JP2002503159A - 被加工物の電気化学的加工方法およびその構成 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 被加工物(2)を電極(3)に接触させることにより作動距離(dw)を設定し(第I段階)、被加工物(2)と電極(3)の間の距離を第1の距離(d1)分増加させ(第II-III段階)、電極(3)と被加工物(2)の間の接触が絶たれたか否かを検出し(第IV段階)、さらに、被加工物(2)と電極(3)の間の距離を第2の距離(d2)分増加させる、電気化学的加工方法。この方法により、短絡およびフラッシオーバの危険性が制限された状態で、非常に小さい作動距離を設定することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】 被加工物の電気化学的加工方法およびその構成 （技術分野） 本発明は、電極を用いた被加工物の電気化学的加工方法であって、 ‐前記被加工物と前記電極とを互いに接触させるステップ、 ‐前記被加工物と前記電極の間の間隙を電解質で満たした状態で、前記電極と 前記被加工物との間の作動距離を設定するステップ、および ‐前記被加工物を機械加工するために前記電極と前記被加工物を介して前記間 隙内の前記電解質に作動電流を通過させるステップ を有する方法に関する。 本発明は、さらに、被加工物と電極の間の間隙を電解質で満たした状態で、 前記電極と前記被加工物の間の作動距離を設定し、動作電流を、前記電極と前記 被加工物を介して前記間隙中の前記電解質に通過させることにより、前記被加工 物を加工する、電極によって被加工物を電気化学的に加工する構成であって、 その構成が、 ‐被加工物を載置する基台と、 ‐電極を位置決めする支持具と、 ‐前記支持具と前記基台を相対的に移動させるアクチュエータと、 ‐前記電極と前記被加工物の聞の接触を検出する検出装置と、 ‐前記アクチュエータを制御する制御ユニットとを 含む構成に関する。 さらに、本発明は電極を用いて被加工物を電解加工する構成のアクチュエータ を制御する制御ユニットにも関する。 （背景技術） このような方法は、「パルス電解加工における電極間間隙のモデル化とモニタ リング（Modeling and Monitoring Interelectrode Gap In Pulse Electrochemi cal Machining）」，Annals of the CIPR、第44巻、第1号(1995年)により公知で ある。この公知の方法の場合、被加工物は、NaClの15%水溶液からなる電解質の 中で、電極を用いて機械加工される。当該刊行物によれば、電極と被加工物の間 の作動距離が小さいときに、機械加工精度が高くなる。検査モードでは、少なく とも0.1mmの作動距離が設定され、その後に動作電流が被加工物と電極の間の間 隙中の電解質を通過する。この刊行物によれば、この作業距離は、通常、電極と 被加工物を互いに接触させ、その後に電極を被加工物から所望の距離だけ離して 位置設定することにより設定される。この方法の欠点は、作動距離を小さく設定 すると、動作電流が印加されたときに電極と被加工物の間にフラッシオーバまた は短絡が発生し、その結果、フラッシオーバまたは短絡の位置において動作電流 により生じる熱で電極と被加工物が損傷を受けることが起こり得ることである。 （発明の開示） 本発明の目的は、フラッシオーバまたは短絡の可能性を減少させることである 。この目的のため、本発明の方法は、 ‐前記電極と前記被加工物が接触している状況から開始して、前記電極と前記被 加工物の間の前記距離を第1の距離分増加させるステップと、 ‐それに続き、前記電極と前記被加工物の間の接触が絶たれたか否かを検出する ステップと、 ‐前記検出が、前記電極と前記被加工物の間の接触が絶たれたことを示した場合 に、前記被加工物と前記電極との間の前記距離を第2の距離分増加させるステッ プとにより、 前記作動距離を設定することを特徴とする。 本発明は、電極と被加工物を接触させた後に所望の距離にわたり互いに遠ざけ ても、所望の作動距離が設定されるという結果が必ずしも得られないとの事実認 識に基づいている。弾力性のある素子により、結果として生じる作動距離が、所 望の作動距離より小さくなることがあり、電気的接触がまだ持続しているような ことすらあり得る。所望の作動距離がマイクロメートルのオーダである場合、こ の可能性は相当大きい。当該弾力性のある素子が、電極を被加工物に対して位置 決めするために使われる構成の一部を構成し、および/または間隙中のバリまた は汚染物により形成されることが有り得る。もし作動距離が所望の距離より小さ ければ、電流密度は意図したものより高くなり、間隙中にガスが発生する危険が 大きくなる。この結果、フラッシオーバの危険が大きくなる。作動距離を設定し た後でも電気的接触が残存していれば、作動電流によるこの電気的接触の位置に おける電流密度は、非常に高くなるので、電極および/または被加工物が損傷す ることが起こり得る。本発明の解決手段によると、実際の間隙が、少なくとも第 2の距離の大きさを持つことが保証される。これにより、短絡またはフラッシオ ーバの発生が防止される。これらの解決手段の結果、加工物および/または電極 の損傷の危険は著しく低減され、ミクロン単位オーダ の作動距離を確実な方法で設定することができる。 請求項2の解決手段には、設定された作動距離の大きさに関する不確実性が、 設定された作動距離の平均的大きさに対して小さいという利点がある。これによ り、均一な溶解速度と電極の正確な複製が得られる。 請求項3の解決手段には、もし電気的接触がバリまたは汚染物の存在により阻 止されないのであれば、電極と被加工物の間の距離を増加させることによりバリ または汚染物を除去し、かつ、例えば、電解質で洗い流すことが可能である。第 3の距離の最適値は幾何学的形状に依存し、実際には約0.1ミリメートルであろう 。 請求項4の解決手段は、作業距離の起こり得るドリフトを定期的に補正し、電 解質をより良好に流し、そしてその結果として間隙を拡大したときにより良く更 新させることが出来る利点を有する。 請求項5の解決手段は、被加工物の溶解の間に作動距離の大きさが実質的に一 定に保持される利点を有する。 請求項6の解決手段は、溶解率を評価する簡単な方法である。 請求項7の解決手段には、電極と被加工物の間の接触の存在を簡便な方法によ り検出することができるという利点がある。 請求項8の解決手段には、一方では、電圧が被加工物と電極の間の雑音と電池 効果を最小にするには十分高く、他方では、その電圧が電極または被加工物を溶 解するのを防止するのに十分低いという利点がある。 請求項9の解決手段は、電流密度が高いときには被加工物が高い速度で溶解し 、電流密度が低いときには被加工物が低い速度で溶解すると言う利点を有する。 電極と被加工物の距離が増大するにつれて電流密度は減少するので、この解決手 段は、いわゆる横方向溶解が制限され、かつ被加工物の機械加工された表面がほ ぼ電極表面のネガ像となることを保証する。 請求項10の解決手段によれば、機械加工速度および精度が、従来技術で 使用される大きさの作動距離の場合よりかなり高くなる利点がある。本発明の解 決手段によれば、信頼性の高い態様でそのように小さな作動距離を確立すること ができるので、被加工物および/または電極に損傷を引き起こす危険性を増加さ せることなく、上記の諸利点を得ることが可能になる。請求項11の解決手段は特 に満足すべき結果を生み出すことが判明している。第1の距離の最適値は、運動 許容範囲と構成内の弾力性に依存し、経験的に決定するのが望ましい。第2の距 離の最適値は特に電極の幾何学的形状に依存し、これも経験的に決定するのが望 ましい。 本発明の構成と制御ユニットが特徴とする点は、この制御ユニットが、 ‐前記電極と前記被加工物の間の第1の距離を設定し、 ‐前記電極と前記被加工物の間の接触が絶たれたか否かを検出し、そして ‐前記被加工物と前記電極の間の距離を第2の距離分増加させるように構成され るている点である。 （図面の簡単な説明） 図面を参照して、具体例により本発明をより詳細に説明する。 第1図は、電極3を用いて被加工物2の電解加工を行う構成1を線図的に示したも のである。 第2図は、被加工物2と電極3の間の間隙4の大きさdおよび電圧Uを本発明の方法 を実施する間の時間の関数として図式的に表したものである。 第3図は、被加工物2と電極3の距離dを第1の距離d1分増加させた後でも接触が 絶たれていないことが見出された状況における、被加工物2と電極3の間の第1の 距離dおよび電圧Uを、本発明の方法を実施する間の時間の関数として図式的に表 したものである。 第4図は異なる動作電圧U1およびU2に対し、作動距離dwの関数として溶解率Vf を表したグラフである。 （発明を実施するための最良の形態） 第1図は、電極3を用いて被加工物2を電解加工する構成1を模式的に示したもの である。構成1は、被加工物2を載置する基台6、電極3を位置設定する保持具7、お よび保持具7と基台6を相対的に移動させるアクチュエータ8を有する。基台6とア クチュエータ8は、電極3と被加工物2の間の作業距離dwが高い精度で設定される ことができるように、剛直な構造を有するシャシ9に取り付けられている。この 構成は、さらに電極3と被加工物2の間の作業距離dwの結果として形成される間隙 4が電解質5で満たされるように電解質5で満たされた容器10を有する。この場合 、その電解質は水に溶解させたNaNO3を含む。これに代るものとして、他の電解 質、例えば、ナトリウム塩素酸塩、またはNaNO3と酸の組合せを使用することが できる。電解質5は、図示されていない装置によるポンプ圧力により間隙4を通過 する。構成1によって、電極3および被加工物2を経由して、電源40からの動作電 流Iを間隙4中の電解質5に通過させることにより、被加工物2を機械加工すること ができる。動作電流Iの極性が適正なときは、この操作により、電極と被加工物 の間が小さい距離となる位置で被加工物2の材料が電解質5の中に溶解する結果と なる。この結果、電極3の形状が被加工物2に転写される。この構成1はさらに、 電極3と被加工物2の間の接触を検出する検出装置20と、アクチュエータ8を制御 する制御装置30とを有する。検出装置20は、定電流電圧源21（この具体例の場合 、これは電流制限器が起動されない限り約2Vの電圧Umを供給する）を有し、さら に電極3と被加工物21の間の電圧差Uをモニタするモニタ22を有する。制御ユニッ ト30は、第2図に関して以下に記述するように、本発明の方法を実施するように 適合化されている。 第2図は本発明の方法を実施する間の時間の関数として、被加工物2と電極3の 距離dおよび電圧Uを図式的に示したものである。第I段階では、本方 法によれば、スイッチ23(第1図参照)が閉じ、被加工物2と電極3の間の距離dを、 被加工物2と電極3が互いに接触するまで減少させる。この接触の結果、電流制限 器が起動し、電圧Uは約0Vまで減少する(第II段階)。引き続き、電極3と被加工物 2の間の接触状態から開始して電極3と被加工物2の間の距離dを第1の距離d1増加 させることにより、電極3と被加工物2の間の作動距離dwを設定し(第III段階)、 次に電圧Uをモニタすることにより、電極3と被加工物2の間の接触が絶たれたか 否かを検出し(第IV段階)、もしその検出が、電圧Uが再び約2Vであることを示し ていれば、被加工物2と電極3の間の距離dを第2の距離d2増加させる(第V段階)。 作動距離dwは、50μm未満が望ましい。さらに、第1の距離d1に所定の値を選択し 、かつ第1の距離d1を第2の距離d2に対して相対的に小さくなるように選択するこ とにより、実際の作動距離dwにおける広がりを制限することが出来る。d1が2〜1 0μmの間で、かつd2が5〜30μmの間にあるときに、満足すべき結果が得られた。 電圧Uのモニタによる(第IV段階)電極3と被加工物2の間の接触が絶たれたか否 かの検出は、第1の距離d1を設定した(第III段階)後、しばらくしてから実行する のが望ましい。これは、第II段階において電圧が緩やかに元の値Umに戻ることが 判明しているからである。これは、電解質5における電池効果に起因する。電圧U のモニタによる(第IV段階)電極3と被加工物2の間の接触が絶たれたか否かの検出 は、電池効果および他の雑音または干渉源がその検出に及ぼす影響を最小にする ために、電圧Uが、例えば、0.5Umより大きいか否かを決定することにより行うこ とが望ましい。 作動距離を前述した方法に従って設定した後、スイッチ43を閉じることにより 、電源40からの動作電流Iを、第VI段階の間、作動距離dw中の電解質5に通過させ る。連続電圧の場合よりも被加工物2の溶解がより均一になる結果が得られるこ とが判明したので、電源40は、パルス電圧Upで供給することが望ましい。この後 、被加工物2と電極3の間の距離を、第VII段階で距 離d3増加させる。これにより作動距離dw内の電解質5が容易に更新される。数10 μmの作動距離dwの場合、このような作動距離を介する電解質のフロー速度は十 分な大きさとはならないので、電解質は急速に飽和する。距離dが増加した後、 被加工物2と電極3を接触状態に至らせかつ電極3と被加工物2の間の作業距離dwを 設定する作業工程を周期的に繰り返す本発明の方法に従って、作業距離dwを再び 設定することが望ましい。 第2図において、記号FFは、電解質5を通過して動作電流Iが流れている時間中 に、材料が溶解する速度Vfに応じて、電極5と被加工物2とを相対的に移動させる 一実施例を示す。この溶解率Vfは、例えば、2つの接触段階の間における電極3と 被加工物2の相対的な変位d4に基づき評価することができる。 第3図は、被加工物2と電極3の間の距離dを第1の距離d1分増加させた(第IV段階) 後で、接触が絶たれていない状況での、本発明の方法を実施する間の被加工物2 と電極3の間の距離dと時間の関数として電圧Uを図式的に示したものである。こ の場合、第２図の第VII段階と同様に、被加工物2と電極3の間の距離は、第3の距 離d3分増加し、その後は第2図で述べたようなステップが続く。 第4図は、U2>U1を満たす異なる動作電圧U1とU2について、作動距離dwの関数と して溶解率Vfを示したグラフである。このグラフは、作動距離dwが減少するさい に、溶解率Vfがかなり増加することを示している。本発明の解決手段によれば、 短絡またはフラッシオーバの結果として被加工物2または電極3に損傷を与える危 険性を犯すことなく、前述の刊行物で示された作動距離よりもはるかに小さい作 動距離を設定することができる。この結果、より高い溶解率Vfが達成される。同 時に、横方向の溶解が、相対的に低い溶解率Vf(第4図参照)の結果をもたらす距 離dに即座に至るので、被加工物2の機械加工表面が、電極3の表面にほぼ対応し たネガ像コピーとなる、よ り高い精度が得られる。 本発明はここに示された解決策に限定されるべきではないことに注意すべきで ある。本発明の範囲から逸脱することなく、いくつかのその他の異なった解決策 が可能である。電極と被加工物の間の接触を他の方法で検出することもできる。 例えば、パルス電流源またはパルス電圧源によって、または電極から被加工物に 及ぼされる力を測定する圧力変換器を用いて検出できる。電極3と被加工物2の間 の距離を第1の距離増加させた後に接触が絶たれたか否かは、電圧Uの平均のよう な（オプションとして、第IV段階の間の電圧Uの広がりと組み合わせて）複雑な 判定基準によっても検出することが出来る。さらに、電解質の適正な形状により 間隙中の電解質を十分に更新するようにすることも可能であり、これにより間隔 を周期的に拡げることを省略することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブールスマ アントン エム オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ (72)発明者 クラマー フォッペ オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1． 電極を用いた被加工物の電気化学的加工方法であって、 ‐前記被加工物と前記電極とを互いに接触させるステップ、 ‐前記被加工物と前記電極の間の間隙を電解質で満たした状態で、前記電極と 前記被加工物との間の作動距離を設定するステップ、および ‐前記被加工物を機械加工するために前記電極と前記被加工物を介して前記間 隙内の前記電解質に作動電流を通過させるステップ を有する方法において、 ‐前記電極と前記被加工物が接触している状況から開始して、前記電極と前記 被加工物の間の前記距離を第1の距離分増加させるステップと、 ‐それに続き、前記電極と前記被加工物の間の接触が絶たれたか否かを検出す るステップと、 ‐前記検出が、前記電極と前記被加工物の間の接触が絶たれたことを示した場 合に、前記被加工物と前記電極との間の前記距離を第2の距離分増加させるステ ップとにより、 前記作動距離を設定することを特徴とする被加工物の電気化学的加工方法。 2． 前記第1の距離が、所定の距離であり、かつ前記第1の距離が、前記第2の距 離に対して相対的に小さいことを特徴とする請求項1に記載の方法。 3． 前記電極と前記被加工物の間の接触が、前記所定の距離を設定した後に絶 たれていないことが判明した場合に、前記被加工物と前記電極の間の前記距離を 第3の距離分増加させ、その後、前記間隙中の前記電解質を洗い流しにより更新 させ、前記被加工物と前記電極を再び互いに接触させることを特徴とする、請求 項2に記載の方法。 4． 前記被加工物と前記電極を互いに接触させるステップと、前記電極と前記 被加工物の間の前記作動距離を設定するステップとを周期的に繰り返すことを特 徴とする請求項1に記載の方法。 5． 前記動作電流の結果、前記被加工物の材料が溶解され、そして前記材料が 溶解される溶解率に応じて、動作電流が前記電解質を通過している間に、前記電 極と前記被加工物を互いに向かって移動させることを特徴とする請求項1に記載 の方法。 6． 溶解率が、2つの接触段階の間に、前記電極と前記被加工物との間の相対的 変位に基づいて評価されることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の方法 。 7． 電流制限電圧源を前記電極と前記被加工物との間に接続させかつ前記電極 と前記被加工物の間の前記電圧差をモニタすることにより、前記電極と前記被加 工物の間の接触を検出することを特徴とする請求項1に記載の方法。 8． 前記電圧源が、1および3Vの間の電圧を供給することを特徴とする請求項7 に記載の方法。 9． 前記電解質が、NaNO₃を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。 10． 作動距離を50μm未満に設定することを特徴とする請求項1に記載の方法。 11． 前記第1の距離が、2および10μmの間にあり、かつ前記第2の距離が、5お よび30μmの間にあることを特徴とする請求項10に記載の方法。 12． 被加工物と電極の間の間隙を電解質で満たした状態で、前記電極と前記被 加工物の間の作動距離を設定し、動作電流を、前記電極と前記被加工物を介して 前記間隙中の前記電解質に通過させることにより、前記被加工物を加工する、電 極によって被加工物を電気化学的に加工する構成であって、 その構成が、 ‐被加工物を載置する基台と、 ‐電極を位置決めする支持具と、 ‐前記支持具と前記基台を相対的に移動させるアクチュエータと、 ‐前記電極と前記被加工物の間の接触を検出する検出装置と、 ‐前記アクチュエータを制御する制御ユニットとを 含む構成において、 前記制御ユニットが、 ‐前記電極と前記被加工物の間の第1の距離を設定し、 ‐前記電極と前記被加工物の間の接触が絶たたれたか否かを検出し、そして ‐前記被加工物と前記電極の間の距離を第2の距離分増加させるように構成さ れていることを特徴とする構成。 13． 前記電極を用いて被加工物を電気化学的に加工する構成におけるアクチュ エータを制御する制御ユニットにおいて、 この制御ユニットが、 ‐前記電極と前記被加工物の間の第1の距離を設定し、 ‐前記電極と前記被加工物の間の接触が絶たれたか否かを検出し、そして ‐前記被加工物と前記電極の間の距離を第2の距離分増加させるように構成さ れるていることを特徴とする制御ユニット。