JPH0749170B2

JPH0749170B2 - 放電加工による表面層の形成方法

Info

Publication number: JPH0749170B2
Application number: JP1015813A
Authority: JP
Inventors: 長男斎藤; 尚武毛利
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-01-26
Filing date: 1989-01-25
Publication date: 1995-05-31
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: JPH0283119A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は放電加工による表面層の形成方法に関し、特
に、導電性を有する材料の表面に放電分散を促すことに
よる微細加工面の実現、もしくは耐蝕、耐摩耗性の強い
被覆を形成する方法に関する。

［従来の技術］特開昭62−24916号公報にて公知の通り、本発明者等
は、既にシリコン電極等の半金属と称される金属の電極
を用いた放電加工によって、王水にも侵されず、また数
10％の永久変形を与えても剥離や割れなどの損傷の起り
にくい強靭な表面層を形成する方法を提案している。こ
の従来方法は、通常の放電加工機を使用して、電極材料
にシリコン電極等の半金属を用い、被加工材料としてSU
S304（18Cr−8Niステンレス鋼）や13Cr鋼、もしくは高
速度鋼に放電加工を行なうものであって、数10分ないし
数時間の加工によってSUS304ないし13Cr鋼や、高速度鋼
の表面に強い耐蝕性の加工面を得るものである。

この場合の電極構造の一例を第13図に示し説明すると、
（１）は例えばシリコン板で、銅丸棒（２）に通電性接
着剤（３）によって貼りつけた構造を示す。勿論、電極
はシリコンの素材を機械加工や放電加工することによっ
ても形成することができる。このようなものにおいて、
放電加工により金型などを加工し、その表面に耐蝕、耐
摩耗性の表面処理を上記の方法で行なうには、先ずはじ
めに、低電極消耗特性の銅またはグラファイト電極を用
いて形状の荒加工を行い、その後、シリコン電極による
加工を行なうことになる。２工程で加工する理由はシリ
コン材料が高価格であり、また放電加工における電極消
耗が著しく大きいため、加工除去量の大きい形状加工に
は使用が困難であることによる（加工量の10倍程度は消
耗する）。

［発明が解決しようとする課題］すなわち、現状では形状加工用の銅やグラファイト電極
の他に、シリコン電極を必要とすると云う二度の工程と
なる。換言すれば、形状加工用電極（銅，グラファイ
ト）の他に、シリコン電極を作る必要があり、また電極
取換えが必要となる。

従って、形状加工用の銅やグラファイト電極のみで、被
加工物の表面にシリコン電極等を用いたのと同様な表面
層を形成できるようにすることが可能となれば、工業
上、大きな意義がある。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたも
ので、表面処理を行おうとするシリコンの粉体を介在さ
せることにより、形状加工用の銅，グラファイトなど通
常放電加工に用いられる電極によつても、被加工材料表
面を微細化または被加工材料表面に被覆膜を形成するこ
とのできる放電加工による表面層の形成方法を提供しよ
うとするものである。

また、本発明の別の発明は、上記目的に加えて、表面処
理を行おうとするシリコンの粉体が固着して被加工材料
表面が平坦度を損なうのを防止できる放電加工による表
面層の形成方法を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］本発明に係る放電加工による表面層の形成方法は、電極
と被加工物により形成される極間に、上記被加工物の表
面層を形成するシリコンを、粉末状態にして介在させた
後、放電を行なうことによって、被加工物の表面層を形
成するようにしたものである。

また、本発明の別の発明に係る放電加工による表面層の
形成方法は、上記放電加工中に電極と被加工物間に揺動
運動を付与するようにしたものである。

［作用］本発明においては、極間に介在させた被加工物の表面層
を形成しようとするシリコンの粉末が、放電加工中に蒸
発，溶解し、その状態で被加工面に高速度で衝突して強
固な表面層を形成する。

また、本発明の別の発明においては、放電加工中に、電
極と被加工物間に揺動運動を付与するようにしているの
で、表面処理を行おうとするシリコンの粉体が固着する
のを防止でき、これによって加工材料表面が平坦度を損
なうのを防止できる。

［発明の実施例］以下、本発明方法の一実施例を図に基づき説明するが、
先ず、本発明の原理から説明する。

第２図は通常の放電状態を示し、放電発生にはじまり、
溶融金属の飛散，放電痕，加工粉の生成，絶縁回復まで
を示す。又、第１図は極間にシリコンの粉体がある場合
を示す。

放電の発生はシリコンの粉体が介在している点から発生
し易い。これは、見かけ上、極間が狭くなったのと同様
の作用があるためである。放電発生によりシリコンの粉
体は溶融して電極面に高温高圧状態にて衝突し圧着され
る。相手の電極材質（例えば銅，グラファイト）も同様
に作用するが、実施例では極間にシリコン粉末を介在さ
せているので、極間にはこのシリコン粉末の方が多く、
加工点への距離が対向電極よりも近いので、殆んどシリ
コンが圧着することになる。

以上が本発明の原理説明であるが、これを第３図の概略
構成図に基づき更に詳述する。第３図（ａ）は非加工
時、第３図（ｂ）は加工時を示し、図において、（４）
は電極、（５）は加工槽（６）内に設置された被加工物
で、被加工物（５）と電極（４）とにより極間（７）を
形成している。（８）は加工槽（６）内の加工液、
（９）は加工液（８）中に混入されたシリコン粉末、
（10）は極間（７）へ加工エネルギを供給する電源装
置、（11）は空気ポンプで、加工槽（６）内に空気を送
り込むことにより加工液（８）に撹拌作用を与えるもの
である。（12）は電極（４）を被加工物（５）に対して
昇降動作させる油圧シリンダ装置、（13）はそのピスト
ンロッド、（14）は油圧シリンダ装置（12）の制御を司
どるサーボ装置である。本発明方法は上記実施例装置に
より成されるもので、加工液（８）の中にシリコン粉末
（９）（平均粒径20〜40μm,シリコン粉末と加工液の混
合割合20gr/l）を混合して加工槽（６）に満し、空気ポ
ンプ（11）から加工槽（６）に空気を送り込み、撹拌作
用を与えシリコン粉末の沈澱を防いだ。また、図のよう
に電極（４）を自動的に間歇的に上下して放電によって
生成される加工液分解物や加工粉が、極間（７）に蓄積
せずに拡散できるようにした。なお、空気ポンプ（11）
の代り、加工液循環ポンプを使用してもよい。また、電
極材料は銅、およびグラファイトから構成した。

第４図及び第５図は本発明方法の効果を説明するための
金属組織を示す顕微鏡写真図であり、この中第４図は電
極（４）の材料として銅、被加工物としてSKH−51を使
用し、電気条件として電流ピーク値10A,パルス幅16μs,
休止幅16μｓを設定したものである。第４図（ａ）は加
工液として灯油を使用したもので、その面粗度は９μmR
maxであった。これに対し、第４図（ｂ）は加工液とし
て灯油を使用し、この灯油１の中にシリコン粉末を20
g（但し、平均粒径20〜40μφ）を介在させたもので、
その面粗度は４μmRmaxである。

又、第５図は電極（４）の材料としてシリコン、被加工
物としてSKH−51を使用し、電気条件として電流ピーク
値1A,パルス幅２μs,休止幅２μｓを設定したものであ
る。第５図（ａ）は加工液として灯油を、又、第５図
（ｂ）は加工液として灯油を使用し、この灯油の中にシ
リコン粉末を介在させたものである。

なお、第４図、第５図に示す結果は、上記の条件以外
に、極間距離を拡げるために、主電源電圧80Vの他に、
０〜220Vの補助電源を使用した。

第６図はこの時に使用した高電圧重畳回路を示し、図
中、R₁,R₂は抵抗器、Ｄはダイオード、TR₁,TR₂はトラン
ジスタ、（10a）は主電源、（10b）は補助電源を示して
いる。このような高電圧重畳回路により補助電源の電圧
を変化させて得られる加工の安定度の実験結果を第７図
に示す。

上記実施例によって得られた事をまとめると、次の事項
となる。

電圧の高い程安定であることを示している。すなわち、
シリコン粉末が極間に介在した場合、同一電圧でも放電
は大きな極間距離で発生し易くなるが、それでもなお、
高い電圧を加えた方が加工は安定であることが判る。

この実験で得られた試験片を王水に50分浸漬したが、浸
蝕を受けなかった。第４図，第５図の顕微鏡写真図はこ
の時の試験片表面組織の状態を示している。第４図
（ａ）に見られる如く、銅電極のみではシリコン被覆膜
は生成せず、又、仕上げ面粗さもあらい。シリコン粉末
を介在させると、平滑なシリコン皮覆膜の生成が見られ
る（第４図（ｂ））。第５図からは溶融シリコンが衝撃
的に加工面に衝突している様子が観察される。また、極
間にシリコン粉体を介在させると、仕上面粗さが精細に
なる（第５図（ｂ）参照）。

実験した加工例によれば、シリコン電極を用いた場合に
加工液は通常の鉱物性油（灯油）を用いて、30分程度を
要するものが、３〜５分程度で達成される。

ところで、放電加工の加工速度を仕上面粗さの精細な条
件で電極を電気的に分割するとともに、電源から各電極
への接続を、それぞれ抵抗を通して加工する多分割加工
回路がある。

第８図はこの多分割加工回路を用いた本発明方法の他の
実施例を示すもので、図中、（15）は抵抗器群、（16）
は発振器、（17）は増幅器、（18）はトランジスタスイ
ッチング回路、（4a），（4b）…（4n）は分割電極であ
る。

このように分割する代りに電気抵抗をもっている材料を
電極とすると一体の電極でありながら、放電が発生する
たびに分割されて同時に多数の放電が発生することを、
本発明者等は既に明らかにし、その代表的電極材料がシ
リコン電極であることを発表している。この実施例にお
いても、多分割加工回路の各極間にシリコン粉末を介在
させることにより、前述した実施例同様の作用効果を奏
する。

また、シリコン粉末を極間に介在させて放電加工を行な
う場合においても、シリコンで形成した電極や、グラフ
ァイト表面をシリコンと反応させSiCの表面とする場合
や、シリコン粉末と亜鉛との混合体，シリコン粉末と銅
との混合体，シリコンと水ガラスの混合体，シリコンと
亜鉛と水ガラスとの混合体などのように、抵抗性をもた
せた電極で、放電加工を行なうと、同一の電気条件で
も、仕上面あらさが細かくなると言う結果を得ている。

さて、本発明は上述したように、電極と被加工物により
形成される極間に、上記被加工物の表面層を形成するシ
リコンを、粉末状態にして介在させた後、放電を行なう
ことによって、被加工物の表面層を形成するようにした
ものであるが、このようなものにおいても、表面処理を
行おうとするシリコンの粉体が互いに固着するのを防ぐ
ことについては必ずしも万全ではない。

第８図乃至第12図は表面処理を行おうとするシリコンの
粉体が互いに固着するのを防止できるよう、揺動運動機
構を付加した本発明の別の発明を示すものである。これ
を更に詳述すると、（20）は被加工物（図示せず）を載
置するテーブル、（４）は被加工物と対向する電極、
（4A）〜（4D）は交換用電極、（12）は電極（４）をサ
ーボ制御する油圧シリンダ装置、（21）は油圧シリンダ
装置（12）のサーボ制御を司どる数値制御装置、（22）
はテーブル（20）をＸ軸方向へ駆動するＸ軸モータ、
（23）はテーブル（20）をＹ軸方向へ駆動するＹ軸モー
タ、（24）は電極交換装置であって、前述したように荒
加工、中加工、仕上げ加工の段階にわけて電極（4A）〜
（4D）を自動的に交換する機能を有する。なお、（10）
は電極（４）と被加工物間に加工エネルギを供給する加
工電源、（13）は油圧シリンダ装置（12）のピストンロ
ッドであり、先端に電極（４）が装着されている。

このようなものにおいて、テーブル（20）上には加工液
を収納する図示しない加工層が載置され、またＸ軸モー
タ（22）、Ｙ軸モータ（23）のそれぞれの方向における
動き、電極交換装置（24）の動作、加工電源（10）の電
気条件は、油圧シリンダ装置（12）と同様、数値制御装
置（21）により制御されるようになっている。そして、
電極（４）と被加工物間には、第10図に示すようなパタ
ーンの揺動運動が付与されるようになっている。

第11図は揺動運動機構を付加した上記実施例の効果を説
明するために、次の加工条件により行った実験例を示す
ものである。

加工条件は電極：銅被加工物：高速度鋼（SKH−51）加工液：灯油にシリコン粉末を20g/l混入電気条件：電流ピーク値Ip＝1A パルス幅τｐ＝２μｓ休止幅τｓ＝２μｓ電極極性：電極（−）即ち、第11図において、第１図（ａ）は加工液のみで加
工した場合の面粗さを、第11図（ｂ）は加工液中にシリ
コン粉末を混入して電極（４）と被加工物間に揺動運動
を付与しない場合の面粗さを、第11図（ｃ）は加工液中
にシリコン粉末を混入して電極（４）と被加工物間に揺
動運動（揺動速度96mm/min）を付与した場合の面粗さ
を、それぞれ示している。

また、第12図は揺動運動機構を付加した上記実施例の効
果を説明するための金属組織を示す顕微鏡写真図であ
り、この中第12図（ａ）は加工液中にシリコン粉末を混
入して電極（４）と被加工物間に揺動運動を付与しない
場合における金属組織の状態を、第12図（ｂ）は加工液
中にシリコン粉末を混入して電極（４）と被加工物間に
揺動運動を付与した場合における金属組織の状態を、そ
れぞれ示している。第12図（ａ）ではシリコンの固着し
た様子が見られ、仕上面粗さもやや荒いことがわかる。
電極（４）と被加工物間に揺動運動を付与した第12図
（ｂ）ではなだらかにみえる。この理由は、電極（４）
と被加工物表面との凹凸の相は位置が変わるために、平
滑化するからと考えられる。

以上、本発明方法の実施例について説明したが、本発明
は以下のような変形例をも含むことは言うまでもない。

イ）シリコン粉末のみならず、他の半金属性材料の表面
層の形成にも使用できる。

ロ）また、加工液を鉱物性の油と限らず、シリコン油
や、水（蒸溜水）を用いても放電加工さえ行われるなら
ば、実用可能である。

ハ）非導電性のセラミックスなどへ被覆する時は、セラ
ミックス表面を無電解メッキや銀鏡反応等で表面のみ導
体化して、上記の表面層の形成を行なうことができる。

ニ）被覆物質として非導電性のものも使用したい時に
は、できるだけ微細な粉体を用い、その中に、導電性粉
体を混入させて上記のことを行なえば可能な場合があ
る。この場合の非導電性物質とは、たとえばアルミナ
（Al₂O₃）の如きものである。

ホ）表面層を形成するシリコンの粉体を極間に介在さ
せ、この極間で気中放電させることにより表面層を形成
しても同様効果を発揮する。

なお、上述した各実施例のいずれの場合においても重要
なことは、シリコン粉末等の表面層を形成するシリコン
を極間に充分に介在せしめることである。すなわち１回
の放電により加工除去される量よりも、過剰にシリコン
粉末を放電点付近に存在させるために、通常の放電加工
よりも、極間距離を広くとることである。

［発明の効果］以上述べたように、本発明によれば、被加工物に対し、
表面層を形成したいシリコンを粉体として極間に介在さ
せ、放電加工を行なうようにしたことにより、通常放電
加工に用いられる電極によつても、耐蝕性が大きく、密
着度も大きな表面処理が可能となる。一般的に知られて
いる高温窒化やCVDなどは、900℃前后の高温で処理する
ために、素材に歪や軟化を生じやすく、温度を下げれば
剥離しやすくなるが、本発明は、素材に歪や軟化を起こ
すことはなく、多種少量にも適する。

また、本発明の別の発明によれば、放電加工中に、電極
と被加工物間に揺動運動を付与するようにしているの
で、表面処理を行おうとするシリコンの粉体が固着する
のを防止でき、これによって加工材料表面が平坦度を損
なうのを防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はいずれも本発明の原理を説明するた
めの図で、第１図は極間にシリコンの粉体がある場合の
説明図、第２図は通常の放電状態の説明図、第３図
（ａ），（ｂ）はいずれも本発明の一実施例を説明する
ための概略構成図、第４図（ａ），（ｂ）及び第５図
（ａ），（ｂ）はいずれも本発明の効果を説明するため
の金属組織を示す顕微鏡写真図、第６図は第３図の電源
装置部の一例を主電源に補助電源を重畳した高電圧重畳
回路で示す原理図、第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）はい
ずれも放電開始電圧に対する加工の安定度を示す説明
図、第８図は電源装置部の他の例を示す多分割加工回路
の原理図、第９図は本発明の別の発明を説明するための
第３図相当図、第10図は第９図の揺動運動のパターンを
示す説明図、第11図（ａ），（ｂ），（ｃ）は仕上面粗
さを揺動運動の有無による比較で示す説明図、第12図は
第９図の効果を説明するための金属組織を示す顕微鏡写
真図、第13図は従来例を説明するための電極の構成図で
ある。図において、（４）は電極、（５）は被加工物、（７）
は極間、（８）は加工液、（９）はシリコン粉末、（1
0）は電源装置、（11）は空気ポンプ、（21）は数値制
御装置、（22）はＸ軸モータ（揺動運動機構）、（23）
はＹ軸モータ（揺動運動機構）である。なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電極と被加工物により形成される極間に、
上記被加工物の表面層を形成するシリコンを、粉末状態
にして介在させた後、放電を行なうことによって、被加
工物の表面層を形成する放電加工による表面層の形成方
法。
【請求項２】電極と被加工物により形成される極間に、
上記被加工物の表面層を形成するシリコンを、粉末状態
にして介在させた後、上記電極と被加工物間に揺動運動
を付与し、放電を行なうことによって、被加工物の表面
層を形成する放電加工による表面層の形成方法。