CN101163565A - 电解加工的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于加工工件的电解加工(ECM)系统包括多个ECM工位。第一ECM工位加工所述工件的第一区域。第二ECM工位加工所述工件上与第一区域隔离的第二区域。也可采用多个附加的ECM工位。每一ECM工位包括一用于传送电流的固定电极，该电流冲刷所述工件上的材料。每一ECM工位还设有用于确定所述固定电极与所述工件之间的电解液的宽度的超声波传感器。当电解液宽度达到预定宽度时，结束各ECM工位中对所述工件的加工。

Description

电解加工的方法和系统

本发明要求申请日为2005年2月24日的第60/655,846号美国临时专利申请的优先权。

发明领域

本发明一般涉及一种塑造并形成金属工件的电解加工系统。

背景技术

现有的各种电解加工的方法和系统已为人们所熟知。美国专利第3,424,501号(501号专利)揭露了一种多工位电解加工系统实例。

501号专利中揭露的多工位电解加工系统加工连续带式剃刀片材料。该剃刀片材料经加工室传送。该加工室包括浸入电解液中的一系列电极。这些电极由绝缘隔离片彼此隔离。经加工室传送剃刀片材料时，该剃刀片材料从每一电极附近经过。一电流流经这些电极、电解液以及剃刀片材料，从而将剃刀片材料某一区域的部分剃刀片材料侵蚀掉。

虽然501号专利可提供一种加工剃刀片材料的某一区域以制造剃刀片的有效系统，但仍有机会提供一种用于加工具有各种复杂加工要求的工件的电解加工方法和系统。

发明内容

根据本发明的一种加工工件的方法，包括提供用于对所述工件执行连续的电解加工操作的电解加工工具，该电解加工工具具有多个分散的工位，每一工位设有一给定形状和尺寸的专用电极装置，各工位所设的专用电极装置具有不同的给定形状和尺寸。将所述工件引入所述多个工位中的第一工位，并使该工件相对该第一工位的电极保持在一固定关系中，从而在该工件和所述电极之间建立起始间隙，该起始间隙在所述电解加工操作期间加宽，而所述工件或电极均不发生物理移动。监控所述间隙的加宽直到该间隙达到预定增加的间隙状态，而后停止所述第一工位处对所述工件的加工操作。然后，将所述工件传送至至少一个第二连续ECM工位，在该至少一个第二连续ECM工位，重复上述处理过程，直到获得最终工件尺寸和形状。

本发明进一步提供一种ECM工具。该ECM工具包括多个分散的ECM工位，每一ECM工位设有一给定结构的专用电极加工工具，各工位所设的专用电极加工工具具有不同的给定结构且在其工位的加工操作期间保持在固定位置。该ECM工具提供一装置，该装置用于支撑工件，使其在各工位相对所述固定电极的固定位置处被加工，以在所述工件和电极之间建立起始间隙，该起始间隙在各工位的加工过程中加宽。

本发明具有能够以逐步生效的方式在一工件上电解加工出复杂形状的优点。

本发明进一步具有采用固定ECM装置和多个ECM工位执行ECM过程的优点，使得一定量的工件加工发生在一个具有固定ECM装置的工位，而后该工件被传送至随后的一个或多个ECM工位，在该工位进一步相对固定ECM装置进行加工。通过这种方式，该过程避免了对可移动装置的需要，减少了工件在任一个工位花费的时间；又因为在任一个工位仅进行部分加工，且该部分加工被控制以最佳效率完成，故可使通过这些工位循环处理的工件的数量达到最大，从而使生产效率最高化。通过控制在任一工位相对固定ECM装置对一工件进行加工的加工量，可以最小化该工件的整个加工表面在第一工位等候对工件的其他区域进行加工所需的时间。与之替换的是，一旦在第一工位完成所期望的最佳加工量，工件即被传送至至少一个第二工位以对其其他区域进行加工；如果需要，而后再从该工位传送至随后的一个或多个工位，以对该工件的更多区域进行附加加工。

本发明还提供一种用于加工工件的ECM系统。该ECM系统包括第一ECM工位，该第一ECM工位设有第一固定电极和电解液，以在所述工件和该第一固定电极之间形成电解液第一间隙，该第一ECM工位用于通过使电流流经所述第一固定电极、所述电解液第一间隙和所述工件，冲刷所述工件第一区域上的材料。该ECM系统还包括第二ECM工位，该第二ECM工位设有第二固定电极和所述电解液，以在所述工件和该第二固定电极之间形成电解液第二间隙，该第二ECM工位用于通过使所述电流流经所述第二固定电极、所述电解液第二间隙和所述工件，冲刷所述工件第二区域上的材料。本发明进一步包括工件处理系统，用以将所述工件从所述第一加工工位移动至所述第二加工工位。

本发明的ECM系统和方法与现有技术相比，可以对工件进行更复杂的电解加工。工件的几部分可通过加工制成多个精加工零部件，例如，但不限于，多个活塞，多个连杆和多个凸轮轴。

附图说明

为便于理解本发明的特征及优点，以下结合附图对本发明进行详细描述，

其中：

图1是电解加工(electrochemical machining，简称ECM)系统的立体图；

图2A是工件加工之前第一ECM工位的剖视图；

图2B是工件加工之后第一ECM工位的剖视图；

图3A是工件加工之前第二ECM工位的剖视图；

图3B是工件加工之后第二ECM工位的剖视图。

具体实施例

参照附图，其中同样的数字始终指代相同零部件。图1展示了加工工件的电解加工(ECM)系统10。在这里，还描述了相关ECM处理的方法。

该ECM系统10包括多个ECM工位。该ECM工位为至少两个，在本发明中预设具有3个或更多个工位。仅为说明的目的，将要描述的方法涉及两个ECM工位，但可以理解，所描述的方法可根据特定应用或工件的需求，应用于具有第三、第四或更多ECM工位的发明设计中。参照附图，所示系统10包括第一ECM工位12、第二ECM工位14以及工件处理系统16。优选地，工件处理系统16是用于移动和操作工件使其进出第一和第二ECM工位12、14并通过系统10的其他部件的自动装置。该工件处理系统16可包括一机器人、一台架、多个传送装置、多个夹紧装置或者本领域普通技术人员已知的其他装置。控制器18可操作地连接至工件处理系统16，以控制该工件处理系统16的操作和运行。

ECM工位12、14均起到侵蚀工件20上的材料的作用。然而，第一ECM工位12侵蚀工件20第一区域上的材料，第二ECM工位14(以及任何随后的ECM工位)侵蚀工件20另一区域上的材料。工件20上第一和第二区域的位置由许多因素决定，这些因素包括工件20的大致尺寸，工件20的预期最终尺寸，从工件20移除的材料的量，等等。第一和第二区域可位于工件20上的不同位置处。可选地，第一和第二区域可位于工件20上相同或交迭位置处。

现在参照图2A，第一ECM工位12包括浸入电解液24中或用电极流动冲洗以有效浸入的第一固定电极。该第一固定电极22的位置被固定，意味着该固定电极22在ECM处理期间的任何时刻都不能移动。该第一ECM工位12进一步包括第一部件支撑装置26。该第一部件支撑装置26在ECM处理期间使工件20保持不动。

工件处理系统16将工件20移入第一ECM工位12，并将其置放于第一部件支撑装置26中。该工件的第一区域浸入电解液24(或在电解液24中冲洗)。这形成了第一固定电极22和工件20之间的电解液第一间隙28。该间隙保持在约50-400微米。

电源30可操作地连接至第一固定电极22和工件20。在图示实施例中，电源30电连接至第一部件支撑装置26，并依次电连接至工件20。电源30提供流经第一固定电极22、电解液第一间隙28和工件20的电流。该电流的应用导致工件20第一区域的材料被从工件20上侵蚀掉，如图2B所示。电解液24流经电解液第一间隙28将侵蚀下来的材料冲洗掉。

第一ECM工位12进一步设有可操作地连接至测量装置34的第一超声波传感器32。该第一超声波传感器32和测量装置34确定电解液第一间隙28的宽度。优选地，将第一超声波传感器32嵌在第一固定电极22内。然而，本领域的普通技术人员可知该第一超声波传感器32可设于各种位置，以充分确定电解液第一间隙28的宽度。

测量装置34产生超声波，该超声波由第一超声波传感器32传送。超声波经第一固定电极22和电解液第一间隙28传播至工件20。该超声波被工件20反射并由第一超声波传感器32接收，发回至测量装置34。而后，该测量装置34基于发送和接收超声波之间的时延，计算电解液第一间隙28的宽度。

在ECM处理期间连续进行对电解液第一间隙28的测量。当电流流过，材料从工件上冲刷下来，第一间隙28的宽度将增加。测量装置34可操作地连接至控制器18。将第一间隙28的测量结果实时发送至控制器18。

除了工件处理系统16和测量装置34，控制器18也可操作地连接至电源30。控制器18向电源30发送命令。这些命令用于开启和关闭电源，并调节电源30产生的电流的特性。这些特性包括电压、电流强度、脉冲宽度等等。优选地，电源30将其运行状况反馈至控制器18。

在第一实施例中，控制器18分析测量装置34提供的第一间隙28的当前测量结果。当电解液第一间隙28达到第一预定宽度时，控制器18控制电源30产生的电流停止流动。制止电流流动是通过一开关、继电器或者其他适合的装置(图未示)实现的。然后，控制器18命令工件处理系统16将工件20从第一ECM工位12移走，传送至第二ECM工位14。

在第二实施例中，控制器也分析测量装置34提供的第一间隙28的当前测量结果。当电解液第一间隙28达到第一预定宽度时，命令工件处理系统16从第一ECM工位12移走工件20。电流未停止流动，只是在工件20被工件处理系统16移走时中断。不需要开关或继电器来制止电流的流动。然后，控制器18命令工件处理系统16将工件20传送至第二ECM工位14。

如以上所述，第二ECM工位14以与第一ECM工位12相似的方式运行。现在参照图3A，第二ECM工位14包括第二固定电极36和电解液24。第二ECM工位14可分享来自第一ECM工位14的电解液24，或者可具有其自己独立的电解液24来源。优选地，第二ECM工位14还包括第二部件支撑装置38以在ECM处理期间固定工件20。工件处理系统16将工件20放置于第二部件支撑装置38内之后，工件20与第二固定电极36之间形成电解液第二间隙40。第二超声波传感器42，优选嵌在第二固定电极36内，可操作地连接至测量装置34，以确定电解液第二间隙40的宽度。应用电流，材料从工件20的第二区域冲刷下来，如图3B所示。该电流可由一独立电源或第一ECM工位12中使用的电源30提供。

当然，如以上所提及的，该ECM系统10可增加多个附加的ECM工位。而且，任一ECM工位可增加多个附加的固定电极。ECM工位及每一ECM工位的固定电极的数量因工件20加工要求的类型、尺寸和复杂性而发生变化。

ECM系统10还包括至少一个电解液输送系统44。该电解液输送系统44将电解液24提供给第一和第二ECM工位12、14。电解液输送系统44包括多个泵、多个软管以及其他相关装置，以将电解液24维持在一定压力和流量下输送至ECM工位12、14。该电解液输送系统44还包括至少一个电解液过滤装置46。该电解液过滤装置46从电解液中过滤从工件20上冲刷下来的材料和其他杂质，并保持电解液24的温度、含盐量、纯净度以及pH值。

优选地，控制器18可操作地连接至工件处理系统16。这使得控制器可协调工件20的加工和移动，从而最大化多个工件20经ECM系统的通过量。因此，所设计的该ECM系统10使得冲刷工件20第一区域上的材料所需的第一时间与冲刷工件20第二区域上的材料所需的第二时间相等。

很明显，根据以上描述可以对本发明做各种改变和修改。因此，可以理解，除上述特定实施例外，本发明可在其权利要求范围内实施。本发明的范围由权利要求确定。

Claims (43)

1.一种加工工件的方法，包括：

提供一种具有多个工位的电解加工工具，每一工位设有一给定形状和尺寸的专用电极装置，各工位所设的专用电极装置具有不同的给定形状和尺寸以对所述工件执行连续的电解加工(ECM)操作；

将所述工件引入所述多个工位中的第一工位，并使该工件和该第一工位的电极保持相互固定的关系以在该工件和该电极之间建立起始间隙，该起始间隙在所述第一工位处的所述电解加工操作期间加宽，而所述工件或电极均不发生物理移动；

监控所述加宽间隙直到该间隙达到预定增加的间隙状态，而后停止所述第一工位处对所述工件的加工操作；

将所述工件传送至至少一个第二连续ECM工位，在该至少一个第二连续ECM工位，所述工件和所述电极保持相互固定的关系以在该第二工位于所述工件和其电极之间建立起始间隙，该起始间隙在所述第二工位处的所述电解加工操作期间加宽，而所述工件或电极均不发生物理移动，从而进一步加工该工件。

2.根据权利要求1所述的方法，包括在加工期间使电解液液体流经所述加宽间隙。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每一工位设有其各自的脉冲调制和控制电路，该电路与在给定工位执行特定加工步骤相关。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少三个工位各具有所述固定的电极装置且各自加工以获得一加宽间隙。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当一工件从一工位移至下一工位时，另一工件被接连地引入该工位。

6.根据权利要求5所述的方法，包括使所述多个工位的加工周期同步。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每一工位执行所述工件的不同加工工序。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最大间隙的范围为约50-400微米。

9.一种电解加工工具，包括：

多个加工工位，每一加工工位设有一给定结构的专用电极加工工具，各工位所设的专用电极加工工具具有不同的给定结构且在其所在工位的加工操作期间保持在固定位置；以及

一装置，用于支撑工件使其在各工位相对所述固定电极的固定位置处被加工，以在所述工件和电极之间建立起始间隙，该起始间隙在各工位的加工过程中加宽。

10.根据权利要求9所述的工具，包括所述电极区域的电解液供应装置，用于在加工期间将电解液流引入所述间隙。

11.根据权利要求9所述的工具，包括测量装置，用于测量所述工件与电极之间的所述加宽间隙。

12.根据权利要求11所述的工具，其特征在于，所述测量装置包括超声波装置。

13.根据权利要求11所述的工具，其特征在于，所述测量装置包括用于测量流经所述加宽间隙的变化电流的装置。

14.根据权利要求9所述的工具，包括用于控制各工位处所述电极的脉冲调制从而控制所述工件加工的系统。

15.根据权利要求9所述的工具，包括用于同步所述多个工位的加工周期的系统。

16.一种采用多个电极加工(ECM)工位加工工件的方法，包括下列步骤：

将所述工件移入第一ECM工位，以在所述工件和第一固定电极之间形成电解液的第一间隙；

加工所述工件，使电流流经所述第一固定电极、所述电解液第一间隙和所述工件，以冲刷所述工件的第一区域上的材料并增大所述电解液第一间隙；

将所述工件移入第二ECM工位，以在所述工件和第二固定电极之间形成所述电解液的所述第二间隙；

加工所述工件，使电流流经所述第二固定电极、所述电解液的所述第二间隙和所述工件，以冲刷所述工件上与第一区域隔离的第二区域上的材料并增大所述电解液的所述第二间隙。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括使所述工件在所述加工期间于所述第一ECM工位中保持不动的步骤。

18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括使所述工件在所述加工期间于所述第二ECM工位中保持不动的步骤。

19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括确定所述电解液第一间隙的宽度的步骤。

20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括当所述电解液第一间隙达到第一预定宽度时将所述工件从所述第一ECM工位移走的步骤。

21.根据权利要求19所述的方法，进一步包括当所述电解液第一间隙达到第一预定宽度时使所述电流停止流动的步骤。

22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括所述电流停止流动后将所述工件从所述第一ECM工位移走的步骤。

23.根据权利要求16所述的方法，进一步包括确定所述电解液第二间隙的宽度的步骤。

24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括当所述电解液第二间隙达到第一预定宽度时将所述工件从所述第二ECM工位移走的步骤。

25.根据权利要求23所述的方法，进一步包括当所述电解液第二间隙达到第二预定宽度时使所述电流停止流动的步骤。

26.根据权利要求25所述的方法，进一步包括所述电流停止流动后将所述工件从所述第二ECM工位移走的步骤。

27.根据权利要求16所述的方法，进一步包括使冲刷所述工件的所述第一区域上的材料所需的第一时间与冲刷该工件的所述第二区域上的材料所需的第二时间相等，从而最大化多个工件经所述第一和第二ECM工位的通过量的步骤。

28.根据权利要求16所述的方法，进一步包括将提供给所述第一和第二ECM工位的电解液维持在一定压力和流量的步骤。

29.根据权利要求16所述的方法，进一步包括从所述电解液中过滤被冲刷的材料的步骤。

30.一种用于加工工件的电解加工(ECM)系统，包括：

第一加工工位，包括第一固定电极和电解液，以在所述工件和所述第一固定电极之间形成电解液第一间隙，该第一加工工位用于通过使电流流经所述第一固定电极、所述电解液第一间隙和所述工件，冲刷所述工件的第一区域上的材料；

至少一个第二加工工位，包括第二固定电极和所述电解液，以在所述工件和所述第二固定电极之间形成电解液第二间隙，该第二加工工位用于通过使所述电流流经所述第二固定电极、所述电解液第二间隙和所述工件，冲刷所述工件的第二区域上的材料；以及

工件处理系统，用以将所述工件从所述第一加工工位移动至所述至少一个第二加工工位。

31.根据权利要求30所述的ECM系统，其特征在于，所述第一ECM工位进一步设有使所述工件在所述ECM操作期间保持不动的第一部件支撑装置。

32.根据权利要求30所述的ECM系统，其特征在于，所述第二ECM工位进一步设有使所述工件在所述ECM操作期间保持不动的第二部件支撑装置。

33.根据权利要求30所述的ECM系统，进一步包括用于确定所述电解液第一间隙的宽度的第一距离传感器。

34.根据权利要求33所述的ECM系统，其特征在于，所述第一距离传感器进一步定义为第一超声波传感器。

35.根据权利要求34所述的ECM系统，其特征在于，所述第一超声波传感器嵌在所述第一固定电极中。

36.根据权利要求30所述的ECM系统，进一步包括用于确定所述电解液第二间隙的宽度的第二距离传感器。

37.根据权利要求36所述的ECM系统，其特征在于，所述第二距离传感器进一步定义为第二超声波传感器。

38.根据权利要求34所述的ECM系统，其特征在于，所述第二超声波传感器嵌在所述第二固定电极中。

39.根据权利要求30所述的ECM系统，进一步包括至少一个电源，该电源可操作地连接至所述第一固定电极、所述第二固定电极以及所述工件，以产生所述电流。

40.根据权利要求39所述的ECM系统，进一步包括可操作地连接至所述至少一个电源的控制器，用于控制所述第一和第二电流的应用。

41.根据权利要求31所述的ECM系统，其特征在于，所述控制器可操作地连接至所述工件处理系统，用以协调所述工件的加工和移动以最大化多个工件经所述ECM系统的通过量。

42.根据权利要求30所述的ECM系统，进一步包括至少一个电解液输送系统，用于向所述第一ECM工位和所述第二ECM工位提供所述电解液。

43.根据权利要求30所述的ECM系统，进一步包括至少一个电解液过滤装置，用于过滤所述电解液中的杂质并保持所述电解液的温度、含盐量、纯净度和pH值。

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