ワイヤカット高速加工

精密製造の世界において、放電ワイヤカット加工は、まるで沈黙の彫刻の匠のごとく、電気を刃とし、火を筆として、金属の領域でミリ単位の精密さを描き出します。中でも、「往復複合加工」技術はその独特の利点のより、数多くの製造現場において「覇者」的な選択肢となっています。本日は、この技術の真髄と応用価値に迫ります。

ワイヤカット加工の紹介

放電ワイヤカット加工の定義

放電ワイヤカット加工の定義：放電ワイヤカット加工は、高周波パルス放電によってワークに局部的高温を発生させ、溶解・除去する加工法です。数十年にわたる発展を経て、現在では放電加工機のシェアの70％以上を占め、金型製造や精密部品加工、試作品製作など、機械製造分野において不可欠な存在となっています。

ワイヤカットの基本原理

髪の毛よりも細い一本の金属線が、分厚い鋼板をあっという間に切断する——それがワイヤカット放電加工です。その秘密は、「放電」と呼ばれる現象にあります。
ワーク（被加工物）と電極線（ワイヤ）をパルス電源の両極に接続し、極めて狭い間隔で対向させると、その間で放電が発生します。この時の放電点の瞬間温度は10,000℃を超え、ワークの局部を一瞬で熔かし、あるいは蒸発させます。同時に、加工液も気化して急激な熱膨張を起こし、微細な爆発現象を伴います。これにより熔けた金属片は吹き飛ばされ、流れる加工液によって洗い流されることで、加工が進みます。この放電現象を連続的に、精密に制御することで、複雑な形状の切断を実現しているのです。
ワイヤカット加工では主に黄銅線が使われますが、タングステン線やモリブデン線が用いられる場合もあります。この加工法が適用できるのは、電気を通す金属材料に限られます。プラスチックやセラミックなどの非導電性材料は加工できません。

ワイヤカット工作機械の分類

ワイヤカット工作機械は、ワイヤの送り方式によって、主に二種類に大別されます。
一つは低速一方向送り式（ロープライスワイヤーEDM）です。電極ワイヤが低速（一般的に0.2m/s未満）で一方向に送られる方式で、主に海外で製造・使用されています。
もう一つは高速往復送り式（往復形ワイヤーEDM）です。電極ワイヤが高速（一般的に8～10m/s）で往復運動する方式で、そのシンプルな構造と高いコストパフォーマンスが特長です。これは現在、主に中国で生産・使用されている、中国独自の発展を遂げた加工モデルです。

往復複合加工ワイヤ放電加工技術

往復複合加工ワイヤ放電加工技術：中速ワイヤ放電加工は、高速往復式ワイヤ放電加工機において「複数回加工（マルチカット）」機能を実現した技術です。精密ワイヤカット工作機で用いられる精密加工の技術思想を導入することで、仕上げ工程でのストライプの除去と高精度化を両立します。高速ワイヤ放電加工機の加工効率の高さと、精密ワイヤカット工作機の高い加工品質という双方の利点を兼ね備えており、±0.005mm以内の精度とRa＜0.8μm以下の表面粗さを実現します。

中速ワイヤ放電加工機は最大7回のマルチカット加工が可能です。部品加工プロセスは一般に荒加工→中仕上げ加工→仕上げ加工の３段階に分けられます。荒加工の主な目的は、最大限の速度で余分な材料を除却することにあります。この工程では一般に高速送線（速度8～13m/s）を採用し、高電流かつ大きなパルス幅による大エネルギー切断を行います。二次加工（仕上げ加工）は寸法精度を確保することを目的とし、低速送線（速度は一般に1～3m/s）を採用します。最終加工の主な目的は、研磨仕上げまたは鏡面仕上げを実現することにあります。中速わいやー放電加工機のマルチカットプロセスにより、高い加工精度と優れた表面粗さを得ることが可能です。放電ワイヤカット加工において、放電点における電流密度は約10,000 A/mm²、温度は約10,000～12,000℃に達します。火花放電による瞬間的な高熱と加工液による急冷の相互作用により、金属素材の表層は溶解凝固層と熱影響層にに分けられます。溶解凝固層は、放電時の瞬間高温によって溶融した素材が表面に残留し、加工液によって急冷固化したもので、パルスエネルギーが大きいほどその厚みは増加します。中速ワイヤ放電加工における複数回の仕上げ工程では、電流と電圧が段階的に低下し、それに伴って単一パルス放電エネルギーと放電爆発力も減少するため、加工面に形成される放電クレーターは微小化し、表面粗さの値も低減されていきます。

ワイヤカット加工が従来の機械加工の不足を補う

産業の精密化が進むにつれ、従来の機械加工では、高精度かつ高複雑度の部品製造要求を満たすことが困難になってきました。このような背景のもと、ワイヤカット放電加工技術は急速に発展し、広く応用されるようになりました。 では、ワイヤカット技術は、従来の加工におけるどのような重要な課題を解決したのでしょうか。

硬度が高く、靭性の低い素材の加工

超硬合金は高い硬度が特徴ですが、加工靭性に劣るため、一般的には研削加工が用いられます。しかし、ワークが小さく形状が複雑で、研削盤による加工が困難な場合には、ワイヤカット放電加工が採用されることが多いです。高硬度素材は工具の折損リスクが高く、加工が不可能になる場合もありますが、ワイヤカット放電加工を利用すれば、高硬度で低靭性の素材でも加工を実現できます。

微小精密部品の加工

ハイエンド製造業の急速な発展に伴い、微小精密部品は多くの分野でますます重要な役割を果たしています。微小精密部品は、サイズが小さく、精度要求が高く、形状も複雑であるといった特徴があるため、加工技術に対して極めて高い水準が求められます。従来の切削やフライス加工などの機械加工法では、こうした微細構造の製造要求を満たすことが困難な場合があります。これに対し、ワイヤカット放電加工は、難加工材料における微小穴や二重内テーパー面などの内孔異形構造を高精度に加工することが可能です。

薄肉で変形しやすい部品の加工

薄肉微細構造は、軽量性、コンパクト性、高い靭性といった特長から、航空宇宙や精密機器産業、自動車製造産業、半導体産業などでの応用が広がっています。しかし、その製造は大きな課題を伴います。従来の機械加工では、切削力やチャック力によって残留応力が生じ、部品が変形し、高い精度要求を満たせない場合が少なくありません。これに対し、非接触加工であるワイヤカット放電加工は、加工時の機械的ストレスや取り付け時の弾性変形による誤差を効果的に回避できます。さらに、脆く薄い材料の切断に適し、材料内部のき裂進展を抑制することから、薄肉微細構造加工の理想的なソリューションとなっています。

超高厚ワークの加工

航空宇宙分野をはじめとする製造業の急速な発展に伴い、超高厚ワークへの要求が高まっています。従来の加工方法では、この種の部品の加工を実現することが困難です。超高厚ワークの加工において、従来の工作機械を採用する場合、専用工具のカスタム製作が必要となる上、工程数も多くなるため、経済的とは言えません。これに対し、中速ワイヤ放電ワイヤカット加工では、加工過程において電極線によって工作媒体（加工液）が切れ目内部に導かれるため、高厚ワークの切断に極めて適しています。

複雑形状部品の加工

従来の機械加工では金型上の複雑形状や狭い溝、鋭角部分に対して、工具の干渉や加工限界が生じる場合があります。特に鋭角加工においては、工具のR角制限により真の鋭角を実現することが困難です。微小なR角を実現するには極小径工具が必要となりますが、工具折損のリスクが高く、加工効率も低下するためコストがかさむという課題があります。さらに、異なるR角やテーパーを伴う複雑形状ワークの加工では、頻繁な段取り替えや工具交換が必要となるほか、プログラミングも複雑化し、生産リードタイムの長期化を招きがちです。加えて、エンドミルやバイトなどの切削工具は加工中に絶えず摩耗するため、切削力の変動が生じ、加工寸法のばらつきや量産時の品質一致性への影響も無視できません。こうした課題に対し、ワイヤカット加工は鋭角や微小R、テーパー切割を要する製品の加工プロセスにおいて、より高い優位性を発揮します。

高難度部品の加工？中速ワイヤカットにお任せください

当社では、中国製の高精度な中速ワイヤ放電加工機を2台導入しております。この「中速」は、送丝速度が高速と低速の中間であることを指すのではなく、複数回の往復切割を核心技術とし、加工時の材料変形やモリブデン線の消耗を抑えつつ、精度を高める複合送丝ワイヤカット機です。送丝速度を柔軟に調整することで、ワークの品質を精密に制御することが可能です。

当社では、高硬度部品や複雑・微細形状の部品、薄肉で変形の懸念がある部品の加工に対応しており、高い配合精度と優れた表面品質、ロット間の一貫性を実現します。これにより、高価な材料コストの削減、生産プロセスの効率化、開発期間の短縮など、お客様の総合コスト低減に貢献します。中速ワイヤの先進加工技術を活かし、当社は各種部品の加工が可能です。

これには、各種プレス金型、微細異形穴、狭い溝、複雑形状のワーク、並びにマスターテンプレート、成形工具、冶金用金型、型彫り金型、線引きダイス及び成形金型などが含まれます。さらに、硬質素材の加工、薄板の切断、内外歯車の製作にも強みを発揮しており、特に多品種・小ロット・単品加工において、顕著な優位性があります。