十数μｍＲｚ以下の加工面粗さで寸法誤差が十数μｍ以下の加工形状精度を得ることができる小さい放電エネルギの電気的加工条件で放電加工を行なうと、許容できない加工時間を要する。そこで、荒加工工程から最終仕上げ加工工程までの複数回の加工工程に分けて放電エネルギを段階的に小さくしながら加工穴を放電加工するようにされている。

したがって、被加工物が無垢の状態から加工穴を形成する荒加工工程では、ピーク電流値が高くパルス幅が長い放電電流パルスが供給される。そして、形状出しの中加工工程から面出しの仕上げ加工工程に進むに従ってピーク電流値が低くパルス幅が短い放電電流パルスが供給される。各加工工程で供給される放電電流パルスのピーク電流値とパルス幅の値は、工具電極と被加工物の材料の組合せと加工穴の大きさによって異なる。

ところで、工具電極が銅（Ｃｕ）で被加工物が鉄（Ｆｅ）であるときは、ピーク電流値に対して所定割合以上の長いパルス幅を有する放電電流パルス、いわゆるロングパルスを供給することで電極消耗率が０．１％以下の電極無消耗加工を行なうことができることがよく知られている。また、工具電極を直流電源のプラス極に接続する逆極性とし立上がりが緩やかな波形の放電電流パルスを供給することによって工具電極の消耗を低減できることが知られている。

ピーク電流値に比べて十分に長いパルス幅の放電電流パルスで加工を続ける場合は、アーク放電のような加工結果に悪影響を与える異常放電を誘発させないために加工間隙の消イオン化を十分に行なう必要がある。そのため、放電の休止時間を比較的長くすることが要求される。その結果、放電の繰返し周波数が低くなるので、それだけ加工速度が遅くなる。しかしながら、工具電極の消耗が少ないと、加工全体における加工効率と作業効率を向上させるので、立上がりが緩やかでパルス幅が比較的長い放電電流パルスを供給する“消耗重視”の加工は、加工全体で総合的にみて、工具電極の消耗を許容するピーク電流値が高くパルス幅の短い放電電流パルスを供給する“加工速度重視”の加工に比べて結果的に加工時間を短縮できる。

工具電極が銅タングステン（ＣｕＷ）で被加工物が超硬（ＷＣ）であるときは、工具電極が消耗しにくい材質である反面で工具電極の消耗の低減に限界があり、ある程度は工具電極の消耗を許容しなければならないから、加工速度重視の加工を行なうことが一般的である。そのため、荒加工工程においても、例えば、ピーク電流値が２０Ａ以上で１０μｓ程度の短いパルス幅の比較的高いピーク電流値で短いパルス幅の放電電流パルスを供給するとともにオフ時間を短くして、放電の繰返し周波数を高くすることが要求される。

汎用の形彫放電加工装置の加工用電源装置は、工具電極と被加工物の材料の組合せあるいは加工工程毎に異なった放電電流パルスを供給できるようにするために、異なる値の複数の電流制限抵抗器、インダクタンス素子、コンデンサのような回路要素を設けて選択的に放電加工回路に挿入できるように構成されている。放電電流パルスを供給するための複数のスイッチング素子と合わせて多数の回路要素が設けられる放電加工回路は、回路構成が複雑であるだけではなく、各回路要素の発熱などによるエネルギの損失が大きく、また、放電電流パルスの立上がり速度を低下させる。

例えば、加工要求として工具電極が銅タングステンで被加工物が超硬であるときの荒加工工程において、パルス幅を短くし放電の繰返し周波数を高めて加工速度を速くしようとする場合、ワイヤカット放電加工に比べて大きな加工面積で加工除去量が多く、工具電極に存在する抵抗が大きい形彫放電加工においては、ピーク電流値を相当高くすることが要求されるが、要求される高いピーク電流値まで放電電流が立ち上がるために必要な時間からパルス幅を短くすることができず、加工速度に大きな制限を与えている。

特許文献１または特許文献２は、チョッパ回路を設けて放電電流パルスを供給するためのスイッチング素子のオンオフを制御することで、放電加工回路から電流制限抵抗を排除した形彫放電加工の加工用電源装置を開示している。特許文献１に開示される加工用電源装置は、電流制限抵抗によるエネルギの損失をなくすことによって、大電流の放電電流パルスを供給することができる点で優れている。

特許第２８６０６５７号公報 特許第２７３９２２１号公報

チョッパ回路では、放電電流パルスを供給するためのスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を高速でオンオフするときに生じる熱によって応答性が低下するとともにスイッチング素子の破損のおそれがあるため、スイッチング素子のオンオフの繰返し周波数に制限が与えられる。チョッパ回路の特性上、スイッチング素子を高速にオンオフするときに発生する避け難い放電電流の振動が生じるが、スイッチング素子のオンオフの繰返し周波数に制限があるので、電流振幅の変動を小さくすることができず、放電電流の振動が加工特性に悪影響を与えることがある。特に、放電加工回路中のインダクタンス成分が小さくされている場合は、振動による電流振幅が最大振幅に相当するピーク電流値を超えて放電時間中に放電電流が途切れてしまい、所望のパルス幅の放電電流パルスを供給できないおそれがある。

そのため、チョッパ回路による放電電流パルスの供給を行なう場合、電流振幅を大きくしないように、直流電源電圧は、４５Ｖ〜６０Ｖが限界である。その結果、加工速度を向上させるために要求される十分に高いピーク電流値の放電電流パルスを得ることができない。また、加工間隙に印加される無負荷電圧が低いため、放電電流が立ち上がるまでに時間がかかりすぎる。そのため、短いパルス幅の放電電流パルスを供給することが困難であり、十分大きな放電エネルギにおける放電繰返し周波数をより高くするには限界がある。したがって、加工速度を向上させるために改良の余地がある。

放電電流パルスのリップルを小さくするために、主スイッチング素子と並列に補助のスイッチング素子と電流検出抵抗との直列回路を設けて、放電電流パルスが供給されている間に主スイッチング素子がオフするときに補助のスイッチング素子をオンして主スイッチング素子が非導通の間に補助電流を供給して電流振幅を小さくすることが考えられている。しかしながら、高ピーク電流値の放電電流パルスを供給しようとする場合は、スイッチング素子の応答性能を遥かに超えて確実なタイミングで補助電流を供給することが難しく、実用上、電流の振動を改善するには十分ではない。

本発明は、上記課題に鑑みて、高ピーク電流値で短いパルス幅の放電電流パルスと電流振幅の変動が小さい放電電流パルスとを含む工具電極と被加工物の材料の組合せに適応する任意の放電電流パルスを供給できる改良された形彫放電加工装置の加工用電源装置を提供することを主たる目的とする。

本発明の形彫放電加工装置の加工用電源装置は、上記課題を解決するために、工具電極（２）と被加工物（３）とで形成される加工間隙に直列に接続される直流電源（１２）と、加工間隙に流れる電流を検出する電流検出器（１４）と、直流電源（１２）と工具電極（２）との間に直列に接続される第１のスイッチング素子（１６）と、直流電源（１２）に並列かつ加工間隙と第１のスイッチング素子（１６）とに直列に接続される逆流阻止ダイオード（２２）と、直流電源（１２）と被加工物（３）との間に直列に接続される第２のスイッチング素子（１８）と、直流電源（１２）に並列かつ加工間隙と第２のスイッチング素子（１８）に直列に接続される逆流阻止ダイオード（２４）と、設定されたオン時間（Ｔｏｎ）における電流上昇期間（ｔｉ）中は第１のスイッチング素子（１６）と第２のスイッチング素子（１８）を同時に導通させるとともに第１のスイッチング素子（１６）と第２のスイッチング素子（１８）が交互に非導通になるように電流検出器（１４）の検出信号に応答して第１のスイッチング素子（１６）と第２のスイッチング素子（１８）の一方を所定時間（ｔｓ）非導通にするパルス制御装置（２０）と、を備えるようにする。

本発明は、電流検出器の検出信号に応答させてスイッチング素子をオンオフさせることでピーク電流値を一定にするので、電流制限抵抗が回路要素に要求されず、立上がりが急峻な放電電流パルスを供給できる。このとき、電流上昇時に２つのスイッチング素子を同時に導通させるとともに電流下降時に交互に所定時間非導通にするので、各スイッチング素子のオンオフの繰返し周波数を低くしながらチョッパ回路全体のスイッチングの周波数を５００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度の高周波にすることができ、スイッチング素子の発熱を抑えて電流振幅を十分に小さく抑えた放電電流パルスを供給できる。

そのため、直流電源電圧を９０Ｖ〜数百Ｖ程度まで高くすることができ、大きな放電エネルギを得るために必要十分な高いピーク電流値の放電電流パルスを供給できるとともに放電電流の立上がり時間をより短くすることができる。したがって、高いピーク電流値で短いパルス幅の放電電流パルスを供給して放電の繰返し周波数をより高くすることができる。その結果、加工速度を向上させる効果を奏する。

また、一方のスイッチング素子を非導通にして電流振幅が変動するときに他方のスイッチング素子が導通していて放電加工回路のインダクタンス成分による電流が流れている状態にされているので、電流の振動が小さく抑えられる。そして、放電加工回路に電流制限抵抗がなく、直流電源電圧が十分に高い電圧にされているので、放電電流の立上がりに要する時間がより短くなって電流振幅が小さくされる。したがって、電流振幅の変動を加工特性に悪影響を与えない程度に確実に小さく抑えることができる。その結果、電流制限抵抗を含まない放電加工回路で高速加工と電極低消耗加工または電極無消耗加工とを行なうことができ、省エネルギで加工特性が向上する効果を奏する。

そして、回路要素が少なくより簡単な構成の放電加工回路で、工具電極と被加工物の材料の組合せ、加工穴の大きさ、各加工工程に適応する、例えば、高ピーク電流値で短いパルス幅の放電電流パルスと電流振幅の変動が小さい放電電流パルスとを含む任意の波形の放電電流パルスを自在に供給することができる。その結果、加工用電源装置全体をコンパクトにすることができるとともに、製造に要する作業者の負担を軽減して生産効率を向上させて生産コストを低減する効果を奏する。

本発明の加工用電源装置を示す回路図である。 本発明の加工用電源装置における電圧および電流の波形を示すタイミングチャートである。

図１に、本発明の形彫放電加工装置の加工用電源装置における基本的な放電加工回路が示される。本発明の技術思想に直接関係がない装置と回路要素は、図示省略される。以下、図１を用いて本発明の加工用電源装置における一実施の形態の構成を具体的に説明する。

形彫放電加工装置の加工用電源装置１は、主に放電加工回路１０とパルス制御装置２０とでなる。放電加工回路１０は、工具電極２と被加工物３とで形成される加工間隙を含む。放電加工回路１０は、加工間隙に直列に接続される直流電源１２と、加工間隙に流れる電流を検出する電流検出器１４と、直流電源１２と工具電極２との間に直列に接続される第１のスイッチング素子１６と、直流電源１２と被加工物３との間に直列に接続される第２のスイッチング素子１８と、を有する。第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８は、それぞれ並列に複数個設けることができる。

また、放電加工回路１０は、直流電源１２に並列かつ加工間隙と第１のスイッチング素子１６とに直列に接続する第１のバイパス電路３０を有し、第１のバイパス電路３０に直列に直流電源１２の正極側と加工間隙の正極側の方向からの電流の流入を止める逆流阻止ダイオード２２が設けられる。また、直流電源１２に並列かつ加工間隙と第２のスイッチング素子１８とに直列に接続する第２のバイパス電路４０を有し、第２のバイパス電路４０に直列に直流電源１２の正極側と加工間隙の正極側の方向からの電流の流入を阻止する逆流阻止ダイオード２４が設けられる。

パルス制御装置２０は、電気的加工条件として設定されたオン時間における電流上昇期間中は、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８を同時に導通させる。また、パルス制御装置２０は、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が交互に非導通になるように電流検出器１４の検出信号に応答して第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８の一方を所定時間非導通にする。放電時間がオン時間に到達したら、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８を共に非導通にする。

ここで、電気的加工条件として設定されるオン時間は、放電電流パルスのパルス幅（放電時間または持続時間）を示し、オフ時間は放電電流パルスの休止時間を示す。実際は、加工間隙に電圧が印加されてから不特定の無負荷時間（放電待機時間）の後に放電が発生して放電電流が流れるので、一般に加工間隙に放電が発生してから設定されたオン時間をカウントしてスイッチング素子をオフするようにされているため、厳密には主ゲート信号の時間と設定されたオン時間とが一致しないが、以下、主ゲート信号の時間とオン時間が一致するものとみなして説明する。

パルス制御装置２０に、図示しない数値制御装置からＮＣデータに基づいて出力される、例えば、ピーク電流値、オン時間、オフ時間、電源電圧、極性のような電気的加工条件と特定の波形制御を指定する制御条件のパラメータ値でなる設定信号が入力される。

パルス制御装置２０は、入力される設定信号をセットして、設定されたオン時間とオフ時間に従う主ゲート信号を出力する。また、パルス制御装置２０は、主ゲート信号と同時に第１のスイッチング素子１６に第１の補助ゲート信号を出力し、第２のスイッチング素子１８に第２の補助ゲート信号を出力する。主ゲート信号と第１の補助ゲート信号の論理積であるゲート信号が第１のスイッチング素子１６のゲート電極に印加されて第１のスイッチング素子１６をオンオフさせる。また、主ゲート信号と第２の補助ゲート信号の論理積であるゲート信号が第２のスイッチング素子１８のゲート電極に印加されて第２のスイッチング素子１８をオンオフさせる。

また、パルス制御装置２０は、入力される設定信号をセットして、電気的加工条件と制御条件に基づいて直流電源１２の電源電圧を切り換えて選定し、図示しない極性切換回路を動作させて極性を決定し、あるいはインダクタンス素子２６のような特定の回路要素を放電加工回路１０に挿入したり、放電加工回路１０から切り離したりする。

電流検出器１４は、可能な限り加工間隙に近接した位置に設けられる。実施の形態の放電加工回路１０における電流検出器１４は、具体的にホール素子型電流センサであり、加工間隙と第１のスイッチング素子１６との間に直列に配設される。ホール素子型電流センサは、放電加工回路１０に実質的に抵抗要素を与えないので、検出抵抗を有する電圧検出器に比べて放電加工回路１０における抵抗要素が一層低減されており、短時間での放電電流パルスの立ち上がりを有効にする。

電流検出器１４の検出電流は、電流検出装置５０でピークホールドされフィルタを通して電圧信号に変換される。電圧信号に変換された検出信号は、アナログデジタル変換されてパルス制御装置２０に出力される。パルス制御装置２０は、入力した検出電流の検出信号と電気的加工条件で設定されているピーク電流値とを比較して検出電流がピーク電流値以上であるときに、第１のスイッチング素子１６に出力される第１の補助ゲート信号または第２のスイッチング素子１８に出力される第２の補助ゲート信号の一方を停止してどちらかのスイッチング素子を非導通にする。

図２に、図１に示される放電加工回路から加工間隙に印加される極間電圧パルスの波形と加工間隙に供給される放電電流パルスの波形が示される。図２Ａ〜図２Ｃに示される加工間隙における極間電圧パルスの波形と放電電流パルスの波形は、電気的加工条件として設定されたオン時間とオフ時間で連続して供給される放電電流パルスのうち１発の放電における放電電流パルスの波形を示し、隣接する放電電流パルスとは直接関係がないものとする。

図２における加工間隙における極間電圧をＶ、放電電流をＩ、オン時間をＴｏｎ、無負荷時間をＴｗ、オン時間Ｔｏｎに従う主ゲート信号をＭｇａｔｅ、第１のスイッチング素子１６に供給される第１の補助ゲート信号をＡｇａｔｅ、第２のスイッチング素子１８に供給される第２の補助ゲート信号をＢｇａｔｅとする。なお、既述のとおり、主ゲート信号Ｍｇａｔｅの時間と設定されたオン時間Ｔｏｎは、一致するものとみなして説明される。

図２Ａの波形は、実施の形態の加工用電源装置で供給される放電電流パルスのうちでパルス幅が極めて短い基本の放電電流パルスの波形を示す。具体的には、設定されたオン時間Ｔｏｎが０．１μｓ〜４μｓ程度のパルス幅の放電電流パルスが供給される場合を示す。このとき、放電加工回路１０からインダクタンス素子２６が切り離されている。また、放電加工回路１０には、加工間隙を除いて電路が有する僅かな抵抗要素以外に抵抗が存在しないものとする。

パルス制御装置２０は、設定されたオフ時間の後に主ゲート信号Ｍｇａｔｅと第１の補助ゲート信号Ａｇａｔｅと第２の補助ゲート信号Ｂｇａｔｅを出力する。主ゲート信号Ｍｇａｔｅと第１の補助ゲート信号Ａｇａｔｅの論理積出力が第１のスイッチング素子１６に供給され、主ゲート信号Ｍｇａｔｅと第２の補助ゲート信号Ｂｇａｔｅの論理積出力が第２のスイッチング素子１８に供給される。したがって、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が共に導通され、直流電源１２の電源電圧が加工間隙に印加される。

加工間隙に電圧が印加されてから不特定の無負荷時間Ｔｗの後に放電が発生する。放電が発生して放電電流が立ち上がる電流上昇期間ｔｉのときは、主ゲート信号Ｍｇａｔｅと、第１の補助ゲート信号Ａｇａｔｅと、第２の補助ゲート信号Ｂｇａｔｅとが出力されたままであるので、パルス制御装置２０は、電流上昇期間ｔｉ中は、実質的に第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８を同時に導通させている。

電流上昇期間ｔｉ中の図１に示される放電加工回路１０における電流は、直流電源１２から第１のスイッチング素子１６を通って加工間隙を流れ、第２のスイッチング素子１８を通って直流電源１２に帰還する。このときの放電電流の立ち上がりは、放電加工回路１０の中に電流制限抵抗が存在せず、直流電源１２の出力電圧が９０Ｖ〜数百Ｖ程度の高い電圧に設定されているので、比較的急峻でより短時間でピーク電流値に到達する。

電流検出器１４の検出電流が設定されたピーク電流値に達したときに、パルス制御装置２０は、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８の何れか一方だけを非導通にする。図２Ａでは、第１のスイッチング素子１６が非導通にされ、第２のスイッチング素子１８は、依然として導通したままである。したがって、放電電流の立下りは、立上がりに比べて緩やかである。

第１のスイッチング素子１６が非導通にされ第２のスイッチング素子１８が導通しているときの放電加工回路１０における電流は、放電加工回路１０に残されているインダクタンス成分によって加工間隙と第２のスイッチング素子１８と逆流阻止ダイオード２４を含む第２のバイパス電路４０との閉回路中を流れる。

短いオン時間Ｔｏｎ後に主ゲート信号Ｍｇａｔｅの出力が停止されると、各スイッチング素子１６，１８がすでに非導通であるかどうかに関わらず、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が共に非導通になる。このとき、第２の補助ゲート信号Ｂｇａｔｅの出力もまた停止される。図２Ａの放電電流パルスの場合、第１のスイッチング素子１６はすでに非導通であり、第２のスイッチング素子１８が非導通にされるので、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が共に非導通になって放電加工回路１０の回路要素に対応する電流下降期間ｔｄの後に放電電流が断たれる。

第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が共にオフされるときの放電加工回路１０における電流は、加工間隙、第１のバイパス電路３０、直流電源１２、第２のバイパス電路４０の閉回路中を流れて消弧する。

図２Ｂの波形は、工具電極が銅タングステンで被加工物が超硬であるときの加工速度重視の電気的加工条件で供給される放電電流パルスの波形を示す。放電電流パルスは、例えば、ピーク電流値が２０Ａ以上でパルス幅が０．１μｓ〜１０数μｓである。このとき、放電加工回路１０からインダクタンス素子２６が切り離されている。したがって、図２Ａに示される基本の放電電流パルスの波形がいくつか重なり合わされたような波形の放電電流パルスが生成される。

パルス制御装置２０は、設定されたオフ時間の後に主ゲート信号Ｍｇａｔｅと第１の補助ゲート信号Ａｇａｔｅと第２の補助ゲート信号Ｂｇａｔｅを出力する。主ゲート信号Ｍｇａｔｅと第１の補助ゲート信号Ａｇａｔｅの論理積出力が第１のスイッチング素子１６に供給され、主ゲート信号Ｍｇａｔｅと第２の補助ゲート信号Ｂｇａｔｅの論理積出力が第２のスイッチング素子１８に供給される。したがって、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が共に導通され、直流電源１２の電源電圧が加工間隙に印加される。

加工間隙に電圧が印加されてから不特定の無負荷時間Ｔｗの後に放電が発生する。放電が発生して放電電流が立ち上がる電流上昇期間ｔｉのときは、主ゲート信号Ｍｇａｔｅと、第１の補助ゲート信号Ａｇａｔｅと、第２の補助ゲート信号Ｂｇａｔｅとが出力されたままであるので、パルス制御装置２０は、電流上昇期間ｔｉ中は、実質的に第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８を同時に導通させている。

電流上昇期間ｔｉ中の図１に示される放電加工回路１０における電流は、直流電源１２から第１のスイッチング素子１６を通って加工間隙を流れ、第２のスイッチング素子１８を通って直流電源１２に帰還する。このときの放電電流の立ち上がりは、放電加工回路１０の中に電流制限抵抗が存在せず、直流電源１２の出力電圧が９０Ｖ〜数百Ｖ程度の高い電圧に設定されているので、比較的急峻でより短時間でピーク電流値に到達する。

電流検出器１４の検出電流が設定されたピーク電流値に達したときに、パルス制御装置２０は、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８の何れか一方だけを非導通にする。図２Ｂでは、第１のスイッチング素子１６が非導通にされ、第２のスイッチング素子１８は、依然として導通したままである。したがって、放電電流の立下りは、立上がりに比べて緩やかである。

第１のスイッチング素子１６が非導通にされ第２のスイッチング素子１８が導通しているときの放電加工回路１０における電流は、放電加工回路１０に残されているインダクタンス成分によって加工間隙と第２のスイッチング素子１８と逆流阻止ダイオード２４を含む第２のバイパス電路４０との閉回路中を流れる。

パルス制御装置２０は、非導通にした第１のスイッチング素子１６を予め設定されている、例えば１μｓ〜数μｓ程度の短い所定時間ｔｓ後に再び導通させる。したがって、第１のスイッチング素子１６は、所定時間ｔｓの間非導通にされている。第１のスイッチング素子１６が再び導通されると、第２のスイッチング素子１８が導通したままであるために電流が急激に上昇する。したがって、パルス制御装置２０は、短い電流上昇期間ｔｉ中は、実質的に第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８を同時に導通させている。そして、立下りが緩やかで立上がりが急峻であるために、実質的に加工特性に悪影響を及ぼさない程度まで電流振幅の変動が小さく抑えられる。

オン時間Ｔｏｎ中は、再び電流検出器１４の検出電流が設定されたピーク電流値に達したときに、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が交互に非導通にされることになるように、第１のスイッチング素子１６に代えて第２のスイッチング素子１８を１μｓ〜数μｓ程度の短い所定時間ｔｓ非導通にする。オン時間Ｔｏｎ中は主ゲート信号Ｍｇａｔｅが出力されているので、第２のスイッチング素子１８は、所定時間ｔｓ後に再び導通される。

第１のスイッチング素子１６が導通され第２のスイッチング素子１８が非導通にされているときの放電加工回路１０における電流は、放電加工回路１０に残されているインダクタンス成分によって加工間隙と第１のスイッチング素子１６と逆流阻止ダイオード２２を含む第１のバイパス電路３０との閉回路中を流れる。

設定された数μｓ〜十数μｓのオン時間Ｔｏｎ後に主ゲート信号Ｍｇａｔｅの出力が停止されると、各スイッチング素子１６，１８がすでに非導通であるかどうかに関わらず、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が共に非導通になる。このとき、第２の補助ゲート信号Ｂｇａｔｅの出力もまた停止される。図２Ｂの放電電流パルスの場合、第１のスイッチング素子１６はすでに非導通であり、第２のスイッチング素子１８が非導通にされるので、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が共に非導通になって放電加工回路１０の回路要素に対応する電流下降期間ｔｄの後に放電電流が断たれる。

第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が共にオフされるときの放電加工回路１０における電流は、加工間隙、第１のバイパス電路３０、直流電源１２、第２のバイパス電路４０の閉回路中を流れて消弧する。

図２Ｃの波形は、工具電極が銅で被加工物が鉄であるときの消耗重視の電気的加工条件で供給される放電電流パルスの波形を示す。電極低消耗加工あるいは電極無消耗加工における放電電流パルスは、例えば、ピーク電流値が１５Ａ以上でパルス幅が５０μｓ以上である。このとき、放電加工回路１０に５μＨ〜３０μＨ程度の所定値のインダクタンス素子２６が挿入される。

パルス制御装置２０は、設定されたオフ時間の後に主ゲート信号Ｍｇａｔｅと第１の補助ゲート信号Ａｇａｔｅと第２の補助ゲート信号Ｂｇａｔｅを出力する。主ゲート信号Ｍｇａｔｅと第１の補助ゲート信号Ａｇａｔｅの論理積出力が第１のスイッチング素子１６に供給され、主ゲート信号Ｍｇａｔｅと第２の補助ゲート信号Ｂｇａｔｅの論理積出力が第２のスイッチング素子１８に供給される。したがって、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が共に導通され、直流電源１２の電源電圧が加工間隙に印加される。

加工間隙に電圧が印加されてから不特定の無負荷時間Ｔｗの後に放電が発生する。放電が発生して放電電流が立ち上がる電流上昇期間ｔｉのときは、主ゲート信号Ｍｇａｔｅと、第１の補助ゲート信号Ａｇａｔｅと、第２の補助ゲート信号Ｂｇａｔｅとが出力されたままであるので、パルス制御装置２０は、電流上昇期間ｔｉ中は、実質的に第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８を同時に導通させている。放電加工回路１０に挿入されたインダクタンス素子２６の影響で電流上昇期間ｔｉにおける放電電流は、図２Ｃの点線で示される基本の放電電流パルスの立上がりに比べて緩やかに立ち上がる。

電流検出器１４の検出電流が設定されたピーク電流値に達したときに、パルス制御装置２０は、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８の何れか一方だけを非導通にする。図２Ｃでは、第１のスイッチング素子１６が非導通にされ、第２のスイッチング素子１８は、依然として導通したままである。したがって、放電電流の立下りは、立上がりに比べて緩やかである。

パルス制御装置２０は、非導通にした第１のスイッチング素子１６を予め設定されている１μｓ〜数μｓ程度の短い所定時間ｔｓ後に再び導通させる。したがって、第１のスイッチング素子１６は、所定時間ｔｓの間非導通にされている。第１のスイッチング素子１６が再び導通されると、第２のスイッチング素子１８が導通したままであるために電流が急激に上昇する。したがって、パルス制御装置２０は、短い電流上昇期間ｔｉ中は、実質的に第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８を同時に導通させている。

第１のスイッチング素子１８が非導通の間に第２のスイッチング素子１８が導通しているため立下りが緩やかで立上がりが急峻であるとともに、インダクタンスの影響で電流の降下が遅れて電流が持続しているので、電流振幅の振動が滑らかで変動が小さく抑えられている。そのため、加工結果に悪影響を及ぼすことが回避され、電極低消耗加工あるいは電極無消耗加工に適する放電電流パルスが供給される。

パルス制御装置２０は、非導通にした第１のスイッチング素子１６を予め設定されている１μｓ〜数μｓ程度の短い所定時間ｔｓ後に再び導通させる。したがって、パルス制御装置２０は、第１のスイッチング素子１６を所定時間ｔｓの間非導通にしている。第１のスイッチング素子１６を再び導通させたとき、第２のスイッチング素子１８が導通されたままであるから、再び電流が上昇して比較的短い時間でピーク電流値に到達する。

したがって、パルス制御装置２０は、短い電流上昇期間ｔｉ中は、実質的に第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８を同時に導通させている。そして、立下りが緩やかで立上がりが急峻であるために、電流が降下してから再びピーク電流値に達する時間が極めて短く、言い換えれば、チョッパ回路全体のスイッチング周波数が高くされているので、実質的に加工特性に悪影響を及ぼさない程度まで電流振幅の変動が小さく抑えられる。

オン時間Ｔｏｎ中は、再び電流検出器１４の検出電流が設定されたピーク電流値に達したときに、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が交互に非導通にされることになるように、第１のスイッチング素子１６に代えて第２のスイッチング素子１８を１μｓ〜数μｓ程度の短い所定時間ｔｓ非導通にする。オン時間Ｔｏｎ中は主ゲート信号Ｍｇａｔｅが出力されているので、第２のスイッチング素子１８は、所定時間ｔｓ後に再び導通される。

以後、図２Ｃに示されるように、設定されたオン時間中Ｔｏｎにおいて、電流上昇期間ｔｉ中は第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が共に導通される。また、電流検出器１４の検出信号が設定されたピーク電流値以上になったときは、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が交互に非導通にされることになるように、電流検出器１４の検出信号に応答して第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８の何れか一方が所定時間ｔｓの間非導通にされる。

このように、チョッパ回路全体に要求されるスイッチングの周波数に比べて各スイッチング素子１６，１８のオンオフの繰返し周波数が低くされている。そのため、各スイッチング素子１６，１８の発熱が抑えられる一方で、チョッパ回路全体のスイッチングの周波数を５００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度の高周波にできる。その結果、電流がピーク電流値に到達して下降してから再びピーク電流値に到達するまでの電流振幅が変動する期間が比較的短くされ、放電電流パルスの電流振幅の変動が小さく抑えられる。

設定された５０μｓ以上の長いオン時間Ｔｏｎ後に主ゲート信号Ｍｇａｔｅの出力が停止されると、各スイッチング素子１６，１８がすでに非導通であるかどうかに関わらず、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が共に非導通になる。このとき、第２の補助ゲート信号Ｂｇａｔｅの出力もまた停止される。図２Ｃの放電電流パルスの場合、第１のスイッチング素子１６はすでに非導通であり、第２のスイッチング素子１８が非導通にされるので、第１のスイッチング素子１６と第２のスイッチング素子１８が共に非導通になって放電加工回路１０の回路要素に対応して電流が比較的緩やかに立ち下がる電流下降期間ｔｄの後に放電電流が断たれる。

以上に説明されるように、実施の形態における形彫放電加工装置の加工用電源装置は、電流上昇時は、２つのスイッチング素子を同時に導通させるとともに、電流がピーク電流値まで立ち上がったときに２つのスイッチング素子が交互に非導通にされることになるように何れか一方のスイッチング素子を非導通にするので、各スイッチング素子のオンオフの繰返し周波数を低くし発熱を抑えて電流振幅を十分に小さく抑えた放電電流パルスを供給できる。そのため、直流電源電圧を高くすることができ、比較的高い電流ピーク値でより短いパルス幅の放電電流を供給して放電の繰返し周波数をより高くすることができる。

また、一方のスイッチング素子を非導通にして電流が下降して電流振幅が変動するときに他方のスイッチング素子が導通しているので、電流の振動が抑えられる。そして、放電加工回路に電流制限抵抗がなく、直流電源電圧が十分に高い電圧にされているので、放電電流の立上がりに要する時間がより短くなって電流振幅が小さくされる。したがって、電流振幅の変動を加工特性に悪影響を与えない程度に確実に小さく抑えることができ、電極低消耗加工または電極無消耗加工に適する放電電流パルスが供給される。

図１に示される基本の放電加工回路を並列に複数設けることができる。例えば、基本の放電加工回路１０を並列に４系統設けて、各基本の放電加工回路１０に時間的にずらされた主ゲート信号を供給することによって、電流振幅の変動を一層確実に小さくすることが可能になる。

以上に説明される実施の形態の加工用電源装置は、すでにいくつかの例が示されているが、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で様々な変形と応用が可能である。例えば、実施の形態の加工用電源装置は、直接時間を設定して第１のスイッチング素子または第２のスイッチング素子を所定時間非導通にするように構成されているが、検出されるピーク電流値が予め設定したピーク電流値以下になったときに非導通にしたスイッチング素子を再び導通するように構成してスイッチング素子を所定時間非導通にするようにすることができる。

本発明は、金型または部品加工の技術分野に利用される。本発明の形彫放電加工装置の加工用電源装置は、任意の波形の放電電流パルスを供給し、加工速度を向上させ、あるいは工具電極の消耗を低減できる。そして、回路要素を減らして省エネルギで環境への影響を小さくし、形彫放電加工の発展に寄与する。

１ 加工用電源装置
２ 工具電極
３ 被加工物
１０ 放電加工回路
１２ 直流電源
１４ 電流検出器
１６ 第１のスイッチング素子
１８ 第２のスイッチング素子
２０ パルス制御装置
２２，２４ 逆流阻止ダイオード
２６ インダクタンス素子
３０ 第１のバイパス電路
４０ 第２のバイパス電路
５０ 電流検出装置

Claims (1)

1. 工具電極と被加工物とで形成される加工間隙に直列に接続される直流電源と、前記加工間隙に流れる電流を検出する電流検出器と、前記直流電源と前記工具電極との間に直列に接続される第１のスイッチング素子と、前記直流電源に並列かつ前記加工間隙と前記第１のスイッチング素子とに直列に接続される逆流阻止ダイオードと、前記直流電源と前記被加工物との間に直列に接続される第２のスイッチング素子と、前記直流電源に並列かつ前記加工間隙と前記第２のスイッチング素子に直列に接続される逆流阻止ダイオードと、設定されたオン時間における電流上昇期間中は前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子を同時に導通させるとともに前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子が交互に非導通になるように前記電流検出器の検出信号に応答して前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の一方を所定時間非導通にするパルス制御装置と、を備えてなる形彫放電加工装置の加工用電源装置。

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