放電加工（EDM）：力学、動作原理、および回路（図付き）
この記事では、放電加工（EDM）について説明します。-1。放電加工（EDM）の概要2.EDMの仕組み3.EDM回路と動作原理（図付き）4。表面仕上げと加工精度5.EDMにおける工具電極と誘電性流体の役割6.金属表面へのEDMの影響7.特性。
コンテンツ：
- 放電加工（EDM）の概要
- EDMの仕組み
- EDM回路と動作原理（図付き）
- EDMの表面仕上げと加工精度
- EDMにおけるツール電極と誘電性流体の役割
- 金属表面に対するEDMの影響
- EDMの特徴
1。放電加工（EDM）の概要 ：
非伝統的な技術の開発に熱電エネルギー源を使用することは、非常に低い機械加工性の材料と困難な仕事の経済的な機械加工を達成するのに大いに役立ちました。一般に放電加工として知られている一連の電気火花による制御された侵食による材料除去のプロセスは、1943年頃にソ連で最初に開始されました。その後、研究開発によってこのプロセスが現在のレベルに達しました。
アノードとカソードの2点間で放電が発生すると、ゾーンの近くで発生した強烈な熱が溶けて、スパークゾーンの材料が蒸発します。効果を高めるために、ワークピースとツールを誘電性流体（炭化水素または鉱油）に沈めます。両方の電極が同じ材料でできている場合、正極端子に接続された電極は一般に、より速い速度で侵食されることが観察されています。このため、通常、ワークはアノードになります。スパークギャップと呼ばれる適切なギャップが、工具とワークピースの表面の間に維持されます。
スパークは、適切なソースを使用して高周波で放電するように作られています。工具とワークの表面が最も近い場所で火花が発生し、火花ごとにスポットが変化するため（火花ごとに材料が除去されるため）、火花は表面全体に移動します。これにより、表面全体で均一な材料除去が実現し、最終的に作業面が工具表面に適合します。したがって、ツールはワークピースに必要な印象を与えます。
所定のスパークギャップを維持するために、サーボ制御ユニットが一般的に使用される。ギャップはその両端の平均電圧によって検出され、この電圧がプリセット値と比較されます。差はサーボモーターを制御するために使用されます。サーボモーターの代わりにステッピングモーターを使用することもあります。もちろん、非常に原始的な操作の場合、ソレノイド制御も可能であり、これにより、機械は非常に安価で簡単に構築できるようになります。
スパーク周波数は通常200〜500,000 Hzの範囲であり、スパークギャップは0.025〜0.05mmのオーダーです。ギャップの両端のピーク電圧は、30〜250ボルトの範囲に保たれます。 300mmまでのmrr 3 / minは、このプロセスで取得できます。比出力は10 W / mm 3 のオーダーです。 /分誘電性流体の強制循環が提供されると、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誘電性流体は灯油です。ツールは通常、真ちゅうまたは銅合金で作られています。
2. EDMの仕組み：
図6.52に電極表面の詳細を示します。表面は滑らかに見えるかもしれませんが、示されているように（もちろん誇張された方法で）凹凸や不規則性が常に存在します。その結果、ローカルギャップは変化し、特定の瞬間に、ある時点で最小になります（たとえば、A）。ツールとワークピース（それぞれカソードとアノード）の間に適切な電圧が発生すると、十分な強度の静電界が確立され、Aのカソードから電子が冷放出されます。
これらの解放された電子はアノードに向かって加速します。十分な速度を得た後、電子は誘電性流体の分子と衝突し、それらを電子と陽イオンに分解します。そのように生成された電子も加速し、最終的に誘電性流体分子から他の電子を取り除く可能性があります。最終的に、イオン化された誘電性流体分子の狭いカラムが2つの電極を接続するAに確立されます（イオン化されたカラムの導電率が非常に大きく、通常は火花と見なされるため、電子のなだれが発生します）。
この火花の結果として、圧縮衝撃波が発生し、電極に非常に高い温度が発生します（10,000〜12,000°C）。この高さ 温度は電極材料の溶融と気化を引き起こし、溶融金属は機械的爆発によって排出され、Aの両方の電極に小さなクレーターが生じます。これが発生するとすぐに、Aの電極間のギャップが増加し、次の最短のギャップの場所は別の場所にあります（たとえば、B）。
したがって、このサイクルが繰り返されると、次のスパークがBで発生します。このようにして、スパークは電極表面全体をさまよい、最終的にはプロセスによって均一なギャップが生じます。そのため、負極の形状によっては、もう一方の電極に印象が生まれます。
一般に、次の理由により、カソードからの材料の除去速度はアノードからの材料の除去速度よりも比較的遅くなります。
（i）個々の電子の質量は陽イオンの質量よりも小さいが、電子の流れが陽極に当たる運動量は、陰極に衝突する陽イオンの流れによる運動量よりもはるかに大きい。
（ii）誘電性流体（通常は炭化水素）の熱分解により、カソード上に炭素の薄膜が生成されます。
（iii）陰極表面に圧縮力が発生します。したがって、通常、ツールはDC電源のマイナス端子に接続されます。
ツールがワークピースに対して静止している場合、材料の除去が進むにつれてギャップが増加し、スパークを開始するために電圧を上げる必要があります。この問題を回避するために、ツールは平均ギャップの大きさを感知して一定に保つサーボドライブの助けを借りて供給されます。
以下では、放電加工時の材料除去率の理論的決定を試みます。そうすることで、定量的な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。今のところ、1つの火花だけの影響を理解するだけで十分です。
1回の排出による材料の除去量は、クレーターの直径と溶融温度に達する深さを考慮して決定できます。
これを行うために、次の仮定を行います。
（i）火花は電極表面の均一な円形熱源であり、この円形熱源の直径（=2a）は一定のままです。
（ii）電極表面は半無限領域です。
（iii）熱源の部分を除いて、電極表面は絶縁されています。
（iv）入熱率は、排出期間を通じて一定のままです。
（v）電極材料の特性は温度によって変化しません。
（vi）電極材料の気化は無視されます。
図6.53に、理想的な熱源の詳細を示します。私たちの分析では、H-入熱量（cal）、θ=温度（°C）、t =時間（秒）、k =熱伝導率（cal / cm-秒-°C）、α=熱拡散率（cm 2 / sec）、t d =放電時間（秒）、およびθ m =融解温度（°C）。
円対称であるため、任意の点の温度はrとzに依存します。熱伝導の方程式は–
直感的には、融解温度に達する深さが中心で最大であることがわかるので、私たちの関心はr =0での解にあります。放電の終わりの軸上の点の温度（ t =t d で最高温度に達したと仮定します 入熱はこの瞬間に停止するため）は次の式で与えられます–
したがって、Zが各火花によって除去された材料の量を示していることは明らかです。図6.54aは、特定のスパークエネルギーに対するZの理論値と、電極材料としてのCu、Al、およびZnの一定のスパーク直径を示しています。図6.54bは、t d によるクレーター体積の変化の実際の性質を示しています。 さまざまな火花エネルギーに対して。傾向は非常に似ています。
これらの結果から明らかになる重要な特徴の1つは、材料の除去が短い放電時間では非常に低く、t d とともに増加することです。 。その後、ピーク値に達すると、突然ゼロに低下します。また、放電ごとに除去される材料は、材料の融点に強く依存することが確立されています。
機械的除去プロセスにおけるキャビテーションの影響も重要です。時間に対してプロットされた単一スパーク中のmrrは、図6.55のようになります。明らかに、mrrは圧力が大気圧より低いときに最大になり、キャビテーションの重要性を示しています。
大まかな見積もりに到達するために、EDM中の材料除去率の経験的関係が開発されました。クレーターのサイズは火花エネルギーに依存するため（他のすべての条件が変更されていないことを前提としています）、クレーターの深さと直径は次の式で与えられます–
この関係で、平均的なスパーク条件を想定しています。
mrrは、誘電性流体の循環にも強く依存します。強制循環がなければ、摩耗粒子は繰り返し溶融し、電極と再結合します。図6.56は、誘電体の強制循環がない場合とある場合のmrr特性の性質を示しています。
放電が完了した後、最後の火花の周りの誘電体媒体を脱イオン化させる必要があります。このため、脱イオンが完了するまで、ギャップの両端の電圧を放電電圧未満に保つ必要があります。そうでなければ、電流は前の放電の位置でギャップを通って再び流れ始めます。完全な脱イオンに必要な時間は、先行する放電によって放出されるエネルギーによって異なります。エネルギー放出が大きいほど、脱イオン時間が長くなります。
3. EDM回路と動作原理（図付き）：
いくつかの基本的に異なる電気回路が、作業工具のギャップ全体に脈動するDCを提供するために利用できます。動作特性は異なりますが、ほとんどすべてのこのような回路では、ギャップを越えて放電が発生する前に、電荷を蓄積するためにコンデンサが使用されます。回路の適合性は、加工条件と要件によって異なります。
脈動DCを供給するために一般的に使用される原理は、次の3つのグループに分類できます。
（i）一定のDC電源を備えた抵抗-容量緩和回路。
（ii）ロータリーインパルスジェネレータ。
（iii）制御されたパルス回路。
（i）抵抗-静電容量緩和回路：
放電機が最初に開発されたとき、抵抗-容量緩和回路が使用されました。図6.57aに簡単な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）は、電圧V 0 のDC電源によって可変抵抗Rを介して充電されます。 。
ギャップの両端の電圧（コンデンサの両端の電圧とほぼ同じ）Vは、関係に従って時間とともに変化します。ここで、tは瞬間V 0 から始まる時間を示します。 適用されます。
したがって、VはV 0 に近づきます 図6.57bに示すように、許可されている場合は漸近的に。ツールワークギャップと誘電性流体が、ギャップの両端の電圧が値V d に達したときにスパークが発生するようなものである場合 （一般に放電電圧として知られています）、スパークが発生し、ツールワークギャップ（V）の両端の電圧がV d に達するたびにコンデンサを完全に放電します。 。
放電時間は充電時間よりもはるかに短く（約10％）、スパークの頻度（v）は次の式で近似的に与えられます（通常の状況では脱イオンに必要な時間も非常に短いため）–
したがって、最大の電力供給のために、放電電圧は供給電圧V 0 の72％でなければなりません。 。
スパークごとに除去される材料がスパークごとに放出されるエネルギーに比例すると仮定すると、mrrは次のように表すことができます–
（ii）ロータリーインパルスジェネレーター：
火花発生の緩和回路は単純ですが、いくつかの欠点があります。これらのうち、重要な欠点は、mrrが高くないことです。除去率を上げるために、インパルス発生器が火花発生に使用されます。図6.59に、このようなシステムの概略図を示します。コンデンサは、最初の半サイクル中にダイオードを介して充電されます。次の半サイクルの間に、発電機と充電されたコンデンサによって生成された電圧の合計が作業工具のギャップに適用されます。
動作周波数は、モーター速度に依存する正弦波発生の周波数です。 mrrは高くなりますが、このようなシステムでは良好な表面仕上げが得られません。
（iii）制御されたパルス回路：
これまでに説明した2つのシステムでは、短絡が発生したときに電流が自動的に流れるのを防ぐ機能はありません。このような自動制御を実現するために、真空管（またはトランジスタ）がスイッチングデバイスとして使用されます。このシステムは、制御パルス回路として知られています。図6.60にそのようなシステムを模式的に示します。スパーク中、ギャップを流れる電流はコンデンサから流れます。
電流がギャップを流れると、バルブチューブ（VT）がバイアスされて遮断され、無限の抵抗のように動作します。バイアス制御は、電子制御（EC）を介して行われます。ギャップ内の電流が停止するとすぐに、チューブの導電率が増加し、電流の流れが次のサイクルのためにコンデンサを充電できるようになります。
電流を一定の周波数で周期的に流すことにより、回路を簡素化し、動作安定性を向上させることができます。これは、発振器を使用してバイアスを制御することで実行できます。この場合、コンデンサは必要ありません。図6.61に、トランジスタを使用したこ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での材料の除去は、火花によるクレーターの形成によって達成されるため、クレーターのサイズ（特に深さ）が大きいと表面が粗くなることは明らかです。したがって、主にエネルギー/火花に依存するクレーターのサイズは、表面の品質を制御します。図6.62は、H rms （表面の凹凸の二乗平均平方根値）はCとV 0 に依存します 。
クレーターの深さ（h c ）は、火花ごとに放出されるエネルギー（E）でおおよそ次のように表すことができます–
表面仕上げのパルスエネルギーEへの依存性と、表面仕上げと従来のプロセスで得られたものとの比較を図6.63に示します。材料除去率と表面仕上げの品質との間の適切な関係を決定するために多くの努力が費やされてきました。しかし、一般的な適用性の非常に信頼できる関係はまだ明らかにされていません。ただし、通常の状態で鋼を加工する場合のmrrと表面の凹凸は、おおよそ–
のように関係します。
ここで、H rms はミクロン単位の表面不均一性の二乗平均平方根であり、Qはmm 3 単位の材料除去率です。 /分
誘電体の強制循環は、一般に表面仕上げを改善することが見出された。強制循環（電圧40 V、電流0.2 A、周波数1.12 kHz）がある場合とない場合のEDMによって生成された真ちゅう電極表面の断面を図6.64に示します。強制循環が表面仕上げの大幅な改善につながることは明らかです。
5. EDMにおけるツール電極と誘電性流体の役割：
電極はEDM動作において非常に重要な役割を果たします。したがって、より良い結果を得るには、ツール電極の特定の側面に留意する必要があります。
a。ツール電極の摩耗：
EDM動作中、すでに述べたように、電極（つまりツール）もスパーク作用のために侵食されます。電極の摩耗特性が良好な材料は、一般的に加工が難しい材料と同じです。ツールに使用される主要な材料の1つは、溶融せずに直接気相に移行するグラファイトです。摩耗率（r Q ）は、ワークから除去された材料とツールから除去された材料の比率によって定義され、r θに関連していることがわかります。 （=作業の融点/ツールの融点）as –
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）摩耗率、
（iii）電極の成形のしやすさ
（iv）コスト。
最も一般的に使用される電極材料は、真ちゅう、銅、グラファイト、A1合金、銅-タングステン合金、および銀-タングステン合金です。
電極の作成方法は次のとおりです。
（i）従来の機械加工（銅、真ちゅう、Cu-W合金、Ag-W合金、およびグラファイトに使用）、
（ii）鋳造（Znベースダイカスト合金、Zn-Sn合金、およびAl合金に使用）、
（iii）金属噴霧、
（iv）プレス成形。
フローホールは通常、誘電体の循環のために提供され、これらのホールは、低圧で大流量を可能にするためにラフカットのために可能な限り大きくする必要があります。
c。誘電性流体：
理想的な誘電性流体の基本的な要件は次のとおりです。
（i）低粘度、
（ii）有毒な蒸気がないこと
（iii）化学的中性、
（iv）炎症傾向がない
（v）低コスト。
普通の水はこれらの性質をほぼすべて備えていますが、作業や機械に錆が発生するため使用していません。水が推奨されないもう一つの理由は次のとおりです。電極は常に何らかの電位差があり、水の導電率が高いため、ECMプロセスがワークピースを歪ませ始めます。また、電力が無駄になります。ただし、場合によっては脱イオン水を使用します。
最も一般的に使用されるタイプの流体は、炭化水素（石油）オイルです。灯油、液体パラフィン、シリコンオイルも誘電性流体として使用されます。
6.金属表面に対するEDMの影響：
火花によって発生する高温は、金属の溶融と気化を引き起こし、明らかに、この高温は、機械加工された表面の浅い層（2.5〜150μm）の特性に影響を与えます。
最外層は急速に冷却されるため、非常に硬くなります。この真下の層はやや強化された状態にあります。図6.67は、鋼の粗EDM操作と仕上げEDM操作の両方の深さによる硬度の変化を示しています。仕上げ加工では、このような硬化が目立たないことは明らかです。ただし、外層は焼き戻しされており、硬度は低い。
EDM動作中の表面層の硬化は、より優れた耐摩耗性を付与します。ただし、冷却時に表層に微細な亀裂が発生するため、疲労強度が低下します。図6.68は、従来のフライス盤とEDMで製造された同一部品の疲労強度の比較を示しています。薄い表面層の特性は、引張強度にあまり影響を与えません。それらの構造は変化し、火花のために、それらの化学組成はある程度変化します。これらは一般的に耐エロージョン性を低下させます。
7. EDMの特徴：
産業技術