JP2012179708A - 電解加工システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工物を加工するためにフラッシング機能がより高い新規の改良型の電解加工システム及び方法が必要である。
【解決手段】電解加工システム１０は、加工物１００を加工するように構成された１つ又は複数の電極１５と、加工物１００と１つ又は複数の電極１５のそれぞれとに電圧を印加するように構成された電源１３と、電解液を通過させるように構成された電解液供給源１４と、１つ又は複数の電極１５のそれぞれを加工物１００に対して移動させるように構成された加工装置１１とを備える。電解加工システム１０は更に、加工物１００を加工するための加工装置１１を制御するように構成されたコントローラ１２と、除去された材料を加工物１００から取出すために電解液供給源１４からの電解液と相互作用するように構成された除去材とを備える。電解加工方法も提案される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に電解加工システム及び方法に関する。より具体的には、本発明は、加工材料のフラッシング機能が高い電解加工システム及び方法に関する。

電気化学加工（ＥＣＭ）及び放電加工（ＥＤＭ）は、ガスタービンの構成部品などの物体の材料を加工する従来の工程である。ＥＣＭ工程は通常、加工物の材料の量を精密に除去して概ね平滑な表面を有する加工物の所望の仕上げ構成を達成するために電極（１つ又は複数）と加工物との空隙に電流を通す。ＥＤＭ工程は、電極（１つ又は複数）と加工物との間に誘電液体を循環させ、電極と加工物との空隙に放電が発生する。

ＥＣＭ及びＥＤＭ工程の両方とも、電力で加工物から材料を除去するために直流（ＤＣ）電圧下での電流を使用する。しかし、ＥＣＭでは、電極（１つ又は複数）と加工物との間に電解液（導電性液体）が循環し、加工物材料の電気化学的な溶解、並びに両者の間の空隙の冷却及びフラッシングができる。これに対して、ＥＤＭ工程は、加工物材料を除去するために空隙内の放電を可能にするため、空隙内に非導電性（誘電性）液体を循環させる。本明細書で用いる「電解」と言う用語は、電解液（導電性液体）を電極（１つ又は複数）と加工物との空隙内に循環させるこれらの電気加工工程に、高速度での材料除去を可能にし、加工物への熱損傷を低減する工程を適用することであると理解されたい。

電解加工は一般に、熱をベースとする材料除去工程である。加工中、加工物から除去される材料（チップ）は通常は溶解／液相であり、溶解したチップを切削ゾーンから効果的に放出することが重要である。しかし、ある用途では、従来の電解加工中、フラッシング機能が不十分であるために、溶解したチップが加工中の加工物と相互作用して加工物に貼り付いたり付着したりして加工物に過剰な熱エネルギを伝達し、その結果、加工物上に熱影響ゾーンが生じ、望ましくない材料特性になることがある。これは、後続の電解加工、及び加工物の加工品質にとって不利になることがある。

従って、加工物を加工するためにフラッシング機能がより高い新規の改良型の電解加工システム及び方法が必要である。

本発明の実施形態による電解加工システムを提供する。電解加工システムは、加工物を加工するように構成された１つ又は複数の電極と、加工物と１つ又は複数の電極のそれぞれに電圧を印加するように構成された電源と、加工物と１つ又は複数の電極のそれぞれとの間に電解液を通過させるように構成された電解液供給源と、１つ又は複数の電極のそれぞれを加工物に対して移動させるように構成された加工装置とを備える。電解加工システムは更に、加工物を加工するための加工装置を制御するように構成されたコントローラと、除去された材料を加工物から取出すために電解液供給源からの電解液と相互作用するように構成された除去材とを備える。

本発明の実施形態による電解加工方法を提供する。電解加工方法は、１つ又は複数の電極を加工物に対して移動するように駆動するステップと、１つ又は複数の電極のそれぞれと加工物との間に電流を通しつつ、間に画成される空隙を通って電解液供給源からの電解液を通過させるステップと、加工物から除去された材料を空隙の外に取出すために電解液と相互作用するように、１つ又は複数の電極のそれぞれと加工物との間に除去材を投入するステップとを含む。

本発明の上記及びその他の態様、特徴並びに利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明に照らしてより明らかになる。

本発明の一実施形態による電解加工システムの概略図である。 除去材を使用して加工された加工物の表面の比較を示す概略図である。 除去材を使用せずに加工された加工物の表面の比較を示す概略図である。 本発明の別の実施形態による電解加工システムの概略図である。 本発明の別の実施形態による電解加工システムの概略図である。

以下に添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を記載する。以下の記述では、不必要な詳細により開示内容が不明確になることを避けるため、既知の機能又は構造は記載しない。

図１は、本発明の一実施形態による電解加工システム１０の概略図を示す。本発明の実施形態では、電解加工システム１０は、所望の構成を形成するために積層チタン合金などの加工物１００から材料を除去するために使用される。図１に示すように、電解加工システム１０は、加工装置１１及びコントローラ１２、電源１３、電解液供給源１４、及び電極１５を含む数値制御（ＮＣ）、又はコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）デバイス（図示せず）を備える。１つの非限定的な実施例では、電解加工システム１０は、高速電解（ＨＳＥＥ）加工システムを備える。

本発明の実施形態では、従来の自動加工を行うためにＮＣ又はＣＮＣデバイスを使用できる。特定の実施例では、加工装置１１は、サーボモータ（図示せず）及びスピンドルモータ（図示せず）を含む加工工具又は旋盤を備える。電解加工を行うために電極１５が加工装置１１に取り付けられる。従って、サーボモータは電極１５と加工物１００とを駆動して所望の速度と経路で互いに移動させ、スピンドルモータは電極１５を駆動して所望の速度で回転させる。

コントローラ１２は、コンピュータ援用設計（ＣＡＤ）及び／又はコンピュータ援用製造（ＣＡＭ）における加工物１００の描写に基づいて予めプログラムされた命令を含み、加工装置１１に接続されて、加工装置１１を制御し、電極１５を駆動し、ある一定の給送速度、軸位置、又はスピンドル速度などのある一定の動作パラメータに従って電極１５を移動及び／又は回転させる。加えて、コントローラ１２は、電極１５と加工物１００との間の空隙１６内の電圧及び／又は電流の状態を監視して、電極１５を保持する加工装置１１の移動を制御するため、電源１３にも接続される。

非限定的な実施例では、コントローラ１２は一般的なコントローラでよく、当業者には公知のように中央処理ユニット（ＣＰＵ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、及び／又はランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を備える。非限定的な一実施例では、コントローラ１２は、バージニア州シャーロッツビルのＧＥ−Ｆａｕｎｅ社からＧＥ−ＦＡＮＵＣ １８ｉ ＣＮＣの商標で市販されているコントローラである。

図示の実施形態では、電源１３は直流（ＤＣ）パルス電源である。電極１５と加工物１００は、電源１３の負と正の電極にそれぞれ接続される。従って、本発明の実施形態では、電極１５は陰極として機能し、加工物１００は陽極として機能する。別の実施形態では、電極１５と加工物１００の極性は逆でもよい。ある適用例では、電源１３はコントローラ１２に接続されなくてもよい。

一実施例では、電解液供給源１４は、電解液が電極１５と加工物１００との間を通過するようにコントローラ１２からの予めプログラムされた命令と通信し、これを受信する。あるいは、電解液供給源１４を別個に設置してもよい。図示の実施形態では、電解液を吐出して電極１５と加工物１００との間を通過させるために電解液供給源１４と流体連通されるノズル１７を使用する。別の実施例では、電解液供給源１４から電解液を吐出するために１つ又は複数のノズルを使用する。

従って、電解加工中、加工物１００から材料を層ごとに除去して所望の構成を形成するために、電源１３が電極１５と加工物１００との間にパルス電流を送る一方で、除去された材料（チップ）１０１を空隙１６から取出すために電解液が電極１５と加工物１００との間を通過するようにさせる。図示の実施形態では、電極１５は車輪の形状を備える。矢印１８は、電解液の流れる方向を示す。ある適用例では、電極１５の形状は方形、又は筒形の断面を有する形状などの別の形状でもよい。

ある適用例では、電解加工中、除去された材料は空隙１６から効率的に取出されないことがある。その結果、除去された材料の一部は、加工される加工物の表面に付着して過度の熱エネルギを加工物に伝達し、その結果、加工物に熱影響ゾーン（ＨＡＺ）が生じ、望ましくない材料特性になることがある。例えば、Ｔｉ合金の電解加工中、Ｔｉ合金が加熱され、電解液によって急速焼き入れされると、Ｔｉ合金中のα／βチタンはぜい弱なαチタンに変化する相転移を生ずることがあり、これはこのような熱をベースとする材料除去工程の効率に不利である。

従って、望ましくない材料特性や加工物の熱影響ゾーンの発生を避け、且つ／又は軽減するため、ある実施形態では、図１に示すように、電解加工システム１０は更に、除去された材料を空隙１６から取出し易くするため電解液供給源１４と相互作用する除去材１９を含む。非限定的な実施例では、除去材１９を供給するために除去材供給源１０２を使用する。

ある実施例では、除去材１９は銅粉、非導電材料、窒素含有炭化水素、及びその他の適宜の材料の１つ又は複数を含む。非限定的な実施例では、非導電材料は酸化アルミニウム、炭化物、窒化物、樹脂、ダイアモンド、及びガーネットを含む。窒素含有炭化水素はアミンを含む。炭化物は、炭化ケイ素、炭化タングステン、及び炭化ホウ素を含む。窒化物は立方晶窒化ホウ素を含む。樹脂はフェノール類及びポリイミドを含む。ある適用例では、除去材１９は粒子の形態でよく、粒子の粒径分布は異なる用途に基づいて決定される。

図示の実施形態では、除去材１９は電解液供給源１４のノズル１７と流体連通する。従って、電解加工中、除去された材料を空隙１６から取出し易くするため、除去材１９を電解液と混合し、電解液中に分散させて電極１５と加工物１００との間を通過するようにする。ある非限定的な実施例では、除去材１９は、分離された固体粒子の形態で電解液中に分散される添加剤として機能する。

ある適用例では、除去材１９は銅粉、非導電材料、窒素含有炭化水素、炭化物、窒化物、樹脂、ダイアモンド、及びその他の適宜の材料の１つ又は複数を含む。非限定的な実施例では、除去材１９は酸化アルミニウムなどの非導電材料とアミンなどの窒素含有炭化水素の混合物を含む。この実施例では、電極と加工物との間に除去材１９を投入する電解加工中、電源１３からの放電は、酸化アルミニウムなどの非導電材料が存在するため電極１５と加工物１００との間で過渡アーク放電に変化することがあるので、加工物への熱衝撃を緩和し、電気エネルギ消費を低減し得る。

更に、除去材１９と電解液とをノズル１７から吐出している間、酸化アルミニウムは電解液と相互作用して、加工される加工物１００の表面から材料を除去する比較的高い運動量を生ずる。その間、アミンなどの窒素含有炭化水素も溶解ゾーン／切削ゾーン（表示せず）内の融解チップ１１０の化学成分も変化するので、融解チップの表面張力が変化し、従って加工物への融解チップの親和力が低減され得る。その結果、電解加工中の除去材１９と電解液との相互作用により、融解チップは効率的に空隙１６から取出され、加工物１００上の熱影響ゾーンを回避し、且つ／又は軽減し得る。

表１は、Ｔｉ合金などの加工物を加工する３つの例示的な実験結果の比較を示す。３つの例示的実験の各実験結果は、電極と加工物との間の約１５ボルトの電圧と、各切削部の約０．０２インチの切削深さ（ＤＯＣ）とを含む。表に示すように、除去材１９を使用しない第１の例示的実験では、熱影響ゾーンは約６７４μｍであり、消費電気エネルギは約３０７００Ｊである。フェノール類を使用した第２の例示的実験では、熱影響ゾーンは約３８３μｍであり、消費電気エネルギは約６１５０Ｊである。ポリイミドを使用した第３の例示的実験では、熱影響ゾーンは約２３８μｍであり、消費電気エネルギは約５８１０Ｊである。

表１に示すように、除去材１９を使用しない例示的実験と比較して、除去材１９を使用した例示的実験では、熱影響ゾーンと消費電気エネルギの両方とも少ないので、加工効率と品質が向上する。

図２〜３は、それぞれ除去材１９を使用したのと、使用しないで加工されたＴｉ合金などの加工物の表面の比較を示す概略図を示す。図２に示す実験では、除去材１９はガーネットである。比較すると、ガーネットを使用した実験での加工物１００の加工面は、図３に示すようなガーネットを使用しない実験での加工物１００の加工面よりも平滑であり、熱衝撃が少ない。

図４は、本発明の別の実施形態による電解加工システム１０の概略図を示す。図を明解にするため、除去材１９、電解液（表示せず）、電極１５、及び加工物１００を示し、その他の要素は図示しない。図４に示すように、電極１５は車輪の形状を有する。除去材１９は、電極の周囲に離間して、電極と一体に配置された複数の研磨要素２０から成る。非限定的な実施例では、研磨要素は電極１５と一緒に焼結される。ある適用例では、除去材１９の研磨要素２０は非導電性で、所望の硬さを有する。非限定的な実施例では、研磨要素２０は、酸化アルミニウム及び炭化タングステンなどの非導電材料から成る。

図示した配置では、研磨要素２０は電極１５の外表面２１を越えて突出し、互いに離間する。電極１５は、研磨要素２０によって離隔された複数の放電セクション（表示せず）に細分化される。電解加工を行うため、放電セクションと研磨要素２０とを交互に配置する。

図４に示すように、電解加工中、電源１３は電極１５と加工物１００との間にパルス電流を送る。電極１５の放電セクションと研磨要素２０とを交互に配置して、放電ゾーンの放電後に放電が休止され、電解液との相互作用で融解チップ１０１を除去するために、隣接する研磨要素２０がそれぞれの切削ゾーンを通過するように誘導される。

従って、融解チップ１０１を空隙１６から取出すために電解液が電極１５と加工物１００との間を通過することで、突出した研磨要素２０は加工物から除去された材料を交互に切り離して、除去された材料を空隙１６から取出し易くすることによって、加工物１００への熱衝撃が軽減され得る。ある適用例では、加工中、研磨要素２０は摩耗してもよい。

ある適用例では、加工物への熱衝撃を軽減するため、１つ又は複数の電極を使用し、別個に交互に配置する。従って、図４の配置と同様に、加工物への熱衝撃を軽減するために電極の放電も交互に行う。

図５は、複数の電極１６を使用した電解加工システム１０の概略図を示す。図４の配置と同様に、図を明解にするため、図５に図示していない要素もある。図５に示すように、電解加工システム１０は、電極１６を保持し、加工装置１１上に組み立てられるベース２２を備える。図示した配置の場合、ベース２２は車輪の形状を有し、スロット２３及び中央孔２５と流体連通する複数のスロット２３と複数の管路２４とを画成する。

ある実施例では、それぞれの電極１６を収容するためにベース２２の周囲に沿って別個にスロット２３を画成する。電解液が通過する管路２４を使用する。中央孔２５は、電解液供給源１４と流体連通する。電解加工中、ベース２０が回転することで、加工物１００とそれぞれの電極１６との間で交互に放電を行って、融解チップを除去するために電解液がベース２２と加工物１００との間を通過する間の加工物１００への熱衝撃を軽減するようにする。

図１〜５の配置は単に説明のためであることに留意されたい。ある適用例では、図５の配置の場合、加工中は図１の配置と同様に、除去された材料を取出し易くするため、除去材１９を電解液中に混入する。電極１６は方形であるが、電極１６の形状は円形又は車輪形などの別の形状でもよい。ある適用例では、図４に図示の研磨要素を図５の配置に使用してもよい。

本発明の実施形態では、電解加工中に除去材を使用することで、融解チップを切削ゾーンから空隙の外に効率的に取出す。それによって加工物への熱衝撃が回避され、且つ／又は軽減されるため、加工品質が高まる。ある適用例では、従来の電解加工システムを後付けし、システムの適応性を高めるために除去材を電解液中に分散してもよい。

別の適用例では、除去材を電極と交互に一体化してもよく、且つ／又は別個の複数の電極を使用して融解チップを空隙から取出すことを促進し、交互の放電によって加工物への熱衝撃を軽減するようにしてもよい。ある適用例では、電源は直流（ＤＣ）パルス電源であり、これによっても交互放電により加工物への熱衝撃を軽減し得る。特定の実施例では、Ｔｉ合金の電解加工中、本発明の配置では、Ｔｉの相転移が回避され、且つ／又は軽減され、加工品質を高められる。

本発明を代表的な実施形態で図示し、説明してきたが、本発明の趣旨から逸脱することなく様々な修正と置換えが可能であるため、本発明を図示した細部に限定することを意図するものではない。従って、当業者は通常の実験のみを用いて本明細書に開示の更なる修正及び等価物に想到でき、これらの修正及び等価物は以下の請求項に定義する本発明の趣旨と範囲内に含まれるものと考えられる。

Claims (20)

1. 電解加工システムであって、
   加工物を加工するように構成された１つ又は複数の電極と、
   前記加工物と前記１つ又は複数の電極のそれぞれとに電圧を印加するように構成された電源と、
   前記加工物と前記１つ又は複数の電極のそれぞれとの間に電解液を通過させるように構成された電解液供給源と、
   前記１つ又は複数の電極のそれぞれを前記加工物に対して移動させるように構成された加工装置と、
   前記加工物を加工するための前記加工装置を制御するように構成されたコントローラと、
   除去された材料を前記加工物から取出すために電解液供給源からの前記電解液と相互作用するように構成された除去材とを備える、電解加工システム。
2. 前記除去材が、酸化アルミニウム、炭化物、窒化物、樹脂、ダイアモンド、ガーネット、及び窒素含有炭化水素のうちの１つ又は複数を含む、請求項１に記載の電解加工システム。
3. 前記炭化物が、炭化ケイ素、炭化タングステン、及び炭化ホウ素のうちの１つ又は複数を含み、前記窒化物が立方晶窒化ホウ素を含み、前記樹脂がフェニ−ル類及びポリイミドのうちの１つ又は複数を含み、前記窒素含有炭化水素がアミンを含む、請求項２に記載の電解加工システム。
4. 前記除去材が、前記加工物と前記１つ又は複数の電極のそれぞれとの間を通過するように前記電解液中に分散される、請求項１に記載の電解加工システム。
5. 前記除去材を供給するように構成された除去材供給源を更に備えると共に、前記除去材が固体粒子の形態である、請求項４に記載の電解加工システム。
6. 前記電解液と前記除去材との混合物を放出して、該混合物が前記１つ又は複数の電極のそれぞれと前記加工物との間を通過するように構成されたノズルを更に備える、請求項４に記載の電解加工システム。
7. 前記除去材が前記１つ又は複数の電極のそれぞれの上に配置される、請求項１に記載の電解加工システム。
8. 前記除去材が複数の研磨要素を含むと共に、前記同一の１つの電極上に配置される前記研磨要素が前記１つの電極の周囲に交互に配置され、該電極を越えて突出する、請求項７に記載の電解加工システム。
9. 前記加工装置上に組み立てられ、前記１つ又は複数の電極を保持するように構成されたベースを更に備えると共に、前記１つ又は複数の電極のうちの１つ以上が前記ベース上に交互に配置される、請求項１に記載の電解加工システム。
10. 前記ベースが、前記１つ以上の電極のそれぞれを保持する複数のスロットと、前記電解液供給源と流体連通する中央孔と、前記中央孔及び前記スロットのそれぞれと流体連通する複数の管路とを画成する、請求項９に記載の電解加工システム。
11. 前記ベースが車輪の形状を有する、請求項９に記載の電解加工システム。
12. 前記１つ又は複数の電極が車輪の形状を備える、請求項１に記載の電解加工システム。
13. 電解加工方法であって、
    １つ又は複数の電極を加工物に対して移動するように駆動するステップと、
    前記１つ又は複数の電極のそれぞれと加工物との間に電流を通しつつ、間に画成される空隙を通って電解液供給源からの電解液を通過させるステップと、
    前記加工物から除去された材料を前記空隙の外に取出すために前記電解液と相互作用するように、前記１つ又は複数の電極のそれぞれと前記加工物との間に除去材を投入するステップとを含む、方法。
14. 前記除去材が、酸化アルミニウム、炭化物、窒化物、樹脂、ダイアモンド、ガーネット、及び窒素含有炭化水素のうちの１つ又は複数を含む、請求項１３に記載の電解加工方法。
15. 前記炭化物が、炭化ケイ素、炭化タングステン、及び炭化ホウ素のうちの１つ又は複数を含み、前記窒化物が立方晶窒化ホウ素を含み、前記樹脂がフェニ−ル類及びポリイミドのうちの１つ又は複数を含み、前記窒素含有炭化水素がアミンを含む、請求項１４に記載の電解加工方法。
16. 前記除去材が、固体粒子の形態で前記電解液中に混合され、分散される、請求項１３に記載の電解加工方法。
17. 前記除去材が、前記１つ又は複数の電極上に配置された複数の研磨要素を含むと共に、前記同一の１つの電極上に配置される前記研磨要素が前記１つの電極の周囲に交互に配置され、該電極を越えて突出する、請求項１３に記載の電解加工方法。
18. 前記１つ又は複数の電極がベースを介して保持されると共に、前記１つ又は複数の電極のうちの１つ以上が前記ベース上に交互に配置される、請求項１３に記載の電解加工方法。
19. 前記ベースが、前記１つ以上の電極のそれぞれを保持する複数のスロットと、前記電解液供給源と流体連通する中央孔と、前記中央孔及び前記スロットのそれぞれと流体連通する複数の管路とを画成する、請求項１８に記載の電解加工方法。
20. 前記１つ又は複数の電極が車輪の形状を備える、請求項１３に記載の電解加工方法。