Improvement of EDM speed for micro-deep holes by constructing a control system that takes into account the bubble flushing effect
| Project/Area Number |
23K22645
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| Project/Area Number (Other) |
22H01374 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
夏 恒 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40345335)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小玉 脩平 東京都市大学, 理工学部, 准教授 (10867237)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
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| Keywords | 放電加工 / 微細深穴 / 気泡 / 加工屑 / フラッシング効果 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、直径が100μm以下、深さが直径の10倍以上の微細深穴の放電加工速度を飛躍的に向上させることを目的としている。放電によって発生する気泡の膨張・収縮・キャビテーションによるフラッシング効果を解明し、その効果を考慮した制御系を構築し、加工屑の排出および加工液の更新を図る。目的達成のため、気泡挙動の観察、気泡の振動現象とフラッシング効果の解析、最適化制御系の構築を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の対象となる微細深穴の主な用途として、薬液噴霧ノズルの成形用微細金型や燃料点火システムの噴射ノズルなどが挙げられる。これらの部品の多くは耐食性、耐摩耗性により、高硬度の合金材料で作られている。一方、放電加工は、非接触で熱的な加工法なので、材料の硬度に関係なく加工できる。しかし、微細深穴の放電加工において、材料除去により発生した加工屑と、加工液気化により発生した気泡が加工領域から排出されにくくなり、正常な放電ができなくなるため、加工速度が著しく低下する。微細放電加工の加工速度は主に気泡と加工屑の排出性に依存するため、仮に気泡と加工屑が十分に排出されれば現状の10～100倍の速さで加工できる可能性があると推測されている。本研究では、微細深穴の放電加工における気泡の挙動に着目し、フラッシング効果を解明し、その効果を生かす制御系を構築して、放電加工速度を飛躍的に向上させることを目的とする。
今年度は、①長年使用した微細放電加工機のメカ部のメンテナンスを行い、NCシステムを新しいものにアップグレードした。②極間内の気泡と加工屑の挙動および穴入口から逸出する気泡と加工屑の挙動を観察・計測するシステムを構築した。③高精度光学顕微鏡で撮影した画像データを画像処理技術により処理し、微細な電極形状の変化を数値化した方法を確立した。④加工中に黒い物質が電極表面に付着する現象を発見し、その付着物の加工深さ限界や電極消耗への影響を調べた。また、付着物の物質を明らかにするため、成分分析を行った。⑤極間から気泡と加工屑を速やかに排出するため、電極の揺動動作を付与することにより排出通路を確保した。また、電極の揺動動作の開始位置の最適化を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
微細放電加工のアップグレードの結果、高精度の穴加工を安定して行うことができ、また、揺動動作をNCシステムで実現できるようになった。また、構築した気泡と加工屑の挙動の観察・計測システムを用いて、加工時の気泡と加工屑の逸出状況、電極表面への物質の付着現象と脱落現象を観察できるようになった。なお、電極消耗と加工深さの関係を調べた結果、工具電極の消耗は送り深さに対して2次関数的に増加すること、送り深さに関係なく工具電極の消耗は直径方向には殆どなく長さ方向のみに発生すること、角部の消耗よりも長さ消耗がはるかに大きいことを明らかにした。なお、工具電極表面への付着現象を調べた結果、付着物は常に負極に接続している工具または工作物表面に付着し、工具の回転による発生した加工液の渦に影響されないこと、工具電極の極性を負極から正極に切替えると付着物が電極表面から脱落すること、付着物には酸素が含まれていることを明らかにした。さらに、電極の揺動動作の付与の加工実験により、電極に揺動動作を付与することにより加工速度が向上し、揺動付与の最適な位置が存在することを明らかにした。上記のように、ほぼ計画通りに研究を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
工具電極表面に付着する物質は、工具電極の見かけ上の直径を増加させ、極間距離を狭め、気泡や加工屑の逸出通路をブロックし、極間環境を悪化させる可能性が極めて高いので、電極表面への物質の付着メカニズムの解明や物質成分の特定を行う。付着メカニズムを明らかにした後は、付着させない方法を考案していく。例えば、加工速度の最大化と電極消耗の最小化を実現するため、工作物への加工エネルギー配分が多くなるように工作物を加工電源の正極に接続するが、工具電極表面への付着物を脱落させるため、短い時間で工作物の極性を負極に切替える方法も考えられる。そこで、極性の切り替えるタイミング等の影響を調べる予定である。一方、気泡の振動は極間内の圧力と放電エネルギー、加工深さに依存し、フラッシング効果に大きく影響するため、気泡振動の状況を明らかにする必要がある。汎用解析ソフトCOMSOＬを導入し、気泡の振動解析を試みているが、境界条件の決定や気泡を含めた加工液の物性値の決定にはまだ実験結果との更なる照合が必要である。今後は、加工中の加工液や気泡の挙動を観察する実験を増やし、異なる条件での挙動観察結果と解析結果の照合から解析に必要なパラメータを同定し、気泡の振動現象の解析精度を高めていく。また、気泡振動周期に合わせて放電周期を制御できる制御系を考案する。具体的には、一回の放電の後、気泡の収縮が完了、またはキャビテーションが発生後に次の放電のための電圧を印加する。それにより、気泡中の放電を避け、液中放電の確率を高め、大きな気泡の発生により、フラッシング効果を高める。
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Report
(1 results)
Research Products
(6 results)
