6164611 電解加工方法、電解加工用の工具電極および電解加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6164611

(24)【登録日】2017年6月30日

(45)【発行日】2017年7月19日

(54)【発明の名称】電解加工方法、電解加工用の工具電極および電解加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23H 3/04 20060101AFI20170710BHJP

   B23H 3/10 20060101ALI20170710BHJP

【ＦＩ】

   B23H3/04 Z

   B23H3/10 A

【請求項の数】12

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-185217(P2013-185217)

(22)【出願日】2013年9月6日

(65)【公開番号】特開2014-223716(P2014-223716A)

(43)【公開日】2014年12月4日

【審査請求日】2016年6月29日

(31)【優先権主張番号】特願2013-88294(P2013-88294)

(32)【優先日】2013年4月19日

(33)【優先権主張国】JP

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 第９回 生産加工・工作機械部門講演会論文集（平成２４年１０月２７日）一般社団法人日本機械学会発行 第２１３−２１４ページに発表，２０１３年度 精密工学会春季大会プログラム＆アブストラクト集（平成２５年 ２月２７日）公益社団法人精密工学会発行 第４９５−４９６ページに発表

(73)【特許権者】

【識別番号】504132881

【氏名又は名称】国立大学法人東京農工大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】夏 恒

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 克彰

【審査官】 篠原 将之

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭５２−０２６６２０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭５１−１４５３１７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭５８−１４８０６９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０００−２１８４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０６５３７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−０２１６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２８５７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０５０３５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｈ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

工具電極を工作物へ接近させる接近工程と、
前記工具電極の内部、前記工具電極の先端部と前記工作物の表面との間、前記工具電極の内部の順に電解液を吸引力のみを用いて循環させる循環工程と、
前記電解液を介して前記工具電極と前記工作物との間に電流を流す通電工程と、
前記電解液を吸引する圧力の変化に基づいて前記工具電極を前記工作物側へ送る送り工程と
を有する電解加工方法。

【請求項2】

前記循環工程は、前記電解液を前記先端部において周縁側から中心側へ流動させる請求項１に記載の電解加工方法。

【請求項3】

前記循環工程は、前記工具電極の前記先端部と前記工作物の表面との間に形成される流路の断面が他の流路の断面よりも小さくなることにより生じるベンチェリ効果を用いて前記電解液を循環させる請求項１または２に記載の電解加工方法。

【請求項4】

前記循環工程は、前記ベンチェリ効果により前記電解液の循環が開始されるまでは、前記電解液は前記工具電極の内部に留まる請求項３に記載の電解加工方法。

【請求項5】

電解液を流通させて先端部から吐出させる第１内通孔と、前記電解液を前記先端部から吸引して流通させる第２内通孔とを備える電解加工用の工具電極と、
前記第２内通孔に接続された、前記電解液を吸引力のみを用いて循環させる吸引用ポンプと、
前記吸引用ポンプの圧力を検出する圧力検出部と、
前記電解液を吸引する圧力の変化に基づいて前記工具電極を工作物側へ送る駆動部と
を備える電解加工装置。

【請求項6】

前記第１内通孔の吐出口は、前記第２内通孔の吸引口よりも、前記先端部において周縁側に設けられている請求項５に記載の電解加工装置。

【請求項7】

前記先端部において前記吐出口より周縁側は内周側より工作物方向へ突出している請求項６に記載の電解加工装置。

【請求項8】

前記工具電極は、
前記第２内通孔を形成する内筒と、
前記内筒を挿通して前記内筒との間に前記第１内通孔を形成する外筒と
を備える請求項５から７のいずれか１項に記載の電解加工装置。

【請求項9】

前記先端部の一部である前記内筒の内筒先端部は、外筒方向へ伸延する鍔部を有する請求項８に記載の電解加工装置。

【請求項10】

鉛直方向とは異なる方向から前記工具電極を工作物へ接近させることができる移動機構を備える請求項５から９のいずれか１項に記載の電解加工装置。

【請求項11】

正電位のローレベル電圧を基準とするハイレベル電圧を工作物に印加するパルス印加制御を行う制御部を備える請求項５から１０のいずれか１項に記載の電解加工装置。

【請求項12】

前記ローレベル電圧は、前記ハイレベル電圧に対して１割以上３割未満の電圧である請求項１１に記載の電解加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電解加工方法、電解加工用の工具電極および電解加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

導電性の工作物と電極との間に電解液を噴射しつつ電解加工する電解加工装置が知られている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２００７−０６９３２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

これまでの電解加工装置は、工作物を広範囲に亘って電解液に浸漬させるので、加工対象となる領域以外においても加工が進んでしまい、加工精度の低下を免れなかった。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の第１の態様における電解加工方法は、工具電極を工作物へ接近させる接近工程と、工具電極の内部、工具電極の先端部と工作物の表面との間、工具電極の内部の順に電解液を循環させる循環工程と、電解液を介して工具電極と工作物との間に電流を流す通電工程とを有する。

【0005】

本発明の第２の態様における電解加工用の工具電極は、電解液を流通させて先端部から吐出させる第１内通孔と、電解液を先端部から吸引して流通させる第２内通孔とを備える。

【0006】

本発明の第３の態様における電解加工装置は、上記の工具電極が装着される電解加工装置であって、第２内通孔に接続された、電解液を吸引して循環させる吸引用ポンプを備える。

【0007】

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態に係る放電加工機を概念的に示す概念図である。

【図2】放電加工機に装着される工具電極と、加工対象である工作物の断面図である。

【図3】穴加工の各段階を示す、工具電極と工作物の断面図である。

【図4】穴加工中における極間距離と吸引圧力の関係を示す図である。

【図5】送り量と側面ギャップとの関係を示す図である。

【図6】穴加工の制御フロー図である。

【図7】平面加工への応用を説明する概念図である。

【図8】印加制御のバリエーションを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0010】

図１は、本実施形態に係る電解加工装置１０を概念的に示す概念図である。電解加工装置１０は、工具電極１００が装着されて、電解加工により加工対象である工作物２００に穴加工を施す装置である。なお、図示するように、工具電極１００の中心軸に沿って工作物２００から遠ざかる方向をｚ軸プラス方向とする。また、ｚ軸に直交する一方向をｘ軸、ｚ軸およびｘ軸共に直交する方向をｙ軸とする。以降のいくつかの図においては、図１の座標軸を基準として、それぞれの図の向きがわかるように座標軸を表示する。

【0011】

電解加工装置１０は、工作物２００を載置するステージ３００、ｚ軸方向へ進退可能に工具電極１００を保持するホルダー４００、電解液５５０を吸引するポンプ５００、電解液を介して工具電極１００と工作物２００の間に電流を流す電源６００および電解加工装置１０の全体を制御する制御ユニット７００を主に備える。制御ユニット７００は、ＣＰＵ７１０と操作パネル７２０を含む。ＣＰＵ７１０は、操作パネル７２０を介して入力された加工手順、加工条件等に従って加工制御を実行する。操作パネル７２０は、タッチパネルなどの入力部を備える表示装置であり、操作者からの入力を受け付けると共に、メニュー項目、加工進捗等の表示を行う。

【0012】

工具電極１００は、詳しくは後述するが、電解液５５０を供給する供給口１２０と、電解液５５０を回収する回収口１３０を備える金属製の工具電極である。電解液５５０は、工作物２００の加工予定位置２１０に対向する端面である先端部１１０から加工予定位置２１０へ向けて吐出され、再び先端部１１０から回収される。工具電極１００は、ホルダー４００に交換可能に装着される。具体的には、クランプによりホルダー４００に固定される。

【0013】

ホルダー４００は、ｚ軸方向に沿って固定された支柱４１０に軸支されており、ホルダー４００と一体的に設けられた駆動部４２０の駆動力により、支柱４１０を上下する。したがって、工具電極１００は、ホルダー４００の上下移動に伴って、工作物２００に対して進退する。特に、穴加工中は駆動部４２０がＣＰＵ７１０によって制御され、工具電極１００は、矢印４９０方向（ｚ軸マイナス方向）へ段階的に送られる。なお、駆動部４２０は、例えば、支柱４１０に噛み合うギア機構を含むモータによって構成される。

【0014】

ステージ３００は、チャック３１０により工作物２００を固定する載置台である。チャック３１０は、ｘｙ平面方向へ移動可能であり、工作物２００の表面に設定される加工予定位置２１０を、工具電極１００の先端部１１０の直下に配置することができる。

【0015】

ポンプ５００は、回収口１３０に接続された回収チューブ５６２を介して、電解液５５０を吸引する吸引ポンプである。回収された電解液５５０は、濾過装置５８０へ送られて不純物が濾過される。そして、濾過された電解液５５０は、濾過装置５８０に接続された還流チューブ５６３を介して、タンク５２０へ送られて貯蔵される。

【0016】

ポンプ５００は、例えば、ゲージ圧で最大吸引圧力が−５３ｋＰａ、最大吸引量が０．６Ｌ／ｍｉｎ程度の能力を有する。また、ポンプ５００は、圧力計５１０を備え、圧力計５１０は、電解液５５０の吸引圧力を出力する。ＣＰＵ７１０は、加工中においては圧力計５１０の出力を受け取って、電解液５５０の吸引圧力を監視する。

【0017】

タンク５２０は、電解液５５０を貯蔵する容器である。タンク５２０には供給チューブ５６１の一端が接続されており、供給チューブ５６１の他端は供給口１２０に接続されている。供給チューブ５６１は、電解加工装置１０の停止状態においても電解液５５０で満たされるように、タンク５２０と供給口１２０に接続されている。

【0018】

このように、電解液５５０の循環経路は、タンク５２０→供給チューブ５６１→工具電極１００（供給口１２０→先端部１１０→回収口１３０）→回収チューブ５６２→ポンプ５００→濾過装置５８０→還流チューブ５６３→（タンク５２０）として確立される。ここで、電解液５５０を循環させるポンプ５００は、上述の通り工具電極１００の回収口１３０に接続された吸引ポンプとして設けられており、本実施形態においては、供給口１２０に電解液５５０を押し出す送出用のポンプは接続されていない。電解液５５０が工具電極１００の先端部１１０を経て循環するメカニズムは、他の図を用いて後述する。なお、本実施形態においては、回収した電解液５５０を濾過してタンク５２０へ戻す構成であるが、タンク５２０が加工に必要な量の電解液５５０を貯蔵できるのであれば、電解液５５０をタンク５２０へ戻す構成でなくても良い。

【0019】

電源６００は、電力線６１０を介して工作物２００に正電圧を印加し、グランド線６２０を介して工具電極１００を接地電位に保つ。なお、電力線６１０は、直接的に工作物２００に接続されていても、チャック３１０などを介して工作物２００に接続されていても良い。同様に、グランド線６２０は、直接的に工具電極１００に接続されていても、ホルダー４００などを介して工具電極１００に接続されていても良い。

【0020】

電源６００の通電のオン、オフおよび通電量はＣＰＵ７１０の制御信号により制御される。ＣＰＵ７１０は、例えば加工中のパルス電流の値が一定になる定電流モードにより電源６００の通電を制御する。パルス電流は、例えば、ハイレベルの電流値が１５Ａ、ローレベルの電流値が０Ａ、パルス幅が５ｍｓｅｃ、パルス周期が５０ｍｓｅｃと設定される。

【0021】

図２は、電解加工装置１０に装着される工具電極１００と、加工対象である工作物２００の断面図である。本実施形態に係る工具電極１００は、二重円筒構造であり、その胴部をホルダー４００によって保持されている。

【0022】

より具体的には、外筒１４０と内筒１５０の２つの筒がｚ軸方向を中心軸として同心状に入れ子に嵌め込まれている。外筒１４０の上部の内径と内筒１５０の上部の外径とはほぼ等しく、互いに嵌合している。外筒１４０は、当該上部以外においては、先端部１１０まで当該上部よりも内径が大きく形成されている。当該上部の下端側の境界部には、Ｏリング１６０が嵌め込まれており、外筒１４０と内筒１５０を互いに固定している。

【0023】

例えば、外筒１４０の外径は１０ｍｍであり、上記上部以外の内径は８ｍｍである。同様に、内筒１５０の外径は５ｍｍであり、内径は３ｍｍである。なお、図においては、説明の観点からこの比率とは異なる比率で示している。

【0024】

このように二重円筒構造を採用することにより、外筒１４０の内面と内筒１５０の外面との間の空間である第１内通孔１２１と、内筒１５０の内面から中心軸側の空間である第２内通孔１３１とが形成される。第１内通孔１２１は、工具電極１００の上方において、電解液５５０を導入する供給口１２０と連通している。第２内通孔１３１は、工具電極１００の上端において、電解液５５０を排出する回収口１３０と連通している。

【0025】

第１内通孔１２１は、先端部１１０側で開口されており、開口部は電解液５５０を加工予定位置２１０へ吐出する吐出口１７１として機能する。第２内通孔１３１も、先端部１１０側で開口されており、開口部は電解液５５０を吸引する吸引口１７２として機能する。このような構造においては、第１内通孔１２１の吐出口１７１は、第２内通孔１３１の吸引口１７２よりも、先端部１１０において周縁側に設けられることになる。

【0026】

図示するように、先端部１１０は、外筒１４０の先端部である外筒先端部１４１と、内筒１５０の先端部である内筒先端部１５１とから構成される。外筒先端部１４１は、内径が先端へ向かって徐々に大きくなるような、先細となるテーパを有する。内筒先端部１５１は、外筒１４０方向へ伸延する鍔部として形成される。鍔部は、工作物２００の表面である加工予定位置２１０に対向する面においては平面であるが、外筒１４０方向へ向かって徐々に肉薄となるテーパを有する。本実施形態において、鍔部の外径は９ｍｍである。このような、外筒先端部１４１のテーパと内筒先端部１５１のテーパにより、吐出口１７１は、第１内通孔１２１の流路断面よりも狭い開口となり、また、鉛直方向よりも若干周縁方向へ傾斜して形成される。

【0027】

内筒先端部１５１がこのような幅広な鍔部として形成されることにより、内筒先端部１５１は、加工予定位置２１０との間で電流を流す実効的な電極として機能する。したがって、少なくとも内筒１５０が導電体であれば、外筒１４０が絶縁体であっても穴加工を行うことができる。内筒１５０には、工作物２００の素材に応じて様々な導電体を採用し得るが、例えば工作物２００がステンレス鋼で場合、黄銅を用いることができる。なお、本実施形態においては、工作物２００は、ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４であり、外筒１４０、内筒１５０共に黄銅を用いるものとして説明する。また、電解液５５０は、工具電極１００および工作物２００の素材に応じて適宜選択される。例えば、本実施形態においては、ＮａＮＯ_３の１０重量％溶液を用いる。

【0028】

外筒先端部１４１は、内筒先端部１５１よりも、工作物２００側へ突出している。電解加工においては、工具電極１００と工作物２００とを接触させない。加工時において、工作物２００の表面に対する外筒先端部１４１のクリアランスをｃとする。また、内筒先端部１５１と工作物２００の表面との距離である極間距離をｇ_ｗとする。すると、外筒先端部１４１の内筒先端部１５１に対する突出量は、ｇ_ｗ−ｃとなる。本実施形態においては、突出量は５０μｍである。

【0029】

このような断面構造において、先端部１１０が工作物２００の表面に十分接近し、電解液５５０がポンプ５００により吸引されて循環している状況における流路について説明する。

【0030】

電解液５５０は、供給口１２０から第１内通孔１２１へ導入され、第１内通孔１２１を通過して吐出口１７１へ到達する。そして、電解液５５０は、ポンプ５００の吸引力により吐出口１７１から吐出される。吸引圧力は中心軸方向である吸引口１７２側から作用し、また、外筒先端部１４１が工作物２００の表面側へ突出して外部に漏れにくい構造であることから、ほぼ全量の電解液５５０が吸引口１７２へ向かって流動する。すなわち、電解液５５０は、内筒先端部１５１と工作物２００の表面との間に形成される極間空間を充填するように吸引口１７２へ移動する。吸引口１７２から再び工具電極１００の内部に取り込まれた電解液５５０は、第２内通孔１３１を通過して回収口１３０へ到達して外部へ排出される。

【0031】

さらに、電解液５５０が工具電極１００の先端部１１０を経て循環するメカニズムについて、図３を用いて、穴加工の各段階を追いつつ詳述する。図３は、穴加工の各段階を示す、工具電極１００と工作物２００の断面図である。

【0032】

図３（ａ）は、工具電極１００の先端部１１０を徐々に工作物２００の表面へ近づけている段階の様子を示す図である。この段階では、先端部１１０が工作物２００の表面から大きく離間しているので、ポンプ５００が吸引しても吸引口１７２からは空気が取り込まれるのみであり、したがって、電解液５５０は第２内通孔１３１へは導かれない。一方、タンク５２０と接続されている第１内通孔１２１は、電解液５５０で満たされている。ここで、上述のように吐出口１７１は第１内通孔１２１の流路断面よりも狭く、また、供給口１２０には送出用のポンプは接続されていないので、電解液５５０は、吐出口１７１における表面張力により第１内通孔１２１に留まり、吐出口１７１から滴下しない。なお、本実施形態においては、表面張力により電解液５５０を第１内通孔に留めるが、電解液５５０が滴下しない構成はこれに限らない。例えば、圧力差により開閉する弁を吐出口１７１近傍に設けて滴下を防ぐことができる。また、供給口１２０の高さとタンク５２０の液面の高さを調整することによっても、吐出口１７１の圧力差により滴下を防ぐことができる。

【0033】

図３（ｂ）は、工具電極１００の先端部１１０が工作物２００の表面へ十分近づき、電解液５５０が循環し始めた段階の様子を示す図である。実質的には図２の先端部の様子と同様である。先端部１１０を徐々に工作物２００の表面へ近づけると、内筒先端部１５１と工作物２００の表面によって形成される極間空間である流路の断面積が狭められ、吸引口１７２から取り込まれる空気の流速が増加する。すると、ベンチェリ効果により極間空間の圧力が低下する。極間空間と第１内通孔１２１の圧力差が閾値を超えると、それまで第１内通孔に留まっていた電解液５５０が、吐出口１７１から吹き出し、極間空間を満たしつつ吸引口１７２へ向かって流動する。そして、吸引圧力により吸引口１７２から吸い上げられ、第２内通孔１３１を遡る。このようにして電解液５５０の循環が開始され、先端部１１０と工作物２００の表面との間が一定の間隔未満であれば、循環が継続される。

【0034】

吐出口１７１は、吸引口１７２よりも周縁側に設けられているので、電解液５５０は、工具電極１００の中心軸方向へ向かって流れる。したがって、周縁方向へ向かって流すよりも、電解液５５０が先端部１１０より外側へ漏れ出すことを大幅に低減できる。すなわち、電解液５５０を加工領域に限定して循環させることができる。また、極間空間の流路断面ｇ_ｗよりも、工作物２００の表面に対する外筒先端部１４１のクリアランスｃを小さくしているので、電解液５５０の漏出を防ぐと共に、電解液５５０の循環中における空気の流入を低減することもできる。

【0035】

電解液５５０の循環が開始された後に、電源６００による通電を開始する。通電を開始すると電解反応が進み、先端部１１０の形状に応じた穴が徐々に形成される。穴が成長すると極間距離ｇｗが広がるので、穴の成長に応じて工具電極１００を矢印方向（ｚ軸マイナス方向）へ段階的に送る。

【0036】

なお、本実施形態においては、供給口１２０には送出用のポンプを接続しないが、ポンプ５００と協調的に動作する送出用ポンプを供給チューブ５６１に介在させても良い。上述のようにベンチェリ効果は極間空間と第１内通孔１２１の圧力差が閾値を超えたときに生じるが、送出用ポンプを補助的に作動させ、第１内通孔１２１の圧力を一時的に高めることにより、電解液５５０の吹き出しを促すことができる。このような構成を採用すれば、粘度の高い電解液、粒状物が混在する電解液などに対しても有効にベンチェリ効果を生じさせることができる。

【0037】

図３（ｃ）は、穴加工が加工深さｆまで進んだ様子を示す図である。本実施形態においては対象とする加工領域に限定的に電解液５５０を供給することができるので、図示するように、工具電極１００の先端形状がほぼ穴形状として転写されるように加工が進行する。すなわち、対象とする加工領域以外では加工が進行することなく、精度の高い加工を実現することができる。換言すると、工具電極１００の側面と加工によって形成された穴の内面との間隔である側面ギャップｇ_ｓを小さくすることができる。

【0038】

ここで、従来の電解加工装置による加工方法との違いについて説明する。従来の電解加工装置は、電解液槽を満たす電解液に沈められた工作物に対して、少なくとも工具電極先端を電解液に浸して工作物に接近させて、工作物と工具電極の間に電流を流していた。このような構成を採用した場合、電解液中において、工具電極と工作物の加工対象領域（工具電極先端との対向領域）以外の領域との間にも電流経路が生じてしまい、結果的に加工対象領域以外も加工が進んでしまっていた。つまり、電解液が加工領域以外にも存在することが漂流電流を発生させる原因となって、加工精度の低下を招いていた。また、このような構成の場合、大型の電解液槽が必要となるので、大量の電解液を消費し、環境汚染の観点からも好ましくなかった。

【0039】

また、別の従来の電解加工装置によれば、電解液を工作物に直噴させることにより、生成する不純物の除去を行い、加工速度の向上を実現する。しかし、対象とする加工領域に限定して電解液を供給するのではないので、加工精度の向上はわずかであり、やはり大量の電解液を消費することには変わりがなかった。

【0040】

穴加工ではなく、例えば、鏡面加工を行うような場合は、工具電極の先端部に対向する領域のみが対象加工領域ではなく、平面方向へ電解液が流出しても良いので、電解液を工具電極の中心軸から噴射させるような構成であっても加工精度上の問題は少ない。しかし、精度良く穴加工を実現するためには、対象加工領域に限定して電解液を行き渡らせること、換言すれば、対象加工領域以外の領域は電解液に浸されないことが重要である。この観点において、電解加工機は、電解液を対象加工領域に吐出すると共に、対象加工領域から漏出させること無く確実に回収することが要求される。本実施形態における電解加工装置１０は、これらの要求を満たして加工精度が優れると共に、少量の電解液で加工を行えるという利点を有する。

【0041】

次に、穴加工中における極間距離と吸引圧力の関係について説明する。図４は、穴加工中における極間距離と吸引圧力の関係を示す図である。図において、横軸は内筒先端部１５１と工作物２００の表面との距離である極間距離（μｍ）を表し、縦軸は圧力計５１０が示す吸引圧力（ｋＰａ）を表す。各曲線は、凡例で示すように、工作物２００の表面に対して先端部１１０が加工穴方向へどれだけ送られているかを示す送り量ごとの、極間距離に対する吸引圧力の関係を表す。

【0042】

図からも明らかなように、一旦加工が進行すると、極間距離と吸引圧力の関係は、送り量の多寡によらず互いにおおよそ一致している。特に送り量が３００μｍを超えると、互いの一致度が高い。また、極間距離がおよそ１００μｍ未満の領域においては、全体的に極間距離の変化に対する吸引圧力の変化量が大きい。特に送り量が３００μｍを超えると、この傾向が強いと言える。

【0043】

この実験結果から、吸引圧力を監視すれば、極間距離が推定できることがわかる。そこで、本実施形態において、電解加工装置１０は、ＣＰＵ７１０が監視する圧力計５１０の吸引圧力が予め定められた閾値を超えたら工具電極１００を一定量送る動作を繰り返して、目標深さの加工穴を形成する。吸引圧力の閾値は、例えば、極間距離の変化に対する吸引圧力の変化量が大きい領域と小さい領域の境界値であるおよそ１００μｍに対応する−１２ｋＰａとする。また、送り量は、極間距離よりも小さい量であれば良いが、安全幅を考慮してここでは１０μｍとする。

【0044】

工具電極１００を送った直後は極間距離が約９０μｍとなるので、吸引圧力は一旦下がる。そして、しばらくすると加工が進んで再び極間距離が開き、−１２ｋＰａよりも大きな吸引圧力となる。そうしたら、再び工具電極１００を１０μｍ送る。このような動作を繰り返して穴の深さｆを目標値に到達させる。

【0045】

従来の電解加工装置においては、極間距離の測定が困難であり、多くの場合は経験則に基づいて単位時間当たりの工具電極の送り量を決定していた。しかし、実際の極間距離に基づく送り制御ではないので、加工速度にむらが生じたり、加工形状が安定しなかったりしていた。しかし、本実施形態のように、極間距離と相関を持つ吸引圧力を監視して工具電極を送る制御は、いわゆるフィードバック制御であり、このような制御によれば、最適な加工速度と、安定した加工形状を得ることができる。なお、上述の応用例のように、補助的に送出用ポンプを備える場合であっても、吸引圧力を監視する段階において送出用ポンプを停止させれば、同様にフィードバック制御を実行することができる。また、本実施形態によれば、工具電極１００の先端部１１０で電解液５５０を循環させるが、このような形態に限らず、例えば電解液槽の電解液に工具電極先端を浸して加工する形態の装置であっても、工具電極先端から吸引する電解液の圧力を監視することにより、極間距離の推定によるフィードバック制御を同様に行うことができる。

【0046】

次に、工具電極１００の送り量と側面ギャップとの関係を説明する。図５は、送り量と側面ギャップとの関係を示す図である。横軸は工具電極１００の送り量（μｍ）を表し、縦軸は側面ギャップ（μｍ）を表す。

【0047】

図示する通り、少なくとも３００μｍ以上の工具電極送りを行えば、その後は工具電極側面で加工が進行しないことが実験により明らかになった。この実験データの場合、側面ギャップは約２２０μｍで安定しており、従来の電解加工装置による側面ギャップに比べて非常に小さい値である。

【0048】

工作物と工具電極を電解液に浸す加工装置であれば、側面ギャップにも電解液が浸入するので、側面方向にも電流が流れ、送り量が大きくなればなるほど側面方向への加工も進む。その結果、穴の内面は先端部側を頂角側とする円錐台形状になってしまう。しかし、本実施形態における電解加工装置１０によって加工された穴の内面は、工具電極との側面ギャップが一定値で安定している、すなわち予定した円柱面が実現されている。したがって、本実施形態における電解加工装置１０によれば、二次元的のみならず、三次元的にも精度の高い加工を実現することができる。

【0049】

次に、ＣＰＵ７１０の制御について説明する。図６は、穴加工の制御フロー図である。フローは、工具電極１００がホルダー４００に装着され、電解加工装置１０が起動した時点から開始する。

【0050】

ＣＰＵ７１０は、ステップＳ１０１で、ポンプ５００を始動させ、吸引を開始する。この時点では、図３（ａ）の段階であり、第２内通孔１３１を介して空気が吸い込まれる。

【0051】

ステップＳ１０２へ進み、ＣＰＵ７１０は、駆動部４２０を駆動して、工具電極１００を徐々に工作物２００へ接近させる。ステップＳ１０３では、ＣＰＵ７１０は、圧力計５１０の出力値を受け取り、当該出力値が電解液５５０の循環時における圧力範囲に含まれるか否かを判断することにより、電解液５５０の循環が開始されたか否かを判断する。なお、工具電極１００の先端部１１０が工作物２００の加工予定位置２１０へ接近することにより、電解液５５０が自ら循環を開始するメカニズムは、図３（ｂ）を用いて説明した通りである。電解液５５０の循環がまだ開始されていないと判断した場合は、ステップＳ１０２へ戻る。

【0052】

電解液５５０の循環が開始されたと判断したら、ＣＰＵ７１０は、ステップＳ１０４で、電源６００に工具電極１００と工作物２００の間の通電を開始させる。工作物２００は、この時点から電解反応が始まり、穴の生成が進行する。

【0053】

ＣＰＵ７１０は、圧力計５１０の出力値Ｐ_ｔを継続的に受け取ることにより、穴加工中の吸引圧力を監視する。ステップＳ１０５では、ＣＰＵ７１０は、吸引圧力としての出力値Ｐ_ｔが予め定められた閾値Ｐ_０（図４を用いて説明した例では−１２ｋＰａ）を超えたか否かを判断する。超えていないと判断した場合には、ステップＳ１０５を定期的に繰り返す。

【0054】

超えたと判断した場合には、ＣＰＵ７１０は、ステップＳ１０６で、工具電極１００のそれまでの送り量を積算して、目標深さに到達したか否かを判断する。目標深さに到達していないと判断した場合には、ステップＳ１０７へ進み、工具電極１００を予め定められた距離であるＤ_０（図４を用いて説明した例では１０μｍ）分だけ送る。そして、ステップＳ１０５へ戻る。ステップＳ１０５からステップＳ１０７を繰り返すことにより、加工穴が深くなる。このように、ＣＰＵ７１０と駆動部４２０は、工具電極１００と工作物２００の距離を調整する調整部として機能する。

【0055】

ステップＳ１０６で目標深さに到達したと判断したら、ステップＳ１０８へ進み、ＣＰＵ７１０は、電源６００による通電を停止させる。そして、ステップＳ１０９へ進み、駆動部４２０を駆動して、工具電極１００を工作物２００から退避させる。すると、退避過程において電解液５５０の循環が自ずと停止するので、その後ステップＳ１１０で、ポンプ５００の吸引を停止させ、一連の穴加工を終了する。

【0056】

以上においては穴加工について説明してきたが、電解加工装置を、穴加工以外の加工に応用することもできる。図７は、平面加工への応用を説明する概念図である。

【0057】

図７（ａ）で示すように、工作物２２０の表面にＮ字形状の凹部を形成する場合について説明する。電解加工装置は、工具電極１００をｘｙ平面方向へ移動させる駆動部を備え、目標深さに応じて工具電極１００をＮ字に沿って何度か掃引させる。このとき、図７（ｂ）に示すように、一度の掃引において進行させる加工深さｓは、極間距離ｇ_ｗよりも小さく留める。ｓ＜ｇ_ｗであれば、矢印方向へ工具電極１００を移動させることができるので、掃引を繰り返すことにより徐々に深さを大きくすることができ、目標深さのＮ字形状の凹部を工作物２２０の表面に形成することができる。

【0058】

次に、印加電圧のバリエーションについて説明する。上述の各例においては、工具電極を接地電位に保って、工作物に正電位を印加するパルス印加制御を行っていた。しかし、印加制御はこれに限らない。

【0059】

パルス印加制御を行えば、加工精度が向上することが知られているが、工作物の電位を０ボルトと＋Ｖボルトの間でオンとオフを繰り返すと、パルスの立ち下がり時のオーバーシュートにより瞬間的に負電位となる場合がある。パルス印加制御にいては、オンとオフが短時間の間に何度も繰り返されるので、負電位となる累積時間が大きくなり、結果的に工具電極の溶解を招く。つまり、０ボルトを基準としてパルス印加制御を行うと、工具が消耗する場合があった。これまでは、工具電極の消耗を回避したい場合には、パルス印加制御では無く、直流印加制御が行われてきた。

【0060】

本実施形態における、印加制御のバリエーションについて説明する。図８は、印加制御のバリエーションを示す図である。ＣＰＵ７１０は、工作物の基準電圧を少し持ち上げて、正電位のオフセット電圧を与えるように制御することができる。つまり、接地された工具電極に対して工作物にオフセット電圧を与えることにより、加工中における工作物の電位を０Ｖ以下に降下させない。パルス電圧は、このオフセット電圧を基準としてより高い電圧を設定する。この場合、図示するように、ハイレベル電圧をＶ_ＨＩとし、ローレベル電圧（オフセット電圧）をＶ_ＬＯとし、Ｘ_ｐパルスごとに一定の停止時間を設ける。この場合、停止時間もローレベル電圧を与える。具体的には、Ｖ_ＨＩを１０Ｖ程度に設定する場合、Ｖ_ＬＯはＶ_ＨＩの１割から３割程度の範囲である例えば２Ｖ程度にすれば良いことが実験的にわかった。このように、同極側にオフセット電圧を設ければ、パルスの立ち下がり時に電位が反転する恐れが軽減され、よって工具電極の消耗を回避できる。

【0061】

また、一定の停止時間の間に工具電極を振動させれば、工具電極に付着する不純物を除去したり、電解液を攪拌したりすることができる。具体的には、工具電極に貼着した圧電素子をＣＰＵ７１０によって制御すれば、工具電極を当該停止時間に同期させて振動させることができる。

【0062】

以上説明した本実施形態においては、二重円筒構造の工具電極１００を説明したが、工具電極の構造は、２つの円筒を組み合わせるものに限らない。金属棒に対して第１内通孔と第２内通孔をドリル加工により形成しても良い。この場合、第１内通孔の吐出口は、第２内通孔の吸引口よりも、先端部において周縁側に設けることが好ましい。また、工具電極は円柱形状に限らず、さまざまな形状を採用し得る。例えば四角柱形状の工具電極を用いれば、丸穴ではなく、角穴を工作物に形成することができる。

【0063】

また、本実施形態における工具電極１００によれば、電解液を対象加工領域に限定して循環させることができるので、従来の電解加工装置とは異なり、容易に三次元加工に応用することができる。例えば、工具電極を保持するホルダーがロボットハンドのように、固定された工作物に対して工具電極の先端部を鉛直方向とは異なるさまざまな方向からも接近させることができる移動機構を備えれば、加工進行方向は鉛直方向に限定されない。すなわち、このような移動機構を備える電解加工装置は、工作物を三次元的に加工することができる。

【0064】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【0065】

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

【符号の説明】

【0066】

１０ 電解加工装置、１００ 工具電極、１１０ 先端部、１２０ 供給口、１２１ 第１内通孔、１３０ 回収口、１３１ 第２内通孔、１４０ 外筒、１４１ 外筒先端部、１５０ 内筒、１５１ 内筒先端部、１６０ Ｏリング、１７１ 吐出口、１７２ 吸引口、２００ 工作物、２１０ 加工予定位置、２２０ 工作物、３００ ステージ、３１０ チャック、４００ ホルダー、４１０ 支柱、４２０ 駆動部、４９０ 矢印、５００ ポンプ、５１０ 圧力計、５２０ タンク、５６１ 供給チューブ、５６２ 回収チューブ、５６３ 還流チューブ、５８０ 濾過装置、６００ 電源、６１０ 電力線、６２０ グランド線、７００ 制御ユニット、７１０ ＣＰＵ、７２０ 操作パネル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】