JP4390581B2 - ワイヤ放電加工用電極線 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤ放電加工用電極線に関する。
特にワイヤと切削物の間で放電を起こさせ切削物を溶融切断する速度が速く、従来の高速電極線に比較して生産性が高く、リサイクル性の良いワイヤ放電加工用電極線に関する。

ワイヤ放電加工とは、ワイヤ放電加工用電極線と切削物との間で放電現象を起こさせ、切削物を溶融切断する加工方法である。
この種の加工方法は、糸のこ式に加工することができるので、特に複雑な形状の加工に適した加工方法である。
ワイヤ放電加工用電極線には、放電加工コストを抑える事ができるように高速加工が可能で、かつ安価な電極線が望まれる。
また、使い勝手と言う面からは、無人加工に対応できうるような自動結線ができる電極線や、断線等の発生を抑えた電極線も望まれる。
従来この種の電極線には、亜鉛３５〜４０％を含有する銅と亜鉛の二元系合金からなる電極線が広く一般的に使用されてきた。
しかし、亜鉛３５〜４０％、を含有する銅と亜鉛の二元系合金からなる電極線は比較的安価であるが、切削物を溶融切断する加工速度と特性面からは高速であるとは言えなかった。
そこで、例えば、図４に示すような中心銅合金の外側に放電性が良好になる目的で設けた高亜鉛黄銅層を施した二層構造の電極線が、高速加工性を追求した電極線として製品化されている。
また、より高速化を図る目的で、さらに最外層に亜鉛を施した図５に示すような三層構造の電極線も公知である。
しかし、多層構造からなる電極線は被覆層の高亜鉛化により放電加工速度が向上するが、構造が単純ではないため電極線の製造コストが非常に高くなる問題がある。

特許第３３０３２９６号公報には、構造が単純な単層構造で高亜鉛化を狙った技術が開示されている。
しかし、上記公報の［課題を解決するための手段および発明の作用効果］の欄に「Ｚｎの含有量を増加させた場合には放電加工特性は向上するが、β相が生じるため、従来同様の加工方法では、細線への加工が困難になるという問題を生じる。」と明記されているとおり、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｉなどの第３元素を添加しなければ、伸線加工が実質的にできなかった。
しかし、第３元素等の添加はコストアップ要因となるだけでなく、電極線廃材の観点からするとリサイクル性に問題が生じる。

特許第３３０３２９６号公報

本発明は、電極線と被放電加工物の間で溶融切断する放電加工速度が向上し、かつ、従来の高速電極線の生産性よりも優れ、廃材リサイクル性の良いワイヤ放電加工用電極線を提供することを目的とする。

一般に、銅と亜鉛の２元系合金において、亜鉛含有量が高くなればなるほど溶融切断する放電加工速度が速くなると言われている。
しかし、亜鉛濃度が４０％を越えてしまうと伸線加工性が極端に悪くなり伸線加工が困難となってしまうことは先に述べたとおりである。
これは銅と亜鉛の２元合金の場合、亜鉛含有率が４０％以下では面心立方格子であるα単相であるが、それを越えると体心立方格子であるβ’相の析出が始まりその析出量が伸線可能域を超えると断線してしまう為であるとされている。
本発明者らは、亜鉛含有率を４０％以上に高くしても、β’相の析出量を抑えつつ、段階的に冷間伸線と焼鈍を繰り返し、最終電極線の結晶構造を制御することで本発明に至ったものである。

具体的には、銅と亜鉛の二元合金からなるワイヤ放電加工用電極線の製造方法において、銅と亜鉛とを平均亜鉛含有率が４１〜４４％（４１％を除く）の範囲になるように配合鋳造した合金を用いて丸棒に熱間押出し、次に約φ０．９ｍｍの線径の段階で引張強さ５００〜６５０ＭＰａ、伸び１５〜３０％の範囲に入るように冷間伸線と焼鈍を段階的に繰り返し実施し、その後に連続伸線機を用いてφ０．２５〜０．３０ｍｍの最終線径に冷間伸線し、次に引張強さが７００〜９００ＭＰａの範囲になるように焼鈍することで、最終線径の電極線にした製品の結晶構造をα相とβ’相との交互均一配置にしたことを特徴とする。
最終線径をφ０．２５〜０．３０ｍｍ程度の電極線にまで伸線加工する場合には、途中の約φ０．９ｍｍの線径の段階での引張強さが５００〜６５０ＭＰａで、伸びの範囲が１５〜３０％に入るように冷間伸線と焼鈍を段階的に実施し、さらに最終線径に冷間伸線した後に電極線の引張り強度を７００〜１０４０ＭＰａの範囲に入るように焼鈍すると、α相とβ’相との交互配置になる。
特に、引張強度が７００〜９００ＭＰａである電極線は、放電加工速度面で優れている。

ここで、銅と亜鉛の二元系合金は単位体積あたりの平均亜鉛含有率が４１〜４４％（４１％を除く）の範囲であることが望ましい。
平均亜鉛含有率４１〜４４％（４１％を除く）としたのは、４１％以下だと放電加工速度の向上が期待できないためであり、４４％を超えると結晶構造の制御が困難だからである。
また平均亜鉛含有率としたのは、本発明の電極線は、α相とβ’相との交互均一配置であるため、図７にＥＰＭＡ分析チャート例を示すように、部分的にはもっと含有率の高い部分と低い部分からなりたっている。それゆえ一概に亜鉛含有率とは表現できないため平均亜鉛含有率とした。

本発明に係るワイヤ放電加工用電極線は、最終製品である電極線の結晶構造を制御したことにより、その評価結果を後述するが、ワイヤ（電極線）と被放電加工物の間で放電を起こさせ溶融切断する加工速度が向上する。
高亜鉛と銅との二元系合金であっても、結晶（β’相）の成長及び分散を抑えながら段階的に伸線加工と焼鈍を実施したことにより、従来の高速電極線よりも生産性が高く、電極線廃材のリサイクル性も良く、その工業的価値は非常に大きい。

以下本発明のワイヤ放電加工用電極線の製造方法について詳細に説明する。
本発明のワイヤ放電加工用電極線は、単位体積あたりの平均亜鉛含有率が４１〜４４％（４１％を除く）である、銅と亜鉛の二元系合金からなり、最終製品（電極線）の結晶構造がα相とβ’相との交互均一配置である。

以下本発明のワイヤ放電加工用電極線について実施例につき具体的に説明する。
銅及び亜鉛インゴッットを溶解し、単位体積あたりの平均亜鉛含有率が４２.５％になるように合金を作成する。
この銅亜鉛合金を結晶の成長を考慮しつつ熱間押出、ついでβ’相の析出量と不均一な分散を抑えつつ段階的に冷間伸線と焼鈍を繰り返し、φ０.９ｍｍの合金線を製造する。
この合金線をスリップ型連続伸線機を使用しφ０.２５ｍｍおよび０．３０ｍｍまで冷間伸線する。
ついで最終電気焼鈍をおこない表１記載の本発明電極線および比較電極線を製造した。
表１に記載の本発明電極線は、最終線径をφ０．２５〜０．３０ｍｍ程度の電極線にまで伸線加工する場合の例であり、途中の約φ０．９ｍｍの線径の段階での引張強さが５００〜６５０ＭＰａで、伸びの範囲が１５〜３０％に入るように冷間伸線と焼鈍を段階的に実施し、最終製品になる最終線径にて引張り強度が７００〜１０４０ＭＰａ範囲に入るように焼鈍をしたものであり、結晶構造がα相とβ’相との交互均一配置になった。
これに対して、表１に記載の比較電極線は、引張り強度が７００ＭＰａ未満あるいは１０４０ＭＰａを超えるように焼鈍したものである。

銅及び亜鉛インゴッットを溶解し、単位体積あたりの平均亜鉛含有率が４３.０％および４２．０％になるよう合金を作成する。以下実施例１と同様にφ０.２５ｍｍの本発明電極線を製造した。

こうして得られた実施例１、実施例２、比較例１および従来電極としてＺｎ３７％を含有するα単層の電極線をワイヤ放電加工機（三菱電機製ＲＡ９０ＡＴ）にセットし、厚さ５０ｍｍのダイス鋼（ＳＫＤ−１１）を標準的な設定条件で加工した時の加工速度を計測した。
また、あわせて引張試験機により引張強度も計測した。

表１は、本発明および比較電極線の狙いのＺｎ濃度、従来電極を１００％としたときの速度比、引張強度、それに加えワイヤ評価として速度効果の程度、外観品質、コスト性、リサイクル性の４項目で評価した結果を記載した表である。
表中速度比は値が大きくなるほど早い事になり、ワイヤ評価の記号としては４段階で示し良い方から順に◎、○、△、×の順である。（判定基準は表下に記載）
速度効果指標 ◎：速度比110以上 ○：速度比107〜109 △：速度比101〜107 ×：速度向上なし
外観品質指標 ◎：外観、品質上欠点なし ○軽微な欠陥があるものの使用上問題ないレベル
△：欠陥があり一部の用途で使用不可 ×使用出来るレベルではない
コスト指標 ◎：非常に安価 ○：比較的安価 △：やや高価 ×非常に高価
リサイクル性指標 ◎銅-亜鉛以外の金属を含まず使用後のリサイクル性に優れている。
○銅-亜鉛以外に微量の他元素がある程度で制約付きながらリサイ クル可能
△リサイクルのためには、多大な費用または手間が必要
×リサイクル不可

次に電極線を透明な樹脂中に埋め込み、樹脂が硬化した後丁寧に研磨し、アンモニア水溶液でエッチングした後金属顕微鏡で結晶状態を観察した。
本発明に係る電極線の結晶構造は図１に示すＡタイプの結晶状態を有し、白く見える部分がα相で黒く見える部分がβ’相である。
β’相が微細化され、α相とβ’相との交互均一配置になっているのが分かる。
表１に示す比較電極線は、引張強度が７００ＭＰａ未満又は引張強度が１０４０ＭＰａを超える電極線であり、図２で示すＢタイプの結晶状態を有することがわかった。
黒く見える部分がβ’相で、図１のＡタイプより結晶の大きさが大きく、α相に対して不均一に分散しているのが分かる。
なお、参考に、亜鉛含有量が３７％の従来の電極線の結晶構造例を図３に示す。
α相単独の結晶構造になっているのが分かる。

次に本発明に係る電極線の平均平均亜鉛含有率をＩＣＰ法にて測定した。その結果狙い値との差は±0.1％以内であることが確認された。

以上実施例の説明は、電気焼鈍機による説明を行ってきたが、これにこだわるものではなく、電気焼鈍でなくてもかまわない。
要は、製品線径の結晶構造がα相とβ’相との交互均一配置になるようにそれまでの伸線加工と焼鈍を制御することにある。

Ａタイプ結晶構造例を示す。 Ｂタイプ結晶構造例を示す。 従来の電極線結晶構造例を示す。 従来の二層構造高速電極線構造例を示す。 従来の三層構造高速電極線構造例を示す。 本発明に係る電極線例を示す。 本発明に係る電極線のＥＰＭＡ分析チャート例を示す。 従来の電極線のＥＰＭＡ分析チャート例を示す。

Claims (1)

1. 銅と亜鉛の二元合金からなるワイヤ放電加工用電極線の製造方法において、銅と亜鉛とを平均亜鉛含有率が４１〜４４％（４１％を除く）の範囲になるように配合鋳造した合金を用いて丸棒に熱間押出し、次に約φ０．９ｍｍの線径の段階で引張強さ５００〜６５０ＭＰａ、伸び１５〜３０％の範囲に入るように冷間伸線と焼鈍を段階的に繰り返し実施し、その後に連続伸線機を用いてφ０．２５〜０．３０ｍｍの最終線径に冷間伸線し、次に引張強さが７００〜９００ＭＰａの範囲になるように焼鈍することで、最終線径の電極線にした製品の結晶構造をα相とβ’相との交互均一配置にしたことを特徴とするワイヤ放電加工用電極線の製造方法。