微細放電加工の高精度化のための加工条件*

* 平成 22～24 年度 基盤的・先導的技術研究開発事業、中東北 3 県公設試技術連携推進会議（共同研究）

** ものづくり基盤技術第２部（現 素形材技術部）

*** 岩手大学工学部

微細放電加工の高精度化のための加工条件

^*

（精度重視と能率重視の目的に応じた加工条件の探索）

和合 健

^**

、浅沼 拓雄

^**

、下河邉 秀行

^***

形彫放電加工機を用いて φ0.25mmの小径針に φ0.1mm程度の多数個微細穴を開 ける場合について、精度重視と能率重視の目的に応じた加工条件を探索した。その 結果、目的に応じた入出力関係を設定して直交表実験を行うことで目的に応じた加 工条件を求めることができ、能率重視では精度重視に比較して加工時間が1／3に短 縮できた。

キーワード：細穴放電加工、加工精度、加工能率、入出力関係

Conditions for Highly Accurate Microprocessing with Electrical Discharge Machining

(Method to determine conditions to assure accuracy and efficiency as a function of target) Takeshi Wago, Takuo Asanuma and Hideyuki Shimokoube

This study proposes a method to determine the requisite conditions as a function of target to obtain accurate and efficient microprocessing. The target in this study consists of a 0.25-mm-diameter needle in which numerous 0.1-mm-diameter holes are fabricated by sinking electrical discharge machining. By defining input–output relations according to the purpose and conducting orthogonal-array experiments, suitable processing conditions are obtained. When using conditions for efficiency, the processing time was decreased by 67%

compared with that obtained when using conditions for accuracy.

key words : sinking electrical discharge machining of minute hole, processing accuracy, processing efficiency, input-output relations

1 緒 言

放電加工は加工用電極と加工物の間、所謂、極間に起 こさせた放電の作用で、加工物表面層を除去する加工法 で、高周波パルス電源により極間に連続的に電圧および 電流を流す。トランジスタ電源の場合では、この際のピ ーク電流値とパルス幅が放電エネルギーの大きさを決定 し、単発放電終了後から次の単発放電発生までの休止時 間とともに加工速度に影響を与えている。ピーク電流は、

大きさにより加工速度が最大となるパルス幅が存在する ため、この組み合せの結果により加工速度は変化する¹⁾。

放電加工の加工原理は非接触での金属加工を可能と しており、微細かつ硬質な加工物への加工も可能にした。

特に放電加工は付与エネルギー量と放電ギャップの関係 が高い線形性を持つため、その二つの特性を制御するこ とで1µm台の高精度寸法加工が行える。このため高精度 な寸法加工が要求される精密金型製作においてマザーマ シンの位置付けとなり広く活用されている。一方で加工 速度が遅いため生産性に課題があり、加工速度の向上は 加工時間の短縮につながるため金型製造におけるリード

タイムの短縮に寄与できる。

ここでは細穴放電加工において、精度と能率の相反す る要求に対して精度重視の場合、または能率重視の場合 とした目的を分けた細穴放電加工において適切な加工条 件探索方法の構築について取り組んだ。

2 実験方法 2-1 実験装置

実験装置は創成放電加工機(三菱電機 EDSCAN8E)を

用いた。EDSCAN8Eは型彫放電加工機の本体に微細加工

電源を搭載した装置であり、加工目的に応じた電源を選 択できる。この装置の放電加工を行う際の電気条件は、

Eパックと呼ばれ、これは加工機械製造者が示す電気条 件の最適値である。

2-2 細穴加工での要求事項

図1のとおり、穴開けの対象は φ0.25mmのSUS材の 針とし、針の側面に φ0.1mm程度の穴を10個開けるこ とが指示されている。この場合に高精度と高能率の各加 工条件を求める。

2-3 入出力関係

図2に精度重視の場合と能率重視の場合の目的に応じ た実験の入出力関係を示す

が理想除去量（

号因子は1水準 有り（揺動半径 合は、入力M とし、信号因子は 精度重視の場合は

の効果β²の二つの指標を総合的に判断する 価し、SN比

判定する。一方

ければ良いと定義すれば式 れば良いことになり 定した。

2 2

σβ η= ここでηは の影響である 2-4 因子と水準 制御因子は表

最初の実験であるため直交表 果の大きさが不明であったため 割り付けた。

め効果の大きい に因子A～D 割り付けた。

加工材は図3 能率重視の場合では

針の材質がその時の指示で異なっていたため、割付実験

誤差因子 N1:揺動無し N2:揺動有り 0.0250mm)

理想除去量 実除去量(mm2)

0

y

β

精度重視の場合

図 1 穴開けの

図 2 目的に応じた入出力関係

入出力関係

に精度重視の場合と能率重視の場合の目的に応じ た実験の入出力関係を示す

が理想除去量（mm²）で出力 水準、誤差因子は 有り（揺動半径 0.0250mm

Mが加工時間(min) 信号因子は2水準、

精度重視の場合は、式(1)に示すばらつきの の二つの指標を総合的に判断する

比ηが大きい程高精度測定が行われていると 一方、能率重視の場合は

ければ良いと定義すれば式 れば良いことになり、感度 はSN比(db)、β である。

因子と水準

制御因子は表1のとおり設定した 最初の実験であるため直交表 果の大きさが不明であったため

。能率重視の場合は

め効果の大きい4種類の因子のみを取り上げて直交表 Dのとおりに割り付けた

。共通の加工条件は表

3のとおり精度重視の場合では 能率重視の場合ではSUS440

針の材質がその時の指示で異なっていたため、割付実験

揺動無し 有り(揺動半径:

0.0250mm)

0.0079

理想除去量(mm²) M N1

N2

精度重視の場合

岩手県工業技術センター研究報告

穴開けの要求事項

目的に応じた入出力関係

に精度重視の場合と能率重視の場合の目的に応じ た実験の入出力関係を示す。精度重視の場合は

）で出力yが実除去量 誤差因子はN1：揺動無 0.0250mm）を設定した

(min)で出力y

、誤差因子は設定しなかった に示すばらつきの

の二つの指標を総合的に判断する

が大きい程高精度測定が行われていると 能率重視の場合は、単に加工時間が短 ければ良いと定義すれば式(1)の感度の効果

感度βのみで加工の良し悪しを判

β²は感度の効果

のとおり設定した。精度重視の場合は 最初の実験であるため直交表L18を使用し

果の大きさが不明であったためA～Hの

能率重視の場合は2回目の実験であったた 種類の因子のみを取り上げて直交表 のとおりに割り付けた。因子

共通の加工条件は表2のとおりとし のとおり精度重視の場合では

SUS440とした。これは対象とした

針の材質がその時の指示で異なっていたため、割付実験

加工時間

加工深さ(mm)

y

0

能率重視の場合

岩手県工業技術センター研究報告

目的に応じた入出力関係

に精度重視の場合と能率重視の場合の目的に応じ 精度重視の場合は、入力

が実除去量(mm²)とし、

：揺動無し、N2：揺動

）を設定した。能率重視の場 yが加工深さ(mm) 設定しなかった に示すばらつきの影響σ²と感度 の二つの指標を総合的に判断するSN比ηで評 が大きい程高精度測定が行われていると 単に加工時間が短 の感度の効果 β²が大きけ のみで加工の良し悪しを判

は感度の効果、σ²はばらつき

精度重視の場合は を使用し、各因子の効 の8種類の因子を 回目の実験であったた 種類の因子のみを取り上げて直交表

因子Dは調合して のとおりとし、特に のとおり精度重視の場合ではCCM合金

とした。これは対象とした 針の材質がその時の指示で異なっていたため、割付実験

6 12

加工時間(min) β

能率重視の場合

岩手県工業技術センター研究報告

に精度重視の場合と能率重視の場合の目的に応じ 入力M

、信

：揺動 能率重視の場 (mm) 設定しなかった。

と感度 で評 が大きい程高精度測定が行われていると 単に加工時間が短 が大きけ のみで加工の良し悪しを判 (1) はばらつき

精度重視の場合は 各因子の効 種類の因子を 回目の実験であったた 種類の因子のみを取り上げて直交表L9 は調合して 特に 合金、

とした。これは対象とした 針の材質がその時の指示で異なっていたため、割付実験

時の材質を針の材質に合わせた 3

3-1 図 直交表

消耗率を図示した とは電極消耗長さ

れる除去深さに対する電極消耗長さの比である ら加工深さと電極消耗率は反比例の関係である かる

による加工深さの差が小さい 図

精度重視の場合と同様に実験番号毎に加工深さと電極消 耗率を図示した。この図から実験番号

大きく、かつ電極消耗率が小さい良

M

精度重視（直交表

A B C D E F G H

能率重視（直交表

A B C D

電極

振れ止めガイド 加工材 加工液 加工液噴出強さ 回転数

岩手県工業技術センター研究報告 第 18 号（

図 3 加工材（左：

時の材質を針の材質に合わせた 3 実験結果及び考察 1 直交表実験での結果 図4に精度重視の場合の 直交表L18の実験番号 消耗率を図示した とは電極消耗長さ

れる除去深さに対する電極消耗長さの比である ら加工深さと電極消耗率は反比例の関係である かる。また、誤差因子

による加工深さの差が小さい

図5に能率重視の場合の直交表実験での結果を示す 精度重視の場合と同様に実験番号毎に加工深さと電極消 耗率を図示した。この図から実験番号

大きく、かつ電極消耗率が小さい良

精度重視（直交表L18)

A µSF回路

B コンデンサ回路 C 電圧LOW D ガイドの高さ　

E OFF時間

F 付加電圧

G 戻り速度

H サーボ電圧 能率重視（直交表L9)

A 付加電圧

B OFF時間

C 戻り速度

D 微細電源回路 D µSF回路 コンデンサ回路 電圧LOW

因子

因子

電極 φ

振れ止めガイド セラミックス製 加工材 精度重視：

加工液 メタルワークス 加工液噴出強さ 7

回転数 200min

2016）

表 1 制御因子

表 2 共通の

加工材（左：CCM 合金

時の材質を針の材質に合わせた 実験結果及び考察 直交表実験での結果

に精度重視の場合の直交表実験での の実験番号No.1～

消耗率を図示した。ここで右側の縦 とは電極消耗長さ(mm)／加工深さ

れる除去深さに対する電極消耗長さの比である ら加工深さと電極消耗率は反比例の関係である

誤差因子N2の揺動有りの場合は実験番号 による加工深さの差が小さい。

に能率重視の場合の直交表実験での結果を示す 精度重視の場合と同様に実験番号毎に加工深さと電極消 耗率を図示した。この図から実験番号

大きく、かつ電極消耗率が小さい良

L18)

回路 コンデンサ回路

LOW回路 ガイドの高さ　µm

時間(AUX) 3 付加電圧(GAP) 14 戻り速度(GAIN) 10

サーボ電圧 L9)

付加電圧(GAP) 10 時間(AUX) 9 戻り速度(GAIN) 10

微細電源回路

D ①：強

回路 コンデンサ回路

LOW回路

φ0.1mm銅パイプ セラミックス製φ 精度重視：CCM メタルワークスEDF-K2 7／10

200min^-1

制御因子

共通の加工条件

CCM 合金、右：SUS440 時の材質を針の材質に合わせた。

直交表実験での

～No.18毎に加工深さと電極

ここで右側の縦軸とした電極消耗率

／加工深さ(mm)×100(%) れる除去深さに対する電極消耗長さの比である ら加工深さと電極消耗率は反比例の関係である

の揺動有りの場合は実験番号

。

に能率重視の場合の直交表実験での結果を示す 精度重視の場合と同様に実験番号毎に加工深さと電極消 耗率を図示した。この図から実験番号No.8

大きく、かつ電極消耗率が小さい良好な加工条件である

1 2

ON OFF

ON OFF

ON OFF

200 100

3（大） 6

14（強） 12

10（遅） 25

5 3

1 2

10（弱） 12

9（小） 6

10（遅） 25

① ②

①：強 ②：中

OFF OFF

ON ON

OFF ON

水準

水準

銅パイプ φ0.1mm

CCM合金，能率重視：

EDF-K2

SUS440）

結果を示す。

毎に加工深さと電極 軸とした電極消耗率 (mm)×100(%)で表さ れる除去深さに対する電極消耗長さの比である。図4か ら加工深さと電極消耗率は反比例の関係であることがわ の揺動有りの場合は実験番号 に能率重視の場合の直交表実験での結果を示す。

精度重視の場合と同様に実験番号毎に加工深さと電極消 が加工深さが 好な加工条件である

3

OFF －

OFF ON

OFF ON

100 50

9（小）

10(弱）

40（速）

0

3 14（強）

3（大）

40（速）

③

②：中 ③：弱

OFF ON

ON ON

ON OFF

水準

水準

合金，能率重視：SUS440

。 毎に加工深さと電極 軸とした電極消耗率 で表さ か ことがわ の揺動有りの場合は実験番号

。 精度重視の場合と同様に実験番号毎に加工深さと電極消 が加工深さが 好な加工条件である

微細放電加工の高精度化のための加工条件

図 4 精度重視の場合の実験結果

（上：N1、下：N2）

図 5 能率重視の場合の実験結果 ことがわかる。

3-2 要因効果図

図6に精度重視の場合のSN比の要因効果図を示す。

要因効果図とは、各因子において水準毎にSN比または 感度の工程平均を計算しグラフ化したものである。図か ら因子においてSN比の最も大きい水準の組み合わせで ある最適条件はA1、 B1、 C1、 D2、 E1、 F3、 G2、

H3となった。最適条件では微細加工回路の因子A、因子 B、因子CがいずれもONの場合にSN比が高くなって

おり φ0.1mm 程度の細穴加工を行う場合での加工安定

化に必須機能であることを示している。また、因子F： 付加電圧(GAP)で因子内の水準間の効果が大きくエネル ギーを小さくする方向でSN比が大きくなっている。

図7に能率重視の場合の感度の要因効果図を示す。こ こでの基本機能は単に加工速度が速いことであるため、

体積mm³の次元で感度の要因効果図を作成した。その結 果、最適条件はA3、B2、C1、D3となった。これを図5 で示した実験結果のNo.8と比べたところまさにNo.8の 条件と完全に一致した。つまり、No.8の条件が要因効果 図で求めた最適条件だったわけである。

3-3 検証実験

オフライン実験による直交表実験で得られた最適条件 を使用して、針側面への細穴放電加工を行い、再現性を 検証した。表3に精度重視と能率重視の場合の電気条件

↑（因子と水準）

図 6 精度重視の場合の SN 比(db)の要因効果図

↑（因子と水準）

図 7 能率重視の場合の感度(mm^-2)の要因効果図 を比較した。ここで推奨条件とはメーカが示したEパッ クである。その結果、精度重視と能率重視では僅かに3 因子のみが異なる設定であり、この3種類の因子が加工 精度と加工能率の分岐となっていた。

表4に加工時間、表5に針穴加工での結果を示す。表 1から精度重視の場合は穴10個の加工時間は1時間07 分43秒、能率重視の場合は23分57秒であった。その結 果、1個あたりの加工時間は精度重視の場合が6分46秒、

能率重視の場合が2分24秒であった。その結果、能率重 視の場合は精度重視の場合に比較して加工時間が約1／

3に短縮できた。

表5から能率重視では加工時間が1／3に短縮できるが その反面、電極消耗率が精度重視の場合は32.6％に対し、

能率重視の場合は200.2％と大幅に増加した。これは深さ 1mmの穴を開ける場合に精度重視では電極の消耗長さ

が0.326mm、能率重視では2.002mmを要することを示し

ている。また、精度重視では穴径がφ0.109mmとなりφ

0.1mmの電極を使用していることから電極の振れ量を

0 50 100 150 200 250

0 0.2 0.4 0.6 0.8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

電極消耗率(%)

加工深さ(mm)

実験番号 加工深さ(mm) 電極消耗率(%)

0 50 100 150 200 250

0 0.2 0.4 0.6 0.8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

電極消耗率(%)

加工深さ(mm)

実験番号 加工深さ(mm)

電極消耗率(%)

0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9

電極消耗率%

加工深さmm

実験番号 Depth_6min

Depth_12min Wear_6min Wear_12min

精度重視（直交表L18)

1 2 3

A µSF回路 ON OFF －

B コンデンサ回路 ON OFF ON C 電圧LOW回路 ON OFF ON D ガイドの高さ　µm 200 100 50

E OFF時間(AUX) 3（大） 6 9（小）

F 付加電圧(GAP) 14（強） 12 10(弱）

G 戻り速度(GAIN) 10（遅） 25 40（速）

H サーボ電圧 5 3 0

因子 水準

46 48 50 52 54 56 58 60

1 2 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

µSF回路 コンデンサ回 路

電圧LOW回 路

ガイドの高さ OFF時間

（AUX) 付加電圧

（GAP) 戻り速度

（GAIN) サーボ電

圧（SV)

SN比db

A B C D E F G H

能率重視（直交表L9)

1 2 3

A 付加電圧(GAP) 10（弱） 12 14（強）

B OFF時間(AUX) 9（小） 6 3（大）

C 戻り速度(GAIN) 10（遅） 25 40（速）

D 微細電源回路 ① ② ③

D ①：強 ②：中 ③：弱

µSF回路 OFF OFF ON

コンデンサ回路 ON ON ON

電圧LOW回路 OFF ON OFF

因子 水準

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

付加電圧(GAP) OFF時間(AUX) 戻り速度(GAIN) マイクロ回路

感度mm-2

A B C D

：No.8の条件と一致

項目 マイクロSF回路 コンデンサ回路 電圧LOW回路 ガイドの高さ (µm) ＥパックNo.

回路選択 OFF時間: AUX 極性切換 加工セッティング: IP パルス幅: ON 休止時間: OFF 付加電圧: GAP 戻り速度: GAIN 上昇距離 :JUMP 上昇距離/降下時間 :JU/JD

サーボ電圧 :SV

穴番号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 合計

1穴あたりの加工結果 穴径(mm)

放電ギャップ 加工時間(h:m:s) 電極消耗長さ 加工深さ(mm): q 電極消耗率(%): p 穴径のばらつき 総加工時間(h:m:s)

表 3 各目的での電気条件

表 4

表 5 針穴加工での結果

推奨条件

OFF OFF OFF 50 1951

SF 3 (－)

: IP 0

0 0 14 40 0

降下時間 0↑1↓

0

穴番号 精度重視 0:07:01 0:06:47 0:06:27 0:06:25 0:06:01 0:06:48 0:06:55 0:06:43 0:07:04 0:07:32

合計 1:07:43

穴あたりの加工結果 放電ギャップ(直径, µm)

(h:m:s) 電極消耗長さ(mm): p

(mm): q

(%): p／q×100 穴径のばらつき(σ, µm)

(h:m:s)

岩手県工業技術センター研究報告 各目的での電気条件

加工時間

針穴加工での結果

最適条件

（精度重視）

ON ON ON 100 5029 SF

6 (－)

0 0 0 10 25 0 0↑1↓

0

精度重視 能率重視 0:07:01

0:06:47 0:06:27 0:06:25 0:06:01 0:06:48 0:06:55 0:06:43 0:07:04 0:07:32 1:07:43

精度重視 0.109

0:06:46 0.082 0.250 32.6

1:07:43

岩手県工業技術センター研究報告

各目的での電気条件

最適条件

（精度重視）

最適条件

（能率重視）

ON ON OFF 100 5033 SF

6 (－)

0 0 0 14 10 0 0↑1↓

0

(h: m: s) 能率重視

0:02:27 0:02:27 0:02:24 0:02:23 0:02:23 0:02:23 0:02:22 0:02:23 0:02:22 0:02:23 0:23:57

精度重視 能率重視

0.109 0.143

8.6

0:06:46 0:02:24

0.082 0.500

0.250 0.250

32.6 200.2

0.9 34(縦横の差）

1:07:43 0:23:57

岩手県工業技術センター研究報告

含めた放電ギャップが直径で 率重視の場合は穴径の縦横差で なった

加工穴を示す 図9

の円筒側面への加工であるため針の肉厚の違いにより除 去効率

4 φ

際の精度重視と能率重視の目的に応じた加工条件の探索 に取り組んだ結果

(1)

を行うことで 出来た (2)

能率重視の場合は ただし

能率重視では (3)

対し なった 文

1) 三菱電機株式会社：形彫放電加工

最適条件

（能率重視）

↓

能率重視 0.143

42.5 0:02:24

0.500 0.250 200.2 縦横の差）

0:23:57

岩手県工業技術センター研究報告 第 18 号（

図

図

含めた放電ギャップが直径で 率重視の場合は穴径の縦横差で なった。図8と図

加工穴を示す。図

9ではまさに楕円形状の穴となっている

の円筒側面への加工であるため針の肉厚の違いにより除 効率が異なり、

4 結 言 φ0.25mmの針側面へ

際の精度重視と能率重視の目的に応じた加工条件の探索 に取り組んだ結果

各目的に応じた入出力関係を設定して直交表実験 を行うことで

出来た。

1穴の加工時間が精度重視の場合は 能率重視の場合は

ただし、電極消耗率は精度重視の場合で 能率重視では

精度重視の場合ではほぼ真円の穴形状であるのに 対し、能率重視では

なった。

文 献

三菱電機株式会社：形彫放電加工 2016）

図 8 精度重視での加工穴

図 9 能率重視での加工穴 含めた放電ギャップが直径で

率重視の場合は穴径の縦横差で

と図9に精度重視と能率重視のそれぞれの 図8の穴は真円に近い丸形状であるが ではまさに楕円形状の穴となっている

の円筒側面への加工であるため針の肉厚の違いにより除

、楕円形状になったと予想される

の針側面へ φ0.1mm

際の精度重視と能率重視の目的に応じた加工条件の探索 に取り組んだ結果、以下の結論が得られた

各目的に応じた入出力関係を設定して直交表実験 を行うことで、目的に応じた加工条件を求めることが

穴の加工時間が精度重視の場合は 能率重視の場合は2分24秒となり

電極消耗率は精度重視の場合で 能率重視では200.2％となり

精度重視の場合ではほぼ真円の穴形状であるのに 能率重視では穴の縦横差が

三菱電機株式会社：形彫放電加工 精度重視での加工穴

能率重視での加工穴

含めた放電ギャップが直径で8.6µmであるのに対し 率重視の場合は穴径の縦横差で34µmと楕円形状の穴に

に精度重視と能率重視のそれぞれの の穴は真円に近い丸形状であるが ではまさに楕円形状の穴となっている

の円筒側面への加工であるため針の肉厚の違いにより除 楕円形状になったと予想される

0.1mmの細穴放電加工を行う

際の精度重視と能率重視の目的に応じた加工条件の探索 以下の結論が得られた

各目的に応じた入出力関係を設定して直交表実験 目的に応じた加工条件を求めることが 穴の加工時間が精度重視の場合は6分

秒となり0.35倍を達成した 電極消耗率は精度重視の場合で

となり、6.1倍となった 精度重視の場合ではほぼ真円の穴形状であるのに

縦横差が34µm

三菱電機株式会社：形彫放電加工技術資料

であるのに対し、能 と楕円形状の穴に に精度重視と能率重視のそれぞれの の穴は真円に近い丸形状であるが、

。これは、針 の円筒側面への加工であるため針の肉厚の違いにより除

楕円形状になったと予想される。

の細穴放電加工を行う 際の精度重視と能率重視の目的に応じた加工条件の探索

。

各目的に応じた入出力関係を設定して直交表実験 目的に応じた加工条件を求めることが

分46秒に対し 倍を達成した。

電極消耗率は精度重視の場合で32.6％に対し 倍となった。

精度重視の場合ではほぼ真円の穴形状であるのに の楕円形状に

技術資料（2001）

能 と楕円形状の穴に に精度重視と能率重視のそれぞれの

、 針 の円筒側面への加工であるため針の肉厚の違いにより除

の細穴放電加工を行う 際の精度重視と能率重視の目的に応じた加工条件の探索

目的に応じた加工条件を求めることが 秒に対し、

。 に対し、

に