DE69824125T2

DE69824125T2 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und Herstellungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69824125T2
Application number: DE69824125T
Authority: DE
Inventors: Reiko Chiba-shi Irie; Masayuki Chiba-shi Suda; Toshihiko Chiba-shi Sakuhara; Tatsuaki Chiba-shi Ataka
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1997-12-03
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2018-12-04
Also published as: US6221228B1; EP0920946A2; EP0920946A3; DE69824125D1; JP3217999B2; US20010002001A1; EP0920946B1; US6589402B2; JPH11158682A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Teil- und Teilgussform-Herstellungsverfahren und eine Teil- und Teilgussform-Herstellungsvorrichtung zum Herstellen von Teilen in den Gebieten der Metallindustrie, Elektronikindustrie, Maschinenbauindustrie und dergleichen.
Ein Beispiel eines Teil- und Teilgussform-Herstellungsverfahrens und einer Vorrichtung sind zu finden im Dokument US-A-5015338, das Abscheidungs- und Abtragungsschritte für die Teileherstellung offenbart.
In den herkömmlichen Teilherstellungsverfahren gab es eine Verfahrensnutzung einer Bearbeitungstechnik oder einer Elektroentladungstechnik, um unerwünschte Abschnitte von den in eine gewünschte Form zu bringenden Objekten abzutragen, um somit Teile herzustellen. In dem Verfahren, das eine Bearbeitungstechnik verwendet, werden die Teile unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs hergestellt, wobei entweder das Schneidwerkzeug oder das zu verarbeitende Objekt gedreht wird, um das Schneidwerkzeug und das zu bearbeitende Objekt gleichzeitig in Kontakt zu bringen, um somit die unerwünschten Abschnitte des in eine gewünschte Form zu bringenden Objekts abzutragen. In dem Verfahren, das eine Elektroentladungstechnik verwendet, werden die Teile hergestellt, indem eine Bearbeitungselektrode mit einer entsprechenden Spitzenform zu einer gewünschten Bearbeitung veranlasst wird, wobei die Bearbeitungselektrode und das zu bearbeitende Objekte auf einen vorgegebenen Abstand eingestellt werden, um wiederholt impulsförmige elektrische Entladungen zwischen dem Bearbeitungswerkzeug und dem zu bearbeitenden Objekt hervorzurufen, wodurch unnötige Abschnitte des zu bearbeitenden Objekts abgetragen werden.
Es gab jedoch bestimmte Probleme bei den herkömmlichen Teilherstellungsverfahren. Zuerst können die folgenden Punkte als die Probleme aufgelistet werden, die bei der Bearbeitungstechnik auftreten.

(1) Da nur eine abtragende Bearbeitung möglich ist, kann ein Fall eintreten, bei dem die Effizienz der Materialnutzung infolge der Teilherstellungsform äußerst schlecht ist, oder es ist selbst für eine einfache Form eine lange Bearbeitungszeit erforderlich.
(2) Da die bearbeitbaren Formen durch die Art der verwendeten Bearbeitungsmaschine beschränkt sind, erfordert die Herstellung von Teilen mit komplizierten Formen viele Arten von Bearbeitungsmaschinen mit einer erhöhten Anzahl von Prozessschritten.
(3) Wenn die Operation die Berührung eines Schneidwerkzeugs mit einem zu bearbeitenden Objekt umfasst, ist eine Abnutzung des Schneidwerkzeugs unvermeidbar. Da die Abnutzung des Schneidwerkzeugs das Problem der Verringerung der Bearbeitungsgenauigkeit oder der Vergröberung der Bearbeitungsoberfläche hervorruft, muss das Schneidwerkzeug bei Bedarf ausgewechselt werden, wobei eine Vollautomatisierung für die Teilherstellung schwierig ist.
(4) Da eine abtragende Bearbeitung unter Nutzung einer physikalischen Kraft bewerkstelligt wird, die zwischen einem Schneidwerkzeug und einem zu bearbeitenden Objekt hervorgerufen wird, ergibt sich eine Einschränkung für die Härte oder Festigkeit des zu bearbeitenden Objekts. Dementsprechend besteht die Notwendigkeit der Anpassung der Schneidwerkzeugart und der Bearbeitungsbedingungen entsprechend dem Material des zu bearbeitenden Objekts.
(5) Die Bearbeitungsauflösung nimmt mit Verringerung des Spitzendurchmessers eines Schneidwerkzeugs zu, wobei eine Beschränkung für die Schneidwerkzeugkantenschärfe auf Grund der eine physikalische Kraft nutzenden Bearbeitung gegeben ist. Dementsprechend ist es schwierig, der Miniaturisierung von Fertigungsteilen gerecht zu werden.

Als Nächstes können die folgenden Punkte als die Probleme aufgelistet werden, die bei dem Verfahren auftreten, das die Elektroentladungstechnik nutzt.

(1) Da die Formgebung der Form eines zu bearbeitenden Objekts durch eine Spitzenform der Bearbeitungselektrode bestimmt wird, bevor die Bearbeitung durchgeführt wird, muss die bearbeitete Elektrode im Voraus hergestellt worden sein, um eine entsprechende Spitzenform für eine gewünschte Formgebungsform aufzuweisen.
(2) Da nur eine abtragende Bearbeitung möglich ist, ähnlich wie bei der Bearbeitungstechnik, kann ein Fall eintreten, bei dem die Effizienz der Materialnutzung infolge der Teilfertigungsform äußerst schlecht ist, oder selbst für eine einfache Form eine lange Bearbeitungszeit erforderlich ist.
(3) Eine Abnutzung der Bearbeitungselektrode ist in ähnlicher Weise unvermeidbar, wobei die Bearbeitungselektrode bei Bedarf ausgewechselt werden muss. Bei der Elektroentladungsbearbeitung erfordert das Auswechseln der Bearbeitungselektrode jedes Mal die Herstellung einer Bearbeitungselektrode mit einer entsprechenden Spitzenform bezüglich der Formgebungsform, wodurch die Bearbeitungseffizienz herabgesetzt wird.
(4) Abgetragene Späne, die bei der Bearbeitung erzeugt werden, haften auf einer zu bearbeitenden Oberfläche, was ungünstige Auswirkungen auf die Bearbeitungsgenauigkeit hat.
(5) Um eine bei der abtragenden Bearbeitung benötigte impulsförmige Elektroentladung hervorzurufen, muss eine große Spannung angelegt werden, was den Energieverbrauch während der Bearbeitung erhöht.
(6) Da eine Bearbeitungselektrode verwendet wird, die eine entsprechende Spitzenform für eine gewünschte Teilform aufweist, um die Abtragung von einer zu bearbeitenden Oberfläche zu bewirken, ist die Richtung des Bearbeitungsfortschritts nur eine Tiefenrichtung des zu bearbeitenden Objekts, wobei es schwierig ist, Teile mit einer komplizierten dreidimensionalen Form herzustellen.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Mittel, um die obenerwähnten Probleme zu lösen.
Um die obenerwähnten Probleme zu lösen, ist die vorliegende Erfindung durch ein Teilherstellungsverfahren, das die Schritte des Anspruchs 1 umfasst, sowie eine Teilherstellungsvorrichtung gemäß Anspruch 7 gekennzeichnet.
Ferner wird in einem Prozess der Gussformherstellung, der Metallschichtausbildung oder der Teilausbildung die abtragende Bearbeitung oder die Metallabscheidung durch ein elektrolytisches Bearbeitungsverfahren bewerkstelligt, bei dem das zu bearbeitende Objekt und eine Bearbeitungselektrode gegenüberliegend in einer Elektrolytlösung platziert werden, um eine elektrochemische Reaktion zur Bearbeitung zwischen einer zu bearbeitenden Oberfläche des zu bearbeitenden Objekts und einer Spitze der Bearbeitungselektrode hervorzurufen. Hierbei kann eine scharfkantige Elektrode als Bearbeitungselektrode verwendet werden.
Ferner wird in einem Prozess der Gussformherstellung, der Metallschichtausbildung oder der Teilausbildung die Bearbeitung durchgeführt, während die Bearbeitungselektrode oder das zu bearbeitende Objekt längs einer beliebigen Form bewegt werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ferner eine Teilherstellungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: ein Bearbeitungsobjekt-Haltemittel zum Halten eines zu bearbeitenden Objekts in einer Elektrolytlösung; eine Bearbeitungselektrode zum Durchführen der Bearbeitung auf einer zu bearbeitenden Oberfläche des zu bearbeitenden Objekts mittels einer elektrochemischen Reaktion; ein Abstandänderungsmittel zum Erfassen und Ändern eines Abstands zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche des zu bearbeitenden Objekts, das vom Bearbeitungsobjekthaltemittel gehalten wird, und der Bearbeitungselektrode; eine Potential/Strom-Regeleinheit zum Regeln eines Potentials/Stroms der Bearbeitungselektrode; ein Elektrolytlösungs-Wechselmittel zum willkürlichen Wechseln zwischen einer Elektrolytlösung A zum Bewerkstelligen einer abtragenden Bearbeitung auf der zu bearbeitenden Oberfläche, um eine Gussform herzustellen, einer Elektrolytlösung B zum Abscheiden eines Metalls A auf einer Oberfläche der Gussform, um eine Metallschicht A auszubilden, und einer Elektrolytlösung C zum Abscheiden des Metalls B innerhalb der Gussform, um ein Teil auszubilden.
Die Teilherstellungsvorrichtung ist mit der Bearbeitungselektrode ausgestattet, die z. B. scharfkantig ist, um die Bearbeitungsgenauigkeit zu erhöhen.
Ferner ist die Teilherstellungsvorrichtung als ein Mittel zum Bewegen der Bearbeitungselektrode und des zu bearbeitenden Objekts längs einer willkürlichen Form in einem Prozess der Gussformherstellung, der Metallschichtausbildung oder der Teilausbildung vorgesehen, wobei ein Forminformationsspeichermittel zum Speichern der beliebigen Forminformationen und ein Bewegungspositionskontrollmittel zum Bewegen der Bearbeitungselektrode oder des zu bearbeitenden Objekts längs einer willkürlichen Form auf der Grundlage der im Forminformationsspeichermittel gespeicherten Forminformationen vorgesehen ist.
Ferner ist die Teilherstellungsvorrichtung als ein Mittel vorgesehen, um mehrere Bearbeitungselektroden zu verwenden, wobei ein Arbeitselektrodenhaltemittel zum Halten der mehreren Arbeitselektroden und ein Bearbeitungselektrodenwechselmittel zum beliebigen Wechseln zwischen den mehreren Bearbeitungselektroden, die vom Bearbeitungselektrodenhaltemittel gehalten werden, vorgesehen ist.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein typisches Diagramm ist, das eine erste Ausführungsform einer Teilherstellungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Schaltbild ist, das ein Beispiel einer Konstantstromschaltung zeigt, die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
3 ein typisches Diagramm ist, das ein Beispiel einer Bearbeitungslösungs-Wechseleinrichtung gemäß 1 zeigt;
4 ein Flussdiagramm ist, das eine Prozedur zum Wechseln der Bearbeitungslösungen zeigt;
5 ein Flussdiagramm ist, das ein Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6A, 6B, 6C, 6D und 6E Prozessschnittansichten sind, die einen Prozess zur Teilherstellung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
7 ein typisches Diagramm ist, das eine zweite Ausführungsform einer Teilherstellungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ein typisches Diagramm ist, das eine dritte Ausführungsform einer Teilherstellungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt; und
9 eine erläuternde Ansicht ist, die ein Beispiel einer Bearbeitungselektroden-Wechseleinrichtung zeigt, die in der Teilherstellungsvorrichtung der 8 verwendet wird.
Ausführungsform 1
1 zeigt die Ausführungsform 1, wobei die vorliegende Erfindung verwendet wird, um ein Teil herzustellen. Die vorliegende Ausführungsform umfasst ein zu bearbeitendes Objekt 103, das in eine Bearbeitungslösung 102 innerhalb eines Bearbeitungslösungsbehälters 101 eingetaucht ist, eine Bearbeitungselektrode 104, die dem zu bearbeitenden Objekt 103 gegenüberliegend angeordnet ist, um das zu bearbeitende Objekt 103 elektrolytisch zu bearbeiten, eine Referenzelektrode 105 als eine Referenz für das Elektrodenpotential, eine Potential/Strom-Regeleinheit 106 zum Regeln des Potentials und des Stroms der Bearbeitungselektrode 104, eine XY-Achse-Bühne 107 zum Bewegen des zu bearbeitenden Objekts 103 in X-Achsen- und Y-Achsen-Richtung (horizontale Richtungen), eine Z-Achsen-Bühne, die unterhalb des Bearbeitungslösungsbehälters 101 angeordnet ist, um das zu bearbeitende Objekt 103 in Z-Achsen-Richtung (vertikale Richtung) zu bewegen, eine Forminformationsspeichereinheit 109 zum Speichern beliebiger Forminformationen, eine Bewegungspositionskontrolleinheit 110 zum Kontrollieren der Bewegung der XY-Bühne 107 und der Z-Bühne 108 auf der Grundlage der von der Forminformationsspeichereinheit 109 gespeicherten Forminformationen, und eine Bearbeitungslösungs-Wechseleinrichtung 111, die mit dem Bearbeitungslösungsbehälter 101 verbunden ist, um eine Bearbeitungslösung 102 in den Bearbeitungslösungsbehälter 101 zuzuführen oder aus diesem abzuführen.
Die Potential/Strom-Regeleinheit 106 ist z. B. mit einer Bearbeitungselektrodenschaltung 106A, die als Potentio-Galvanostat bezeichnet wird, einem Mikrocomputer zum Regeln des Potentials an der Bearbeitungselektrode 104 der Bearbeitungselektrodenschaltung 106A und des zwischen der Bearbeitungselektrode 104 und dem zu bearbeitenden Objekt 103 fließenden Stroms, und verschiedenen Bedienungstasten für die Bedienung versehen.
Die Bearbeitungselektrodenschaltung 106A umfasst, wie z. B. in 2 gezeigt ist, einen veränderlichen Widerstand 202, der mit einer Plus-Seite einer Konstantspannungs-Stromversorgung 201 verbunden ist, einen Operationsverstärker 203, der mit dem veränderlichen Widerstand 202 verbunden ist, eine Gegenelektrode (Bearbeitungselektrode) 104, die mit einem Ausgangsabschnitt des Operationsverstärkers 203 verbunden ist, einen Wirkpol (zu bearbeitendes Objekt) 103, der der Gegenelektrode (Bearbeitungselektrode) 104 gegenüberliegend angeordnet ist und mit einer Minus-Seite der Konstantspannungs-Stromversorgung 201 verbunden ist, und eine Referenzelektrode 105 als eine Referenz zum Messen des Potentials am Wirkpol (zu bearbeitendes Objekt) 103.
Die Bearbeitungselektrode 4 ist ein stabförmiges Element, das an seiner Spitze, die einer zu bearbeitenden Oberfläche gegenüberliegt, scharfkantig ist und nur an einem Abschnitt eines spitzen Endes freiliegt, wobei die anderen Abschnitte mit einem Isolator beschichtet sind. Ferner wird als Material für das stabförmige Element z. B. Kohlenstoff, Wolfram, Platin oder dergleichen verwendet.
Ferner ist die Referenzelektrode 105 z. B. ein zylindrisches Glaselement mit einem Lösungsdurchlass, der an einer Spitze auf einer in eine Bearbeitungslösung einzutauchenden Seite angeordnet ist, wobei ein dünner Silberdraht in der Mitte des zylindrischen Elements vorgesehen ist, um einen Glasfilm zu erreichen, und wobei eine Silberchloridlösung in einer den dünnen Draht untertauchenden Weise eingefüllt ist. Die Referenzelektrode 105 wird nicht benötigt, um das Potential an der Arbeitselektrode 104 und an dem zu bearbeitenden Objekt 103 zu regeln, d. h. sie ist nicht unbedingt erforderlich, wenn nur eine Stromregelung zwischen der Bearbeitungselektrode 104 und dem zu bearbeitenden Objekt 103 durchgeführt wird.
Gemäß dieser Bearbeitungselektrodenschaltung 106A ist es möglich, den zwischen der Gegenelektrode (Bearbeitungselektrode) 104 und dem Wirkpol (zu bearbeitendes Objekt) 103 fließenden Strom auf einen Strom zu regeln, der für eine elektrolytische Bearbeitung erforderlich ist, indem der Widerstandswert des veränderlichen Widerstands 202 verändert wird.
Die XY-Achsen-Bühne 107 und die Z-Achsen-Bühne 108 werden in XY-Achsen-Richtung beziehungsweise Z-Achsen-Richtung mittels eines elektrischen Antriebsmittels unter der Kontrolle der Bewegungspositions-Kontrolleinheit 110 bewegt.
Bei der elektrischen Bearbeitung wird zuerst die Z-Achsen-Bühne 108 in Z-Achsen-Richtung mittels eines Abstandsregelmittels bewegt, um den Abstand zwischen der Bearbeitungselektrode 104 und dem zu bearbeitenden Objekt 103 auf einen vorgegebenen Abstand zu regeln, woraufhin eine vorgegebene Spannung zwischen der Bearbeitungselektrode 104 und dem zu bearbeitenden Objekt 103 angelegt wird, um einen konstanten Strom zwischen der Bearbeitungselektrode 4 und dem zu bearbeitenden Objekt 103 fließen zu lassen. Gleichzeitig werden die XY-Bühne 107 und die Z-Bühne 108 von der Bewegungspositions-Kontrolleinheit 110 auf der Grundlage von Forminformationen, die von der Forminformationsspeichereinheit 109 gespeichert werden, angetrieben, um die Bearbeitungselektrode längs einer Form eines herzustellenden Teils über das zu bearbeitende Objekt zu bewegen. Der obige Prozess wird im Folgenden als elektrolytischer Bearbei tungsprozess bezeichnet.
Das Abstandsregelungsmittel regelt z. B. zuerst mittels der Strom/Potential-Regeleinheit 106 den Strom, der zwischen dem zu bearbeitenden Objekt 103 und der Bearbeitungselektrode 104 fließt, auf nahezu 0, und bewegt anschließend langsam die Z-Achsen-Bühne nach oben, um das zu bearbeitende Objekt 103 der Bearbeitungselektrode 104 näher zu bringen, während das Potential des zu bearbeitenden Objekts gemessen wird. Da dann, wenn das zu bearbeitende Objekt 103 auf Grund seiner Hebebewegung mit der Bearbeitungselektrode 104 in Kontakt gebracht wird, das Potential des zu bearbeitenden Objekts 103 stark variiert, wird die Position der Z-Achse zu diesem Zeitpunkt als die Null-Abstand-Position ermittelt. Diese Position wird als Referenz genommen, wobei die Z-Achsen-Bühne 108 unter der Kontrolle der Bewegungspositions-Kontrolleinheit 110 angetrieben wird, um den Abstand zwischen der Bearbeitungselektrode 104 und dem zu bearbeitenden Objekt 103 auf einen gewünschten Abstand zu regeln. Neben diesem Verfahren kann ein Verfahren betrachtet werden, bei dem der Abstand mittels einer Lasermessvorrichtung gemessen wird.
Die Bearbeitungslösungs-Wechseleinrichtung 111 umfasst, wie z. B. in 3 gezeigt ist, einen Bearbeitungslösungstank (A) 302A, der eine Bearbeitungslösung (A) 102A enthält, die verwendet wird, wenn eine Gussform hergestellt wird, indem das zu bearbeitende Objekt 103 einem Abtragungsprozess unterworfen wird, einen Bearbeitungstank (B) 302B, der eine Bearbeitungslösung (B) 102B enthält, die beim Ausbilden einer Metallschicht verwendet wird, einen Bearbeitungslösungstank (C) 302C, der eine Bearbeitungslösung (C) 102C enthält, die beim Ausbilden eines Teils verwendet wird, einen Bearbeitungslösungstank (D) 302D, der eine Bearbeitungslösung (D) 102D enthält, die beim Auflösen eines Metalls verwendet wird, einen Reinigungslösungstank 303, der eine Reinigungslösung 301 enthält, die zum Reinigen des Bearbeitungslösungsbehälters 101 während des Wechsels der Bearbeitungslösung verwendet wird, eine Lösungszuführungspumpe (A) 306A, die mit dem Bearbeitungslösungstank (A) 302A verbunden ist, um die Bearbeitungslösung (A) 102A innerhalb des Bearbeitungslösungstanks (A) 302A dem Bearbeitungslösungsbehälter 101 zuzuführen, eine Lösungszuführungspumpe (B) 306B, die mit dem Bearbeitungslösungstank (B) 302B verbunden ist, um die Bearbeitungslösung (B) 102B innerhalb des Bearbeitungslösungstanks (B) 302B dem Bearbeitungslösungsbehälter 101 zuzuführen, eine Lösungszuführungspumpe (C) 306C, die mit dem Bearbeitungslösungstank (C) 302C verbunden ist, um die Bearbeitungslösung (C) 102C innerhalb des Bearbeitungslösungstanks (C) 302C dem Bearbeitungslösungsbehälter 101 zuzuführen, eine Lösungszuführungspumpe (D) 306D, die mit dem Bearbeitungslösungstank (D) 302D verbunden ist, um die Lösung innerhalb des Bearbeitungslösungstanks (D) 302D dem Bearbeitungslösungsbehälter 101 zuzuführen, eine Lösungszuführungspumpe (E) 307, die mit dem Reinigungslösungstank 303 verbunden ist, um die Lösung 301 innerhalb des Reinigungslösungstanks 303 dem Bearbeitungslösungsbehälters 101 zuzuführen, einen Abfalllösungstank 304 zum Aufbewahren einer Abfalllösung 305, die aus dem Bearbeitungslösungsbehälter 101 abgeleitet wird, und eine Lösungszuführungspumpe (F) 308 zum Zuführen einer Lösung zum Abfalllösungstank 304 beim Ableiten der Lösung.
Die Bearbeitungslösungs-Wechseleinrichtung 111 kann eine benötigte Menge einer Lösung aus dem Tank, der eine Bearbeitungslösung enthält, oder einer für die Bearbeitung benötigten Reinigungslösung dem Bearbeitungslösungsbehälter 101 zuführen und die Bearbeitungslösung aus dem Bearbeitungslösungsbehälter 101 ableiten.
Während des Wechsels der Bearbeitungslösung wird die Lösungszuführungspumpe (F) 308 zuerst angetrieben, um die Bearbeitungslösung im Bearbeitungslösungsbehälter 101 zum Abfalllösungsbehälter 304 abzuleiten, wie in 4 gezeigt ist. Anschließend wird die Lösungszuführungspumpe (E) angetrieben, um die Reinigungslösung 301 im Reinigungslösungstank 303 dem Bearbeitungslösungsbehälter 101 zuzuführen, wobei erneut die Lösungszuführungspumpe (F) 308 angetrieben wird, um die Reinigungslösung 301 im Bearbeitungslösungsbehälter 101 in den Abfalllösungstank 304 abzuleiten. Anschließend wird eine Lösungszuführungspumpe, die mit einem Bearbeitungslösungstank verbunden ist, der eine benötigte Bearbeitungslösung unter der Bearbeitungslösung (A) 102A, der Bearbeitungslösung (B) 102B, der Bearbeitungslösung C (102C) und der Bearbeitungslösung (D) 102D enthält, angetrieben, um die Bearbeitungslösung dem Bearbeitungslösungsbehälter 101 zuzuführen. Dieser Prozess wird im Folgenden als Bearbeitungslösungs-Wechselprozess bezeichnet.
Die Prozedur eines Teilherstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird im Folgenden mit Bezug auf die 5 und 6 erläutert. Zuerst wird die Forminformation für ein herzustellendes Teil in der Forminformationsspeichereinheit 109 gespeichert. Anschließend wird die Bearbeitungslösung (A) 102A als eine Bearbeitungslösung für den Abtragungsprozess in den Bearbeitungslösungsbehälter 101 mittels der Bearbeitungslösungs-Wechseleinrichtung 101 geleitet. Anschließend wird ein zu bearbeitendes Objekt 103, wie in 6(a) gezeigt ist, einem abtragenden Prozess unterworfen, um somit eine Gussform 501 für die Teile herzustellen, wie in 6(b) gezeigt ist.
Anschließend wird die Bearbeitungslösung im Bearbeitungslösungsbehälter 101 gewechselt, mittels des obenerwähnten Bearbeitungslösungs-Wechselprozesses, von der Bearbeitungslösung (A) 102A als eine Bearbeitungslösung für den abtragenden Prozess zu einer Bearbeitungslösung (B) 102B als eine Bearbeitungslösung für die Ausbildung einer Metallschicht. Anschließend wird eine zusätzliche Bearbeitung mittels der obenerwähnten Elektrolytbearbeitung durchgeführt, um ein Metall A auf einer Oberfläche der Gussform 501 abzuscheiden, wie in 6(c) gezeigt ist, um somit eine Metallschicht 502 auszubilden.
Anschließend wird die Bearbeitungslösung im Bearbeitungslösungsbehälter 101 mittels des obenerwähnten Bearbeitungslösungs-Wechselprozesses von der Bearbeitungslösung (B) 102B als Bearbeitungslösung für die Metallschichtausbildung zu einer Bearbeitungslösung (C) 102C als Bearbeitungslösung für die Elektroformgebung gewechselt. Anschließend wird eine zusätzliche Bearbeitung mittels der Elektrolytbearbeitung auf einer Innenseite der Gussform 501 durchgeführt, um ein Metall B abzuscheiden, wie in 6(b) gezeigt ist, um somit ein Teil 503 auszubilden.
Schließlich wird die Bearbeitungslösung im Bearbeitungslösungsbehälter 101 mittels des Bearbeitungslösungs-Wechselprozesses von der Bearbeitungslösung (C) 102C als Bearbeitungslösung für die Elektroformgebung zu einer Bearbeitungslösung (D) 102D als Bearbeitungslösung für die Metallschicht auflösung gewechselt, um eine Metallschicht 502 aufzulösen, wie in 6(e) gezeigt ist, wobei das innerhalb der Gussform 501 ausgebildete Teil 503 entnommen wird.
Hier wird als Verfahren zum Auflösen der Metallschicht 502 ein Verfahren der Verwendung einer Lösung zum selektiven Auflösen nur des Metalls A, ein Verfahren zum Anlegen einer Spannung, um selektiv nur das Metall A aufzulösen, oder dergleichen betrachtet.
Da in der vorliegenden Ausführungsform der Abstand zwischen der Spitze der Bearbeitungselektrode und einer zu bearbeitenden Oberfläche eines zu bearbeitenden Objekts auf einen vorgegebenen Abstand unter Verwendung einer scharfkantigen Bearbeitungselektrode geregelt wird, woraufhin die Bearbeitung so durchgeführt wird, dass die Bearbeitungselektrode längs der Form eines herzustellenden Teils über eine zu bearbeitende Oberfläche des zu bearbeitenden Objekts bewegt wird, ist es möglich, ein Teil mit einer komplizierten dreidimensionalen Form einfach herzustellen, ohne die Notwendigkeit, eine einer Bearbeitungsform entsprechende Bearbeitungselektrode herzustellen. Da ferner die Bearbeitung in einem berührungsfreien Zustand zwischen der Bearbeitungselektrode und dem zu bearbeitenden Objekt durchgeführt wird, ergibt sich eine geringere Abnutzung der Bearbeitungselektroden. Da ferner die Bearbeitung mit dem Elektroformungsverfahren unter Nutzung einer elektrochemischen Reaktion durchgeführt wird, ist es möglich, die Bearbeitung mit äußerst geringer Energie im Vergleich zu der Elektroentladungsbearbeitung durchzuführen, ohne die Härte und Festigkeit des zu bearbeitenden Objekts zu ändern. Da ferner die Teilherstellungsvorrichtung in der vorliegenden Ausführungsform mit der Bearbeitungslösungs-Wechseleinrichtung versehen ist, wird leicht eine Automatisierung der Teilherstellung verwirklicht.
In einem experimentellen Beispiel der Herstellung eines Zahnrades mit einem Durchmesser von 800 μm durch Anwendung der vorliegenden Ausführungsform war die verwendete Arbeitselektrode ein Platin-Iridium-Legierung-Draht mit einer scharfen Kante an seiner Spitze und mit einem Spitzendurchmesser von 1 μm, der bis auf die Spitze mit einem Kunstharz beschichtet war, wobei ein Chromsubstrat als zu bearbeitendes Objekt verwendet wurde. Ferner wurde eine Chromelektrolyt-Ätzlösung, gemischt mit 62,7 g/l an Sulfaminsäure und 37,3 g/l an Borsäure, als Bearbeitungslösung für den abtragenden Prozess verwendet, eine Goldplattierungslösung, gemischt mit 7,4 g/l an Kalium-Dicyanoaurarat (1) und 70 g/l an Tri-Natriumcitrat, als eine Bearbeitungslösung für die Metallschichtausbildung verwendet, eine Nickelplattierungslösung, gemischt mit 350 g/l an Nickelsulfamin und 30 g/l an Borsäure, als Bearbeitungslösung für die Teilausbildung verwendet, und eine Goldätzlösung, gemischt mit 25 g/l an Jod und 100 g/l an Kaliumjodid, als Bearbeitungslösung für die Metallschichtauflösung verwendet.
Die Prozedur zur Herstellung eines Zahnrades wurde mit der in 5 gezeigten Prozedur durchgeführt, wobei zuerst Zahnradforminformationen in einer Forminformationsspeichereinheit 109 gespeichert wurden, woraufhin das Chromsubstrat dem abtragenden Prozess unterworfen wurde, um eine Zahnradgussform herzustellen, woraufhin Gold auf einer Oberfläche der Gussform abgeschieden wurde, woraufhin Nickel innerhalb der Gussform abgeschieden wurde um das Teil auszubilden, und schließlich die Goldschicht aufgelöst wurde, um das Teil zu entnehmen.
Im Chromsubstrat-Abtragungsprozess bei der Gussformherstellung wurde der Abstand zwischen der Spitze der Bearbeitungselektrode und der Oberfläche des Chromsubstrats auf 10 μm geregelt, wobei ein Stromimpuls von I_on = 1.000 μA, T_on = 0,3 s und T_off = 0,3 s mittels der Potential/Strom-Regeleinheit angelegt wurde, während der XY-Tisch so gesteuert wurde, dass er sich entsprechend der Zahnradforminformationen bewegte. Dies wurde zwanzigmal wiederholt, mit dem Ergebnis, dass eine Zahnradgussform mit einer Tiefe von 100 μm hergestellt wurde.
Bei der Goldabscheidung in der Metallschichtausbildung wurde der Abstand zwischen der Spitze der Bearbeitungselektrode und der Oberfläche der Gussform auf 10 μm geregelt, wobei ein Stromimpuls mit I_on = –400 μA, T_on = 0,3 s und T_off = 0,3 s mittels der Potential/Strom-Regeleinheit angelegt wurde, während der XY-Tisch entsprechend den Zahnradforminformationen bewegt wurde. Als Ergebnis wurde eine Goldschicht mit einer Dicke von 2 μm auf der Oberfläche der Gussform ausgebildet.
Bei der Nickelabscheidung in der Metallschichtausbildung wurde der Abstand zwischen der Spitze der Bearbeitungselektrode und der Oberfläche der Gussform auf 10 μm geregelt, wobei ein Stromimpuls mit I_on = –1.000 μA, T_on = 0,3 s und T_off = 0,3 s mittels der Potential/Strom-Regeleinheit angelegt wurde, während der XY-Tisch entsprechend den Zahnradforminformationen bewegt wurde. Ferner wurde die Z-Achse-Bühne mittels der Bewegungsabstand-Regeleinheit so angetrieben, dass der Abstand zwischen der Spitze der Bearbeitungselektrode und der Bearbeitungsoberfläche gleich 10 μm betrug. Dies wurde sechzehnmal wiederholt, mit dem Ergebnis, dass ein Nickelzahnrad-Teil mit einer Dicke von 80 μm auf der Oberfläche der Gussform ausgebildet wurde.
Die Goldschicht wurde durch eine Goldätzlösung aufgelöst, mit dem Ergebnis, dass ein Zahnrad mit einem Durchmesser von 800 μm und einer Dicke von 80 μm entnommen werden konnte.
Ausführungsform 2
Obwohl die vorliegende Ausführungsform eine Struktur aufweist, die der Ausführungsform 1 ähnlich ist, wie in 7 gezeigt ist, ist sie dadurch gekennzeichnet, dass die Z-Achsen-Bühne 108 auf der XY-Bühne 107 angeordnet ist und ferner die Arbeitselektrode 104 an der Z-Achsen-Bühne 108 über einen Bearbeitungselektrodenanbringungsarm 113 angebracht ist.
Beim Betrieb dieser Vorrichtung bewegt sich die XY-Bühne 107 in XY-Richtungen und die Z-Achsen-Bühne 108 in Z-Achsen-Richtung, was die Bearbeitungselektrode 104 veranlasst, dem Anbringungsarm 113 zu folgen und sich somit in XY-Achsen-Richtungen und Z-Achsen-Richtung zu bewegen. Dies ergibt eine ähnliche Wirkung wie bei der Ausführungsform 1.
Ausführungsform 3
Obwohl diese Ausführungsform ähnlich der Ausführungsform 1 aufgebaut ist, wie in 8 gezeigt ist, ist sie dadurch gekennzeichnet, dass darin eine Bearbeitungselektroden-Wechseleinrichtung 701 angeordnet ist, die die Bearbeitungselektrode für die Verwendung bei der Bearbeitung wechseln kann.
Die Bearbeitungselektroden-Wechseleinrichtung 701 ist, wie in 9 gezeigt ist, z. B. mit einem Bearbeitungselektrodenanbringungsarm 113, an der eine Bearbeitungselektrode (104A) und eine Bearbeitungselektrode (104B), die sich im Spitzendurchmesser unterscheiden, angebracht sind, und einer Einrichtung zur Rotation um die Z-Achse versehen, um den Bearbeitungselektrodenanbringungsarm um die Z-Achse zu drehen, so dass die zu verwendende Bearbeitungselektrode über einer zu bearbeitenden Oberfläche eines zu bearbeitenden Objekts 103, das in einer Bearbeitungslösung eingetaucht ist, positioniert werden kann.
Dies ergibt ebenfalls ähnliche Wirkungen wie in der Ausführungsform 1.
Da außerdem die vorliegende Ausführungsform mehrere Bearbeitungselektroden verwenden kann, die sich im Spitzendurchmesser unterscheiden, ist es möglich, eine Bearbeitungselektrode auszuwählen, die für eine Form eines zu bearbeitenden Abschnitts oder eine Art der Bearbeitung geeignet ist. Je kleiner der Spitzendurchmesser der Bearbeitungselektrode ist, desto höher wird die Bearbeitungsauflösung, wobei jedoch die Bearbeitungsgeschwindigkeit sinkt. Wenn dementsprechend keine hohe Auflösung erforderlich ist, verbessert die Verwendung einer Bearbeitungselektrode mit einem etwas größeren Spitzendurchmesser die Bearbeitungseffizienz. Da dementsprechend die vorliegende Ausführungsform ermöglicht, selektiv eine Bearbeitungselektrode mit einem für die Bearbeitungsform und die benötigte Bearbeitungsauflösung geeigneten Spitzendurchmesser zu verwenden, kann die Bearbeitungszeit reduziert werden, wobei eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit aufrechterhalten wird.
Die vorliegende Erfindung schafft die folgenden Wirkungen.

(1) Da die Gießform zuerst hergestellt wird, um ein Teil innerhalb der Gießform auszubilden, und dieses anschließend entnommen wird, ist es möglich, eine Gießform mehrmals zu verwenden, wobei die Fertigungseffizienz erhöht wird, wenn z. B. eine große Menge an Teilen mit der gleichen Form herge stellt wird.
(2) Da die Bearbeitung in einem berührungsfreien Zustand der Spitze der Bearbeitungselektrode und der zu bearbeitenden Oberfläche des zu bearbeitenden Objekts durchgeführt wird, ergibt sich nahezu kein Verschleiß der Bearbeitungselektroden. Dementsprechend ist es möglich, eine Bearbeitung für eine lange Zeit durchzuführen, ohne die Bearbeitungselektrode auszuwechseln, wodurch eine Vollautomatisierung für die Teileherstellung leicht verwirklicht werden kann.
(3) Da bei der elektrolytischen Bearbeitung elektrochemische Reaktionen verwendet werden, die ohne Beteiligung einer physikalischen Kraft zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche eines zu bearbeitenden Objekts und der Spitze einer Bearbeitungselektrode stattfinden, ergibt sich keine Einschränkung für die Härte oder Festigkeit eines zu bearbeitenden Objekts. Dementsprechend ist es möglich, die Bearbeitung an einem Material durchzuführen, das mittels herkömmlicher Bearbeitungsoperationen schwierig zu bearbeiten ist.
(4) Die Erhöhung der Bearbeitungsoperationsauflösung wird erleichtert, indem der Spitzendurchmesser der Bearbeitungselektrode reduziert wird, wodurch es einfacher wird, der Miniaturisierung der herzustellenden Teile gerecht zu werden.
(5) Da die Teilausbildung mittels zusätzlicher Bearbeitung durchgeführt wird, ist die Effizienz der Materialnutzung hoch, was ermöglicht, Teile mit einer solchen Form herzustellen, die mit nur einem Abtragungsprozess unmöglich herzustellen ist.
(6) Durch Verwendung einer scharfkantigen Elektrode als Bearbeitungselektrode für die Bearbeitung während der Bewegung der Bearbeitungselektrode und eines zu bearbeitenden Objekts gemäß einer beliebigen Form ist es möglich, komplizierte dreidimensional geformte Teile durch eine einfachere Verarbeitung mittels Vereinfachung mit der gleichen Vorrichtung herzustellen. Ferner besteht keine Notwendigkeit der Herstellung einer Bearbeitungselektrode mit einer der Bearbeitungsform entsprechenden Spitzenform.
(7) Bei der elektrolytischen Bearbeitung erzeugt die Verwendung von elektrochemischen Reaktionen keine Späne, selbst während der Abtragungsbearbeitung. Es ergibt sich keine ungünstige Auswirkung von Spänen auf die Bearbeitungsgenauigkeit.
(8) Die elektrochemische Reaktion, die für die elektrolytische Bearbeitung genutzt wird, kann mittels einer geringen Beaufschlagungsspannung hervorgerufen werden, so dass der Energieverbrauch im Vergleich zur Elektroentladungsbearbeitung niedrig ist.
(9) Das Vorsehen der Lösungswechseleinrichtung, die den Wechsel der Lösung ermöglicht, erleichtert eine Automatisierung der Teilherstellung.

Claims

Teil- und Teilgussform-Herstellungsverfahren, das die Schritte umfasst: Durchführen einer abtragenden Bearbeitung an einem Objekt, um eine Teilgussform herzustellen; Abscheiden eines ersten Metalls auf einer Oberfläche der Gussform, um eine erste Metallschicht zu bilden; Abscheiden eines zweiten Metalls, das in seiner Art vom ersten Metall verschieden ist, innerhalb der Gussform, um ein Teil zu bilden; und selektives Entfernen der ersten Metallschicht, um das Teil aus der Gussform zu nehmen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Prozess der Herstellung der Gussform die abtragende Bearbeitung mittels eines elektrolytischen Bearbeitungsverfahrens bewerkstelligt wird, bei dem das zu bearbeitende Objekt und eine Bearbeitungselektrode einander gegenüberliegend in einer Elektrolytlösung angeordnet sind, um eine elektrochemische Reaktion für die Bearbeitung zwischen einer zu bearbeitenden Oberfläche des zu bearbeitenden Objekts und einer Spitze der Bearbeitungselektrode hervorzurufen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Prozess der Ausbildung der ersten Metallschicht die Abscheidung des ersten Metalls mittels eines elektrolytischen Bearbeitungsverfahrens bewerkstelligt wird, in welchem eine elektrochemische Reaktion zwischen einer zu bearbeitenden Oberfläche des zu bearbeitenden Objekts und einer Spitze einer Bearbeitungselektrode hervorgerufen wird, um das erste Metall abzuscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Prozess der Ausbildung des Teils das Abscheiden des zweiten Metalls mittels eines elektrolytischen Bearbeitungsverfahrens bewerkstelligt wird, in welchem eine elektrochemische Reaktion zwischen der ersten Metallschicht und einer Spitze einer Bearbeitungselektrode hervorgerufen wird, um das zweite Metall abzuscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine scharfkantige Elektrode als Bearbeitungselektrode verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Prozess der Herstellung der Gießform, der Ausbildung der Metallschicht oder der Ausbildung des Teils die Bearbeitung bewerkstelligt wird, während wenigstens die Bearbeitungselektrode und/oder das zu bearbeitende Objekt entsprechend gespeicherten Forminformationen bewegt wird.
Teil- und Teilgussform-Herstellungsvorrichtung, umfassend: ein Bearbeitungsobjekt-Haltemittel zum Halten eines zu bearbeitenden Objekts in einer Elektrolytlösung; eine Bearbeitungselektrode zum Durchführen der Bearbeitung auf einer zu bearbeitenden Oberfläche des zu bearbeitenden Objekts mittels einer elektrochemischen Reaktion; ein Abstandänderungsmittel zum Erfassen und Ändern eines Abstands zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche des zu bearbeitenden Objekts, das vom Bearbeitungsobjekthaltemittel gehalten wird, und der Bearbeitungselektrode; eine Potential/Strom-Regeleinheit zum Regeln eines Potentials/Stroms der Bearbeitungselektrode; und eine Einrichtung, die mehrere, Elektrolytlösungen enthaltende Tanks und ein Elektrolytlösungs-Wechselmittel umfasst zum willkürlichen Wechseln zwischen einer ersten Elektrolytlösung zum Bewerkstelligen einer abtragenden Bearbeitung auf der zu bearbeitenden Oberfläche, um eine Gussform herzustellen, und einer zweiten Elektrolytlösung zum Abscheiden eines ersten Metalls auf einer Oberfläche der Gussform, um die erste Metallschicht auszubilden, und einer dritten Elektrolytlösung zum Abscheiden des zweiten Metalls innerhalb der Gussform, um ein Teil auszubilden, und einer Bearbei tungslösung für eine Metallschichtauflösung zum Auflösen einer Metallschicht und zum Entfernen des Teils aus dem Inneren der Gussform.
Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Bearbeitungselektrode eine scharfkantige Elektrode ist.
Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 7, ferner umfassend: ein Forminformations-Speichermittel zum Speichern von Forminformationen; und ein Bewegungsposition-Regelungsmittel zum Bewegen der Bearbeitungselektrode oder des zu bearbeitenden Objekts entsprechend der Form auf der Grundlage von Forminformationen, die im Forminformationsspeichermittel gespeichert sind.
Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 7, ferner umfassend: mehrere Bearbeitungselektroden; ein Bearbeitungselektrodenhaltemittel zum Halten der mehreren Bearbeitungselektroden; und ein Bearbeitungselektroden-Wechselmittel zum Wechseln zwischen den mehreren Bearbeitungselektroden, die vom Bearbeitungselektrodenhaltemittel gehalten werden.