JP4288223B2

JP4288223B2 - 導電性材料でなる被加工物に任意の形状を加工する方法および複合加工装置

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Publication number: JP4288223B2
Application number: JP2004302976A
Authority: JP
Inventors: 伸一吉田; 祐三土肥
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2009-07-01
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Also published as: DE602005008268D1; HK1104258A1; EP1803528A4; CN100506470C; EP1803528B1; EP1803528A1; CN1988982A; WO2006043688A1; JP2006110697A; US20070221023A1

Description

本発明は、高圧水によって導電性材料でなる被加工物を任意の形状に切断加工するウォータジェット加工とウォータジェット加工により切断加工された被加工物の加工面をワイヤ電極を用いて放電によって仕上げ加工するワイヤカット放電加工を実施する加工方法および複合加工装置に関する。

超硬合金のような導電性の難切削材を複雑な任意の形状に切断加工することができる加工方法の１つとして、ワイヤカット放電加工方法がある。ワイヤカット放電加工方法は、放電エネルギを利用し非接触で被加工物を加工するので、被加工物の材料が導電性であるならば、難切削材であっても加工形状精度が数μｍ以下で加工面粗さが数μｍＲｚ以下の極めて高精度な加工が可能である。なお、以下、加工形状精度と加工面粗さを合わせて加工精度という。

現在、ワイヤカット放電加工は、φ０．３ｍｍの亜鉛鍍金された特殊黄銅ワイヤ電極線で２５０ｍｍ^２／ｍｉｎ〜５５０ｍｍ^２／ｍｉｎ程度の加工速度を得ることができるようになっている。ワイヤカット放電加工で加工速度を上げるためには放電エネルギを大きくする必要がある。放電エネルギをより大きくするためには、放電加工回路の改良が必要であるが、そもそも、供給できる放電エネルギは、ワイヤ電極が溶断しない範囲以内であることが要求される。また、放電エネルギを大きくすればするほど加工精度は低下する傾向にあるから、加工速度を上げると所望の加工精度が得られなくなることがある。

そこで、高精度の金型や精密部品をワイヤカット放電加工で得るとき、ほとんどの場合、未加工の状態で比較的大きな放電エネルギで荒加工し大まかに任意の形状に切断しておいてから、被加工物のすでに切断された加工面を１回以上仕上げ加工をして所望の加工形状になるようにし、最終的に所望の加工面粗さを得るようにされている。このようにすることによって、全体の加工工程に要する加工時間を比較的短くしつつ所望の加工精度を得ることができる。ワイヤカット放電加工では、一般に、未加工の状態で大まかに加工形状を切断する荒加工はファーストカットと称され、すでに大まかに切断加工された被加工物の加工面をなめるようにして最終的に所望の加工精度を得る仕上げ加工はセカンドカットと称されている。また、仕上げ加工は、加工の回数によって、加工の順番にセカンドカット、サードカット、フォースカットのように細かく分けて呼ばれることがある。

金属被加工物を切断する方法として、レーザ加工、イオンビーム加工、ウォータジェット加工などが知られており、ワイヤカット放電加工に比べて加工速度が速いが、ワイヤカット放電加工のような加工精度を得ることが困難であるため、それほど加工精度が要求されない切断加工の利用に留まっている。例えば、研磨材粒や砥粒を混入させた高圧水をノズルから噴射させて被加工物を切断するアブレーシブウォータジェット加工は、単位時間当たりの切削量に換算して、ワイヤカット放電加工の１０倍近い加工速度で被加工物を切断することが可能になってきている。しかしながら、ウォータジェット加工のように流体を工具のようにして使用する加工方法は、流体の特性上、ワイヤカット放電加工に比べて加工精度をよくすることが困難である。

加工精度としてはワイヤカット放電加工に劣るもののウォータジェット加工における加工速度は魅力的である。特許文献１に開示されるように、加工精度が要求される加工部位をワイヤカット放電加工で加工しておき、残された要求される加工精度がそれほど高くない加工部位をレーザ加工やウォータジェット加工で加工するように、加工方法を使い分けて加工することが考えられている。このような場合、例えば、特許文献２に示されるように、工場内にワイヤカット放電加工装置、レーザ加工装置、ウォータジェット加工装置を並べて設置し、パレットを使って被加工物を移動設置するようにしている。また、任意の加工形状を切断する方法ではないが、参考として、ウォータジェット加工で加工穴を形成し、レーザ加工や形彫放電加工で仕上げ加工をすることが可能であることが特許文献３に開示されている。同様に、参考として、特許文献４に空冷部品などの修理をするためにウォータジェット加工で部分的に除去加工し形彫放電加工で表面穴を形成する複合加工装置の構成が開示されている。

特許第３１３７７２９号公報（第１頁）特許第２９２８３２３号公報（第３頁）特開平４−３４３６７１号公報（第６頁）米国特許第６８００８２９号明細書（コラム４）

このように、レーザ加工やウォータジェット加工などの切断加工方法は、ワイヤカット放電加工と同等の加工精度で任意の加工形状を加工することが困難であるため、高い加工精度が要求されるほとんどの加工は、ワイヤカット放電加工で行なわれている。しかしながら、すでに述べられているように、ワイヤカット放電加工は、他の切断加工に比べて相当加工時間が長くかかることから、加工時間の短縮が求められている。

本発明は、導電性材料でなる被加工物をウォータジェット加工で所望の加工形状に切断した後に切断された被加工物の加工面をワイヤカット放電加工する改良された加工方法およびその加工方法の実施に適する複合加工装置を提供することを目的とする。

本発明の導電性材料でなる被加工物に任意の形状を加工する方法は、ワークスタンドに取り付けられた被加工物を所望の加工形状に基づいてウォータジェット加工により切断した後、切断された被加工物をワークスタンドに取り付けたままの状態で被加工物のウォータジェット加工により切断された加工面をワイヤカット放電加工により仕上げ加工して所望の加工形状を得ることを特徴とする。

具体的に、本発明の導電性材料でなる被加工物に任意の形状を加工する方法は、被加工物をワークスタンドに取り付ける工程と、ワイヤ電極を案内する上側ワイヤガイドが取り付けられた加工ヘッドを水平１軸方向に移動して水平１軸方向の末端の位置にあるウォータジェット加工の邪魔にならない位置に待避させる工程と、ジェットノズルが取り付けられた加工ヘッドを水平１軸方向と同じ水平１軸方向に移動させジェットノズルを本機の中央のウォータジェット加工領域に位置させる工程と、ジェットノズルを位置決め制御により被加工物に対して位置決めする工程と、ジェットノズルから研磨材粒を混入した高圧水を被加工物に向けて下向きに噴射供給するとともに所望の加工形状を表わす加工データに基づきジェットノズルを相対移動させてウォータジェット加工により被加工物を切断する工程と、ジェットノズルが取り付けられた加工ヘッドを水平１軸方向に移動させて上側ワイヤガイドが取り付けられた加工ヘッドが待避している水平１軸方向における末端の位置と反対の末端の位置にあるワイヤカット放電加工の邪魔にならない位置に待避させる工程と、上側ワイヤガイドが取り付けられた加工ヘッドを水平１軸方向に移動させ上側ワイヤガイドを本機の中央の下側ワイヤガイドに対向配置されるワイヤカット放電加工領域に位置させる工程と、ワイヤ電極を上側ワイヤガイドと下側ワイヤガイドとの間に張架させる工程と、ワイヤ電極を位置決め制御によりジェットノズルの位置決めと同じ基準で被加工物に対して位置決めする工程と、ワイヤ電極と被加工物とで形成される加工間隙に所定の加工電圧を印加して前記加工間隙に放電を発生させるとともにワイヤ電極を上記加工データに基づき相対移動させて被加工物のウォータジェット加工により切断された加工面を仕上げ加工し所望の加工形状を得る工程と、を有する。

本発明の複合加工装置は、ウォータジェット加工とワイヤカット放電加工を実施する複合加工装置であって、テーブル（１６）上に設けられ被加工物（４）を取り付けて固定するワークスタンド（１８）と、高圧水を被加工物（４）に向けて下向きに噴射するジェットノズル（６）と、被加工物（４）を挟んで上下に設けられ被加工物（４）に対して垂直に張架されるワイヤ電極（４）を位置決め案内する上側ワイヤガイドおよび下側ワイヤガイドと、ジェットノズル（６）が取り付けられ鉛直１軸方向に移動可能かつリニアモータによって水平１軸方向に往復移動可能であって水平１軸方向における末端の位置にあるワイヤカット放電加工の邪魔にならない第１の待避位置に待避できる第１の加工ヘッド（３０）と上側ワイヤガイドが取り付けられ第１の加工ヘッド（３０）と独立して鉛直１軸方向に平行な鉛直１軸方向に移動可能かつリニアモータによって第１の加工ヘッド（３０）と同一のガイドレール（３８）上を第１の加工ヘッド（３０）が往復移動する水平１軸方向と同じ水平１軸方向に往復移動可能であって水平１軸方向における第１の待避位置と反対の末端の位置にあるウォータジェット加工の邪魔にならない第２の待避位置に待避できる第２の加工ヘッド（３４）とを含んでなりジェットノズル（６）と被加工物（４）およびワイヤ電極（８）と被加工物（４）とを相対移動させる相対移動装置（２２）と、第２の加工ヘッド（３４）を第２の待避位置に待避させて移動させないようにさせながら相対移動装置（２２）を制御してジェットノズル（６）を被加工物（４）上の本機の中央のウォータジェット加工領域に位置させて所望の加工形状に基づいて被加工物（４）に対して相対移動させてウォータジェット加工を行なうとともに第１の加工ヘッド（３０）を第１の待避位置に待避させて移動させないようにさせながら相対移動装置（２２）を制御してワイヤ電極（８）を被加工物（４）のウォータジェット加工により切断された加工面から所定の加工間隙離れて位置するように本機の中央のワイヤカット放電加工領域に位置させて上記所望の加工形状に基づいて前記被加工物に対して相対移動させてワイヤカット放電加工を行なう制御装置と、を備える。

複合加工装置は、好ましくは、水を主成分とする使用済の加工液を回収して貯留する汚液槽（５４）と、汚液槽（５４）に貯留される加工液を浄化する浄化装置（５８）と、浄化装置（５８）により浄化された加工液を貯留する清液槽（５６）と、清液槽（５６）に貯留される加工液をジェットノズル（６）に高圧水として供給し得る高圧ポンプ（６８）と、加工液をイオン交換して比抵抗値を高くしワイヤカット放電加工の加工媒体として必要な絶縁性を加工液に与えるイオン交換樹脂槽（６６）と、加工間隙に加工液噴流を供給する噴流ノズル（８６）、（８８）に絶縁性が与えられた加工液を供給するポンプ（８０）と、を含む。なお、符号は、便宜上付したものであり、実施の形態と同一の部材に限定するものではない。

本発明の導電性材料でなる被加工物に任意の形状を加工する方法は、熱歪がなく加工速度が速いウォータジェット加工によって切断され加工除去量が少なくされた状態で、高い加工精度が得られるワイヤカット放電加工によって所望の加工形状を得るので、高い加工精度が要求される加工の加工時間を大幅に短縮することができる。そして、被加工物をワークスタンドに取り付けたままの状態でウォータジェット加工で切断された被加工物の加工面をワイヤカット放電加工により仕上げ加工するので、被加工物を再度取付台に取り付けることによって加工精度が低下したり、全体の加工工程に要する時間が長くなることがない。また、ウォータジェット加工とほとんど同じ環境下でワイヤカット放電加工できるので、加工精度が低下しない。しかも、被加工物を高精度に交換するための特別の手段が要求されない。その結果、高い加工精度を得ることができ、かつ加工時間を大幅に短縮できるとともに、作業性に優れる効果を奏する。

また、本発明の導電性材料でなる被加工物に任意の形状を加工する方法は、特に、位置決め制御によりジェットノズルを位置決めし、ウォータジェット加工後に被加工物をワークスタンドに取り付けたままワイヤ電極を位置決め制御によりジェットノズルの位置決めと同じ基準で被加工物に対して位置決めするとともに所望の加工形状を表わす加工データ、例えば、所望の加工形状に基づいて作成されたＮＣプログラム（NC, Numerical Control）で得られるＮＣデータでワイヤ電極を相対移動させて被加工物の加工面を仕上げ加工して最終的な所望の加工形状を得るようにするから、加工データの作成が容易で全体の加工工程にかかる時間を必要以上に長くすることがない。しかも、ワイヤ電極を所望の加工形状に沿って移動でき、被加工物のウォータジェット加工で切断された加工面を正確に仕上げ加工することができるので、加工精度が低下しない。その結果、高い加工精度を得ることができ、かつ加工時間を大幅に短縮できるとともに、作業性に優れる効果を奏する。

本発明の複合加工装置は、ウォータジェット加工とワイヤカット放電加工を実施できる構成であるから、被加工物をウォータジェット加工により切断し、切断された被加工物の加工面をワイヤカット放電加工することができ、高い加工精度が要求される加工の加工時間を短縮することができる。そして、テーブル上に設けられるワークスタンドに被加工物を取り付けて固定し、ジェットノズルを被加工物上に位置させて所望の加工形状に基づいて相対移動装置を制御して加工し、そのままワイヤ電極を被加工物のウォータジェット加工で切断された加工面から所定の加工間隙離れて位置させて所望の加工形状に基づいて相対移動装置を制御する制御装置を備えているので、被加工物を再度取付台に取り付けることによって加工精度が低下したり、全体の加工工程に要する時間が長くなることがない。また、ウォータジェット加工とほとんど同じ環境下でワイヤカット放電加工できるので、加工精度が低下しにくい。しかも、被加工物を高精度に交換するための特別の手段が要求されない。その結果、高い加工精度を得ることができ、かつ加工時間を大幅に短縮できるとともに、作業性に優れる効果を奏する。

本発明の複合加工装置を、ワイヤカット放電加工で使用する水または水を主成分とする加工液とウォータジェット加工で使用された水を回収して加工液中に含まれる加工屑、研磨材粒、砥粒を浄化する構成とし、ワイヤカット放電加工に使用する水系加工液をウォータジェット加工で使用するジェットノズルに高圧水として２００ＭＰａ以上の高圧で供給することができる高圧ポンプを備える構成とする場合は、ワイヤカット放電加工に使用する水系加工液をウォータジェット加工に利用することができる。したがって、複合加工装置の全体の構成をより簡単かつコンパクトにして、例えば、加工装置の設置面積を小さくしたり、加工液の使用量をより少なくすることができるなどの効果を得ることができる。

図１と図２は、本発明の複合加工装置の好ましい実施の形態の構成を示す。図１と図２は、複合加工装置の本機を正面から見た図である。図１は、ウォータジェット加工装置のジェットノズルが被加工物の上面に僅かな間隙をおいて配置されたときを示す。図２は、ワイヤカット放電加工装置の上側ワイヤガイドを含む上側のガイドアッセンブリが下側ワイヤガイドを含む下側のガイドアッセンブリと被加工物を挟んで対向配置されたときを示す。複合加工装置の本機の相対移動装置を制御する制御装置とウォータジェットおよびワイヤカット放電加工の加工液を供給する液供給装置は、図示省略される。

ウォータジェット加工とワイヤカット放電加工を実施する複合加工装置２の本機は、高圧水を被加工物４に向けて下向きに噴射するジェットノズル６と、被加工物４を挟んで上下に設けられ被加工物４に対して垂直に張架されるワイヤ電極８を位置決め案内する図示しない上側ワイヤガイドおよび下側ワイヤガイドを内蔵するガイドアッセンブリ１０、１２を有する。下側のガイドアッセンブリ１２は、下アーム１４の先端に取り付けられる。複合加工装置２のワイヤカット放電加工を実施するための手段は、ボビンに巻回されたワイヤ電極８を加工間隙に供給する供給装置と、放電加工に供されたワイヤ電極を搬送して回収箱に回収する排出装置を有する。供給装置は本機上部の図面右側に設けられ、排出装置は下アーム１４の内部を通って本機の後部側に設けられるが、公知の手段を利用することができ、図示および詳細な説明を省略する。

複合加工装置２は、テーブル１６上に設けられ被加工物４を取り付けて固定するワークスタンド１８を具備する。実施の形態のテーブル１６は、Ｘ軸方向に移動する移動体である。テーブル１６は、サドル２０に搭載されている。サドル２０は、Ｙ軸方向に移動する移動体である。Ｘ軸方向の移動体であるテーブル１６とＹ軸方向に移動する移動体であるサドル２０は、図示しない、テーブル１６を駆動するリニアモータとサドル２０を駆動するリニアモータとを含めてジェットノズル６と被加工物４およびワイヤ電極８と被加工物４とをそれぞれ相対移動させる相対移動装置２２を構成する。サドル２０は、基台であるベッド２４に搭載されている。テーブル１６には、被加工物４を取り囲む槽壁が設けられ加工槽２６を形成している。加工槽２６の槽壁は、被加工物４を加工液中に浸漬して加工しないときは、スプラッシュガードの役割を果たす。ワークスタンド１８の下側のテーブル１６の上には、高圧のジェットを受けても損傷しない水跳ねを最小限に抑える材質で形成されるマット材２８が設けられるとよい。

実施の形態の相対移動装置２２は、ジェットノズル６が取り付けられ被加工物４に対して垂直な方向、言い換えれば、鉛直方向であるＺ軸方向に移動する移動体である加工ヘッド３０と加工ヘッド３０を駆動する図示しないサーボモータおよびボールねじとナットからなる伝達機構とを含む。また、相対移動装置２２は、Ｘ軸方向に対して平行なＵ軸方向に移動させる移動体とサーボモータおよびボールねじとナットからなる伝達機構と、Ｙ軸方向に対して平行なＶ軸方向に移動する移動体とサーボモータおよびボールねじとナットからなる伝達機構とで構成されるテーパ装置３２を含む。テーパ装置３２は、各移動体がＵ軸方向とＶ軸方向とに移動することで、上側のガイドアッセンブリ１０に収納される図示しない上側ワイヤガイドを移動させ、ワイヤ電極８を被加工物４に対して傾斜させることができる。

複合加工装置２は、上側ワイヤガイドを収納するガイドアッセンブリ１０が取り付けられ被加工物４に対して垂直な方向、言い換えれば、鉛直方向であるＺ軸方向に移動する移動体である加工ヘッド３４と加工ヘッド３４を駆動する図示しないサーボモータおよびボールねじとナットからなる伝達機構とでなる相対移動装置を有する。なお、加工ヘッド３０には、ジェットノズル６を傾斜させて高圧水を噴射する方向を変向できるように傾斜装置を設けることができる。

加工ヘッド３０は、スライダ３６によってＸ軸に平行な方向に往復移動することができる。また、加工ヘッド３４は、スライダ３６と同一のガイドレール３８上を移動するスライダ４０によって同じ方向に往復移動することができる。ガイドレール３８は、ベッド２４に立設されたコラム４２の上部側面に設けられる。したがって、ウォータジェット加工を行なうときは、図１に示されるように、ジェットノズル６を可能な限り本機の中央に位置させるとともに上側ワイヤガイドを収納するガイドアッセンブリ１０をウォータジェット加工に邪魔にならない位置に待避させることができる。また、ワイヤカット放電加工を行なうときは、図２に示されるように、ガイドアッセンブリ１０を可能な限り本機の中央に位置させるとともにジェットノズル６をワイヤカット放電加工に邪魔にならない位置に待避させることができる。上記構成は、テーブル１６のサイズを加工可能な被加工物の大きさに対して比較的小さくすることができる利点がある。

下アーム１４は、コラム４２側にある加工槽２６の槽壁を貫通しコラム４２に片持ち支持されるように固定される。実施の形態は、下アーム１４が本機の中央に位置するように取り付けられているが、加工ヘッド３４が待避する位置寄りに中央からずらして設けることができる。下アーム１４が本機の中央に設けられている場合は、ウォータジェット加工を行える領域よりもワイヤカット放電加工を行える領域の方が若干広くなる。一方、下アーム１４が本機の中央からずれて設けられている場合は、下側ワイヤガイドを収納した下側のガイドアッセンブリ１２の位置がワイヤカット放電加工を行なう領域の中心になるので、ワイヤカット放電加工を行える領域が若干狭くなる。なお、加工ヘッド３４に設けられている自動結線装置４４は、自動的にワイヤ電極８を上側ワイヤガイドと下側ワイヤガイド間に張架する手段である。

上述した複合加工装置２により導電性材料でなる被加工物４を任意の形状に加工する場合は、ワークスタンド１８に取り付けられた被加工物４を所望の加工形状に基づいてウォータジェット加工により切断した後、切断された被加工物４をワークスタンド１８に取り付けたままの状態で被加工物４のウォータジェット加工で切断された加工面（端面）をワイヤカット放電加工により仕上げ加工する。ウォータジェット加工は、加工速度がワイヤカット放電加工の１０倍以上の加工速度で切断加工することができる。一方、ワイヤカット放電加工は、ウォータジェット加工では不可能な数μｍ以下の加工形状精度と数μｍＲｚ以下の優れた加工面粗さを得ることができる。ウォータジェット加工は、他の切断加工と比べて、被加工物に熱歪を与えたり、被加工物の加工部位を化学的に変質させない。したがって、切断された被加工物の加工面がワイヤカット放電加工で仕上げ加工して要求される加工精度を得るために好ましい状態であるように被加工物を切断加工することができる。

このように、所望の加工形状をウォータジェット加工により切断した後、切断された被加工物の加工面を上記所望の加工形状に従ってワイヤカット放電加工により加工すること、例えば、ウォータジェット加工で荒加工（ファーストカット）した後にワイヤカット放電加工で仕上げ加工（セカンドカット以降）をすることによって、従来のワイヤカット放電加工の加工精度を犠牲にすることなく、加工時間を大幅に短縮できる。

このとき、被加工物がワークスタンドに取り付けられたままの状態でウォータジェット加工による切断加工とワイヤカット放電加工による端面仕上げ加工とを連続して行なうようにしている。そのため、被加工物を再度別の取付台に取り付けることによって加工精度が低下するおそれがない。また、被加工物をワークスタンドに精密に取り付け直すときには、相当の労力と時間を要するが、上述のとおり被加工物をワークスタンドから外さないので、全体の加工工程に要する時間が長くなることがなく、作業者の負担が増えることがない。さらに、加工の環境をほとんど変えることなく荒加工から仕上げ加工までを行なうことができるから、より確実に加工精度の低下を防止する。また、被加工物を高精度に交換するための治具やパレットチェンジャのような特別の手段が要求されない。

図３は、本発明の複合加工装置の制御システムを示す。相対移動装置２２を制御する制御装置は、主に数値制御装置１００とモータ制御装置２００で構成される。制御装置は、ジェットノズル６を被加工物４上に位置させて所望の加工形状を表わす加工データに基づいて相対移動装置２２を制御する。また、制御装置は、上側ワイヤガイドと下側ワイヤガイド間に張架されたワイヤ電極８を被加工物４のウォータジェット加工によって切断された加工面から所定の加工間隙離れて位置させて上記加工データに基づいて相対移動装置２２を制御する。所望の加工形状を表わす加工データは、例えば、ＮＣデータである。ＮＣデータは、所望の加工形状に従い作成されたＮＣプログラムを解読することによって得られ、命令に関する情報、所望の加工形状を表わす軌跡上の複数の位置の情報、ブロック毎の軌跡の形状の情報、補正量や加工条件に関する情報などを含む加工情報である。

モータ３００は、複合加工装置２の本機が具備する移動体を駆動する全てのアクチュエータをまとめて表現している。図１に示される複合加工装置２の構成の場合、具体的には、テーブル１６、サドル２０、スライダ３６、スライダ４０を駆動する各リニアモータ、テーパ装置３２の２つの移動体を駆動する各サーボモータ、加工ヘッド３０と加工ヘッド３４を駆動する各サーボモータ、ジェットノズル６を傾斜させるための図示しない傾斜装置に設けられジェットノズル６をその中心軸線廻りに回動させる角度割出し可能なサーボモータおよび水平１軸廻りに回動させるステッピングモータである。

位置検出器４００は、各移動体または各移動体を駆動するモータに付属して設けられる。位置検出器４００は、一般に、光学式の読取器とスケールを含むリニアスケールである。モータが回転型サーボモータであるときは、リニアスケールの他にロータリエンコーダを設けることができる。モータがステッピングモータの場合は、数値制御装置１００から出力される位置データやモータ制御装置２００から出力される電圧パルス信号を利用することができる。位置検出器４００の検出信号は、モータ制御装置にフィードバックされる。また、位置検出器４００の検出信号は、数値制御装置１００に入力して制御装置が各移動体の実際の位置を認識することができるようにしている。

ジェットノズル接触検出装置５００は、ジェットノズル６の先端が被加工物４に接触したことを検出する手段である。ジェットノズル６の本体の構造は、公知のウォータジェット加工装置のジェットノズルと同じであるが、ジェットノズル６の先端は導電性を有する部材で構成され、接触検出装置５００の電源と通電している。接触検出装置５００は、数値制御装置１００から指令信号が入力されたときに、ジェットノズル６と被加工物４に電圧を印加しておき、回路中の電圧の変化または僅かな電流が流れたことを検出することによって接触検出信号を数値制御装置１００に出力する。

ワイヤカット放電加工用電源回路装置６００は、加工間隙に放電加工のための電力を供給する。電源回路装置６００は、ガイドアッセンブリ１０とガイドアッセンブリ１２のそれぞれに設けられている図示しない通電体を通してワイヤ電極８に電流を供給する。また、被加工物４に取り付けられる端子を通して被加工物４に電流を供給する。電源回路装置６００は、予め設定された加工条件に基づく数値制御装置１００からの指令信号に従ってスイッチング素子をオンオフして、ワイヤ電極８と被加工物４とで形成される加工間隙にパルス状の電圧を印加し、加工間隙に間欠的に放電を発生させる。

電源回路装置６００は、ワイヤ電極８と被加工物４との接触を電気的に検出する接触感知回路を有している。ワイヤ電極８と被加工物４とを位置決めするときは、ワイヤ電極８と被加工物４とに放電加工ができない位置決めのための極小さい電流を供給し、加工間隙に電流が流れたことを検出してワイヤ電極８と被加工物４とが接触したことを検知する。電源回路装置６００は、数値制御装置１００からの指令信号に基づいて接触感知回路を作動させて接触検出信号を数値制御装置１００に出力する。

図４は、本発明の複合加工装置の液供給装置の液供給システムを示す。ワイヤカット放電加工に用いられる加工液は水系加工液と油系加工液がある。実施の形態の複合加工装置で使用する加工液は、水または水を主成分とする。ワイヤカット放電加工は、水でも加工することができるが、放電加工におけるより優れた性能を得るために、水に添加物が含まれることがある。また、実施の形態におけるウォータジェット加工に用いられる加工液は、水に平均的に同じ粒径の研磨材粒や砥粒が一定の割合で混合された液である。

貯留槽５０は、使用済の加工液を貯留する汚液槽５４と浄化された加工液を貯留する清液槽５６を有する。汚液槽５４と清液槽５６は、それぞれ何槽かに細分化することができる。加工槽２６のドレイン２９から排出される加工液は、一旦汚液槽５４に回収される。汚液槽５４に貯留される汚れた加工液は、ポンプ５２で汲み上げられ、汚れた加工液を浄化する浄化装置であるフィルタ５８を通過する。フィルタ５８を通過した加工液は、加工液に含まれる加工屑、研磨材粒、砥粒などが取り除かれて清液槽５６に送られる。比重が大きい加工屑は、汚液槽５４の底部に沈殿する。汚液槽５４の上澄液を清液槽５６にオーバフローさせるように構成することができる。清液槽５６は、フィルタ５８で浄化された加工液を貯留する。清液槽５６は、フィルタ６０で仕切られている。フィルタ６０は、水は通過させるが、小さいサイズの加工屑や研磨材粒でも通さないように構成されている。

清液槽５６には、ポンプ６２と、フィルタ６４と、イオン交換樹脂槽６６とを有する循環管路が設けられる。ワイヤカット放電加工するときは、ポンプ６２を作動させて加工液をイオン交換樹脂６６に通す。イオン交換樹脂槽６６は、水または水を主成分とする加工液をイオン交換して比抵抗値を高くしワイヤカット放電加工の加工媒体として必要な絶縁性を加工液に与える。

液供給装置は、清液槽５６に貯留される加工液をジェットノズルに高圧水として供給することができる高圧ポンプ６８を備えている。ウォータジェット加工を行なうときは、高圧ポンプ６８を駆動して加工液を２００ＭＰａ〜４５０ＭＰａの高圧水として清液槽５６からジェットノズル６に送り出す。必要に応じて増圧器７０を設けることができる。ジェットノズル６では、ホッパ７２から供給される研磨材粒を適量混入する。

ワイヤカット放電加工を行なうときは、電磁弁７４を開き、電磁弁７６、電磁弁７８を締めて、ポンプ８０を駆動する。ポンプ８０で汲み上げられた加工液は、上側のガイドアッセンブリ１０と下側のガイドアッセンブリ１２に送られる。ガイドアッセンブリ１０、１２には、それぞれワイヤカット放電加工の加工間隙に加工液噴流を供給する噴流ノズルが組み込まれている。噴流ノズル８６、８８は、ワイヤ電極８が張架される方向と同軸に加工液噴流を噴出できる。ポンプ８０によってガイドアッセンブリ１０、１２に供給された加工液は、ガイドアッセンブリ１０、１２内の加工液の流路を通って噴流ノズル８６、８８から加工間隙に供給される。一対の噴流ノズル８６、８８の何れかの加工液噴流を止めるときは、電磁弁８２または電磁弁８４を閉じる。加工槽２６に加工液を溜めるときは、電磁弁７４を閉じ、電磁弁７６を開いて、ポンプ８０を駆動する。なお、加工槽２６にさらに短い時間で加工液を溜めることができるように、高速で送液できるポンプと管路を別に設けることができる。

次に、本発明の導電性材料でなる被加工物に任意の形状を加工する方法の一例を説明する。すでに実施の形態として説明された複合加工装置を利用してより具体的にプロセスを説明する場合は、図１ないし図４を参照して同一の符号を用いて説明する。

最初に、未加工の被加工物をウォータジェット加工装置に取り付ける。そして、ジェットノズルを位置決め制御により被加工物に対して位置決めをする。数値制御で加工を行なうときは、数値制御における所定の座標系の原点は予めＮＣプログラムで設定されている。位置決めにおける装置の動作はパターン化することができるので、予め作成されている“パターンプログラム”を選択し必要な数値を入力することによって制御装置に位置決め制御を実行させるようにすることができる。制御装置は、位置決めのためのプログラムに基づいてジェットノズルの水平方向の位置出しを行ない、次にジェットノズルの先端と被加工物の上面との位置出しを行なう。なお、ジェットノズルが傾斜できるように構成されているときは、ジェットノズルを被加工物に対して垂直にしてから位置決めを行なう。

具体的に、複合加工装置２で加工を行なう場合は、作業者が被加工物４をワークスタンド１８に取り付ける。そして、数値制御装置１００に予め作成されている位置決めのためのＮＣプログラムを読み込ませて解読させ、指令値を計算させる。数値制御装置１００は、モータ制御装置２００に位置データや速度データ（移動指令値）を送るとともにジェットノズル接触検出装置５００を作動する。そして、数値制御装置１００は、位置決めのためのＮＣプログラムに従いテーブル１６またはサドル２０を移動させ、ジェットノズル接触検出装置５００が被加工物４または予め被加工物４との位置関係が正確な状態でテーブル１６に取り付けられている基準球治具との接触を検出するまで移動体を移動させる。

被加工物４でジェットノズル６の基準位置を計算させる場合は、被加工物４の端面を利用することや予め被加工物４に正確な基準穴を穿設しておいて基準穴を利用することなどが考えられる。基準穴を利用する場合は、位置決めのためのＮＣプログラムに従い順番にＸ軸とＹ軸のプラス方向とマイナス方向の各軸方向でジェットノズル６と被加工物４の基準穴の側面とが接触した位置を検出する。そして、検出された複数の位置データから基準穴の中心の位置出しを行ない、得られた基準穴の中心の位置を基準位置とする。このとき、数値制御装置１００は、ジェットノズル１６の外径のデータを予め保有していて、ジェットノズル１６の外径による誤差を補正するようにしている。位置を検出するときの方法は、ジェットノズル接触検出装置５００を用いた接触検出による方法に限らず、例えば、ジェットノズルと一体で移動する光センサで検出する方法やジェットノズルから噴射されるジェットの圧力変化を見る方法を利用することができる。また、上記動作を繰り返して複数の接触位置のデータを収集し、基準位置を決めるようにすることができる。

次に、数値制御装置１００は、位置決めのためのＮＣプログラムに従い、相対移動装置２２を動作させてジェットノズル６の先端を被加工物４の表面と接触させる。加工ヘッド３０は、非常に遅い送り速度で下降してジェットノズル６が損傷しないように被加工物４の表面に接触させる。接触検出装置５００がジェットノズル６と被加工物４の表面とが接触したことを検出したときに、数値制御装置１００は、加工ヘッド３０を直ちに停止させる。そして、予め決められているジェットノズル６の先端と被加工物４の表面との間隙と同じ距離だけ加工ヘッド３０を上昇させてから停止させ、このときの位置データを位置検出器４００から入力し、Ｚ軸方向の基準位置とする。実施の形態では、加工ヘッド３０の位置を検出する位置検出器としてリニアスケールを使用しているので、ジェットノズル６と被加工物４の表面との間隙を数十ｍｍ以下とし、０．１μｍ単位で正確に位置決めすることができる。

ジェットノズルの位置決めが完了したら、所望の加工形状を表わす加工データに基づきジェットノズルを加工開始位置に移動させ、ジェットノズルから研磨材粒を混入した高圧水を被加工物に噴射供給するとともに上記加工データに基づきジェットノズルを相対移動させて被加工物を切断する。

数値制御により加工を制御する場合、所望の加工形状に基づいて作成されているＮＣプログラムを実行させると、数値制御装置１００は、ＮＣプログラムを順次解読してＮＣデータを生成する。そして、ＮＣデータから計算される位置データと予めプログラムされている演算プロセスに従って計算される補正値とから移動指令値を演算してモータ制御装置２００に出力する。相対移動装置２２は、移動指令値に従い複数の移動体を同期または独立して移動させ、ジェットノズル６を加工開始位置から所望の加工形状に沿うように適切な速度で相対移動させる。同時に、数値制御装置１００は、図４に示されるような液供給装置を作動して、ジェットノズル６から適量の研磨材粒が混入された２００ＭＰａ以上の高圧の加工液（高圧水）を噴射させ、被加工物４を切断させる。

ウォータジェット加工により被加工物を所望の加工形状に基づいて切断したら、作業者は、被加工物をウォータジェット加工装置から取り外し、切断された不要な部分を除いて切断された被加工物をワイヤカット放電加工装置のワークスタンドに取り付ける。そして、ワイヤ電極を位置決め制御によりジェットノズルの位置決めと同じ基準で被加工物に対して位置決めする。このとき、ジェットノズルの位置決めのときと同じように、パターンプログラムを利用して制御装置に位置決めを実行させるようにすることができる。また、ウォータジェット加工と同一の状態で被加工物を取り付けることができないときは、公知のローテーションの方法を利用するなどして被加工物の取付け誤差を補償する補正データを得て、位置の補正ができるようにしておくことが望ましい。

図１に示される本発明の複合加工装置２でワイヤカット放電加工装置により仕上げ加工を行なう場合、ウォータジェット加工された被加工物４をワークスタンド１８にそのまま取り付けておくことができる。そのため、作業者は、ウォータジェット加工で切断された不要な部分を取り除くだけでよく、被加工物４を取り付け直す作業が不要である。したがって、本発明の複合加工装置は、作業者の負担を軽減でき、全体の加工工程に要する時間がより短い点で有利である。また、環境の変化による誤差、例えば、熱変位誤差などによって加工精度が低下するおそれが少ない利点がある。

具体的には、数値制御装置１００に位置決めのためのＮＣプログラムを読み込ませて解読させ、指令値を計算させる。数値制御装置１００は、最初に自動結線装置４４を動作させてワイヤ電極８を上側ワイヤガイドと下側ワイヤガイドとの間に張架させるとともに、ワイヤカット放電加工用電源回路装置６００を作動して接触感知回路を有効にしておく。ワイヤ電極８には、ワイヤ電極８が断線したり被加工物４が損傷しない小さい電流が供給されている。そして、数値制御装置１００は、モータ制御装置２００を通してテーブル１６、サドル２０、テーパ装置３２を順次駆動して、張架されたワイヤ電極８の垂直出しを行なう。

被加工物４でワイヤ電極８の基準位置を計算させる場合は、被加工物４の端面を利用することや予め被加工物４に正確な基準穴を穿設しておいて基準穴を利用することなどが考えられる。このとき、ジェットノズルの位置決めと同じ基準で位置決めを行なう。例えば、ジェットノズルの位置決めで基準穴を利用した場合は、同じ基準穴を利用してワイヤ電極の位置決めを実施する。具体的に、位置決めのためのＮＣプログラムに従い自動結線装置４４により上記基準穴にワイヤ電極８を挿通して上側ワイヤガイドと下側ワイヤガイドとの間に結線張架し、順番にＸ軸とＹ軸のプラス方向とマイナス方向の各軸方向でジェットノズル６と被加工物４の基準穴の側面とが接触した位置を接触感知回路によって検出する。そして、検出された複数の位置データから基準穴の中心の位置出しを行ない、得られた基準穴の中心の位置を基準位置とする。このとき、ワイヤ電極８の直径のデータは、数値制御装置１００が有している。上側ワイヤガイドのＺ軸方向の基準位置は、作業者が被加工物４の板厚を基準にして入力するデータを使用する。また、接触検出を繰り返して多く接触位置のデータを収集し最終的な接触位置のデータを生成させることができる。

ワイヤ電極のセッティングが完了したら、ウォータジェット加工で使用した所望の加工形状を表わす加工データを利用してワイヤ電極を仕上げ加工の加工開始位置に移動させ、ワイヤ電極と被加工物とで形成される加工間隙に所定の加工電圧を印加して前記加工間隙に放電を発生させるとともにワイヤ電極を上記加工データに基づき相対移動させて被加工物のウォータジェット加工で切断された加工面を仕上げ加工する。このとき、加工データに含まれる所望の加工形状を表わす軌跡上の複数の位置データを基にワイヤ電極の直径と加工条件に基づく放電ギャップに従うオフセット量補正した位置を計算し、補正された相対移動軌跡に沿ってワイヤ電極を相対移動させる。

図１に示される複合加工装置２の場合は、所望の加工形状をプログラムしたＮＣプログラムに従って、すでに不要な部分が取り除かれワークスタンド１８に取り付けられたままの状態である被加工物４の加工開始位置に移動させる。このとき、必要な場合は、ワイヤ電極８を一旦切断してから再度結線する。ワイヤ電極８と被加工物４の加工面との間には上述したオフセット量で定まる所定の加工間隙が形成される。そして、ワイヤカット放電加工用電源回路装置６００から加工間隙に設定された加工条件に従う所定の加工電圧パルスを印加するとともにワイヤ電極８を被加工物４のすでにウォータジェット加工ですでに切断されている加工面に沿って相対移動させる。

ウォータジェット加工では正確に除去しきれない取り残されている部分は、ワイヤカット放電加工によって除去される。このとき、仕上げ加工は、何度か繰り返し行なわれてよい。ワイヤカット放電加工では、所望の加工形状になるように輪郭を整えながら、最終的に要求される加工面粗さが得られる加工条件で被加工物４の加工面をワイヤカット放電加工することによって所望の加工形状を得る。

ウォータジェット加工は、被加工物に熱歪を与えたり、加工面に化学的な変質や変形を与えない。このことは、レーザ加工やイオンビーム加工との大きく異なる点であり、ウォータジェット加工とワイヤカット放電加工の組合せが重要な意味を有することが理解できる。本発明は、ウォータジェット加工によって、次の仕上げ加工工程で行なうワイヤカット放電加工で所期の性能を得ることができ、従来のワイヤカット放電加工の加工精度を犠牲にすることがない。そして、ウォータジェット加工によって加工時間を大幅に短縮できる。その結果、従来のワイヤカット放電加工に対して大幅に加工時間を短縮し、かつ高い加工精度を得ることができる。

特に、ジェットノズルを位置決め制御により被加工物に対して位置決めしてウォータジェット加工を行なった後に、ワイヤ電極を位置決め制御によりジェットノズルの位置決めと同じ基準で被加工物に対して位置決めし、同じ加工データ、より具体的には所望の加工形状を表わす軌跡上の特定の位置データに基づき相対移動させて被加工物の加工面を仕上げ加工するので、所望の加工形状に従って切断する工程から形状出しを行ない最終的な加工面を得るまでに加工精度が低下することがない。ウォータジェット加工とワイヤカット放電加工で加工データ、特に所望の加工形状を表わす軌跡上の特定の位置データを共有させ、例えば、ＮＣプログラムの作成を容易にでき作業の負担が大きくならず、作業時間が長くならない。また、ワイヤカット放電加工のときに被加工物の取付け誤差を小さくすることができ、加工精度が低下することが防止される。

本発明は、高精度の金型や精密部品の加工に利用することができる。本発明は、高精度の金型や精密部品をより短い加工時間で加工することが期待され、金型や精密部品の製造技術の発展に寄与する。

本発明の複合加工装置の実施の形態の構成を示す正面図である。図１に示される本発明の複合加工装置の構成を示し、ワイヤ電極が被加工物に相対向されるときの状態を示す正面図である。本発明の複合加工装置の制御システムを示すブロック図である。本発明の複合加工装置の液供給システムを示す液供給装置の回路図である。

符号の説明

２複合加工装置（本機）
４被加工物
６ジェットノズル
８ワイヤ電極
１０ガイドアッセンブリ（上側）
１２ガイドアッセンブリ（下側）
１４下アーム
１６テーブル
１８ワークスタンド
２０サドル
２２相対移動装置
２４ベッド
２６加工槽（スプラッシュガード）
２８マット材
３０加工ヘッド
３２テーパ装置
３４加工ヘッド
３６スライダ
３８ガイドレール
４０スライダ
４２コラム
４４自動結線装置

Claims

被加工物をワークスタンドに取り付ける工程と、ワイヤ電極を案内する上側ワイヤガイドが取り付けられた加工ヘッドを水平１軸方向に移動して前記水平１軸方向の末端の位置にあるウォータジェット加工の邪魔にならない位置に待避させる工程と、ジェットノズルが取り付けられた加工ヘッドを前記水平１軸方向と同じ水平１軸方向に移動させ前記ジェットノズルを本機の中央のウォータジェット加工領域に位置させる工程と、前記ジェットノズルを位置決め制御により前記被加工物に対して位置決めする工程と、前記ジェットノズルから研磨材粒を混入した高圧水を前記被加工物に向けて下向きに噴射供給するとともに所望の加工形状を表わす加工データに基づき前記ジェットノズルを相対移動させてウォータジェット加工により前記被加工物を切断する工程と、前記ジェットノズルが取り付けられた加工ヘッドを前記水平１軸方向に移動させて前記上側ワイヤガイドが取り付けられた加工ヘッドが待避している前記水平１軸方向における末端の位置と反対の末端の位置にあるワイヤカット放電加工の邪魔にならない位置に待避させる工程と、前記上側ワイヤガイドが取り付けられた加工ヘッドを前記水平１軸方向に移動させ上側ワイヤガイドを本機の中央の前記下側ワイヤガイドに対向配置されるワイヤカット放電加工領域に位置させる工程と、前記ワイヤ電極を前記上側ワイヤガイドと前記下側ワイヤガイドとの間に張架させる工程と、前記ワイヤ電極を位置決め制御により前記ジェットノズルの位置決めと同じ基準で前記被加工物に対して位置決めする工程と、前記ワイヤ電極と前記被加工物とで形成される加工間隙に所定の加工電圧を印加して前記加工間隙に放電を発生させるとともに前記ワイヤ電極を前記加工データに基づき相対移動させて前記被加工物の前記ウォータジェット加工により切断された加工面を仕上げ加工し前記所望の加工形状を得る工程と、を有する導電性材料でなる被加工物に任意の形状を加工する方法。
ウォータジェット加工とワイヤカット放電加工を実施する複合加工装置であって、テーブル上に設けられ被加工物を取り付けて固定するワークスタンドと、高圧水を前記被加工物に向けて下向きに噴射するジェットノズルと、前記被加工物を挟んで上下に設けられ前記被加工物に対して垂直に張架されるワイヤ電極を位置決め案内する上側ワイヤガイドおよび下側ワイヤガイドと、前記ジェットノズルが取り付けられ鉛直１軸方向に移動可能かつリニアモータによって水平１軸方向に往復移動可能であって前記水平１軸方向における末端の位置にあるワイヤカット放電加工の邪魔にならない第１の待避位置に待避できる第１の加工ヘッドと前記上側ワイヤガイドが取り付けられ前記第１の加工ヘッドと独立して前記鉛直１軸方向に平行な鉛直１軸方向に移動可能かつリニアモータによって前記第１の加工ヘッドと同一のガイドレール上を前記水平１軸方向と同じ水平１軸方向に往復移動可能であって前記水平１軸方向における前記第１の待避位置と反対の末端の位置にあるウォータジェット加工の邪魔にならない第２の待避位置に待避できる第２の加工ヘッドとを含んでなり前記ジェットノズルと前記被加工物および前記ワイヤ電極と前記被加工物とを相対移動させる相対移動装置と、前記第２の加工ヘッドを前記第２の待避位置に待避させて移動させないようにさせながら前記相対移動装置を制御して前記ジェットノズルを前記被加工物上の本機の中央のウォータジェット加工領域に位置させて所望の加工形状に基づいて前記被加工物に対して相対移動させてウォータジェット加工を行なうとともに前記第１の加工ヘッドを前記第１の待避位置に待避させて移動させないようにさせながら前記相対移動装置を制御して前記ワイヤ電極を前記被加工物の前記ウォータジェット加工により切断された加工面から所定の加工間隙離れて位置するように本機の中央のワイヤカット放電加工領域に位置させて前記所望の加工形状に基づいて前記被加工物に対して相対移動させてワイヤカット放電加工を行なう制御装置と、を備える複合加工装置。