放電加工（EDM）：メカニズム、原理、回路設計を解説

本記事では放電加工（EDM）について説明します：1. 放電加工（EDM）入門 2. EDMのメカニズム 3. EDM回路と動作原理（図解付き） 4. 表面仕上げと加工精度 5. EDMにおける工具電極と作動液の役割 6. EDMの金属表面への影響 7. 特性。

目次：

1. 放電加工（EDM）入門
2. EDMのメカニズム
3. EDM回路と動作原理（図解付き）
4. EDMの表面仕上げと加工精度
5. EDMにおける工具電極と作動液の役割
6. EDMの金属表面への影響
7. EDMの特性

1. 放電加工（EDM）入門：

熱電エネルギー源を非伝統的技術の開発に利用することで、極めて加工性の低い材料と困難な工作の経済的加工を達成する上で大きく貢献してきました。制御された一連の電気火花による浸食で材料を除去するプロセス、一般に放電加工として知られるものは、1943年頃にUSSRで始まりました。それ以来、研究開発によりこのプロセスは現在のレベルに到達しています。

陽極と陰極の2点間で放電が起こると、火花ゾーン付近で発生する激しい熱により、火花ゾーンの材料が溶融・蒸発します。効果を高めるため、ワークと工具は作動液（炭化水素油や鉱油）に浸されます。両電極が同一材料の場合、正極に接続された電極の方が一般的に速い速度で浸食されることが観察されています。このため、ワークを通常陽極とします。工具とワーク表面の間に、火花ギャップとして知られる適切なギャップが維持されます。

火花は適切な電源で高周波で放電させます。火花は工具とワーク表面が最も近い場所で発生し、各火花後（各火花後の材料除去により）その場所が変わるため、火花は表面全体を移動します。これにより表面全体で均一な材料除去が起こり、最終的にワーク面が工具表面に準拠します。こうして工具がワークに必要な印象を生み出します。

所定の火花ギャップを維持するため、一般にサーボ制御ユニットが使用されます。ギャップはギャップ間の平均電圧で検知され、この電圧がプリセット値と比較されます。差分がサーボモーターを制御します。場合によってはステッピングモーターがサーボモーターの代わりに使用されます。もちろん、非常に原始的な操作ではソレノイド制御も可能で、これにより機械が極めて安価かつシンプルな構造になります。

火花周波数は通常200〜500,000Hz、火花ギャップは0.025〜0.05mmのオーダー。ギャップ間のピーク電圧は30〜250ボルトの範囲に保たれます。このプロセスで最大300mm³/分のMRRが得られ、比電力は10W/mm³/分のオーダー。作動液の強制循環を設けると、性能の効率と精度が向上することがわかっています。最も一般的に使用される作動液は灯油。工具は一般に黄銅または銅合金で作られます。

2. EDMのメカニズム：

図6.52は電極表面の詳細を示しています。表面は滑らかに見えても、図示（誇張されていますが）のように微細な凹凸と不規則性が常に存在します。結果として局所ギャップが変化し、与えられた瞬間、ある一点（例えばA）で最小になります。工具とワーク（それぞれ陰極と陽極）間に適切な電圧が印加されると、十分な強度の静電界が確立され、A点で陰極から冷電子放出が起こります。

これらの解放された電子は陽極に向かって加速。十分な速度を得た後、作動液の分子と衝突し、それらを電子と正イオンに分解。生成された電子もさらに加速し、最終的に作動液分子から他の電子を弾き出す可能性があります。最終的に、イオン化した作動液分子の狭い柱がA点で2つの電極を接続し確立されます（イオン化柱の電導率が非常に大きいため電子雪崩が起こり、これは通常火花として観察されます）。

この火花の結果、圧縮衝撃波が発生し、電極上に非常に高い温度（10,000〜12,000℃）が生成。この高温により電極材料が溶融・気化し、溶融金属が機械的ブラストによって排出され、両電極のA点に小さなクレーターが形成されます。これが起こるとすぐにA点での電極間ギャップが増加し、次に最短ギャップとなる場所は別の場所（例えばB）になります。

したがって、サイクルが繰り返されると、次の火花はB点で発生。このようにして火花は電極表面全体を彷徨い、最終的に均一なギャップが生じます。したがって、負極の形状に応じて、もう一方の電極に印象が作られます。

一般的に、陰極からの材料除去率は陽極より比較的小さいです。理由は以下の通り：

(i) 陽極に衝突する電子流の運動量は、正イオンが陰極に衝突する運動量よりはるかに大きい（個々の電子質量は正イオンより小さいが）。

(ii) 作動液（通常炭化水素）の熱分解により、陰極に薄い炭素膜が形成される。

(iii) 陰極表面に圧縮力が発生する。したがって、通常工具は直流電源の負極に接続されます。

工具がワークに対して静止している場合、材料除去の進行に伴いギャップが増大し、火花を発生させるためにより高い電圧が必要になります。この問題を避けるため、工具はサーボドライブで送り込まれ、平均ギャップの大きさを検知して一定に保ちます。

以下では、放電加工中の材料除去率の理論的決定を試みます。定量的結果は得られませんが、多くの重要な特徴が明らかになります。今は、1回の火花の効果のみを理解すれば十分です。

単一放電による材料除去量は、クレーター直径と溶融温度に達する深さを考慮して決定できます。

これを行うため、以下の仮定を置きます：

(i) 火花は電極表面上の均一な円形熱源で、その直径（=2a）は一定。
(ii) 電極表面は半無限大領域。(iii) 熱源部分を除き、電極表面は絶縁。(iv) 熱入力率は放電持続時間中一定。(v) 電極材料の特性は温度で変化しない。(vi) 電極材料の気化は無視。

図6.53は理想化熱源の詳細を示します。本解析では、H=熱入力量(cal)、θ=温度(℃)、t=時間(sec)、k=熱伝導率(cal/cm-sec-℃)、α=熱拡散率(cm²/sec)、t_d=放電持続時間(sec)、θ_m=融点(℃)とします。

円対称性により、任意の点の温度はrとzに依存。熱伝導方程式は——

直感的に、溶融温度に達する深さは中心で最大であると見られるため、関心はr=0での解にあります。放電終了時の軸上の点の温度（最大温度がt=t_dで達すると仮定、この瞬間熱入力が停止）は——

したがって、Zは各火花による材料除去体積の指標となります。図6.54aは、与えられた火花エネルギーと一定火花径で、Cu、Al、Znを電極材料とした場合のZの理論値。図6.54bは、異なる火花エネルギーでのクレーター体積のt_dに対する実際の変化の性質を描写。傾向はかなり類似。

これらの結果から明らかになる重要な特徴の一つは、微小放電時間では材料除去が非常に低く、t_dとともに増加し、ピーク値に達した後、突然ゼロに落ち込むこと。また、放電あたりの材料除去が材料の融点に強く依存することも確立されています。

機械的除去プロセスにおけるキャビテーションの効果も重要。単一火花中のMRRを時間に対してプロットすると図6.55のようになります。明らかに、圧力が大気圧以下のときMRRが最大となり、キャビテーションの重要性を示しています。

大まかな見積もりのために、EDM中の材料除去率について経験的関係が開発されています。クレーターサイズが火花エネルギーに依存する（他の条件が変わらないと仮定）ため、クレーターの深さと直径は——

この関係では平均的な火花条件を仮定しています。

MRRは作動液の循環にも強く依存。強制循環なしでは、摩耗粒子が繰り返し溶融・再結合して電極に戻ります。図6.56は作動液の強制循環なし/ありでのMRR特性の性質を示します。

放電完了後、最後の火花周辺の作動媒質は脱イオン化されるまで待つ必要があります。このため、ギャップ間電圧を放電電圧以下に保ち、脱イオン化が完了するまで待機。さもなければ、前回放電の場所で再び電流が流れ始めます。完全脱イオン化に必要な時間は、前回放電で放出されたエネルギーに依存。より大きなエネルギー放出はより長い脱イオン化時間をもたらします。

3. EDM回路と動作原理（図解付き）：

ワーク-工具ギャップに脈流直流を供給するための、いくつかの基本的に異なる電気回路が利用可能。動作特性は異なりますが、ほぼすべての回路で、放電がギャップ間で起こる前に電荷を蓄えるためにコンデンサが使用されます。回路の適合性は加工条件と要件に依存。

脈流直流供給のための一般的な原理は、以下の3グループに分類できます：

(i) 定電流源を用いた抵抗-容量緩和回路。
(ii) 回転インパルスジェネレーター。
(iii) 制御パルス回路。

(i) 抵抗-容量緩和回路：

抵抗-容量緩和回路は、放電加工機が最初に開発されたときに使用されました。図6.57aはシンプルなRC回路を示します。この図から明らかなように、コンデンサC（可変）が可変抵抗Rを通じて直流電源V₀で充電されます。

ギャップ間電圧（コンデンサ間電圧とほぼ同じ）Vは、時間とともに以下の関係で変化します。tはV₀が印加された瞬間からの時間を表します。

したがって、許せばVは漸近的にV₀に近づきます（図6.57b参照）。工具-ワークギャップと作動液が、ギャップ間電圧がV_d（一般に放電電圧として知られる）に達したときに火花が発生するような状態であれば、工具-ワークギャップ間電圧（V）がV_dに達するたびにコンデンサが完全に放電されます。

放電時間は充電時間よりはるかに短い（約10%）。通常の状況下では脱イオン化に必要な時間も非常に短いため、火花周波数（ν）は概ね以下の式で与えられます——

したがって、最大電力供給のためには、放電電圧は電源電圧V₀の72%であるべきです。

火花あたりの材料除去が火花あたりの放出エネルギーに比例すると仮定すると、MRRは——

(ii) 回転インパルスジェネレーター：

火花発生用の緩和回路はシンプルですが、いくつかの欠点があります。そのうち重要な欠点の一つはMRRが高くないこと。除去率を高めるため、インパルスジェネレーターが火花発生に使用されます。図6.59はそのようなシステムの概略図。コンデンサは前半サイクルでダイオードを通じて充電。続く後半サイクルで、発電機が発生させる電圧と充電済みコンデンサの電圧の和がワーク-工具ギャップに印加されます。

動作周波数は正弦波発生の周波数、すなわちモーター速度に依存。MRRは高くなりますが、このシステムでは良好な表面仕上げは得られません。

(iii) 制御パルス回路：

これまで議論した2つのシステムでは、短絡が発生したときに電流流れを自動的に防止する規定がありません。このような自動制御を達成するため、真空管（またはトランジスタ）をスイッチングデバイスとして使用。このシステムを制御パルス回路と呼びます。図6.60はそのようなシステムを概略的に示します。火花放電中、ギャップを流れる電流はコンデンサから供給されます。

ギャップに電流が流れている間、バルブ管（VT）はカットオフにバイアスされ、無限大抵抗のように振る舞います。バイアス制御は電子制御（EC）で行われます。ギャップ内の電流が止まるとすぐに、管の電導率が増加し、次のサイクルのためにコンデンサを充電する電流が流れます。

バイアスを発振器の助けを借りて制御することで、電流流れを強制周期で循環させることができれば、回路をシンプルにし動作安定性を向上できます。この場合、コンデンサは不要。図6.61はトランジスタを用いたそのような回路を示します。

4. EDMの表面仕上げと加工精度：

EDMでの材料除去は火花によるクレーター形成で達成されるため、大きなクレーターサイズ（特に深さ）は粗い表面をもたらすことは明らか。クレーターサイズは主に火花あたりのエネルギーに依存し、表面品質を制御します。図6.62はH_rms（表面不均一の二乗平均平方根値）がCとV₀にどう依存するかを示します。

クレーター深度（h_c）は、火花あたりの放出エネルギー（E）を用いて概ね——

表面仕上げのパルスエネルギーEへの依存と、従来プロセスで得られる表面仕上げとの比較は図6.63に示されています。材料除去率と表面仕上げ品質の間の適切な関係決定に多くの努力が費やされてきました。しかし、一般的に適用可能な非常に信頼できる関係はまだ出現していません。しかし、通常条件下で鋼を加工する場合、MRRと表面不均一は概ね以下のように関連付けられます——

H_rmsは表面不均一の二乗平均平方根値（ミクロン）、Qは材料除去率（mm³/分）。

作動液の強制循環は一般的に表面仕上げを改善することがわかっています。EDMによる黄銅電極表面の断面（電圧40V、電流0.2A、周波数1.12kHz）を強制循環あり/なしで示したものが図6.64。強制循環が表面仕上げを大幅に改善することが明らかです。

5. EDMにおける工具電極と作動液の役割：

電極はEDM操作において極めて重要な役割を果たすため、より良い結果を得るために工具電極の特定の側面を念頭に置く必要があります。

a. 工具電極摩耗：

EDM操作中、前述のように工具（電極）も火花作用により浸食されます。優れた電極摩耗特性を持つ材料は、一般的に加工が困難な材料と同じです。工具に使用される主要材料の一つは黒鉛で、溶融せず直接気相へ移行します。摩耗比（r_Q）、ワークから除去された材料と工具から除去された材料の比で定義され、r_θ（=ワーク融点/工具融点）と以下のように関連付けられます——

b. 電極材料：

電極材料の選択は以下に依存します：

(i) 材料除去率、(ii) 摩耗比、(iii) 電極成形の容易さ、(iv) コスト。

最も一般的に使用される電極材料は、黄銅、銅、黒鉛、Al合金、銅-タングステン合金、銀-タングステン合金。

電極製造に使用される方法：

(i) 従来加工（銅、黄銅、Cu-W合金、Ag-W合金、黒鉛に使用）、(ii) 鋳造（Zn基ダイカスト合金、Zn-Sn合金、Al合金に使用）、(iii) 金属スプレー、(iv) プレス成形。

作動液循環用の流れ穴は通常設けられ、荒加工では大きな流量を低圧で許容するため、これらの穴は可能な限り大きくすべきです。

c. 作動液：

理想的な作動液の基本要件：

(i) 低粘度、(ii) 有毒蒸気の不在、(iii) 化学的中性、(iv) 発火傾向の不在、(v) 低コスト。

通常の水はこれらの特性をほぼすべて備えていますが、ワークと機械に錆を発生させるため使用されません。水が推奨されないもう一つの理由は、電極が常に何らかの電位差下にあり、水の良好な電導率によりECMプロセスが始まりワークを歪めること。また電力が浪費されます。ただし、一部の場合では脱イオン水が使用されます。

最も一般的に使用される流体タイプは炭化水素（石油）油。灯油、液体パラフィン、シリコンオイルも作動液として使用されます。

6. EDMの金属表面への影響：

火花によって生成される高温は金属の溶融と気化を引き起こし、明らかにこの高温は加工表面の浅い層（2.5〜150μm）の特性に影響を与えます。

最表層は急速に冷却されるため非常に硬くなります。その直下の層はある種の焼き戻し状態にあります。図6.67は、鋼への荒加工と仕上げ加工EDM操作での深さに対する硬度変化を示しています。仕上げ加工ではこのような硬化は顕著ではありません。しかし、外層は焼き戻され硬度は低くなります。

EDM操作中の表面層硬化は、より良い耐摩耗特性を付与します。しかし、冷却時に表面層で発生する微細クラックにより疲労強度は低下します。図6.68は、従来フライス加工とEDMで製造された同一部品の疲労強度比較を示します。薄い表面層の特性は引張強度に大きな影響を与えません。構造が変化し、火花により化学組成がある程度変化。これらは一般的に耐食性を低下させます。

7. EDMの特性：

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