PCD 電極による超硬合金の放電加工特性 I64 - J

I64
PCD 電極による超硬合金の放電加工特性
（ナイフエッジ状電極による加工特性）
○ハンイリ*，岩井学**，板垣健二*，佐野定男+，植松哲太郎**, 二ノ宮進一++，鈴木清*
(*日本工業大学，**富山県立大学，+㈱ソディック，++北陸職業能力開発大学校)
EDM characteristics for cemented carbide with PCD electrode
(EDM characteristics with knife-edge electrode)
Nippon Inst. of Tech.: Wei Li PAN, Kenji ITAGAKI, Kiyoshi SUZUKI, Toyama Pref. Univ.: Manabu IWAI, Tetsutaro UEMATSU
Hokuriku Polytechnic College, Shinichi NINOMIYA, Sodick Co., Ltd.: Sadao SANO
EDM of tungsten carbide was performed using a V-shaped PCD electrode with inclined angle of 45°. Compared
to a 50µm wear of the presently used Cu-W electrode, the PCD electrode showed zero electrode wear under
particular EDM conditions.
１．はじめに
表１供試 PCD の仕様および物性値（*は計算値）
微細放電加工を実現するためには，極短パルス領域での電極消耗を
PCD 電極材(Element Six)
抑制することが重要である．著者らは，この問題に対処するため，高い
導電性 CVD
既存電極材料
CTB‐010
CTH‐025
ダイヤモンド
Cu-W
ダイヤ粒子径：µm
10
25
-
-
-
密度：g/cm3
4.08
3.95
3.5
14
9.0
らかにしている１，２）．続いて，高価な導電性 CVD ダイヤモンド厚膜の代
バインダ種類
Cobalt
Cobalt
-
-
-
替として，これに近い熱伝導率を有する PCD 素材（ダイヤモンド焼結
バインダ wt %
22.6
17.9
0
-
-
体）を電極とする方法を提案し，導電性 CVD ダイヤモンドと同等の耐消
バインダ vol %*
10.3
7.9
0
-
-
ダイヤ wt % *
77.4
82.1
100
-
-
熱伝導率を有する導電性 CVD ダイヤモンド素材に着目し，放電加工用
電極とすることで，無消耗あるいは極低消耗加工を実現できることを明
３）
耗特性を示した．本研究では，PCD 素材を微細加工用電極として実用
することを目的に 45°の頂角を有するナイフエッジ状 PCD 電極による
ダイヤ vol % *
89.7
92.1
100
-
-
熱伝導率：W/mK
459
501
500-600
188～295
400
比抵抗：Ω·m
1.4×10-4
-
0.4～1×10-3
6.8×10-9
17×10-9
電極(+)
加工深さ
0.2mm
微細溝放電加工を行った．
２．実験条件および装置
２．１ PCD 電極の形状
PCD部 PCD層
0.5mm
ダイヤモンド粒径 10，25µm の２種類の PCD 素材（表１）を，ワイヤカ
50µm
ット放電加工で 45°の V 形状（ナイフエッジ形状）に成形した．図１に電
45度
極形状の外観と斜面部表面性状を示す．エッジ先端 R はいずれも約
10µm 以下である．
２．２微細溝加工条件
ナイフエッジ状電極を用いて，幅 2mm の超硬合金に 0.2mm の深さ
(a) 外観
電極消耗量
図１ワイヤカット放電加工によって
成形された PCD 電極 (CTB-010)
放電加工性能の評価は，特に電極消耗量に着目して行った．実験装置
放電電流，放電持続時間）が電極消耗量に及ぼす影響を調査した．
図２ナイフエッジ電極による
V 溝創成実験模式図
放電機械形彫放電加工機（AQ35L，ソディック）
３．１銅タングステン電極による放電加工特性
まず比較のため，ナイフエッジ形状にした銅タングステン電極を用い
を図３に示す．銅タングステン電極の消耗は比較的多く，加工後の電極
エッジ部の消耗量は 50µm であった．V 溝の先端 R も大きくなった．
2mm
2mm
表２実験装置および条件
３．ナイフエッジ電極による微細溝放電加工実験
て，メーカ推奨放電条件で超硬合金の微細溝加工を行った．実験結果
超硬合金
(‐)
(b) 斜面部
まで油中で彫り込んで，微細溝の創成を試みた（図２）．本実験における
の仕様および条件を表２に示す．各種放電条件（設定放電電圧，設定
銅
加工液
油（Vitol 2，ソディック）
電極材
・PCD 電極 (CTB-010, CTH-025, Element Six, 6×10×t2mm)
・銅タングステン電極 (5×10×t3mm)
ナイフエッジ形状：頂角 45°，先端 R≒10µm
被加工材超硬合金 (G5, 幅 2mm)
加工幅：2mm×加工深さ：0.2mm，電極[＋]，油中
放電条件・PCD 電極：ui=60~120V, iP=0.5~4A, te=2~50µs, t0=15µs
・銅タングステン電極：メーカ推奨条件
３．２ PCD 電極による放電加工特性
２種類の PCD 電極による微細溝放電加工実験を行った．各種放電条
電極消耗状況
溝形状
件と電極消耗量の関係を図４に，電極消耗と加工された溝の SEM 観察
← 電極消耗量=50µm
結果を図５に示す．
Cu-W
（１）設定放電電圧の影響（図４a，図５a）
消耗
100µm
設定（無負荷）電圧を ui=60~120V に変化させて，無消耗加工が可能
となる条件の選定を試みた．その他の放電条件は，設定電流 ip=2Ａ，パ
ルス条件te=15µs，to=15µsの比較的長い条件を用いた．本報では，加工
2006 年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集
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図３銅タングステン電極による電極消耗状況
及び微細溝形状の観察（メーカ推奨条件)
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設定電圧が120Vのとき，CTH-025および
CTB-010 のいずれの電極消耗量は大きく 15
～20µm となる．しかし，60V に低く設定する
u i =60V, i p =2A, t o =15µs
u i =60V, t e /t o =15/15µs
電極消耗量　(µm)
工時間は短くなり，ip≧2A の時は 5 分間以内
で加工が完了した．
電極消耗量　(µm)
いないが，電圧および電流値が高いほど加
50
100
i p =2A, t e /t o =15/15µs
40
CTH‐025
CTB-010
30
20
10
0
電極消耗量　(µm)
に要した時間や加工能率については論じて
CTH‐025
CTB-010
50
0
30
60
90
電圧u i (V)
120
150
30
20
10
0
0
(a) 設定電圧の影響
ことで，電極消耗量を大幅に減ずることがで
CTH-025
CTB-010
40
1
2
3
電流i p (A)
4
2
15
50
パルスオンタイムt e (µs)
5
(b) 設定電流の影響
(c) パルスオンタイムの影響
図４各種放電条件と電極消耗量の関係
きた．特に，CTH-025の60Vでは，ほぼ無消
CTH-025
耗で加工できた．２つの PCD 電極を比較すると，ダイヤモンド粒径の大
電極消耗状況
きい CTH-025 電極は CTB-010 電極に比べて電極消耗量が少なくなる
ui =60V
傾向があることがわかった．
（２）設定放電電流の影響（図４b，図５b）
電極消耗量の少ない放電条件を調査するため，設定放電電圧を
CTB-010
溝形状
電極消耗状況
溝形状
100µm
設定放電電流が 0.5A と小さい時，２種の PCD 電極は，どちらも，電極
ip =2A
放電パルス条件は，te/to=15/15µs とした．
ui =90V
ui=60V に固定し，設定放電電流を ip=0.5～4A に変化させて実験した．
消耗量が大きく，50µm 以上となった．しかし，1A より大きい条件では電
ui =120V
極消耗が少ない加工ができることがわかった．この実験の場合も，
CTH-025 電極が CTB‐010 電極より消耗が少なくなることがわかった．
（３）放電持続時間の影響（図４c，図５c）
設定放電電圧 ui=60V，設定放電電流 ip=2A，休止時間 to=15µs とし，
(a) 設定電圧との関係 (te/to=15/15µs)
放電持続時間（パルスオンタイム）の影響を調査した．一般に良好な加
CTH-025
工面を得るために使用されるショートパルス領域 te=2µs では，両者の
電極消耗状況
PCD 電極の消耗量は 20~30µm だった．一方，te=15µs 以上の領域では
電極消耗状況
溝形状
ip=0.5A
CTH-025 電極がほぼ無消耗となることがわかった．また，CTB-010 電極
CTB-010
溝形状
についても，te=50µs では消耗がほとんどみられなかった．
以上の結果より，超硬合金の微細溝放電加工において，銅タングス
テン電極を用いても改善できなかった電極消耗量の問題を，提案した
ip =1A
PCD 電極によって，ほぼ無消耗で放電加工できることを明らかにした．
ui =60V
今後は，加工能率や溝形状精度についても検討していく予定である．
４．おわりに
ip =2A
超硬合金への微細溝加工に２種類の PCD 電極を適用し，その加工
特性を調査した結果，以下のことがわかった．
100µm
(1)．PCD 電極は，銅タングステン電極より電極消耗が極めて少なく，
ip =4A
電極無消耗加工が放電条件を最適化（ui=60V, ip=2A, te>15µs）す
ることで達成できた．
(2)．PCD 電極でもダイヤモンド粒径の大きさにより熱伝導率が異なる．
本研究では熱伝導率の大きいほうが電極消耗量は少なくなると予
(b) 設定電流との関係 (te/to=15/15µs)
想されたが，予想通り CTH-025 の方が CTB-010 より電極消耗量が
CTH-025
少ない結果となった．
電極消耗状況
(3)．絶縁物であるダイヤモンド粒径の影響で放電が不安定になり，そ
te=2µs
のことが電極消耗量にどのように影響を与えるかを調べるために
放電条件パラメータを変化させた．しかし不安定になりやすい
CTH-025 が全般的に CTB-010 より消耗量が少ない結果となった．
CTB-010
溝形状
電極消耗状況
溝形状
100µm
to=15µs
te=15µs
本研究にご協力いただいたエレメントシックス(株)および(財)大澤科学
技術振興財団に厚く御礼申し上げます．
2006 年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集
te=50µs
[ 参考文献 ]
1) K. Suzuki et.al,: 7th Applied Diamond Conference / Third Frontier Carbon
Technology Joint Conference (ADC/FCT2003), (2003) pp.222-227.
2) K.Suzuki, A.Sharma, M.Iwai, T.Uemastu, K.Shoda, M.Kunieda: Electrical
Discharge Machining Using Electrically Condutive CVD Diamond as an
Electrode, NDFCT443．Vol.14, No.1 (2004) pp.35-44.
3) 鈴木清他：放電加工用ダイヤモンド基複合電極の開発－第 1~3 報，精密工
学会春季大会講演論文集 (2005) pp.1339-1344.
(c) パルスオンタイムとの関係 (ui=60V，ip=2A)
図５各種放電条件による電極消耗状況及び微細溝形状の観察
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