电火花线切割机的制作方法

专利名称：：电火花线切割机的制作方法
技术领域：
：本发明涉及在线电极和工件之间施加梯形波的电压的类型的电火花线切割机。
背景技术：
：在电火花加工中，在加工液中的电极和工件之间(极间machininggap(由彼此相对设置的加工电极和工件形成))施加电压来产生电弧放电。在通过该放电的热使工件熔化的同时，加工液被急剧加热，引起蒸汽爆炸，吹散熔化的工件。通过高频度地重复上述动作来进行加工。另外，通过放电而出现的小的放电痕聚集来形成加工面，所以各个放电痕的大小决定表面粗糙度。已知在作为电火花加工的一种的电火花线切割中，在线电极和工件之间(极间)施加高频交流电压，以较高的频度重复短时间宽度的放电，由此能够得到精细的加工面。图9B是由电火花线切割机的电源生成的高频交流电压的例子。从电源作为电源输出电压100以规定的频率重复输出正极性电压和负极性电压。电源输出电压通过在到极间的路径上存在的电感和寄生电容等，如图9B所示，成为正弦波电压102，被施加到极间。例如，在特开昭61-260915号公报中，表示了通过使用IMHZ5MHz的高频交流电压进行加工，得到表面粗糙度为IymRmax以下的加工面。但是，近年来得知在使用高频交流电压102(参照图9B)进行加工时，存在以下(1)⑶所示的问题。(1)直线度降低在电火花线切割中，当使用高频交流电压进行加工时，成为在线电极和工件之间(极间)始终施加电压的状态(参照图9B)，所以在极间静电引力作用，将线拉向工件的方向发生弯曲，工件的板厚中央部的加工量增大，加工面变得不直，直线度恶化。(2)加工面粗糙度降低如果用交流电压进行加工，则由于电压从正到负或者从负到正进行反相，由此在放电波形中产生过零点104，所以在电压的每半个周期放电应该被中断(参照图9B)。但是，当交流的频率升高时，各个放电电弧的消弧变得不充分，在施加电压后立即产生放电等情况下，容易产生在相同的场所重复产生放电的现象。因此，在高频度的放电持续的情况下，与通过交流半波的放电得到的表面粗糙度相比，只能得到明显恶化的表面粗糙度。另外，因为显现对应于放电的频度表面粗糙度不同的倾向，所以有时在加工面上出现痕纹。(3)加工状态的判断困难在电火花线切割中，一般测定极间的平均电压来对电极的进给速度以及加工条件进行变更控制。但是，当成为数MHz以上的高频交流电压时，用于获得平均电压的整流电路不响应，存在测定误差变大的问题。另外，当成为高频时，在加工电源和极间之间发生“共振现象”的情况多，放电间隙长度或工件板厚、加工液的流动的状态等发生变化，极间的电气常数微小的变化会引起加工电压大的变动，根据平均电压的变化判断加工状态变得越来越困难。因此，在精加工领域中，电极的进给速度也恒定地进行加工等，根据加工状态进行反馈控制是困难的，成为提高加工精度的瓶颈。作为关于上述(1)和(2)的对策，在国际公开第2002/058874号公报中提出了间歇进行高频交流电压的施加。但是，为了通过该施加方法发挥足够的效果，需要以很高的频度暂停施加电压，另外，在电压施加的开始、结束时存在电压过度变化的区间，残留能够施加正规的加工电压的时间变短，加工效率的降低严重这样的问题。图10说明这样的高频交流电压的间歇施加的波形。图IOB表示极间电压114的波形，用符号114表示的部分与电源输出电压对应，由符号120表示的部分与暂停时间112对应。极间电压114的波形的部位116、118是极间电压过度变动的部分。另外，符号120是与暂停时间112对应，极间电压成为零的区间。图IOB的暂停时间120如同看到的那样，在该时间内放电完全被中断。作为关于上述(3)的对策，在美国专利7，038，158号公报中提出了一种技术，在高频交流上重叠施加直流电压，通过低通滤波器仅提取极间电压的低频电压成分，按照该低频电压的变化控制电极的进给。在该电极进给控制技术中，因为平均电压不成为零，所以有可能在工件或加工机本体上发生电蚀。另外，因为使用低通滤波器，所以在放电状态急剧变化的情况下，响应变差，可能无法跟踪。
发明内容因此，本发明的目的在于提供一种电火花线切割机，它能够解决上述的问题，得到高精度并且高品位的被加工物表面。本发明的电火花线切割机具有电源，该电源在线电极和作为加工对象的工件之间(极间)，以1微秒以内的周期交互地施加正极性和负极性两种极性的电压，或者按照规定的施加比例在所述极间施加单位时间的正极性的电压和负极性的电压。并且该电源具有电压施加单元，用于在各个电压施加的期间设置至少电压施加时间以上的暂停时间，在所述极间施加电压，和振动抑制单元，用于抑制在电压的施加、暂停的过度状态下产生的振动。该电火花线切割机还可以具有放电检测器，用于在各个开始施加电压的定时，检测通过刚才施加电压是否产生了放电。所述振动抑制单元是与所述极间串联地连接在电源上的阻尼电阻，并且设定该阻尼电阻的值，以使通过所述电源、向所述极间供给来自所述电源的输出的供电线以及所述极间形成的电路的共振条件接近临界。该电火花线切割机还可以具有设定单元，根据作为目标的加工精度、表面粗糙度或者加工速度，或者根据所选择的工件材质、工件板厚或者线径，设定暂停时间对于所述电压的施加时间的比。本发明通过具有上述结构，可以提供能够得到高精度并且高品味的被加工物表面的电火花线切割机。通过参照附图对以下的实施例进行说明，本发明上述以及其他的目的以及特征会变得明确。在附图中，图1是在电火花线切割机的电源中使用的两极性电压施加电路的第一例的概略电路图。图2A以及图2B表示对构成图1的两极性电压施加电路的两个开关元件进行接通/关断动作时的电源输出电压的波形的第一例以及对应的极间电压的波形的例子。图3A以及图3B表示在极间施加梯形波的电压的第二例的波形。图4A说明在使极间电压为高频交流电压的情况下(现有技术)，产生了放电时的电压变化的波形，图4B说明在使极间电压为梯形波电压的情况下(本发明)，产生了放电时的电压变化的波形。图5表示检测有无放电的放电检测电路的一例。图6A-图6C表示对构成图1的两极性电压施加电路的两个开关元件进行接通/关断动作时的电源输出电压的波形的第三例(梯形波的电压)，在施加正极性电压或负极性电压之前指令的残留电荷放电指令、以及对应的极间电压的波形的例子。图7是在电火花线切割机的电源中使用的两极性电压施加电路的第三例的概略电路图。图8说明具有放电检测单元和残留电荷放电单元的电压施加电路的一例。图9A以及图9B说明由电火花线切割机的电源生成的矩形的电压以及对应的极间电压各自的波形。图IOA以及图IOB说明由电火花线切割机的电源生成的间歇的矩形的电压的波形以及对应的极间电压的波形。具体实施例方式本发明的电火花线切割机的一个实施方式，在正负两极性的电压施加期间设置至少施加时间以上的暂停时间，使极间电压波形为梯形波来进行加工。图1是在该电火花线切割机的电源中使用的两极性电压施加电路10的概略电路图。在图1中，符号11、12表示直流电源，符号13、14表示开关元件，符号15表示阻尼电阻，符号16表示电感，符号17表示电阻，符号18表示线间电容，符号19表示线电极，符号20表示工件，符号21表示极间寄生电容，符号22表示泄漏电阻。电感16、电阻17以及线间电容18等价表示以供电电缆24为代表的电源和极间的配线路径具有的各个成分。Vbb是指线电极19和工件20的极间电压。通过未图示的控制电路使开关元件13、14进行接通/关断动作，输出图2A以及图6A所示的电源输出电压。在两极性电压施加电路10中存在供电电缆的电感16、电阻17、线间电容18，另外在极间，在线电极19和工件20之间的相对面上存在极间寄生电容21、泄漏电阻22。因此在粗加工或中等加工时上升急剧的波峰高的加工电流是有利的，成为使全体电路的电感尽可能小的结构，所以电感16、电阻17小，但是线间电容变大。因此，当像精加工那样为了使表面粗糙度优良而减小来自电源的输出能量时，包含线间电容18，高速驱动极间寄生电容21变得困难，能够在极间施加的高频交流电压的频率被限制在200300kHz左右。因此，在精加工中，考虑切换到线间电容18小的电缆，对电路采取措施使极间寄生电容21也尽可能变小，一般能够施加500kHz以上的高频交流电压。使用两极性电压施加电路10，在极间施加在施加了正极性或负极性的电压(参照图2A的ta)后插入了暂停时间(参照图2A的tb)的电源输出电压。首先，在施加电压的期间(时间ta)，在线间电容18以及极间寄生电容21上积蓄电荷，极间电压Vbb上升。其后，当进入暂停时间tb不施加电压时，在线间电容18以及极间寄生电容21中积蓄的电荷经由泄漏电阻22放电，电压慢慢降低。当电压的施加周期缩短到1微秒以下时暂停时间tb也相对缩短(1微秒以下)，所以暂停时间tb中的极间的电压降低小，成为大体可以忽略的程度。并且，两极性电压施加电路10，为了在电源电压的施加以及暂停的过度状态下不发生振动，对于极间串联接入阻尼电阻15使极间电压Vbb大体成为梯形波状(参照图2B)。阻尼电阻15的电阻值越大，振动抑制效果越是增大，但是另一方面，电压的变化速度变慢，波形变钝。因此，在作为电火花线切割机的电源的两极性电压施加电路10(参照图1)中，当把供电电缆24的电路电感16设为L，把对供电电缆24的线间电容18加上极间寄生电容21后的合计电容设为C时，如果为了成为临界条件使阻尼电阻15的值R为R=2V(LZC)则在抑制振动的同时能够得到最快的响应。但是，在加工中当工件板厚或放电间隙长度变化时，极间寄生电容21也变化，所以难以始终满足临界条件，但是如果这些变化微小，则即使极间电压波形微小地振动，对于加工特性的影响小，在实际应用上没有问题。测定电路电感L和电容C，通过上述的式子求出阻尼电阻15的电阻值R，但也可以取而代之，一边观察振动的程度、波形的钝化程度一边通过实验决定阻尼电阻15的值。图2A以及图2B说明切换了直流电源时的电源输出电压和极间电压。图2A中表示的电源输出电压130是交互输出正极性电压134和负极性电压136的电压，在输出正极性电压134和负极性电压136后分别具有暂停时间132。通过电源输出电压130，线电极和工件之间的电压(极间电压)成为图2B表示的梯形波电压138。ta表示电压施加时间的长度，tb表示暂停时间的长度，tc表示一周期。一周期是在图2A中从施加正极性的电压到施加负极性的电压的时间，但在后述的图6A中是从施加正极性的电压到施加正极性的电压的时间。换句话说，把从施加某一方极性的电压到下一次施加某一方极性的电压的时间称为一周期。图3A表示代替图1的直流电源11、12使用高频交流电源，与高频交流电压的周期同步地进行切换，使正极性电压144和负极性电压146包夹暂停时间142，作为电源输出电压140输出。通过该电源输出电压140，线电极和工件之间的电压(极间电压)成为图3B表示的梯形波电压148。图4A表示使极间电压为高频交流电压150的情况(现有技术)，在该图中符号152、154、156表示放电发生位置，在这些位置极间电压降低。图4B表示使极间电压为梯形波电压158的情况(本发明的技术)，在该图中符号160、162、164表示放电发生位置，在这些位置极间电压降低。在图4B表示的梯形波电压158的极间电压中，与图4A表示的高频交流电压150的极间电压相比，每次放电的电压降低变大，随着放电频度升高极间平均电压大大降低，所以在线电极上作用的静电引力也急剧降低，结果，直线度提高。另外，如图4B所示，通过在梯形波电压158的各个放电期间确实插入了暂停时间166、168、170，由此放电电弧的消弧变得可靠，因为各个放电位置分散，所以不容易发生放电集中。因此，不会发生工件加工面的表面粗糙度恶化。另外，由于放电频度的疏密度减小，还具有不会发生加工屑的局部集中，电火花加工稳定，不易发生短路的副作用。结果，与极间电压成为图4A以及图9B所示的高频交流电压那样进行加工的情况相比，如本发明的实施方式那样，成为梯形形状的电压进行加工能够使放电间隙长度更短，结果，因为对于电压施加次数的放电发生频度提高，所以即使插入暂停时间，与图10所示的间歇施加的情况相比，加工量的降低较少。表1表示通过工件板厚100mm、线直径φ0.25、加工速度4mm/分，能够维持稳定加工时的加工结果。根据该表1，可知在极间电压波形是梯形波(参照图2B、图3B、图4B、图6C)时能够维持稳定加工的最短的放电间隙长度是5μm，比极间电压是高频交流波形时的11μm或间歇高频交流时的7.5μm小。另外，关于直线度以及表面粗糙度，还可知通过梯形形状的极间电压进行的加工好于通过高频交流或间歇高频交流的极间电压进行的加工。〈表1><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>并且，在通常的高频交流电压(参照图4A以及图9B)下，因为极间电压的瞬时值经常变化，所以根据极间电压的变化判断有无放电非常困难。一般，发生放电多在极间电压的峰值附近，由于放电极间电压一口气降低到电弧电压附近。在图4A的符号152、154、156表示的放电发生位置，表示由于放电极间电压一口气降低到电弧电压。因此，如果能够确实检测到该急剧的电压降低，则能够判断有无发生放电。但是，当通过了极间电压的波峰时即使不放电电压也降低，所以当放电的发生稍微延迟时，进行了放电时和不放电时的电压变化变小。另外，因为极间电压高速变化，所以当判定的定时即便很小地偏离时，也有可能误判有无放电。因此，在高频交流电压下当频率高时，无法进行有效的放电检测。另一方面，如本发明的一个实施方式那样，在使极间电压为梯形形状时，如果在1周期的期间不发生放电则电压大体维持在峰值，如果发生了放电，则在到下一周期之前期间来自电源的输出关断，所以极间电压保持降低到电弧电压以下不变。因此，根据有无放电，极间电压的电压变化明确，不需要细致地管理判定定时。例如，通过在开始下一周期的电压施加的定时，将极间电压与作为判定电压的规定的基准电压进行比较，能够容易地检测有无放电。图5表示检测该有无放电的放电检测器的一例。在图5表示的放电检测器40中，仅表示了检测正极性电压的情形，但也可以同样地检测负极性电压。在图5中，符号41是直流电源，符号42是开关元件，符号43是阻尼电阻，符号44是供电电缆，符号45是线电极，符号46是工件，符号47、48是分压电阻，符号49是比较器，符号50是判定电压，符号51表示接地，符号52是闩锁电路，符号53是放电检测信号，符号54是正极性电压施加定时发生器，符号55是定时信号，符号56是用于驱动开关元件42的第一驱动电路。符号57表示接地。在图5的放电检测器40中，极间电压Vbb通过由分压电阻47、48构成的分压器分压，将分压后的电压输入给比较器49。对该比较器49还输入用于判定在极间有无放电的判定电压50。来自比较器49的输出信号，在从正极性电压施加定时发生器54输出的定时信号55的上升时刻通过闩锁电路52进行闩锁，从该闩锁电路52输出放电检测信号53。如果在定时信号55的上升时刻在极间没有产生放电，则从所述分压器(分压电阻47,48)输入到比较器49的电压比判定电压50高，结果，比较器49输出低电平的信号(无放电的信号)。另一方面，如果在极间产生了放电，则从所述分压器输入到比较器49的电压比判定电压50低，结果，比较器49输出高电平的信号(存在放电的信号)。闩锁电路52对定时信号55的上升时刻的从比较器49输出的表示有无放电的信号进行闩锁，作为放电检测信号53输出。另外，使用未图示的复位信号使闩锁电路52复位，由此能够在各周期进行放电检测。在图5的电路中对第一驱动电路56和闩锁电路52输入了同样的定时信号55，但在实际的电路中，因为第一驱动电路56或开关元件42的动作与闩锁电路52相比动作延迟大，所以在通过闩锁电路52检测出有无放电后，开始施加电源输出电压。在本发明中能够可靠地检测有无放电，由此能够判定加工状态，更加正确地推定加工量，能够进行比目前更为精细的控制。一般在电火花线切割机中作为控制指标使用的平均电压下，即使极间的加工屑的密度或加工液的导电率(电阻率)等发生变化，值也不会发生变化，容易受到有无放电以外的干扰的影响。另外，存在在检测中一定需要低通滤波器，响应慢这样的问题。本发明因为难以受到这些干扰的影响，而且能够实时地识别加工进行状态，所以具有控制延迟也小的效果。在使用现有技术的高频交流电压进行加工时，因为在极间始终施加电压，所以为了将各个放电分离，需要每半个周期使电压的极性反转，设置电流的过零点。在使用本发明的梯形波电压进行加工时，在每次施加电压时插入暂停时间来分离放电，不一定需要使极性交互地反转，即使连续施加相同极性的电压，加工表面粗糙度或加工面等级(痕纹)也不会恶化。并且，通过正极性电压的放电和通过负极性电压的放电相比加工特性不同，所以在本发明中，也可以积极地改变每单位时间的正极性电压和负极性电压的施加次数的施加比例，来改变加工特性。图6A-图6C说明改变正极性电压和负极性电压的每单位时间的施加次数的施加比例来输出电压的例子。在图6A中，表示了将连续两次施加正极性电压，然后施加一次负极性电压进行重复的电源输出波形。另外，图6B表示在施加正极性电压或负极性电压之前，指令残留电荷放电指令。图6C表示了通过图6B的残留电荷放电指令，如符号191195所示那样，极间电压大体为零。使用图7在后面叙述通过残留电荷放电指令，释放残留电荷的两极性电压施加电路的一实施方式。一般，因为负极性电压的放电与正极性电压的放电相比，每次放电的加工量多，所以如果使负极性电压的施加次数增多则加工速度提高。另一方面，在通过正极性电压的放电中，因为放电痕的深度比负极性时浅，所以如图6A以及图6C所示，通过增加正极性电压的施加比例能够提高表面粗糙度。但是，当在连续施加同一极性的电压时，在极间的寄生电容中残留有电荷的状态下连续施加电压时，极间电压成阶梯状上升，电压的峰值变得不恒定。因此，需要在极间并联设置短路开关等残留电荷放电单元(参照图7的符号76)，在施加电压前使所述残留电荷放电单元动作，使残留电荷放电。另外，放电检测的定时不是开始施加电压时，而是需要使其为所述残留电荷放电单元的动作开始时。图7是具有这样的残留电荷放电单元的两极性电压施加电路的一例。该两极性电压施加电路60，具有直流电源61、62；通过未图示的控制单元进行接通/关断控制的开关元件63、64；残留电荷放电开关76、以及阻尼电阻69，经由供电电缆70在线电极71和工件72之间(极间)施加两极性的电压。符号73表示极间寄生电容，符号74表示泄漏电阻。残留电荷放电开关76构成残留电荷放电单元，在本实施例中，由二极管65、66以及开关元件67、68构成。这里，使用图6A-图6C的波形图说明残留电荷放电开关76(残留电荷放电单元)的动作。为了在对极间施加图6A的正极性电压182或负极性电压186的电源输出电压之前除去残留电荷，从未图示的控制电路向残留电荷放电开关76输出残留电荷放电指令188(图6B)。通过残留电荷放电指令188，残留电荷放电开关76的开关元件67、68接通。由此，形成由开关元件67和二极管66构成的闭合电路或者由开关元件68和二极管65构成的闭合电路，所以即使对极间施加正极性电压182和负极性电压186中的某一方的电源输出电压，残留电荷都由阻尼电阻69消耗。这样，由于具有残留电荷放电开关76，能够在开始下一周期之前，使各周期的极间电压大体恢复为零。图8说明具有使用图5说明的放电检测单元和使用图7说明的残留电荷放电单元的电压施加电路的一例。因此，该图8所示的电压施加电路中的残留电荷放电开关76的情形，与图7所示的压施加电路中的残留电荷放电开关76的情形相同，根据从控制电路58输出的残留电荷放电指令188(参照图6B)，经由第二驱动电路59对开关元件67、68进行接通/关断控制，在所述残留电荷放电指令188为ON时，开关元件67、68接通。结果，与上述图7的电压施加电路的情形相同，因为形成了由开关元件67和二极管66构成的闭合电路或者由开关元件68和二极管65构成的闭合电路，所以残留电荷由阻尼电阻43消耗。在图8所示的电压施加电路中，为了检测有无放电，除了所述第二驱动电路59之夕卜，还将残留电荷放电指令188输入给闩锁电路52。于是，通过在残留电荷放电指令188的上升闩锁比较器49的输出，可以检测有无放电。在该实施方式中也相同，因为在实际的电路中开关元件67、68的动作开始比闩锁电路52晚，所以根据残留电荷放电指令188由闩锁电路52检测有无放电没有问题。另一方面，从控制电路58向第一驱动电路56输入定时信号55。第一驱动电路56根据定时信号55接通/关断开关元件42。定时信号55通过使定时与残留电荷放电指令188的下降一致，在残留电荷的放电结束后，可以开始施加电源电压。如此，通过使用本发明的梯形波的加工电压，具有各种各样的优点，但是因为在各个施加电压的期间插入暂停时间，暂停时间的比例相对地增加，所以加工速度降低。因此，需要配合加工目的，设定最适当的暂停时间。在迄今的实验中，在表面粗糙度粗糙、加工电压高时，把暂停时间设定得长，但随着表面粗糙度变细，缩短暂停时间，提高放电频率，抑制加工量的降低，是上策。实用的暂停时间的范围是施加时间的15倍左右，设定得长，在加工稳定性、精度、加工面质量(加工面的痕纹)的方面有利，但是在加工速度方面不利。即使进一步增加到10倍、20倍，虽然加工稳定性、精度、表面粗糙度提高效果不会丧失，但改善的比例已达饱和，速度降低的缺点增大。并且，因为在暂停时间的期间极间电压逐渐降低，所以当暂停时间较长时，极间电压降低到电弧电压附近，难以检测有无放电。反之，当使暂停时间比施加时间短时，电压的平顶也变短，波形与梯形相比成为头部失真的正弦波那样，失去了迄今为止说明的作为梯形波的优点。因此，需要使暂停时间至少在施加时间以上，如果容许速度降低，成为2倍以上能够得到更明显的效果。权利要求一种电火花线切割机，其具有电源，对于工件进行加工，所述电源在线电极和工件的极间，以1微秒以内的周期交互地施加正极性和负极性两种极性的电压，或者按照规定的施加比例在所述极间施加单位时间的正极性的电压和负极性的电压，所述电火花线切割机的特征在于，所述电源具有电压施加单元，用于在各个电压施加的期间设置至少电压施加时间以上的暂停时间，在所述极间施加电压，和振动抑制单元，用于抑制在电压的施加、暂停的过度状态下产生的振动。2.根据权利要求1所述的电火花线切割机，其特征在于，还具有放电检测器，用于在各个开始施加电压的定时，检测通过刚才施加电压是否产生了放电。3.根据权利要求1所述的电火花线切割机，其特征在于，所述振动抑制单元是与所述极间串联地连接在电源上的阻尼电阻，设定该阻尼电阻的值，以使通过所述电源、向所述极间供给来自所述电源的输出的供电线以及所述极间形成的电路的共振条件接近临界。4.根据权利要求1所述的电火花线切割机，其特征在于，还具有设定单元，根据作为目标的加工精度、表面粗糙度或者加工速度，或者根据所选择的工件材质、工件板厚或者线径，设定暂停时间对于所述电压的施加时间的比。全文摘要一种电火花线切割机，其在线电极和该工件之间(极间)施加正极性和负极性两极性的电压来对工件进行加工。在极间施加所述电压的电源具有用于在各个施加电压的期间设置至少在电压施加时间以上的暂停时间，在所述极间施加电压的电压施加单元；以及用于抑制在电压的施加、暂停的过度状态下发生的振动的振动抑制单元，所述电火花线切割机使极间电压为梯形波来进行加工。文档编号B23H7/14GK101817109SQ20101012616公开日2010年9月1日申请日期2010年2月26日优先权日2009年2月27日发明者中岛廉夫,古田友之,川原章义,村井正生申请人:发那科株式会社