放电等离子加工装置以及放电等离子加工品的制造方法 |
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| 申请号 | CN201380033580.8 | 申请日 | 2013-03-19 | 公开(公告)号 | CN104396350B | 公开(公告)日 | 2017-09-15 |
| 申请人 | 株式会社村田制作所; 国立大学法人京都大学; | 发明人 | 八户启; 酒井道; | ||||
| 摘要 | 放电等离子加工装置(101)具备：作为对被加工物(5)加压的加压部的冲头(2a、2b)；作为用于对被加工物(5)施加脉冲 电流 的脉冲电流施加部的直流脉冲电流发生器(6)；作为用于检测通过脉冲电流的施加而产生的等离子的光的 光谱 的检测部的分光器(10)；和用于根据检测部的检测结果来控制脉冲电流的控制部(12)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种放电等离子加工装置，具备： |
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| 说明书全文 | 放电等离子加工装置以及放电等离子加工品的制造方法技术领域[0001] 本发明涉及放电等离子加工装置以及放电等离子加工品的制造方法。 背景技术[0002] 一般已知“放电等离子加工法”。所谓放电等离子加工法是如下方法：在将被加工物配置在2个冲头(punch)间的状态对2个冲头间施加脉冲电流来提高被加工物的温度，并进行加压，由此对被加工物进行加工。 [0003] 在特许第4301761号(专利文献1)公开了通过放电等离子加工法接合2个构件的方案。在特开2000-128648号公报(专利文献2)中，公开了通过放电等离子加工法来烧结陶瓷粉体，来得到烧结体的方案。在国际公开公报WO2011/089971号(专利文献3)中，公开了通过放电等离子加工法使半导体晶体变形为所期望的形状的方案。 [0004] 基于现有技术的放电等离子加工法中，在放电等离子加工装置中，通常用设置在配置了被加工物的模具(die)的热电偶来测定温度，基于其测定结果来进行脉冲电流的控制。具体地，对脉冲电流进行控制，使得用热电偶测定的被加工物的温度与在搭载于放电等离子加工装置的程序控制器中设定的温度曲线图吻合。作为测定被加工物的温度的方法，除了用设于模具的热电偶测定温度以外，还有用设于冲头的热电偶测定温度的方法、用辐射温度计测定温度的方法。另外，作为控制脉冲电流的方法，除了对脉冲电流进行控制，使得与在搭载于放电等离子加工装置的程序控制器中设定的温度曲线图吻合以外，还有设定脉冲电流曲线图的方法。 [0005] 对实施基于现有技术的放电等离子加工法的示例进行说明。在此，以使直径15mm、厚度3mm的单晶锗的样本变形成所期望的形状的加工为例来进行说明。图7是基于现有技术的放电等离子加工装置901的概念图。 [0006] 如图7所示，放电等离子加工装置901具备：真空容器1；在上下方向上相互对置的2个冲头2a、2b；包围冲头2a、2b的圆筒形的模具3；热电偶4；脉冲电流发生器6；布线7a、7b；和移位部8a、8b。冲头2a、2b分别具有导电性。冲头2a、2b和模具3配置在真空容器1的内部。被加工物5在模具3的内部被2个冲头2a、2b所夹地配置。热电偶4为了测定被加工物5的加工中的温度，让一方的端部到达模具3的内部地配置。在移位部8a、8b分别固定冲头2a、2b，移位部8a、8b使冲头2a、2b分别在上下方向上移位。脉冲电流发生器6通过布线7a、7b分别与冲头2a、2b电连接。放电等离子加工装置901通过移位部8a、8b进行的冲头2a、2b的移位来对被加工物5加压，并通过从脉冲电流发生器6对冲头2a、2b间施加脉冲电流，来对被加工物5进行加工。 [0007] 将作为被加工物5的单晶锗的样本放置在放电等离子加工装置901，一边用冲头2a、2b对被加工物5以0.6kN进行加压，一边从脉冲电流发生器6对冲头2a、2b间施加脉冲电流，使得热电偶4测定的测定温度每1分间上升50℃。在图8示出这时的用热电偶4检测到的温度和作为被加工物5的单晶锗的样本的变形量的关系。将样本的变形量表示为冲头2a、2b的“移位量”。 [0008] 如图8所示那样，可知作为被加工物5的单晶锗的样本随着温度上升而膨胀，但在460℃～480℃由于加压而开始变形。但是，被加工物开始变形的温度根据被加工物的大小、冲头的大小(直径)、模具的大小、装置的预热状态等的不同而变动。由此，在实施基于现有技术的放电等离子加工法的示例中，将从上述的实验中得到的样本开始变形的温度起高 100℃～150℃的温度的560℃～630℃，设定为被加工物为单晶锗的情况下的标准加工条件。 [0009] 先行技术文献 [0010] 专利文献 [0011] 专利文献1：JP特许第4301761号 [0012] 专利文献2：JP特开2000-128648号公报 [0013] 专利文献3：国际公开公报WO2011/089971号 [0014] 发明的概要 [0015] 发明要解决的课题 [0016] 在使用基于现有技术的放电等离子加工法的加工中，通过反复进行加工的试验，来调查接合、烧结、变形等的开始温度和保持高温状态的时间，由此设定加工条件、即进行加工的温度。然后，在基于试验结果而设定的加工条件下进行加工，但根据被加工物的大小、冲头的大小(直径)、模具的大小、装置的预热状态等的不同，所设定的加工条件存在不为最适于加工的条件的可能性。由此，在加工条件的设定中，有考虑被加工物的大小、冲头的大小(直径)、模具的大小、装置的预热状态等而刻意将进行加工的温度设定得较高或较低的情况。 [0017] 但是，在所设定的加工条件的加工温度过分高于最适于加工的温度的情况下，被加工物在过剩的高温下被加工，会发生被加工物的品质劣化等，并且由于在加工时使用的能量的损耗变多，因此所使用的电力量也变多。另外，由于冲头和模具也暴露在高于最适于被加工物的加工的温度下，因此易于因热负荷而使冲头和模具受到损害，冲头或模具的制品寿命变短。进而，由于需要大的真空腔，因此装置变大，热损耗变大，装置的成本上升。 [0018] 另一方面，在所设定的加工条件的加工温度过分低于最适于加工的温度的情况下，有时被加工物无法被适当地加工。 发明内容[0019] 为此，本发明目的在于，提供在对被加工物进行加工时避免成为过剩的高温、且适当地进行被加工物的加工的放电等离子加工装置以及放电等离子加工品的制造方法。 [0020] 用于解决课题的手段 [0021] 为了达成上述目的，基于本发明的放电等离子加工装置具备：对被加工物加压的加压部；对上述被加工物施加脉冲电流的脉冲电流施加部；检测通过上述脉冲电流的施加而产生的等离子的光的光谱的检测部；和根据上述检测部的检测结果来控制上述脉冲电流的控制部。 [0022] 另外，基于本发明的放电等离子加工品的制造方法包括：开始对被加工物的加压的工序；对上述被加工物开始脉冲电流的施加的工序；检测通过上述脉冲电流的施加而产生的等离子的光的光谱的工序；和根据进行上述检测的工序的检测结果来控制上述脉冲电流的工序。 [0023] 发明的效果 [0024] 根据本发明，由于通过检测在加工中产生的等离子的光的光谱来进行脉冲电流的控制，因此能在最适于加工的温度下进行被加工物的加工。即，在在对被加工物进行加工时避免成为过剩的高温，且适当地进行被加工物的加工。附图说明 [0025] 图1是基于本发明的实施方式1中的放电等离子加工装置的概念图。 [0026] 图2是基于本发明的实施方式1中的放电等离子加工装置的被加工物近旁的放大截面图。 [0027] 图3是表示比较例1中的压力、温度、电流以及移位量的变化的图表。 [0028] 图4是表示基于本发明的实施方式1的实施例1中的压力、温度、电流、以及移位量的变化的图表。 [0029] 图5是表示比较例2中的温度、电流、以及移位量的变化的图表。 [0030] 图6是表示基于本发明的实施方式1的实施例2中的温度、电流、以及移位量的变化的图表。 [0031] 图7是基于现有技术的放电等离子加工装置的概念图。 [0032] 图8是表示在基于现有技术的放电等离子加工装置中检测到的温度和样本的变形量的关系的图表。 具体实施方式[0033] 在使用基于现有技术的放电等离子加工法的加工中，在放电等离子加工装置中，用设置在配置了被加工物的模具的热电偶来测定温度，基于其测定结果来进行脉冲电流的控制。 [0034] 发明者们确认到：在放电等离子加工中，在某条件下产生具有固有的波长的等离子，被加工物的物性发生变化这一情况；和等离子的光的光谱的产生温度和被加工物的变形开始温度接近这一情况。若利用该原理，检测等离子的光的光谱来进行脉冲电流的控制，则能实现不受被加工物的大小、冲头的大小(直径)、模具的大小、装置的预热状态等的变动要因左右的加工。 [0035] 为此，在本发明中，通过检测通过脉冲电流的施加而产生的等离子的光的光谱来进行脉冲电流的控制。 [0036] (实施方式1) [0037] 参考图1以及图2来说明基于本发明的实施方式1中的放电等离子加工装置101。图1是本实施方式中的放电等离子加工装置101的概念图。如图1所示那样，本实施方式中的放电等离子加工装置101具备：真空容器1；在上下方向上相互对置的2个冲头2a、2b；圆筒形的模具3；脉冲电流发生器6；布线7a、7b、7c、7d；移位部8a、8b；光纤9；分光器10；和控制部12。 [0038] 图2是本实施方式中的放电等离子加工装置101的被加工物5近旁的放大截面图。冲头2a、2b分别具有导电性，是圆柱形。冲头2a、2b和模具3配置在真空容器1的内部。被加工物5在模具3的内部被2个冲头2a、2b所夹地配置。 [0039] 模具3包围配置在冲头2a、2b间的被加工物5地设置。在模具3设有将模具3的内周面中的与被加工物5对置的部分和外周面连接的贯通孔13。换言之，模具3具有一部分与被加工物5对置的内侧的面、和与该内侧的面对置的外侧的面，在模具3设有将内侧的面中的与被加工物5对置的部分和外侧的面连接的贯通孔13。由此，被加工物5的一部分从贯通孔13露出到外部。贯通孔13的直径例如是2mm程度。 [0040] 在移位部8a、8b分别固定冲头2a、2b，移位部8a、8b使冲头2a、2b分别在上下方向上移位。在放电等离子加工装置101中，通过移位部8a、8b而让冲头2a、2b移位，冲头2a、2b对被加工物5加压。即，冲头2a、2b是用于对被加工物5加压的“加压部”。 [0041] 脉冲电流发生器6配置在真空容器1的外部，通过布线7a、7b与冲头2a、2b电连接。在放电等离子加工装置101中，从脉冲电流发生器6对冲头2a、2b间施加脉冲电流。即，脉冲电流发生器6是用于对被加工物5施加脉冲电流的“脉冲电流施加部”。 [0042] 光纤9和分光器10配置在真空容器1的外部。光纤9与分光器10连接。分光器10通过布线7c与控制部12电连接。控制部12通过布线7d与脉冲电流发生器6电连接。 [0043] 在真空容器1，在与模具3的贯通孔13对置的部分设置窗11。光纤9与窗11对置地配置。具体地，光纤9配置在模具3的贯通孔13的延长线上。由此，在使用放电等离子加工装置101的被加工物5的加工中，通过从脉冲电流发生器6对冲头2a、2b间施加脉冲电流而在被加工物5近旁产生的等离子的光，通过贯通孔13以及窗11并被光纤9受光。用分光器10检测由光纤9受光的等离子的光的光谱。即，分光器10是用于检测等离子的光的光谱的“检测部”。 然后，将分光器10的检测结果输入到控制部12。控制部12基于分光器10的检测结果来控制来自脉冲电流发生器6的脉冲电流。 [0044] 在本实施方式中，由于通过检测通过脉冲电流的施加而产生的等离子的光的光谱来进行脉冲电流的控制，因此能在被加工物成为最适于加工的温度的状态下进行加工。 [0045] 由此，由于被加工物不会在过剩的高温下被加工，因此防止了被加工物的品质劣化的产生。另外，由于在加工时使用的能量的损耗变少，因此能使所使用的电力量较少。由于冲头和模具不会暴露在高温下，因此冲头和模具不易受到热负荷所引起的损害，冲头或模具的制品寿命变长。 [0046] 在现有的放电等离子加工装置中，由于用设于模具的热电偶测定温度，基于其测定结果来控制脉冲电流，由此管理模具的温度，因此在一般的加热装置的概念中使用，但在本发明中，由于能通过等离子的光的光谱来观察被加工物的状态，因此能不依赖于模具的温度地对加工进行控制。由于能短时间内集中对被加工物给予所需要的能量来达成加工的目的，因此能使模具的尺寸较小并抑制无用热的产生，从而用于阻热、隔热的空间较少，能实现真空容器的小型化。 [0047] 根据本发明，由于能使真空容器的尺寸较小，因此放电等离子加工装置整体变小，能使热损耗较小。另外，通过小型化，能降低放电等离子加工装置的成本。 [0048] 如本实施方式所示那样，优选加压部包含：夹着被加工物5的2个冲头2a、2b；和包围2个冲头2a、2b以及被加工物5的模具3，脉冲电流施加部对2个冲头2a、2b间施加脉冲电流。根据该构成，由于能用相同的构件进行加压和脉冲电流的施加，因此能减少装置的部件数量。 [0049] 如本实施方式所示那样，优选模具3具有：一部分与被加工物5对置的内侧的面；和与该内侧的面对置的外侧的面，在模具3设有将内侧的面中的与被加工物5对置的部分、和外侧的面连接的贯通孔13。根据该构成，能利用光的直线前进性来容易地配置进行受光的构件即光纤9等。 [0050] 另外，在被加工物5为粉体的情况下，优选模具3由单晶硅、石英、蓝宝石等的透过红外线的材料构成，不设贯通孔。在被加工物5为粉体的情况下若在模具设置贯通孔，则由于加工时的真空容器1的内部真空吸引会让粉体的被加工物5的一部分从贯通孔散出到模具的外部。由此，在被加工物5为粉体的情况下，优选模具3由透过通过脉冲电流的施加而产生的等离子的光的材料、即单晶硅、石英、蓝宝石等透过红外线的材料构成，不设贯通孔。根据该构成，即使被加工物5为粉体也能正常地进行加工。 [0051] 如本实施方式所示，优选检测部包含光纤9和分光器10。根据该构成，即使因贯通孔13的开口部的面积较小等的理由而让光通过的部分狭窄，也能由光纤9接受通过施加脉冲电流而产生的等离子的光，并用分光器10进行检测。 [0052] 另外，检测部也可以取代包含光纤9和分光器10，而包含CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)元件和透镜过滤器。要检测的等离子的光在900nm前后有波长的峰值。在一般使用的CCD元件中，由于取入宽范围的波段的光作为信号，因此不能进行特定波长的检测，但通过组合例如仅使900～1100nm的波段的光透过的透镜过滤器和CCD元件，能作为分光器的代用。分光器一般价格很高，若用CCD元件以及透镜过滤器来代用，则能压抑设备费用。 [0053] 另外，本发明的放电等离子加工装置也可以为了测定被加工物的近旁的温度而具备热电偶等的热检测部。优选热检测部测定的温度测定结果，被用于检测被加工物的近旁的温度的异常的变化。在基于现有技术的放电等离子加工装置中，通常为了测定被加工物的近旁的温度而在模具设置热电偶，但这样的热电偶等的热检测部优选在本发明中也具备。通过具备热检测部，在有温度的异常的变化的情况下，能早期发现而采取必要的措施。 [0054] 以下说明发明者实际进行加工的几个示例。 [0055] (实施例1) [0056] 使用在图1所示的放电等离子加工装置101进一步设置热检测部的放电等离子加工装置，在冲头2a、2b间配置被加工物，一边用冲头2a、2b加压一边施加脉冲电流，来对被加工物进行加工。其中，在此所说的热检测部是设置在模具3的热电偶。 [0057] 本实施例中的被加工物是直径14.5mm、厚度3mm的单晶锗(Ge)，使其变形为所期望的形状。脉冲电流使电流值从0开始以恒定的步调不断增加。即使开始脉冲电流的施加也并不是立刻就会产生等离子，但随着脉冲电流的电流值不断增加，从某一时间点起产生等离子。用光纤9以及分光器10检测产生的等离子的光的光谱。在使脉冲电流的电流值不断增加的过程中，在最初检测到等离子的光的光谱的时间点保持该时间点的脉冲电流的电流值，以后施加恒定的电流值的脉冲电流。关于被加工物的加压，在脉冲电流的电流值的保持开始的2分后起以每分钟0.2kN的升压速度进行到3kN。另外，设置在模具3的热电偶，用于被加工物的近旁的温度的异常上升和与程序控制器的异常差异等的检测。 [0058] 为了比较，将使用图7所示的基于现有技术的放电等离子加工装置901对相同条件的被加工物进行加工的示例设为比较例1。图3是表示比较例1中的压力、温度、电流、以及移位量的变化的图表。另一方面，图4是表示实施例1中的压力、温度、电流、以及移位量的变化的图表。 [0059] 比较例1是一边用热电偶测定被加工物的加工中的温度一边控制脉冲电流的方法，在600℃保持15分钟。若比较与比较例1对应的图3和与实施例1对应的图4，则可知在实施例1中最高到达温度为530℃，就算在低于比较例1的温度下进行加工，被加工物的变形量在实施例1和比较例1中也相同。 [0060] 在现有技术中，将被加工物的变形开始的要件认为是环境气温度，由于将用设于模具的热电偶测定的温度视作环境气温度，因此需要用于升温的脉冲电流和用于弥补到达设定温度后的散热的脉冲电流。另一方面，在本发明中，由于将被加工物的变形开始的要件认为是通过施加脉冲电流而产生的等离子的光的光谱的产生，因此脉冲电流可以是恒定值。基于本发明的实施例1与基于现有技术的比较例1相比削减了23.7％的消耗电力。 [0061] 基于本发明的实施例1中，在470℃～530℃下被加工物变形，能在与基于现有技术的比较例1的加工温度的600℃相比低70℃～130℃的温度下对被加工物进行加工。这通过检测等离子的光的光谱这样的新的判断指标得以实现。 [0062] (实施例2) [0063] 与实施例1相同，使用在图1所示的放电等离子加工装置101进一步设置热检测部的放电等离子加工装置来对被加工物进行加工。本实施例中的被加工物是钛酸钡的粉末。将其烧结成直径15mm、厚度3mm的圆板形状地进行加工。 [0064] 在冲头2a、2b间填充被加工物即钛酸钡的粉末，一边用冲头2a、2b以40MPa的压力加压一边施加脉冲电流。脉冲电流与实施例1相同，都是使电流值从0开始以恒定的步调增加。与实施例1相同，都是用光纤9以及分光器10检测因脉冲电流的施加而在某一时间点产生的等离子的光的光谱，将该时间点的脉冲电流的电流值在以后保持3分钟。另外，设于模具3的热电偶，被用于被加工物的近旁的温度的异常上升和与程序控制器的异常差异等的检测。 [0065] 为了比较，将使用图7所示的基于现有技术的放电等离子加工装置901对同条件的被加工物进行加工的示例设为比较例2。图5是表示比较例2中的压力、温度、电流、以及移位量的变化的图表。另一方面，图6是表示实施例2中的压力、温度、电流、以及移位量的变化的图表。 [0066] 比较例2是一边用热电偶测定被加工物的加工中的温度一边控制脉冲电流的方法，在1100℃下保持3分钟。移位量的曲线图大致接近膨胀收缩曲线。在比较例2与实施例2间，在移位量的曲线图中没有大的差别，烧成物的相对密度在比较例2中为95.4％，在实施例2中为95.2％。即，可知根据本发明也能得到与现有技术相同等级的制品。 [0067] 一般在陶瓷材料的烧成中，一直以来作为常识，是将保持粉体的构成例如匣钵等的炉料也认为是一体并保持在均匀温度，但在本发明中，跳出这样的常识，通过保持检测施加脉冲电流而产生的等离子的光的光谱的时间点的电流值，来得到与现有技术相同等级的烧结状态。在基于本发明的实施例2中，与基于现有技术的比较例2相比削减了26.6％的消耗电力。实施例2的结果表示，不需要将保持粉体的构成例如匣钵等的炉料过多升温。 [0068] (实施方式2) [0069] 说明基于本发明的实施方式2中的放电等离子加工品的制造方法。本实施方式中的放电等离子加工品的制造方法包括：开始对被加工物的加压的工序；对被加工物开始脉冲电流的施加的工序；检测通过脉冲电流的施加而产生的等离子的光的光谱的工序；和根据进行检测的工序的检测结果来控制脉冲电流的工序。 [0070] 在本实施方式中，由于通过检测施加脉冲电流而产生的等离子的光的光谱来进行脉冲电流的控制，因此在对被加工物进行加工时不会成为过剩的高温，能在成为最适于加工的温度的状态下进行被加工物的加工。该制造方法能通过实施方式1中说明的放电等离子加工装置实施。 [0071] 优选在开始脉冲电流的施加的工序前包括：使被加工物被2个冲头夹入地将2个冲头以及被加工物配置在模具的内部的工序，在开始脉冲电流的施加的工序中，对2个冲头间施加脉冲电流。根据该方法，由于能用相同的构件进行加压和脉冲电流的施加，因此能减少所使用的部件数量。 [0072] 优选模具具有一部分与被加工物对置的内侧的面、和与该内侧的面对置的外侧的面，在模具设置将内侧的面中的与被加工物对置的部分和外侧的面连接的贯通孔。根据该方法，能利用光的直线前进性来容易地配置进行受光的构件即光纤等。 [0073] 优选模具由透过红外线的材料构成。 [0074] 优选在进行检测的工序中使用光纤和分光器。根据该方法，即使光通过的部分狭窄，透过施加脉冲电流而产生的等离子的光也会被光纤受光，被分光器检测出来。 [0075] 优选在进行检测的工序中使用CCD元件和滤光透镜。通过采用该方法，仅用廉价的设备就能进行特定波长的检测。 [0076] 优选本实施方式中的放电等离子加工品的制造方法包括测定被加工物的近旁的温度的工序，测定温度的工序的测定结果，被用于检测被加工物的近旁的温度的异常的变化。根据该方法，在有被加工物的近旁的温度的异常的变化的情况下，能早期发现，采取必要的措施。 [0077] 另外，在上述各实施方式中，示出了被加工物为圆柱形状或圆板形状的示例，但被加工物也可以是圆柱形状或圆板形状以外的形状。 [0078] 作为加压部的冲头2a、2b的前端的与被加工物抵接的面示出了是平面的示例，但加压部的前端并不限于平面。加压部的前端也可以是包含所期望的凹凸的形状。 [0080] 产业上的利用可能性 [0081] 本发明能在放电等离子加工装置以及放电等离子加工品的制造方法中利用。 [0082] 标号的说明 [0083] 1 真空容器 [0084] 2a、2b 冲头 [0085] 3 模具 [0086] 4 热电偶 [0087] 5 被加工物 [0088] 6 脉冲电流发生器 [0089] 7a、7b 布线 [0090] 8a、8b 移位部 [0091] 9 光纤 [0092] 10 分光器 [0093] 11 窗 [0094] 12 控制部 [0095] 13 贯通孔 [0096] 101 放电等离子加工装置 [0097] 901 (基于现有技术的)放电等离子加工装置 |
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