2015 Fiscal Year Annual Research Report
Improvement of Machining Characteristics of EDM by Direct Observation of Gap Phenomena using Transparent SiC Electrode
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15H03899
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
國枝 正典 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90178012)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
趙 永華 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90759052)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 放電加工 / ワイヤ放電加工 / 加工現象 / 透明体電極 / 高速度ビデオ / ワイヤ振動 / センサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
形彫り放電加工において加工速度や加工精度を向上するには、加工屑や気泡を加工間隙から速やかに排出する必要がある。そこで、工具電極の昇降運動や、ノズルから加工間隙へ加工液を噴流するときの、加工屑や気泡の排出効果を透明体電極を用いて観察した。その結果、昇降や噴流を別々に行う場合の効果は小さいが、両方を同時に行った場合の排出効果が大きいことを明らかにした。
次に、単発放電における除去メカニズムの解明のために、棒状電極と平板電極の間で発生する単発放電現象を観察した。放電時に溶融する領域のうち、加工屑として排出される体積の割合（除去効率）が数％に過ぎないことが知られている。そこで、高速度カメラを用いた除去メカニズムの解明によって、除去効率を向上する手段を見つけることが目的である。本実験では透明体電極は使用しないが、放電柱の挙動と、放電痕の形成過程、ならびに加工屑の生成過程を撮影することに成功した。
また、ワイヤ放電加工の加工現象を透明体電極を工作物として用いて観察した。黄銅ワイヤよりも亜鉛被覆黄銅ワイヤを用いた方が、ワイヤが断線することなく加工可能な放電頻度が高い。この事実を説明するために、放電点分布を観察した。その結果、亜鉛の融点が黄銅よりも低いため、ワイヤ電極表面の亜鉛被膜が除去されることによって、ワイヤ電極の表面温度が低下し易く、放電点がワイヤ電極上に集中する現象が生じにくい。従って、放電点の集中によるワイヤ断線が生じにくいことが、放電頻度を黄銅電極よりも高くできる原因であることが分かった。
透明体電極を用いてワイヤ振動を観察できるが、拡大率に限界があり、１０ミクロン以下の変位の観察は難しい。また、ワイヤに垂直な２次元的な変位の観察は困難である。そこで、光ファイバを用いた２軸の光学式変位センサを開発した。インプロセスで、１ミクロンの精度でワイヤに垂直方向の変位を観察できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
単発放電において、工作物が溶融する領域のうち、加工屑として除去される体積の割合（除去効率）は数％である。従って、除去効率を数十％にできれば、現在の加工速度を数十倍に増加させ、切削加工の加工速度に匹敵する効率が得られる。その方法を見つけるためには、未だ十分に説明できていない除去のメカニズムを解明する必要がある。本研究課題が始まる前の２６年度までに、透明体電極を用いて放電痕の裏側から放電現象を観察することが可能となったが、放電痕上では透明体であるSiC単結晶が不透明となり、アーク柱の挙動が、放電痕の形成や加工屑の生成に及ぼす影響の直接観察が困難であった。平成２７年度に、一般の工作物材料である鉄鋼材料を用いて、アーク柱挙動と、放電痕の形成や加工屑の生成が鮮明に観察できるようになったことは、世界で初めてのことであり、除去メカニズムの解明が大きく進むことが期待できる。
また、ワイヤ放電加工現象については、透明体電極を用いた観察を世界に先駆けて行った。その結果、放電によって生じた気泡が膨張し、ワイヤの振動を生じさせる現象が観察できた。また、放電点分布が鮮明に観察でき、亜鉛被覆ワイヤを用いる場合、黄銅ワイヤよりも高い放電頻度で加工可能である原因が、放電点の集中が生じにくいからであることを明らかにできた。
さらに、加工プロセスの邪魔にならず、インプロセスでワイヤに垂直な方向の２次元のワイヤ変位を測定可能な光学式センサを製作し、１ミクロンの精度で変位測定が可能になった。よって、透明体電極を用いた放電点の検出と、光センサを用いたワイヤ変位の測定結果から、ワイヤ放電加工現象の解明が進むと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
放電条件を変えて、アーク柱挙動、放電痕の形成、加工屑の生成に及ぼす影響を調べる。特に、放電電流波形を変えたり、パルス電流に高周波成分を重畳させることによって、除去効率に及ぼす影響を調べる。また、工具電極材料を変え、工具電極から発生する蒸発原子のジェットが、工作物放電痕内の溶融金属を排出する効果について調べる。
また、分子動力学シミュレーションと、熱流体解析の両方を用いて、放電痕の形成、加工屑の生成の過程を理論解析する。分子動力学計算は除去のメカニズムを定性的に説明するために有効であるが、定量的な解析には熱流体解析が必要である。その結果を観察結果と比較し、除去メカニズムの解明を行う。
ワイヤ放電加工については、ワイヤ電極に作用する主な３つの力：開放電圧印加中の静電力、放電時の気泡膨張による反発力、加工液噴流に起因する流体力、を考慮し、ワイヤの振動やたわみを計算できるシミュレーションを開発する。そして、透明体電極を用いた放電点分布、気泡挙動の観察結果、ならびに光センサを用いたワイヤ挙動の測定結果とシミュレーション結果とを比較し、ワイヤ放電加工の現象解明を行う。また、ワイヤ挙動を考慮に入れ、工作物除去形状が計算できるシミュレーションを開発し、実際の切断面の工作物形状との比較を行う。これによって、ワイヤ放電加工の加工速度や加工精度を向上するための手段を見つける。
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