CN1104297C - 电化学加工工件的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

说明书摘要在一种电化学加工的方法中，通过使工件(2)与电极(3)接触(阶段I)来设置工作距离(dw)，把工件(2)和电极(3)之间的距离增加第一距离(d1)(阶段II-III)，探测电极(3)和工件(2)之间的接触是否被破坏(阶段IV)，还把工件(2)和电极(3)之间的距离增加第二距离(d2)。由于这种方法，可以设置一个伴随有限的短路和跳火的危险非常小的工作距离。

Description

电化学加工工件的方法和装置
技术领域
本发明涉及借助于电极来电化学加工工件的方法，它包括如下步骤
使工件和电极相互接触，
设置电极和工件之间的工作距离，同时在工件和电极之间保持装有电解质的间隙，及
借助电极和工件使工作电流通过间隙中的电解质，从而加工工件。
本发明还涉及通过电极来电化学加工工件的装置，在该装置中，工作距离设置在电极和工件之间，同时工件和电极之间的间隙装有电解质，在该装置中，借助电极和工件使工作电流通过间隙中的电解质来加工工件，该装置包括：
基体，它用来安置工件，
电极夹，它用来安置电极，
致动器，它使用电极夹和基体相互移动，
探测装置，它探测电极和工件之间的接触，及
控制单元，它控制致动器。
而且，本发明涉及控制单元，该控制单元控制装置中的致动器从而通过电极来电化学加工工件。
背景技术
从出版物CIRP年刊Vol.44/1/95的“模拟和监视脉冲电化学加工上的电子间隙”中可以了解到这种方法。在这种公知的方法中，工件通过电解质中的电极来加工，而该电解质由水中的15％的NaCL溶液组成。所述的公开物表明：当电极和工件之间提供较小的工作距离时，加工精确度较高。在实验模拟中，设置了至少0.1mm的工作距离，之后，工作电流通过工件和电极之间的间隙中的电解质。根据这种公开，工作距离常常由这些来设置：使电极和工件相互产生接触，之后把电极定位在离开工件的理想距离中。这种方法的缺点是：在设置成小工作距离的情况下，极有可能在施加电流时在电极和工件之间产生跳火或者短路，其结果是，电极和/或工件由于工作电流在短路和跳火的位置上产生的热量而被损害。
发明内容
本发明的目的是减少可能产生的跳火或者短路。为此，本发明方法的特征在于：工作距离通过下面的方法来设置：
从电极和工件之间的接触位置开始把电极和工件之间的距离增加第一距离，接着，
探测电极和工件之间的接触是否被破坏，及
如果探测表明电极和工件之间的接触被破坏掉，那么把电极和工件之间的距离增加第二距离。
本发明是基于该事实的识别：在电极和工件产生接触之后把它们相互远离移动一个理想的距离而不会总是产生理想的工作距离的设置。由于弹性元件的原因，因此所得到的工作距离可以比理想的工作距离小，甚至可能持续地进行电接触。如果理想的工作距离是微米级的，那么可能发生的这些是有价值的。所述的弹性元件可以是用来相对于工件定位电极的装置的部分，和/或可以由间隙中的毛刺或者杂质形成。如果工作距离比理想的要小，那么电流强度比预料中的要高，因此存在间隙中产生出气的较大危险。其结果是，具有较大的跳火危险。如果在工作距离设置之后持续进行电接触，那么由于工作电流的原因，在电接触的位置处的电流强度是如此的高以致损害电极和/或工件。本发明的方法确保了实际间隙具有至少第二距离的大小。这就防止了短路或者跳火的产生。这种方法的结果是，基本上减少了损害工件和/或电极的危险，以可靠方式设置了微米级大小的工作距离。
本发明的方法具有这些优点：关于所设置的工作距离的大小相对于所设置的工作距离的平均大小的不确定性较小。这会引起均匀的溶解速度和电极的精确复制。
本发明的方法具有这样的优点：如果电接触由于毛刺或者杂质的存在而没有被中断，那么毛刺或者杂质可以通过增加电极和工件之间的距离来分开，从而，例如，可以随电解质冲洗掉。第三距离的最佳值依赖于几何形状，并在实践中接近0.1mm。
本发明的方法具有这些优点：工作距离中的可能漂移周期性地被校正，因此电解质可以更好地流过，其结果是，在间隙增大时可以更好地更新。
本发明的方法具有这些优点：在溶解工件时，工作距离的大小基本上保持不变。
本发明的方法是用来估算溶解速度的简单方法。
本发明的方法具有这些优点：电极和工件之间存在的接触可以为简单装置所探测到。
本发明的方法具有这些优点：一方面，电压足够高从而使噪声和工件与电极之间的电池效应最小，另一方面，电压足够小从而防止熔解电极或工件。
本发明的方法具有这些优点：在电流强度较高时，工件以高速溶解，而在电流强度较低时，以低速溶解。由于电流强度随着电极和工件之间的距离的增加而减少，这种方法确保了限制所谓的侧溶解，从而工件的加工表面近似为电板表面的反面。
本发明的方法具有这些优点：加工速度和精确度基本上比用在现有技术中的工作距离大小的情况下的高。本发明的方法使得以可靠的方式来建立这种较小的工作距离，因此可以得到所述的优点而没有增加损害工件和/或电极的危险。发现本发明的方法产生特别满意的结果。第一距离的最佳值依赖于移动极限和装置中的弹性，并且最好根据实验来决定。第二距离的最佳值尤其依赖于电极的几何形状，并最好也由实验来决定。
本发明的装置和控制单元的特征在于采用了控制单元。
在电极和工件之间设置第一距离，
探测电极和工件之间的接触是否破坏掉，及
把工件和电极之间的距离增加第二距离。
现在，参照附图，以例子的方式来详细地描述本发明，在附图中
附图说明
图1示意性地表示装置1，在电极3的帮助下，它用来电化学地加工工件2，
图2示意性地表示实现本发明方法过程中作为时间函数的工件2和电极3之间的间4的大小d和电压U。
图3示意性地表示：在工件2和电极3之间的距离增加第一距离d1之后，发现接触没有被破坏掉的情况下，实现本发明方法过程中作为时间函数的工件2和电极3之间的间隙4的大小d和电压U。
图4是表示作为不同工作电压U1和U2的工作距离dw的函数的溶解速度Vf的图。
具体实施方式
图1是借助于电极3来电化学加工工件2的装置1的图解。装置1包括：基体6，它用来安置工件2；电极夹7，它用来安置电极3；及致动器8，它使电极夹7和基体6相互移动。基体6和致动器8安装在具有刚性结构的机架9上，从而使得电极3和工件2之间的工作距离dw设置得很精确。该装置还包括储存器10，该储存器10以这种方式来装有电解质5：由于电极3和工件2之间的工作距离dw而形成的间隙4装有电解质5。在这种情况下，电解质包括溶解在水中的NaNO3。作为一个替换实施例，使用其它电解质如氯酸钠或者NaNO3和酸的化合物也是可以的。借助于未示出的装置通过间隙4泵抽出电解质5，借助于装置1，通过工作电流I来加工工件2，该工作电流I来自电源40且经由电极3和工件2通过在间隙4的电解质5。当工作电流I的极性正确时，这引起工件2的材料在电极和工件之间的小距离的位置处溶解在电解质5中。其结果是，电极3的形状复制在工件2上。装置1还包括：探测装置20，它探测电极3和工件2之间的接触；及控制装置30，它控制致动器8。探测装置20包括：限流电压源21，在这种情况下，只要没有驱动电流限制器，电压源21就提供接近2V的电压Um；监视器22，监视器22监视电极3和工件2之间的压差U。参照图2所描述的控制单元30适合于实现根据本发明的方法。
图2示意性地表示了在实现本发明方法期间作为时间函数的工件2和电极3之间的距离d和电压U。在第一相I中，根据这种方法，开关23(见图1)闭合，工件2和电极3之间的距离d减少直到工件2和电极3相互产生接触为止。这种接触的结果是，限流器被驱动，而电压U减少到接近零V(阶段II)。之后，通过把电极3和工件2之间的距离d增加第一距离d1(阶段III)来设置电极3和工件2之间的工作距离dw，该距离dw开始于电极3和工件2之间的接触位置，接着通过监视电压U来探测电极3和工件2之间的接触是否破坏掉(阶段IV)，如果探测表明电压U又接近2V，这表明电极3和工件2之间的接触被破坏掉，那么把工件2和电极3之间的距离d增加第二距离d2(阶段V)。最好，工作距离dw小于50um。此外，通过选择第一距离d1的预定值和通过选择相对于第二距离d2相对较小的第一距离d1来限制实际工作距离dw的扩大。d1在2到10um之间及d2在5到30um时，可得到满意结果。
最好，第一距离d1(阶段III)之后的某时实现通过监视电压U(阶段IV)来探测电极3和工件2之间的接触是否破坏掉。这是因为发现在阶段III电压慢慢地返回到原始范围Um。这是由电解质5内的电池效应所引起的。最好通过确定电压U是否大于比如0.5Um以便使探测时的电池效应和其它噪声或者干扰源的影响最小，来实现通过监视电压U(阶段IV)探测电极3和工件2之间的接触是否破坏掉。
根据所描述的方法来设置工作距离之后，借助于闭合开关43，来自电源40的工作电流I在阶段VI期间通过位于工作距离dw中的电解质5。最好，电源40提供脉冲电压Up，因为人们发现它比连续的电压，能更加均匀地溶解工件2。之后，在阶段VI中，工件2和电极3之间的距离增加距离d3，因此使得工作距离dw中的电解质5容易更新。在几十个微米的工作距离dw时，因为通过这种工作距离的电解质的流速不大使电解质快速饱和。距离d增大后，工作距离dw最好根据本发明的方法重新设置，从而定期地重复这样的操作：使工件2和电极3产生接触，并设置电极3和工件2之间的工作距离dw。
在图2中，字母FF表示实施例，在该实施例中，在工作电流I通过电解质5期间，根据材料溶解的估算速度Vf，电极3和工件2相互移近。这种溶解速度Vf可以估算，例如根据在两个接触阶段之间的电极3和工件2的相对位移来估算。
图3示意性地表示：在工件2和电极3之间的距离d增加第一距离d1(阶段IV)之后而发现接触没有被破坏掉的情况下，在实现本发明方法过程作为时间函数的工件2和电极3之间的距离d和电压U。在这种情况下，与图2的阶段VII相同，工件2和电极3之间的距离增加第三距离d3，接着采用参照图2所概述的步骤。
图4是表示作为不同工作电压U1和U2，的工作距离dw的函数的溶解速度Vf的图，其遵守U2＞U1。该图表示溶解速度Vf基本上随着工作距离dw的减少而增加。本发明方法比上述公开的方法使得所设置的工作距离更小，不会由于短路或者跳火的结果而增加损害工件2或者电极3的危险。其结果是，可得到较高的溶解速度Vf。同时，横向溶解快速产生引起相对较小溶解速度Vf(见图4)的距离d时，得到较高的精确度，因此工件2的机加工表面近似于电极3的相应表面的反向复制。
应当注意到，本发明不局限于所示出的变形。在没有脱离本发明范围可以有许多其它变形。因此，以其它方式如借助于脉冲电流源或者电压源或者借助于通过电极来测量施加在工件上的力的压力传感器，从而探测电极和工件之间的接触是可能的。还可以在阶段IV期间，任意与电压U的增大结合时，通过复合标准如电压U的平均值来进行探测：在电极3和工件2之间的距离增加了第一距离之后该接触是否被破坏掉。而且，借助于电解质合适的几何形状，在间隙中实现电解质的满意更新是可能的，这使得间隙的循环扩大可以消除。

Claims (13)

1.一种借助于电极(3)进行电化学加工工件(2)的方法，包括步骤
使工件和电极相互接触，
设置电极和工件之间的工作距离(dw)，同时在工件和电极之间保持装有电解质(5)的间隙(4)，及
借助电极和工件使工作电流(I)通过间隙中的电解质，从而加工工件，
其特征在于：工作距离(dw)通过下面的方法来设置：
从电极(3)和工件(2)之间的接触位置开始把电极和工件之间的距离(d)增加第一距离(d1)，接着
探测电极和工件之间的接触是否被破坏，及
如果探测表明电极和工件之间的接触被破坏掉，那么在电极和工件之间增加第二距离(d2)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：第一距离(d1)是预定距离，第一距离相对于第二距离(d2)比较小。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：把工件(2)和电极(3)之间的距离(d)增加第三距离(d3)，之后，间隙中的电解质(5)通过冲洗来更新，这时，在设置了预定距离(d1)之后，如果发现电极和工件之间的接触没有被破坏掉，那么工件和电极相互又产生了接触。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于这些步骤：使工件(2)和电极(3)相互产生接触，设置电极和工件之间的工作距离(dw)的步骤循环地重复。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过工作电流(I)来溶解工件(2)的材料，及
在工作电流通过电解质(5)期间，根据估算的材料溶解速度(Vf)，电极(3)和工件相互相向移动(FF)。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：周期性地重复使工件(2)和电极(3)相互接触和设置电极和工件之间的工作距离(dw)的步骤，根据在两个接触阶段之间的电极(3)和工件(2)之间的相对位移(d4)来估算溶解速压度(Vf)。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过连接电极和工件之间的限流电压源及监视电极和工件之间电压差来探测电极(3)和工件(2)之间的接触。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：电压源(21)提供1到3V之间的电压(Um)。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：电解质包括NaNO3。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：设置比50um小的工作距离(dw)。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：第一距离(d1)处于2到10um之间，第二距离(d2)处于5和30um之间。
12.一种通过电极(3)来电化学加工工件(2)的装置(1)，其中，工作距离(dw)设置在电极和工件之间，同时工件和电极之间的间隙(4)装有电解质(5)，在该装置中，借助于电极和工件工作电流(I)通过在间隙内的电解质来加工工件，该装置包括：
基体(6)，它用来安置工件，
电极夹(7)，它用来安置电极，
致动器(8)，它使电极夹和基体相互移动，
探测装置(20)，它探测电极和工件之间的接触，及
控制单元(30)，它控制致动器，
其特征在于采用了控制单元(30)
设置电极和工件之间的第一距离(d1)，
探测电极和工件之间的接触是否被破坏，及
把电极和工件之间的距离(d)增加第二距离(d2)。
13.一种用来控制装置(1)的致动器的控制单元(30)，该装置(1)通过电极(3)来电化学加工工件(2)，其特征在于采用了控制单元(30)
设置电极和工件之间的第一距离(d1)，
探测电极和工件之间的接触是否被破坏，及
把电极和工件之间的距离(d)增加第二距离(d2)。
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