DE69710044T2

DE69710044T2 - Vorrichtung zum elektrochemischen bearbeiten von werkstücken

Info

Publication number: DE69710044T2
Application number: DE69710044T
Authority: DE
Inventors: Sytse Altena; Maarten Brussee; Foppe Kramer
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1997-07-21
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: RU2192336C2; JP2000500077A; US5904831A; EP0869859B1; DE69710044D1; EP0869859A1; WO1998010883A1

Description

Vorrichtung zum elektrochemischen Bearbeiten von Werkstücken Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden eines hindurchgehenden Loches oder mehrerer hindurchgehender Löcher in einem metallenen Werkstück mit Hilfe einer elektrochemischen Bearbeitungsvorrichtung (ECM-Vorrichtung).
Ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art ist beispielsweise in DE 40.02.700 beschrieben worden. Wie in dem genannten Patentdokument beschrieben, erfolgt das elektrochemische Bearbeiten von Werkstücken in einer Elektrolytlösung mit einer hohen Ionendichte. In dem genannten Prozess dient das zu bearbeitende Werkstück als Anode und die Elektrode der ECM-Vorrichtung als Kathode. Beim elektrochemischen Bearbeiten wird zwischen der Anode und der Kathode ein elektrischer Strom angebracht. Unter diesen Umständen dient die Elektrode als Schabwerkzeug. Beim Bearbeiten wird das Werkstück, das als Anode wirksam ist, örtlich aufgelöst, beispielsweise in Form von Metallhydroxid(en), während Wasserstoff an der Elektrodenfläche gebildet wird. Dieses elektrochemische Bearbeitungsverfahren ermöglicht es, dass auf eine relativ einfache und genaue Art und Weise beliebig geformte durchgehende Löcher (oder Muster derselben) in einem metallenen Werkstück gebildet werden.
Das bekannte Verfahren hat einen wichtigen Nachteil. Die durch die durchgehende Löcher an der Stelle der beiden Oberflächen des Werkstücks gebildeten Ränder weisen Abrundungen auf. Es stellt sich heraus, dass der Grad der Abrundung am stärksten ist an der Oberfläche des Werkstücks, die der Bearbeitungselektrode zugewandt ist. Auf der anderen Oberfläche des Werkstücks aber tritt ein wesentlicher Abrundungsgrad der Ränder um die Löcher auf In dem letzteren Fall ist der Rundungsradius größer als 20 um. Der Rundungsradius wird definiert als der Radius des am besten passenden Kreises in einem Querschnitt durch das Loch, wobei dieser Kreis senkrecht zu den Ausgangsflächen bestimmt wird.
Für mehrere Applikationen des Werkstücks sind Rundungsradien einer derartigen Größe unerwünscht, insbesondere wenn der gebildete Rand als Schneidfläche benutzt wird. Dies ist der Fall beispielsweise wenn das fertige Werkstück als Scherfolie oder als Scherkamm für einen Rasierer verwendet werden soll.
Deswegen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung den oben genannten Nachteil zu vermeiden. Es ist nun insbesondere eine Aufgabe der vorliegende Erfindung, ein Verfahren zum elektrochemischen Bilden eines Loches oder mehrerer Löcher in einem Werkstück, und zwar auf eine derartige Art und Weise, dass die Ränder um die Löcher in dem Bearbeitungsbetrieb einen wesentlich reduzierten Abrundungsgrad aufweisen. Der Rundungsradius der nach dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung gebildeten Löcher sollte kleiner sein als 10 um, vorzugsweise kleiner als 5 um, an einer Oberfläche des Werkstücks.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden erzielt durch ein Verfahren zum Schaffen eines oder mehrerer durchgehender Löcher in einem Werkstück mit Hilfe eines elektrochemischen Bearbeitungsgeräts, wobei dieses Verfahren nach der vorliegenden Erfindung das Kennzeichen aufweist, dass während des Bearbeitungsvorgangs das Werkstück auf einem Substrat aus einem elektrisch leitenden, elektrochemisch inerten Material angebracht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die versuchsweise erhaltene Erkenntnis zugrunde, dass das Anbringen des Werkstücks auf einem Substrat aus einem elektrisch leitenden, elektrochemisch inerten Material einen günstigen Effekt hat. So hat es sich beispielsweise herausgestellt, dass unter diesen Umständen eine Abrunden an den Oberflächen des Werkstücks, das von der Elektrode abgewandt ist, wesentlich reduziert wird. Es hat sich herausgestellt, dass diese Maßnahme nach der vorliegenden Erfindung es ermöglicht, dass Rundungen gebildet werden, deren Radium kleiner ist als 10 um, und, unter optimalen Umständen, sogar kleiner als 5 um.
Für das elektrisch leitende, elektrochemisch inerte Substrat sind verschiedene Materialien verwendbar. So können beispielsweise Materialien verwendet werden, die aus elektrochemisch inerten Metallen oder Metalllegierungen zusammengesetzt sind, wie Materialien, die vorwiegend (d. h. im Überschuss von 80 Gew.-%) aus Pd, Ir, Ti und/oder Rh bestehen. Das Substrat kann völlig aus einer derartigen Legierung oder einem derartigen Metall hergestellt sein. Es stellt sich oft als günstig heraus, wenn nur die Oberfläche des Substrats, die mit dem Werkstück in Berührung ist, mit einer dünnen Schicht dieses Materials versehen wird. Dies wirkt Kosten sparend.
Nach einem bevorzugten Beispiel des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung wird ein elektrochemisch inertes Material verwendet, das vorwiegend aus einem Edelmetall (oder einer Legierung desselben) besteht. In diesem Zusammenhang wird damit u. a. gemeint, Materialien die vorwiegend (zu mehr als 80 Gew.-%) Aufzeichnungsgerät und/oder Au aufweisen. Es hat sich herausgestellt, dass Substrate dieser Materialien unter üblichen ECM-Umständen sehr dauerhaft sind. Legierungen mit vorwiegend (d. h. über 80 Gew.-%) Pt haben sich als meist dauerhaft erwiesen.
Deswegen werden diese Legierungen bevorzugt.
Es sei bemerkt, dass in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung WO-A-97/17158, die nur im Sinne des Artikels 54(3) EPC als Stand der Technik betrachtet wird, eine Beschreibung eines ähnlichen Verfahren gegeben wird. Bei dem genannten Verfahren wird eine Hilfsschicht verwendet, die auf derjenigen Oberfläche des zu verarbeitenden Werkstücks vorgesehen wird, die von der Elektrode abgewandt ist. Diese Opferschichten sind nicht elektrochemisch inert.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass während der Bearbeitung das Werkstück auf dem Substrat festgeklemmt wird. Dadurch wird das Werkstück an dem Substrat befestigt. Dadurch wird die Abrundung an der betreffenden Oberfläche weiter reduziert. Diese Maßnahme ist wichtig, insbesondere wenn für das Werkstück eine relativ dünne Metallfolie verwendet wird.
Diese letzt genannte Maßnahme nach der vorliegenden Erfindung kann mit Hilfe mehrerer Klemmmitteln durchgeführt werden. So kann beispielsweise das Werkstück mit Hilfe einer oder mehrerer mechanischer Klemmen an dem Substrat angeordnet werden. Vorzugsweise wird das Werkstück in einem Vakuum-Saugverfahren auf einem porösen Substrat festgeklemmt. Wenn ein Werkstück aus einem magnetischen Material verwendet wird, kann das genannte Werkstück auf vorteilhafte Weise unter dem Einfluss von Magnetkräften auf dem Substrat festgeklemmt werden.
Eine andere interessante Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass das Substrat ein Loch oder mehrere Löcher aufweist, die während der Bearbeitung einen Teil bzw. mehrere Teile der Elektrode erhalten. Diese Ausführungsform ermöglicht es, im Vergleich zu Ausführungsformen. Bei denen Substrate ohne Löcher benutzt werden, noch schärfere Ränder zu erhalten. Dies ist insbesondere wahr in Fällen, in denen die Achsen der zu bearbeitenden Löcher in dem Werkstück schief sind. Der Durchmesser der Löcher soll etwas größer sein als der Durchmesser der entsprechenden Elektrodenteile.
Eine interessante Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück periodisch vergrößert wird, wobei während der genannten Vergrößerung der Fluss elektrischen Stromes zwischen dem Werkstück und der Elektrode unterbrochen wird.
Zum Erhalten eines genauen Eindrucks der Elektrode in der Folie sollte der Abstand zwischen der Elektrode und der Folie beim Bearbeiten klein sein. In der Praxis beträgt dieser Abstand etwa 10-50 um. Dadurch ist die Spülkapazität des Elektrolyten, die zum Abführen der Nebenprodukte dient, wie der Metallhydroxide, gebildet während der Bearbeitung relativ niedrig. Die Spülkapazität wird durch die genannte periodische Zunahme des Abstandes zwischen der Elektrode und dem Werkstück, beispielsweise bis zu einigen Hundert um verbessert. Während dieser Zunahme des Abstandes sollte der elektrische Strom zwischen dem Werkstück und der Elektrode unterbrochen werden. Die genannte Maßnahme führt zu einer höheren Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der gebildeten Löcher.
Durch Versuche hat es sich herausgestellt, dass mehrere Typen von metallenen Werkstücken auf sehr vorteilhafte Weise mit Hilfe des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung bearbeitet werden können. Es hat sich herausgestellt, dass das Verfahren durchaus geeignet ist zum Bilden von Lochmustern in Metallfolien, beispielsweise Metallfolien, die zum Herstellen von Scherfolien und Scherkämmen benutzt werden. Eine kleiner Rundungsradius der Ränder zwischen den gebildeten Löchern und der Oberfläche des Werkstücks ist sehr wichtig bei dieser Art von Werkstücken. Der kleine Rundungsradius sorgt dafür, dass diese Ränder relativ scharf sind, so dass sie als Schneidflächen benutzt werden können.
Im Grunde können alle Metalle und Metalllegierungen, die elektrochemisch bearbeitet werden können, als Material für das Werkstück verwendet werden. Metalllegierungen von dem Chromstahl-Typ haben sich als sehr geeignet erwiesen. Chromstahl enthält vorzugsweise etwa 13 Gew.-% Cr. Ein sehr interessanter Chromstahl-Typ ist der sog. Maraginstahl. Gute Ergebnisse wurden erzielt mit CrNi-haltigem Maraginstahl-Typen, die ebenfalls einen geringen Prozentsatz Cu und Mo sowie eine geringere Menge an Al, Ti, Si und C enthalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anzahl Schritte des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine fertig bearbeitete Scherfolie, die mit Hilfe des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist,
Fig. 3 einen fertig bearbeiteten Scherkamm, der mit Hilfe des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist.
Es sei bemerkt, dass der Deutlichkeit halber, die Figuren nicht maßstabgerecht gezeichnet sind.
Der Prozess nach der vorliegenden Erfindung wird weiter anhand der schematischen Darstellung nach Figur näher erläutert. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet (im Schnitt) einen Teil der Elektrode einer (nicht detailliert dargestellten) ECM-Vorrichtung. Diese Elektrode umfasst acht Teilelektroden 2, die jede beliebige Form haben können. Die genannten Teilelektroden sind in einem geringen Abstand von einem metallenen Werkstück 3 vorgesehen und diesem Werkstück zugewandt, das beispielsweise aus Chromstahl besteht und die Form einer dünnen Folie hat. Das Werkstück ist auf einem Träger 4 aus einem elektrisch leitenden, elektrochemisch inerten Material geklemmt. Der genannte Träger enthält vorzugsweise eine Anzahl Löcher, die während der (nicht dargestellten) Bearbeitung die Teilelektroden der Elektrode empfangen. In diesem Fall bestand das genannte Material aus einer dünnen Schicht aus vorwiegend Pt, die auf einem keramischen Träger 5 angeordnet war. Der Deutlichkeit halber sind die mechanischen Klemmmittel, die zum Durchführen des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung benutzt wurden, nicht dargestellt.
Während der elektrochemischen Bearbeitung befinden sich die Teilelektroden und das Werkstück in einer Lösung mit einer hohen Ionendichte, einer Lösung von 0,8 M Natriumnitrate. Zwischen den Teilelektroden und dem Werkstück wird eine Spannung angelegt, wobei die Polarität derart gewählt wird, dass die Elektrode als Kathode und das Werkstück als Anode wirksam ist, In diesem Fall wurde eine Spannung von 9-10 V angelegt.
Die Darstellung nach Fig. 1 zeigt die Situation am Anfang des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung. In dieser Stufe befinden sich die Elektrode und das Werkstück in einem Abstand von etwa 20 um voneinander. Nach Anlegung einer Spannung an die Elektrode und die Metallfolie wird nach gewisser Zeit (siehe Fig. 1- B) ein Muster von durchgehenden Löchern 6 in der Folie gebildet.
Zum Steigern der Genauigkeit und der Reproduzierbarkeit der gebildeten Löcher wird der Abstand zwischen der Elektrode und der Folie periodisch von 20 um zu etwa 250 um gesteigert. Dadurch wird der Spüleffekt des Elektrolyten zwischen der Folie und den Elektroden vergrößert. Die Spannung wird von dem Zeitpunkt, wo der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück 20 um überschreitet, unterbrochen, und zwar bis zu dem Zeitpunkt, wo der Anstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück wieder auf 20 um reduziert ist. In dem vorliegenden Fall hatten die Bearbeitungszyklen eine Dauer von maximal etwa 0,25 Sekunde. Ein Zyklus umfasst eine erste Periode von 3-200 ms, worin eine Spannungsdifferenz zwischen der Folie und dem Werkstück beibehalten wird, und einer zweiten Periode von 10-50 ms, in der die Spannung unterbrochen ist. Während der genannten ersten Periode wurde ein Abstand von 20 um zwischen der Elektrode und der Folie beibehalten. Während der genannten zweiten Periode wurde der Abstand allmählich auf 250 um erhöht und auf 20 um verringert.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform war der Raum zwischen den Teilelektroden 2 mit einem elektrisch isolierenden Material 7, wie POM (Polyoxymethylen) völlig gefüllt. Dadurch wurde eine flache Elektrodenoberfläche 8 erhalten. Dies hat den Vorteil, dass Elektrolytflüssigkeit nicht zwischen die Teilelektroden eindringen kann. Dies führt zu einer größeren Genauigkeit des durch die Teilelektroden in der Folie gemachten Eindrucks. Wenn Werkstücke verwendet werden, deren Dicke 50 um übersteigt, ist diese Maßnahme nicht geeignet. In dem Fall müssen die Elektroden teilweise in das Werkstück eindringen. In dem Fall muss auf das Isoliermaterial (teilweise) verzichtet werden.
Nach dem elektrochemischen Bearbeitungsprozess wurde das Werkstück 3 von dem Träger 4 entfernt. Durch Sichtprüfung wurde erzielt, dass die an der Oberfläche der Folie auf dem Substrat gebildeten Ränder kaum eine Abrundung aufweisen. Wenn die Maßnahme nach der vorliegenden Erfindung angewandt wird, wird der Rundungsradius kleiner als 5 um. In dem vorliegenden Fall war der Rundungsradius etwa 2-4 um. Wenn die Folie während der Bearbeitung nicht auf dem Substrat festgeklemmt wird, tritt ein wesentlicher Rundungsgrad an den Rändern auf. In dem vorliegenden Fall übersteigt der Rundungsradius 20 um. Es wurde gefunden, dass der Rundungsradius der Ränder, die während der Bearbeitung an der freien Oberfläche der Folie liegen, relativ groß ist, d. h. über 30 um. Dieser Wert wird durch die etwaige Anordnung der Folie auf dem Substrat kaum beeinflußt.
Fig. 2 zeigt eine Scherfolie, die auf sehr vorteilhafte Weise mit Hilfe des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann. Die genannte Scherfolie umfasst eine flache rechteckförmige Folie 11 aus einem biegsamen Metall, in dem ein Muster von Haardurchgangsöffnungen 12 in Form ovaler durchgehender Löcher vorgesehen wird. Dieses Muster wird geschaffen mit Hilfe elektrochemischer Bearbeitung nach dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung, wobei die Elektrode der ECM-Vorrichtung mit einem regelmäßigen Muster ovaler Teilelektroden versehen ist.
Als das Lochmuster gebildet wurde, war die Folie auf einem Substrat geklemmt, das vorwiegend aus Pt bestand. Auf diese Weise wurde erreicht, dass die Ränder 13, welche die Begrenzung zwischen den Löchern und derjenigen Oberfläche der Folie bilden, die das Substrat während der Bearbeitung berührt, einen relativ geringen Rundungsradius aufweisen. Wenn die genannte Scherfolie in einem Rasiergerät benutzt werden, presst ein Schneidsystem auf die Folienoberfläche mit einem geringen Rundungsradius. Wenn der Rasierer im betrieb ist, verlagert sich das genannten Schneidsystem längs der Folie, so dass die Ränder 13 als Schneidflächen für das Schneidsystem wirksam sind. Folglich sollten diese Ränder einen relativ kleinen Rundungsgrad zeigen. Meßdaten und Passdaten zeigten, dass der mittlere Rundungsradius von drei Rändern weniger als 4 um betrug.
Fig. 3 zeigt einen Scherkamm, der auf sehr vorteilhafte Weise mit Hilfe des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist. Der genannte Scherkamm umfasst einen im Wesentlichen flachen, kreisförmigen Wandteil 21 aus einem Metall. Der genannte Wandteil ist mit einem Muster von Rillen 22 versehen, die in radialem Schnitt gesehen, U-förmig sind, wobei die genannten Rillen mit Hilfe des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen worden sind. Diese Rillen 22 verteilen einen wesentlichen Teil des Wandteils 21 in Lamellen 23.
Wenn die Rillen mit Hilfe eines ECM-Vorgangs vorgesehen werden, wird die Innenfläche des Wandteils 22 auf einem elektrisch leitenden, elektrochemisch inerten Substrat geklemmt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Ränder, welche die Begrenzung zwischen den Rillen 8 und der genannten Innenfläche bilden eine nur geringe Abrundung aufweisen. Wenn dieser Scherkamm in einem Rasierer verwendet wird, drückt ein Schneidsystem gegen diese Innenfläche. Wenn der Rasierer im Betrieb ist, rotiert dieses Schneidsystem an dieser Innenfläche des Wandteils 21 entlang, so dass die genannten Ränder als Schneidkante für das Schneidsystem wirksam sind.
Folglich sollten diese Ränder keine Rundung aufweisen. Messdaten und Passdaten haben gezeigt, dass der mittlere Rundungsradius der genannten Ränder weniger als 4 um betrug.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schaffen einer hindurchgehenden Loches oder mehrere hindurchgehender Löcher in einem metallenen Werkstück, wie einer Scherfolie oder einem Scherkamm, mit Hilfe einer elektrochemischen Bearbeitungsvorrichtung (ECM-Vorrichtung) Dazu weist das Verfahren das Kennzeichen auf, dass während der Bearbeitung das Werkstück auf einem Substrat aus einem elektrisch leitenden, elektrochemisch inerten Material vorgesehen ist. Auf diese Weise wird Abrundung der Ränder zwischen den gebildeten Löchern und der Oberfläche des Werkstücks, das während der Bearbeitung auf dem Substrat fest geklemmt ist, auf einen wesentlichen Grad reduziert. Dies hat einen günstigen Effekt auf die Bildung scharfer Schneidkanten.

Claims

1. Verfahren zum Bilden eines hindurchgehenden Loches oder mehrerer hindurchgehender Löcher in einem metallenen Werkstück mit Hilfe einer elektrochemischen Bearbeitungsvorrichtung (ECM-Vorrichtung), dadurch gekennzeichnet, dass während des Bearbeitungsvorgangs das Werkstück auf einem Substrat aus einem elektrisch leitenden, elektrochemisch inerten Material angebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Material vorwiegend aus einem Edelmetall oder einer Legierung desselben zusammengesetzt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material vorwiegend aus Platin besteht.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitung das Werkstück auf dem Substrat festgeklemmt ist.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein oder mehrere Löcher aufweist, die während der Bearbeitung den einen Teil oder mehrere Teile der Elektrode erhalten.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück periodisch vergrößert wird, wobei während der genannten Vergrößerung der Fluss elektrischen Stromes zwischen dem Werkstück und der Elektrode unterbrochen wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Scherfolie als Werkstück verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Scherkamm als Werkstück verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für das Werkstück eine Metalllegierung aus Chromstahl verwendet wird.