JP2004050351A

JP2004050351A - 電解加工方法

Info

Publication number: JP2004050351A
Application number: JP2002211149A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Kobayashi; 小林　康裕; Kenya Misumi; 三澄　賢也
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】加工対象面の不動態化の影響を受けず、微細な形状を高精度に安定して加工することのできる電解加工方法を提供する。
【解決手段】所定回数の複数個の加工パルス（Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，・・・：オン時間ｔ_１）を印加する前に、印加時間ｔ_０の不動態膜除去パルスＰ_０を印加する。また、このパルスＰ_０の印加後に、被加工物と電極工具との間の加工すき間に電解液を流動させた状態で、１つのパルスから次のパルスまでのオフ時間ｔ_２が、被加工物表面の不動態化による大きな電圧波形のピークが発生しない時間以下に設定された加工パルスを、所定回数印加する。この方法により、被加工物表面に加工前から付着していた酸化被膜等が除去され、加工パルスを印加する直前の加工対象面の状態を一様のものとすることができる。また、オフ時間ｔ_２中に進行する被加工物表面の不動態化の影響を受けず、１加工パルスあたりの加工量を安定化させることができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動圧軸受の動圧溝等の微細な形状の彫り込み加工を、高精度にかつ安定して実施することのできる電解加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属の表面加工に用いられる電解加工法は、食塩水や硝酸ナトリウム水溶液等の電解液中に、加工形状に対応した形状の導電部を有する電極（以下、電極工具と記述する）を被加工物の表面に近接して対向配置し、この電極工具と被加工物との間に電流を流すことにより、被加工物表面を電気化学的に溶解させて、電極工具の導電部形状（加工パターン）に対応した彫り込み形状を形成する加工方法である。
【０００３】
電解加工は、近年、特開平９−１９２９３２および特開平１０−８６０２０等に公知のように、電極工具と被加工物の加工対象面を所定の間隔で固定し、電解液を循環させながら、あらかじめ設定された印加総電気量を目標値として、所定回数のパルス電流を流し加工を行うことで、微細パターンの加工に多用されるようになってきている。特に、ハードディスク装置等の高速および高精度の回転が要求される機構に用いられる動圧軸受装置の動圧溝は、その溝深さをμｍオーダーで加工することが要求されることから、その加工には、高精度加工が可能な電解加工が好適に採用される。
【０００４】
図２は、従来の電解加工装置の全体構成を模式的に示したものである。
表面に所定の形状が加工される被加工物（ワーク）Ｗは、加工対象面に電極（電極工具）１を所定の距離をおいて対向させた状態で加工槽１０内に配置される。加工槽１０には、電解液槽１１と通じる液流入管１１ａと液排出管１１ｂが配置されており、ポンプ１２の駆動により、被加工物Ｗと電極工具１の間（加工間隙３）に電解液が流れるようになっている。電解液は、図示しないフィルター等により、加工中に生成した電解生成物等の不純物を取り除いた上で、加工槽１０内へと再循環するようになっている。
【０００５】
また、被加工物Ｗには加工用パルス電源１３の正極が接続される一方、電極工具１には同じく加工用パルス電源１３の負極が接続され、これらの被加工物Ｗと電極工具１の間に電解液を流した状態で、所定回数のパルス状電流が印加される。電極工具１の被加工物Ｗとの対向面には、所定の加工パターンの導電部１ａと、パターン以外の領域の絶縁体２が形成されており、電解液を介在させた状態で、加工用電源１３からのパルス電流が、導電部１ａと被加工物Ｗとの間に流れることで、電気化学反応により導電部１ａに対向する部位の被加工物Ｗが溶出し、被加工物Ｗの加工対象面に導電部１ａと同等のパターンの彫り込み形状が転写形成されることになる。
【０００６】
微細な形状を加工するのに用いられる電解加工は、加工精度を向上させるために、加工に用いられるパルス電流の１パルスのオン時間（デューティー時間）を１〜１０ｍｓｅｃ（ミリ秒）程度に短くし、１パルス当たりの電気量（被加工物の溶出量）を少なくして印加する方法により行なわれる。また、パルスのオン時間：オフ時間の比（デューティー比）は、通常１：４（あるいは１：９）に設定されることが多く、このような短い周期のパルス信号を連続して発生させるために、ミリ秒単位でのオン−オフ制御機構を備えるパルス電源が好適に採用される。なお、被加工物（ワーク）を単独で加工する場合や複数の被加工物を直列に接続して加工を行なう場合は、パルスの電流波形の波高値を制御量とし、電圧を操作量とするタイプのパルス電源が使用され、複数の被加工物を並列に接続して加工を行なう場合は、パルスの電圧波形の波高値を制御量とし、電流を操作量とするタイプのパルス電源が使用されることが多い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上のような電解加工方法において、個々の被加工物ごとあるいは被加工物のロットごとに加工精度のばらつきが発生するという問題があった。このような加工精度のばらつきは、加工前における被加工物個々の表面状態が異なっていたことにより発生すると考えられる。
【０００８】
図３は、従来の電解加工開始時における被加工物と電極工具との間の電圧と電流の変化を測定した波形図であり、この例は、パルスの電流波形の波高値を制御量とし、電圧を操作量として制御するタイプのパルス電源を用いた電解加工において、加工パルスのオン時間を２５ｍｓｅｃ、オフ時間を１００ｍｓｅｃに設定して電解加工を行なったものである。
【０００９】
図３の電圧波形のように、従来の電解加工方法においては、各加工パルスＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，・・・による波形が不安定で、これらのパルスの立ち上がり部位に、高い電圧のピークＡ，Ｂ，Ｃ，・・・の発生が見られる。加工の開始時に見られる特に高いピークＡは、加工前の被加工物表面に付着している汚れや酸化被膜等の溶出時に発生すると考えられ、このピークＡが発生することによって、本来被加工物の彫り込み加工に用いられるべき電流が消費され、加工前に決められた所定回数の加工パルスでは、所望の加工深さを得られない恐れがある。
【００１０】
また、他のピークＢ，Ｃ，・・は、パルスのオフ時間中に発生する電解生成物の被加工物表面への付着・堆積あるいは酸化被膜等の形成による被加工物表面の不動態化によって、被加工物と電極工具との間の電気抵抗が上昇したことによって発生すると考えられる。そのため、加工パルスのオフ時間（非デューティー時間）が長くなると、この波形図のように、個々のパルスによる電圧波形がその都度異なってしまい、加工が不安定な状態（非定常状態）となることがある。このような１加工パルス内での波高の変動は、全加工パルスによる総印加量すなわち被加工物表面の彫り込み量（加工量）の誤差を拡大させてしまう。
【００１１】
なお、複数の被加工物を並列に接続して、パルスの電圧波形の波高値を制御量とし電流値を操作するタイプのパルス電源を用いて電解加工を行なった場合も、電流波形の各パルスの立ち上がり部位に同様の大きなピークが発生し、上記と同じ問題が発生する。
【００１２】
このような加工対象面の不動態化等による加工精度への影響を緩和するため、特開平９−２８５９１７号等のように、パルス電流を高電気量と低電気量の階段状波形にして供給し、前段の高電気量供給時に不動態膜を除去しながら加工する方法や、オフ時間での電解液の供給をストップして、不動態膜の生成を抑制する方法等の提案がなされている。しかしながら、これらの手段は、電解液の供給機構やパルス電流の制御機構が複雑となり、短いパルス周期でオンオフを繰り返す微細加工に適用することは難しい。特に、ミリ秒オーダーでの電解液の供給・停止動作は技術的にも困難である上、電解生成物の加工対象面への付着・堆積等を防止するためには、パルスのオフ時間中も電解液を流動させ続けた方が有利である。
【００１３】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、加工対象面の不動態化の影響を受けず、微細な形状を高精度に安定して加工することのできる電解加工方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、所定パターンの導電部が表面に形成されてなる電極と被加工物とを、電解液中に対向させて浸漬した状態で、これら被加工物と電極との間にパルス電流を印加する電解加工方法において、前記パルス電流は、電流波形の波高値が一定となるように電圧を操作量として複数個印加されるとともに、これら複数個のパルス電流における１つのパルスと次のパルスとの間のオフ時間は、操作量である電圧の１パルス内での波高値がほぼ一定となる定常状態から逸脱しない時間以下であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、所定パターンの導電部が表面に形成されてなる電極と被加工物とを、電解液中に対向させて浸漬した状態で、これら被加工物と電極との間にパルス電流を印加する電解加工方法において、前記パルス電流は、電圧波形の波高値が一定となるように電流を操作量として複数個印加されるとともに、これら複数個のパルス電流における１つのパルスと次のパルスとの間のオフ時間は、操作量である電流の１パルス内での波高値がほぼ一定となる定常状態から逸脱しない時間以下であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項１または２に記載の電解加工方法においては、前記加工パルスの印加を行なう前に、この加工パルスよりも高電気量の不動態膜除去パルスを印加すること（請求項３）が好ましい。
【００１７】
本発明は、パルス電流を用いて微細な形状を彫り込み加工する電解加工において、１つの加工パルスの印加終了から次の加工パルスの印加開始までのパルス間隔を、被加工物表面の状態変化の影響を受けない短い時間に設定し、被加工物と電極との間の加工間隙に電解液を流しながらパルス電流を印加することにより、それぞれのパルス波形ひいては１加工パルスあたりの被加工物の溶出量を安定させて、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１８】
すなわち、請求項１および２に記載の発明によれば、加工パルスにおける１つのパルスの印加終了から次のパルスの印加開始までの時間間隔を、被加工物表面の不動態化による大きな電気量の波形ピークが発生しない時間以下とすることにより、それぞれの加工パルスによる加工量がほぼ一定となる定常状態で、加工を継続することができる。また、１加工パルスあたりの加工量が安定することで、これら加工パルスによる加工対象面の最終的な彫り込み深さの誤差を小さくすることが可能になる。従って、本発明の電解加工方法は、微細な形状を高精度に安定して加工することができる。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明によれば、加工パルスの最初の印加を行なう前に、この加工パルスよりも高電気量の不動態膜除去パルスを印加することにより、被加工物表面に加工前から付着していた汚れや酸化被膜等が除去され、加工パルスを印加する直前の加工対象面の状態を一様のものとすることができる。従って、本発明の電解加工方法は、被加工物の材料個別の履歴やロット間差に関わらず、微細な形状を高精度に安定して再現することが可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態の電解加工方法における被加工物と電極工具との間の電圧と電流の変化を測定した波形図である。なお、以下の実施の形態では、パルスの電流波形の波高値を制御量とし、電圧を操作量として制御するタイプのパルス電源を用いて、被加工物（ワーク）を単独で接続して電解加工を行なう例を用いて説明する。また、以下の実施の形態で使用される電解加工装置の構成は、図２に示した従来例と同様であり、重複を避けるため、構成に関する詳細な説明は省略する。
【００２１】
本実施の形態における電解加工方法も、従来例同様、被加工物の加工対象面と電極工具の導電部が形成された表面とを対向させて電解液中に浸漬し、被加工物および電極工具をパルス電源の正極および負極にそれぞれ接続して、これら被加工物と電極工具との間の加工間隙に電解液を流しながら、所定回数のパルス状電流を印加する方法により行なわれる。また、パルス電流が導電部と被加工物との間に流れることで、電気化学反応により導電部に対向する部位の被加工物が溶出し、被加工物の加工対象面に導電部と同等のパターンの彫り込み形状が転写形成されることとなる。
【００２２】
本実施の形態における電解加工方法の特徴は、図１に示す波形図のように、所定回数の複数個の加工パルス（Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，・・）が印加される前に、印加時間ｔ_０の不動態膜除去パルスＰ_０が印加されている点と、１つの加工パルスの印加終了から次の加工パルスの印加開始までのオフ時間ｔ_２が、被加工物表面の不動態化による大きな電圧波形のピークが発生しない時間以下に設定されている点である。この加工パルスのオフ時間ｔ_２は、好ましくは２０ｍｓｅｃ（ミリ秒）以下、更に好ましくは４ｍｓｅｃ以下に設定される。また、この加工パルスのオン時間ｔ_１：オフ時間ｔ_２の比（デューティー比）は、１：４となるように設定されている。
【００２３】
以上の電解加工方法において、加工パルスの最初の印加（Ｐ_１）を行なう前に不動態膜除去パルスＰ_０を印加することにより、加工対象面の表面状態が一様となり、その後の加工パルス（Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３）による電圧波形が安定する。従って、本実施の形態における電解加工方法は、被加工物表面に加工前から付着していた汚れや酸化被膜等の加工への影響が緩和され、所定回数の加工パルスによる最終彫り込み量の誤差を小さくすることができる。
【００２４】
また、被加工物と電極との間の加工間隙に電解液を流動させながら、それぞれの加工パルスの電圧波形が安定化する定常状態のもとに加工を継続することができることから、パルスのオフ時間ｔ_２中に進行する加工対象面の不動態化の影響を受け難い。従って、本実施の形態における電解加工方法は、全加工パルスによる加工対象面の最終的な彫り込み形状を、安定して再現することが可能になる。
【００２５】
一方、本実施の形態における電解加工方法は、複雑な電解液供給制御手段等の設備も必要なく、従来の加工設備を用いて製品歩留まりを向上させることが可能で、工程全体としてのコストダウンを達成することができる。
【００２６】
以上の実施の形態において、加工間隙に流量０．７Ｌ／ｍｉｎの割合で電解液を循環させながら、不動態膜除去パルスＰ_０を２ｍｓｅｃ印加した後、電解液の流量を０．１Ｌ／ｍｉｎとした状態で、オン時間ｔ_１を１ｍｓｅｃ、オフ時間ｔ_２を４ｍｓｅｃとした加工パルスを印加したところ、加工深さの誤差が１０％以内となる極めて良好な結果を得た。
【００２７】
また、以上の実施の形態においては、パルスの電流波形の波高値を制御量とし、電圧を操作量とするタイプのパルス電源を使用し、被加工物（ワーク）を単独で接続して電解加工を行なう例を用いて説明したが、複数の被加工物を並列に接続して同時に加工を行なっても良い。なお、複数の被加工物を並列に接続して加工を行なう場合には、パルスの電圧波形の波高値を制御量とし、電流を操作量とする方法が好ましく、この電解加工方法に本発明を適用することによっても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の電解加工方法によれば、電解加工に用いるパルス電流のオフ時間を、被加工物表面の状態変化の影響を受けない短い時間に設定することにより、１加工パルスあたりの加工量を安定させることができる。従って、微細な形状を高精度に安定して加工することが可能になる。
【００２９】
また、電解加工の開始前に、加工パルスよりも高電気量の不動態膜除去パルスを印加することにより、被加工物表面に加工前から付着していた汚れや酸化被膜等が除去され、加工パルスを印加する直前の加工対象面の状態を一様のものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の電解加工方法において、被加工物と電極工具の間の電圧と電流の変化を測定した波形図である。
【図２】従来の電解加工装置の全体構成を示す模式図である。
【図３】従来の電解加工方法において、被加工物と電極工具の間の電圧と電流の変化を測定した波形図である。
【符号の説明】
１　電極工具
１ａ　導電部
２　絶縁体
３　加工間隙
１０　加工槽
１１　電解液槽
１１ａ　液流入管
１１ｂ　液排出管
１２　ポンプ
１３　加工用パルス電源
Ｗ　被加工物（ワーク）

Claims

所定パターンの導電部が表面に形成されてなる電極と被加工物とを、電解液中に対向させて浸漬した状態で、これら被加工物と電極との間にパルス電流を印加する電解加工方法において、
前記パルス電流は、電流波形の波高値が一定となるように電圧を操作量として複数個印加されるとともに、これら複数個のパルス電流における１つのパルスと次のパルスとの間のオフ時間は、操作量である電圧の１パルス内での波高値がほぼ一定となる定常状態から逸脱しない時間以下であることを特徴とする電解加工方法。
所定パターンの導電部が表面に形成されてなる電極と被加工物とを、電解液中に対向させて浸漬した状態で、これら被加工物と電極との間にパルス電流を印加する電解加工方法において、
前記パルス電流は、電圧波形の波高値が一定となるように電流を操作量として複数個印加されるとともに、これら複数個のパルス電流における１つのパルスと次のパルスとの間のオフ時間は、操作量である電流の１パルス内での波高値がほぼ一定となる定常状態から逸脱しない時間以下であることを特徴とする電解加工方法。
前記加工パルスの印加を行なう前に、この加工パルスよりも高電気量の不動態膜除去パルスを印加することを特徴とする請求項１または２に記載の電解加工方法。