放電加工

1943年、ソ連の科学者BRラザレンコとNIラザレンコは、火花によるタングステン電気接点の侵食を防ぐ方法を調査するよう命じられた。彼らはこの任務には失敗したが、電極を誘電体液に浸すと侵食がより正確に制御されることを発見した。これがきっかけとなり、彼らはタングステンなどの加工が困難な材料を加工するための放電加工機を発明した。ラザレンコの機械は、電極を充電するために使用される抵抗コンデンサ回路（RC回路）にちなんでRC型機械として知られている。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

同時期に、しかし独立して、アメリカのチームであるハロルド・スターク、ビクター・ハーディング、ジャック・ビーバーは、アルミニウム鋳物から折れたドリルやタップを除去するための放電加工機を開発した。^{[ 7 ]}当初、彼らは出力の低い電気エッチングツールから機械を製作したため、あまり成功しなかった。しかし、より強力な放電ユニットと、電磁遮断装置による自動放電繰り返しと流体交換を組み合わせることで、実用的な機械が完成した。スターク、ハーディング、ビーバーの機械は毎秒60回の放電を発生させた。彼らの設計に基づく後の機械は、毎秒数千回の放電を発生させる真空管回路を使用し、切削速度を大幅に向上させた。^{[ 8 ]}

ワイヤ放電加工機は、1960年代に焼き入れ鋼から工具（ダイス）を作るために登場しました。ワイヤ放電加工機の工具電極は、単にワイヤです。ワイヤの摩耗による断線を防ぐため、ワイヤは2つのスプールの間に巻き付けられ、ワイヤの有効部分が常に変化するようになっています。初期の数値制御（NC）機械は、パンチテープ式立形フライス盤を改造したものでした。ワイヤ放電加工機として製造された最初の市販のNC機械は、1967年にソ連で製造されました。マスター図面上の線を光学的に追従できる機械は、 1960年代にアンドリューエンジニアリング社^{[ 9 ]}のデビッド・H・デュレボーンのグループによって、フライス盤と研削盤用に開発されました。マスター図面は、その後、より高い精度を得るためにコンピュータ数値制御（CNC）プロッターによって作成されました。 CNC描画プロッタと光学ラインフォロワー技術を使用したワイヤ放電加工機は1974年に製造された。その後、デュレボーンは同じプロッタCNCプログラムを使用して放電加工機を直接制御し、最初のCNC放電加工機は1976年に製造された。^{[ 10 ]}

近年の数十年間で、商用ワイヤ放電加工の能力と使用は大幅に進歩した。^{[ 11 ]}送り速度は増加し^{[ 11 ]}、表面仕上げは精密に制御できるようになった。^{[ 11 ]}

シンカーEDMは、ラムEDM、キャビティ型EDM、またはボリュームEDMとも呼ばれ、電極とワークピースが絶縁液体（より一般的には^{[ 28 ]}油、またはあまり一般的ではないが他の誘電性流体）に浸されている。電極とワークピースは適切な電源に接続されている。電源は2つの部品間に電位を生成する。電極がワークピースに近づくと、流体中で誘電破壊が発生し、プラズマチャネルが形成され、^{[ 16 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}小さな火花が飛ぶ。

これらの火花は通常一度に 1 つずつ発生します。^{[ 28 ]}電極間空間の異なる場所で、すべての場所で同時に火花が発生するような同一の局所的な電気特性を持つことは非常にまれだからです。これらの火花は、電極とワークピースの間の一見ランダムな場所で大量に発生します。母材が侵食され、それに伴って火花ギャップが増加すると、プロセスが中断されずに継続できるように、機械によって電極が自動的に下げられます。毎秒数十万の火花が発生し、実際のデューティサイクルは設定パラメータによって慎重に制御されます。これらの制御サイクルは、「オン時間」と「オフ時間」と呼ばれることもあり、文献でより正式に定義されています。^{[ 16 ] [ 21 ] [ 29 ]}

オン時間設定は、スパークの長さまたは持続時間を決定します。したがって、オン時間が長いほど、各スパークからより深いキャビティが生成され、ワー​​クピースの表面が粗くなります。オン時間が短い場合はその逆です。オフ時間は、スパーク間の時間です。オフ時間は、部品の加工に直接影響しませんが、ノズルを通して誘電体液を流して侵食されたデブリを洗浄することができます。デブリの除去が不十分だと、同じ場所で繰り返しスパークが発生し、短絡につながる可能性があります。最新のコントローラはアークの特性を監視し、マイクロ秒単位でパラメータを変更して補正することができます。典型的な部品の形状は複雑な 3D 形状で、^{[ 28 ]}多くの場合、小さな角度または奇妙な形状の角度があります。垂直、軌道、ベクトル、方向、らせん、円錐、回転、スピン、およびインデックス加工サイクルも使用されます。

ワイヤ放電加工（WEDM）は、ワイヤカットEDMやワイヤ切断とも呼ばれ、^{[ 30 ]}通常は真鍮の細い単線金属ワイヤが、脱イオン水などの誘電体液のタンクに浸されたワークピースに通されます。^{[ 28 ]}ワイヤカットEDMは、通常、厚さ300 mm（12インチ）までのプレートを切断したり、他の方法では加工が難しい硬質金属からパンチ、工具、ダイを作ったりするために使用されます。  

スプールから常に供給されるワイヤは、ウォーターノズルヘッドの中央に配置された上下のダイヤモンドガイドの間に保持されます。通常CNC制御されるガイドは、 x - y平面内を移動します。ほとんどの機械では、上部ガイドはz - u - v軸内でも独立して移動できるため、テーパー形状や遷移形状（例えば、下部が円形、上部が正方形）を切削することが可能です。上部ガイドは、Gコード規格のx - y - u - v - i - j - k - l軸で軸の動きを制御できます。これにより、ワイヤ放電加工機で非常に複雑で繊細な形状を切削するようにプログラムすることが可能になります。

上下のダイヤモンドガイドは通常0.004 mm (0.16 mils)の精度で、Ø 0.02 mm (0.79 mils)のワイヤを使用した場合、切削経路または切削幅は0.021 mm (0.83 mils)と小さくできますが、最も経済的なコストと加工時間を実現する平均切削幅は、Ø 0.25 mm (9.8 mils)の真鍮ワイヤを使用した場合の0.335 mm (13.2 mils) です。切削幅がワイヤの幅よりも大きい理由は、ワイヤの側面からワークピースに火花が発生し、侵食を引き起こすためです。^{[ 28 ]}この「オーバーカット」は必要であり、多くの用途では十分に予測可能であるため、補正することができます (たとえば、マイクロ EDM では、これはあまり当てはまりません)。ワイヤーのスプールは長く、8 kg (18 lb)の0.25 mm (9.8 mils)のワイヤーのスプールは、長さが19 キロメートル (12マイル)を超えます。ワイヤーの直径は20 μm (0.79 mils)まで小さくすることができ、形状精度は ± 1 μm (0.039 mils)とそれほど変わりません。           

ワイヤカット加工では、誘電体液として水を使用し、フィルターとPID制御式脱イオン装置を用いて水の抵抗率などの電気特性を制御します。水は切断された切削屑を切断ゾーンから洗い流します。この洗い流しは、材料の厚さに応じた最大送り速度を決定する上で重要な要素となります。

ワイヤ放電加工で使用される電極は、一般的に真鍮、銅、または亜鉛めっきや拡散焼鈍ワイヤなどの被覆材料で作られています。^{[ 31 ]}真鍮ワイヤは、導電性、引張強度、コスト効率のバランスが良いため、最も一般的に使用されています。^{[ 32 ]}被覆ワイヤは、より安定した放電を促進することで、切削速度の向上、ワイヤの破損の低減、表面仕上げの向上によく使用されます。

より厳しい公差に加え、多軸放電加工ワイヤカッティングセンターには、2つの部品を同時に切削するためのマルチヘッド、ワイヤ断線を防止する制御機能、ワイヤ断線時の自動セルフスレッディング機能、および加工を最適化するためのプログラム可能な加工戦略などの機能が追加されています。

ワイヤ放電加工は、材料除去に高い切削力を必要としないため、残留応力を低く抑えたい場合によく用いられます。パルスあたりのエネルギーが比較的低い場合（仕上げ加工など）、残留応力が低いため、材料の機械的特性に大きな変化は生じません。ただし、応力除去処理が施されていない材料は、加工中に変形する可能性があります。

加工対象物は、使用する技術パラメータに応じて、大きな熱サイクルを受ける可能性があります。このような熱サイクルにより、部品上に再鋳造層が形成され、加工対象物に残留引張応力が発生する可能性があります。熱処理後に機械加工を行う場合、熱処理による歪みによって寸法精度が影響を受けることはありません。^{[ 33 ]}

穴あけ放電加工は、高速かつ高精度で、小さく深い穴を加工するために設計されました。概念的には型彫り放電加工に似ていますが、電極は誘電体液の加圧ジェットを噴射する回転管です。約1分で深さ1インチの穴を加工でき、ねじりドリル加工では加工できないほど硬い材料に穴を開けるのに適しています。このタイプの放電加工は、航空宇宙産業で広く使用されており、航空機のブレードやその他の部品に冷却用の穴を開けるのに用いられています。また、産業用ガスタービンのブレード、金型、ベアリングなどの穴あけにも使用されています。

放電加工（EDM）は、金型製造、工具製造、ダイス製造などの業界で最も広く利用されていますが、特に生産量が比較的少ない航空宇宙、自動車、電子機器業界において、試作品や量産部品の製造方法として一般的になりつつあります。型彫り放電加工では、グラファイト、銅タングステン、または純銅の電極を所望の形状（ネガティブ形状）に加工し、垂直ラムの先端に取り付けてワークピースに送り込みます。

宝飾品やバッジの製造、あるいは鋳造（刻印）工程によるブランキングおよび穴あけ（パンケーキダイの使用）のための金型の作成においては、適切な機械設定によりマスターは大きく摩耗し、一度しか使用されないため、ポジティブマスターはスターリングシルバーで作られることがあります。得られたネガティブダイは硬化処理され、ドロップハンマーで使用され、ブロンズ、シルバー、または低プルーフ金合金の切り出しシートブランクからプレス加工された平面が作られます。バッジの場合、これらの平面は別の金型によってさらに曲面形状に成形されることがあります。このタイプの放電加工は通常、油性誘電体液に浸漬して行われます。完成した製品は、硬質（ガラス）または軟質（塗料）エナメル加工、あるいは純金またはニッケルの電気メッキによってさらに仕上げることができます。シルバーなどの軟質材料は、仕上げとして手彫りで彫刻されることもあります。

小径穴あけ放電加工は様々な用途で使用されています。^{[ 34 ]}

ワイヤ放電加工機では、ワイヤ放電加工用のワイヤを通すための貫通穴をワークピースに開けるために、小径穴あけ放電加工が使用されます。小径穴あけ専用の放電加工ヘッドがワイヤ放電加工機に取り付けられており、これにより、大きな硬化鋼板から必要に応じて、事前穴あけなしで加工部品を削り出すことができます。

小径穴放電加工は、ジェットエンジンのタービンブレードの先端部と後端部に多数の穴を開けるために使用されます。これらの小さな穴を通してガスを流すことで、エンジンは通常よりも高い温度で運転することが可能になります。これらのブレードに使用されている高温耐性があり、非常に硬い単結晶合金は、アスペクト比の高いこれらの穴を従来の機械加工で加工することを極めて困難、あるいは不可能にしています。

小径穴放電加工は、燃料システム部品用の微細な開口部、レーヨンなどの合成繊維用の紡糸口金、その他の用途にも使用されます。

また、 x - y軸を備えたスタンドアロンの小径穴あけ放電加工機もあり、これはスーパードリルまたはホールポッパーとも呼ばれ、ブラインド穴または貫通穴を加工できます。放電加工機は、チャック内で回転する長い真鍮または銅のチューブ電極を使用して穴をあけます。電極には、洗浄剤および誘電体として蒸留水または脱イオン水が常に流れています。電極チューブは、ワイヤカット放電加工機のワイヤのように機能し、スパークギャップと摩耗率があります。一部の小径穴あけ放電加工機は、100 ミリメートル (3.9インチ)の軟鋼または硬化鋼を 10 秒未満で穴あけでき、平均摩耗率は 50% ～ 80% です。この穴あけ加工では、0.3 ～ 6.1 ミリメートル (0.012 ～ 0.240インチ)の穴を開けることができます。真鍮電極は加工しやすいものの、真鍮の摩耗粉が「真鍮同士の接触」によるワイヤ断線を引き起こすため、ワイヤ切断加工には推奨されません。そのため、銅の使用が推奨されます。  

複数のメーカーが、ワークピースから破損した切削工具や締結具を除去することを目的とした放電加工機（EDM）を製造している。この用途では、加工プロセスは「金属分解加工」またはMDMと呼ばれる。金属分解加工では、破損した工具や締結具の中心部分のみを除去し、穴はそのまま残すため、破損した部品を再生することが可能となる。

クローズドループ製造は、精度を向上させ、工具コストを削減することができる。