JPH09192931A

JPH09192931A - 放電加工による表面層の形成方法

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Publication number: JPH09192931A
Application number: JP14021196A
Authority: JP
Inventors: Nagao Saito; 長男斎藤; Naotake Mori; 尚武毛利
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-06-03
Filing date: 1996-06-03
Publication date: 1997-07-29
Anticipated expiration: 2016-06-03
Also published as: JP3015730B2

Abstract

(57)【要約】【課題】表面処理を行おうとする材料が加工液中に分
散しない。【解決手段】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材料を、加工液中
に粉末状態にして介在させた後、攪袢手段により上記粉
末を攪袢しつつ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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。

【０００２】

【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こりにくい強靱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ＳＵＳ３０４（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。

【０００３】この場合の電極構造の一例を図１３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によって貼り付けた構造を示す。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）。

【０００４】

【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。

【０００５】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材料の粉体
を介在させると共に、その介在させた材料を粉体を攪袢
することにより、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っても、被加工材料表
面をより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。

【０００６】

【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材料を、
加工液中に粉末状態にして介在させた後、攪袢手段によ
り上記粉末を攪袢しつつ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。

【０００７】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．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。図２
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。また、図１は極間に表面層を形成する材料としての
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、蒸発、溶融し
て電極面に高温高圧状態にて衝突し強固に圧着される。
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、実施形態１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、殆どシリコ
ンが圧着することになる。

【０００８】以上が本発明の原理説明であるが、これを
図３の概略構成図に基づき更に詳述する。図３（ａ）は
非加工時、図３（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は攪袢手段である空気ポンプで、加工槽６内に
空気を送り込むことにより加工液８に攪拌作用を与える
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の制御を司るサーボ装
置である。

【０００９】本発明方法は上記実施例装置によりなされ
るもので、加工液８の中にシリコン粉末９（平均粒径２
０〜４０μｍ、シリコン粉末と加工液の混合割合２０ｇ
／Ｌ）を混合して加工槽６に満たし、空気ポンプ１１か
ら加工槽６に空気を送り込み、攪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、攪袢手段である空気ポンプ１１の代わり、加
工液循環ポンプを使用してもよい。また、電極材料は
銅、及びグラファイトから構成した。

【００１０】図４及び図５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、この中図
４は電極４の材料として銅、被加工物としてＳＫＨ−５
１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。
図４（ａ）は加工液として灯油を使用したもので、その
面粗度は９μｍＲｍａｘであった。これに対し、図４
（ｂ）は加工液として灯油を使用し、この灯油１Ｌの中
にシリコン粉末を２０ｇ（但し、平均粒径２０〜４０μ
φ）を介在させたもので、その面粗度は４μｍＲｍａｘ
である。

【００１１】また、図５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。図５（ａ）は加工液として灯油
を、また、図５（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、図４、図５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、０〜２
２０Ｖの補助電源を使用した。図６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、１０
ａ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図７に示す。

【００１２】上記実施形態１によって得られたことをま
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。図４、
図５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。図４（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、また、仕上げ面粗さも粗
い。シリコン粉末を介在させると、平滑なシリコン被覆
膜の生成が見られる（図４（ｂ））。図５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、仕上げ
面粗さが精細になる（図５（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。

【００１３】ところで、放電加工の加工速度を仕上げ面
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。図８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，・・・４
ｎは分割電極である。このように分割する代わりに電気
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きらかに
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、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。

【００１４】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、放電加工を行うと、同一
の電気条件でも、仕上げ面粗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、加工液中に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。

【００１５】図９乃至図１２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。

【００１６】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、図１０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。

【００１７】図１１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、１電極：銅２被加工物：高速度鋼（ＳＫＨ−５１）３加工液：灯油はシリコン粉末を２０ｇ／Ｌ混入４電気条件：電流ピーク値１ρ＝１Ａパルス幅τｐ＝２μｓ休止幅τｓ＝２μｓ５電極極性：電極（−）即ち、図１１において、図１１（ａ）は加工液のみで加
工した場合の面粗さを、図１１（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、図１１（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。

【００１８】また、図１２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、この中図１２（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、図１２（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。図１２（ａ）ではシリコンの固着
した様子が見られ、仕上げ面粗さもやや荒いことが判
る。電極４と被加工物間に揺動運動を付与した図１２
（ｂ）ではなだらかに見える。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。

【００１９】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、他の金属粉、例えば、タ
ングステンカーバイト（ＷＣ）や硼化ジルコニウム（Ｚ
ｒＢ2）などの、半金属性や炭化物や硼化物すなわちフ
ァインセラミック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えば可能な場合がある。
この場合の非導電性物質とは、例えばアルミナ（Ａｌ2
Ｏ3）の如きものである。

【００２０】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。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、表
面層を形成する材料を、加工液中に粉末状態にして介在
させた後、攪袢手段により上記粉末を攪袢しつつ放電加
工を行うようにしたことにより、加工液中の粉末が固着
せず、放電が均一に分散するので、加工速度の向上が図
れると共に、通常放電加工に用いられる電極によって
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℃前後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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための図で、極間に
シリコンの粉体がある場合の説明図である。

【図２】本発明の原理を説明するための図で、通常の
放電状態の説明図である。

【図３】（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である。

【図４】（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である。

【図５】本発明の効果を説明するための金属組織を示
す顕微鏡写真図である。

【図６】図３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である。

【図７】（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である。

【図８】電源装置部の他の例を示す多分割加工回路の
原理図である。

【図９】本発明の別の発明を説明するための図３相当
図である。

【図１０】図９の揺動運動のパターンを示す説明図で
ある。

【図１１】（ａ），（ｂ），（ｃ）は仕上げ面粗さを
揺動運動の有無による比較で示す説明図である。

【図１２】図９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る。

【図１３】従来例を説明するための電極の構成図であ
る。

【符号の説明】

４電極、５被加工物、７極間、８加工液、９
シリコン粉末、１０電源装置、１１空気ポンプ。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材料を、加工液中
に粉末状態にして介在させた後、攪袢手段により上記粉
末を攪袢しつつ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。