放電加工の原理｜形彫りとワイヤ放電加工の違い・加工液と電極の役割を図解

焼入れした硬い鋼でも、放電なら削れます。刃物を工作物に当てず、小さな雷のような放電をくり返して、少しずつ溶かして取り除くからです。この記事では、放電加工の原理と、1パルスのエネルギーの計算を中心に扱います。1回の放電で何が起きるか、加工液は何のためにあるか、形彫りとワイヤ放電加工はどう違うか。図で意味を確かめながら進み、4つの例題で手を動かしましょう。

• 放電加工とは
  • 電極と工作物の間のパルス放電の熱で、工作物を溶かして取り除く
• 1回の放電で起きること
  • 絶縁破壊 → アーク柱 → 溶融・気化 → 除去
• 加工液の役割
  • 絶縁性の媒体、冷却、くずの排出
• パルス電源と1パルスのエネルギー
  • $W = VIt_{\mathrm{on}}$、$P = Wf$
• 放電のエネルギーと面の粗さ
  • エネルギーが大きいと、速いが粗い
• 形彫りとワイヤ放電加工
  • 電極の形を写す加工と、細い線で切り抜く加工
• 特徴と電極の消耗
  • 硬い材料に強いが、導電性の材料に限る
• 例題で確かめる
  • 特徴の正誤、加工液、エネルギーと電力、方式の選択

放電加工とは？刃物を使わず、火花で溶かして削る

放電加工は、工具の電極と工作物の間に短い放電（火花）を起こし、その熱で工作物の表面を少しずつ溶かして取り除く加工法です。電極と工作物は触れず、数十マイクロメートルほどのすきまをあけて向かい合います。すきまは、絶縁性の液体である加工液で満たします（図1）。

パルス電源が、電極と工作物の間に短い電圧を何度も加えると、そのたびにすきまで放電が起き、工作物に小さなくぼみができます。放電は毎秒数万回以上もくり返されることがあり、小さなくぼみが積み重なって、電極の形が工作物に写っていきます。電極は、すきまが保たれるように、少しずつ送られます（図2）。

1電極2火花3気泡4工作物

1. 電極　加工する形をもつ工具
2. 火花　すきまで起きる放電
3. 気泡　放電のまわりに生じる小さな泡
4. 工作物　放電の熱で表面が溶ける

1回の放電で起きること：4段階

1回の放電は、次の4段階で進みます（図3）。

1. 絶縁破壊：電極と工作物の間に電圧を加えると、すきまの電界が強くなり、やがて絶縁が破れて電流が流れ始める
2. アーク柱：電流が細い柱の形の放電路に集中し、その部分が非常に高温になる
3. 溶融・気化：高温で、工作物の表面が溶け、一部は気化する
4. 除去：放電が止まると加工液に冷やされ、溶けた金属は小さなくずになって流され、小さなくぼみが残る

電界と電圧の関係は、電位と平行板の電界で確かめられます。放電の熱を使うという点では、電気加熱の方式で扱ったアーク加熱と同じ仲間です。アーク加熱は熱で金属を溶かして使い、放電加工は小さな溶融を積み重ねて形をつくります。

加工液の役割：絶縁性の媒体・冷却・くずの排出

加工液には、次の3つの役割があります。

役割	はたらき
絶縁性の媒体	すきまを絶縁し、電圧を加えると放電が起きる場をつくる
冷却	放電で熱くなった電極と工作物を冷やす
くずの排出	加工でできたくずを流し去る

加工液には、水を主にした液と、油を主にした液があります。ワイヤ放電加工では、イオンを取り除いた水（脱イオン水）が多く使われます。

くずがすきまにたまると、異常な放電や短絡が起こり、加工面が悪くなります。そこで、加工液を噴き出したり、電極を上下に動かして液を入れ替えたりして、くずの排出を助けます。

パルス電源と1パルスのエネルギー

パルス電源は、電流を流す時間と休む時間を、交互にくり返します（図4）。電流を流す時間をパルス幅 $t_{\mathrm{on}}$、休む時間を休止時間 $t_{\mathrm{off}}$ といい、1回分の長さが周期 $T$ です。

周期と周波数の関係は、次のとおりです。

$$\begin{aligned} T &= t_{\mathrm{on}} + t_{\mathrm{off}} \\[4pt] f &= \dfrac{1}{T}\ \mathrm{[Hz]} \end{aligned}$$

周波数 $f$ は、1秒あたりのパルスの数です。休止時間があるのは、一般に、放電のあとにすきまの絶縁をもとに戻し、くずを流し去って、次の放電に備えるためです。

1回の放電で使われるエネルギー、つまり1パルスのエネルギー $W$ は、放電中の電圧 $V$、電流 $I$、パルス幅 $t_{\mathrm{on}}$ から求めます。ここでの $V$ は、放電が始まったあと、すきまにかかっている電圧です。$V$ と $I$ は一定とみなします。

$$W = V I t_{\mathrm{on}}\ \mathrm{[J]}$$

パルスは毎秒 $f$ 回くり返されるので、平均の電力 $P$ は、次の式で表されます。

$$\begin{aligned} P &= W f \\[4pt] &= V I\times\dfrac{t_{\mathrm{on}}}{T}\ \mathrm{[W]} \end{aligned}$$

$t_{\mathrm{on}}/T$ は、放電している時間の割合です。休止時間を長くすると、1パルスのエネルギーは同じでも、平均の電力は小さくなります。$1\ \mathrm{W} = 1\ \mathrm{J/s}$ なので、$W$ に毎秒のパルス数 $f$ を掛けると、電力になります（熱量と電力の関係は電熱の計算を参照）。

放電のエネルギーと面の粗さ

1パルスのエネルギー $W$ が大きいほど、1回の放電で取り除く量が増え、加工は速くなります。しかし、できるくぼみも大きくなり、加工した面は粗くなります。$W$ を小さくすると、その逆です（図5）。

放電加工した面は、小さなくぼみが一面に重なった、ざらついた面です（図6）。一般に、はじめは大きなエネルギーで速く削り、最後に小さなエネルギーで面を整える、という順に条件を変えます。

形彫り放電加工とワイヤ放電加工

放電加工は、電極の使い方で、形彫り放電加工とワイヤ放電加工に分けられます（図7）。

形彫り放電加工は、加工したい形に合わせてつくった電極を、工作物に向けて送り、電極の形を写してくぼみを彫ります。電極には、銅や黒鉛などが使われます（図8）。

1電極2凹凸3くぼみ4工作物

1. 電極　加工する形をもつ銅色の工具
2. 凹凸　この形が工作物に写る
3. くぼみ　電極の形が写った部分
4. 工作物　鋼のブロック

ワイヤ放電加工は、細い金属線（ワイヤ）を電極にします。ワイヤを走らせながら、工作物を水平に動かし、糸のこで切り抜くように、輪郭に沿って切ります。ワイヤが工作物を貫くので、一般に、行き止まりのくぼみではなく、貫通した形の切り抜きに向きます。複雑な形の穴や溝をもつ金型の部品も、放電加工でつくられます（図9）。

2つの方式を比べると、次のとおりです。

項目	形彫り	ワイヤ
電極	加工する形の電極	細いワイヤ
動かし方	電極を送る	工作物を動かす
向く加工	くぼみ・型	輪郭の切り抜き

放電加工の特徴と電極の消耗

放電加工の向き不向きを、特徴と理由で整理します。

向き不向き	特徴	理由
得意	硬い材料の加工	熱で削るので、硬さの影響を受けにくい
得意	複雑な形・細かい形	電極やワイヤの形が、そのまま写る
苦手	絶縁物の加工	導電性がないと、放電が起きない
苦手	大量に削る加工	1回の放電で取り除く量が小さい

放電では、工作物だけでなく、電極も少し溶けて減ります。これを電極の消耗といいます。消耗は、極性などの電気条件によって変わります。理想は、電極の溶融を抑え、工作物の溶融を多くすることで、一般に、電極の消耗が小さくなる条件が選ばれます。消耗した電極の形は、そのまま工作物に写るので、形彫りでは電極の消耗が加工の精度に関わります。

放電加工は、電極（またはワイヤ）という工具を必要とします。電極のかわりに、電子ビームやレーザ光でエネルギーを狭い場所に集めて加工する方法が、ビーム加工です。

例題で確かめる：特徴・加工液・パルスのエネルギー

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(1) 正しい。電極と工作物は、すきまをあけて向かい合います。

(2) 正しい。放電を起こすには、工作物が導電性でなければなりません。

(3) 正しい。加工液は、絶縁性の媒体、冷却、くずの排出の3つの役割をもちます。

(4) 誤り。放電加工は熱で溶かして削る方法で、工作物の硬さの影響を受けにくい特徴があります。

答え：(4)

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(ア) 絶縁性の媒体として、すきまを絶縁し、電圧を加えると放電が起きる場をつくります。

(イ) 加工液が熱を受け取り、電極と工作物を冷却します。

(ウ) 加工でできた小さなくずは、加工液が流し去ります。くずがたまると、異常な放電や短絡が起こりやすくなります。

答え：(ア) 絶縁、(イ) 冷却、(ウ) くず

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(1) $t_{\mathrm{on}} = 20\ \mu\mathrm{s} = 20\times10^{-6}\ \mathrm{s}$ です。

$$\begin{aligned} W &= V I t_{\mathrm{on}} \\[4pt] &= 25\times40\times20\times10^{-6} \\[4pt] &= 0.020\ \mathrm{[J]} \end{aligned}$$

(2) 周期は $T = 20 + 30 = 50\ \mu\mathrm{s}$ です。

$$\begin{aligned} f &= \dfrac{1}{T} \\[4pt] &= \dfrac{1}{50\times10^{-6}} \\[4pt] &= 2.0\times10^{4}\ \mathrm{[Hz]} \end{aligned}$$

(3) 1パルスのエネルギーに、毎秒のパルス数を掛けます。

$$\begin{aligned} P &= W f \\[4pt] &= 0.020\times2.0\times10^{4} \\[4pt] &= 400\ \mathrm{[W]} \end{aligned}$$

確かめます。$VI = 25\times40 = 1000\ \mathrm{W}$ で、放電している時間の割合は $20/50 = 0.4$ です。$1000\times0.4 = 400\ \mathrm{W}$ となり、一致します。

(4) 周期は $T' = 20 + 80 = 100\ \mu\mathrm{s}$ です。パルス幅は同じなので、$W$ は変わりません。

$$\begin{aligned} f' &= \dfrac{1}{100\times10^{-6}} \\[4pt] &= 1.0\times10^{4}\ \mathrm{[Hz]} \\[6pt] P' &= 0.020\times1.0\times10^{4} \\[4pt] &= 200\ \mathrm{[W]} \end{aligned}$$

休止時間を長くしても、1パルスのエネルギーは同じです。平均の電力は 400 W から 200 W に下がります。

答え：(1) 20 mJ、(2) 20 kHz、(3) 400 W、(4) 200 W

解答と解説を見る

(1) ワイヤ放電加工です。ワイヤが工作物を貫き、輪郭に沿って切り抜けます。

(2) 形彫り放電加工です。電極の形が、底のあるくぼみとして写ります。

(3) ワイヤ放電加工です。細い金属線がワイヤで、工作物を動かして切ります。

答え：(1) ワイヤ、(2) 形彫り、(3) ワイヤ

よくある質問

放電加工は、なぜ硬い材料でも加工できるのですか。

放電の熱で、工作物を溶かして取り除くからです。刃物で削る加工とちがい、工作物の硬さの影響を受けにくくなります。そのため、ダイやパンチなどの硬い工具や、超硬合金の加工に使われます。

絶縁物は、放電加工できないのですか。

一般には、できません。放電は、電極と工作物の間に電圧を加えて起こすので、工作物が電気を通さないと、放電が起きないからです。金属などの導電性の材料が対象になります。

パルスの休止時間は、なぜ必要ですか。

一般に、休止時間の間に、すきまの絶縁がもとに戻り、くずが流されて、次の放電の準備ができるからです。休止時間を長くすると、1パルスのエネルギーは同じでも、平均の電力は小さくなり、加工は遅くなります。

形彫りとワイヤ放電加工は、どう使い分けますか。

くぼみや型のように、電極の形を写したいときは、形彫り放電加工を使います。板から輪郭に沿って、貫通した形を切り抜きたいときは、ワイヤ放電加工を使います。

思い出してみよう

答えを見る前に、まず自分で思い出してからタップしてください。

放電加工で工作物を削るのは、何の熱ですか？

電極と工作物の間の放電（火花）の熱で、工作物の表面が溶けて取り除かれます。

1回の放電の4段階は何ですか？

絶縁破壊 → アーク柱 → 溶融・気化 → 除去です。

加工液の3つの役割は何ですか？

絶縁性の媒体、冷却、くずの排出です。

1パルスのエネルギーと、平均の電力の式を書けますか？

$W = VIt_{\mathrm{on}}$、$P = Wf$（$f = 1/T$）です。

形彫りとワイヤ放電加工は、どう違いますか？

形彫りは電極の形を写し、ワイヤは細い線で輪郭を切り抜きます。

放電加工できる工作物の条件は何ですか？

電気を通す材料（導電性）であることです。

まとめ

• 放電加工は、電極と導電性の工作物の間に放電をくり返し、熱で溶かして取り除く。硬さの影響を受けにくい
• 1回の放電は、絶縁破壊 → アーク柱 → 溶融・気化 → 除去の4段階で進む
• 加工液の役割は、絶縁性の媒体、冷却、くずの排出の3つ
• 1パルスのエネルギーは $W = VIt_{\mathrm{on}}$、平均の電力は $P = Wf$。エネルギーが大きいと、速いが面は粗い
• 形彫りは電極の形を写し、ワイヤは細い線で輪郭を切り抜く

電子ビームやレーザ光でエネルギーを集める加工はビーム加工、放電のアークの熱を使う加熱は電気加熱の方式の記事へ進みましょう。