JP4634792B2 - 電解加工中のギャップのランニング値を決定する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物の電解加工のプロセスの最中の電極と前記被加工物との間の実際のギャップ寸法を決定するための方法に関する。

本発明は、更に、電解液が導電性被加工物と導電性電極との間に供給された状態で、前記被加工物と前記電極との間に電気マシニングパルスを印加することによる、前記被加工物の電解加工のための装置に関する。

電解加工におけるギャップの値を決定する方法は、米国特許第６，２１４，２００号から既知である。この既知の方法によれば、最初に、被加工物は多くのマシニングパルスによってマシニングされる。マシニングの結果、被加工物の前面は電解液中で溶解し、これは被加工物と電極との間のギャップの実際の値の増加を生じさせる。この増加に対して補償するために、電極は、所定のギャップ値を維持するように被加工物に対して再配置されなければならない。既知の方法によれば、ギャップの実際の値の測定を実行するために、電解加工のプロセスは、停止され、この測定はその後に再び開始されなければならない。測定のために、まず電極が被加工物と機械的に接触させられる。電極は、適切に構成された位置決め手段によって平行移動される。その後、電極は、被加工物との機械的接触及び電気的接触の両方が遮断されるまで平行移動される。対応する電極の位置がギャップのゼロ値とされる。次に電極は、ギャップの既定値だけ平行移動され、電解加工が再開される。

この既知の方法の欠点は、ギャップの実際の値の測定を実行するのに電極が操作されなくてはならないということである。これは、電解加工が終了されたときにしか実行されることができず、このことは、電解加工のプロセスの低下した効率につながる。

本発明の目的は、電解加工のプロセスへの干渉無しに電極と被加工物との間の実際のギャップ寸法を決定するための方法を提供することである。

従来技術の問題を解決するために、本発明による方法は、前記電解加工プロセスを特徴付ける動作パラメータの値の測定を実行するステップと、前記値と前記実際のギャップ寸法との間の演繹的に確立された関係に基づいて前記値から前記実際のギャップ寸法を導き出すステップとを有することを特徴とする。

本発明の技術的な手段によれば、ギャップの実際の値のモニタリングが電解加工への干渉無しにリアルタイムで行われることができ、従って、プロセス全体の効率の低下を生じさせない。

本発明による方法の１つの実施例は、ギャップ間の電圧パルスが動作パラメータとして選択されることを特徴とする。この技術的な手段は、マシニングパルスの印加の結果としてギャップ間に累積された電圧パルスが被加工物と電極との間のギャップの値の絶対的な寸法に直接関連があるという見識に基づく。この見識を詳しく説明する詳細は、図１を参照して説明される。

本発明による方法の他の実施例は、連続した電圧パルスの大域的最小値に基づいたエンベロープがギャップの実際の値をモニタするように構築されて用いられることを特徴とする。この技術的手段は、電圧パルスの大域的最小値に基づいて構築されたエンベロープはギャップの絶対値に正比例するという見識に基づく。従って、電圧パルスを測定し、且つ、エンベロープを構築することによって、ギャップの絶対値をリアルタイムでモニタすることが可能であり、従って、時間に伴うギャップの実際の値の増加を追跡することが可能である。このモニタリングは、ギャップの発達の傾向を決めるのに用いられることができ、これは、更に、プロセス制御の目的のために用いられることができる。

本発明による方法の他の実施例は、動作パラメータの値の測定の認証（validation）のために、他の動作パラメータが用いられることを特徴とする。この技術的手段は、本発明による方法が安定状態下での電解加工プロセスに特に適しているとの理解に基づく。プロセスの安定性は、電解液の安定な温度、電解液中の最少の気相及び電極表面上の最少の酸化物層又は堆積物によって特徴付けられる。マシニング極性のパルスの印加の後にギャップ間に累積された電圧パルスのパルス波形のフーリエ解析を実行することによって、プロセスの安定性をリアルタイムでモニタすることが可能であることが分かった。特に、安定な電解プロセスが電圧パルスのフーリエ変換の実質的にゼロの係数により特徴付けられることが分かった。従って、フーリエ係数をリアルタイムでモニタすることによって、プロセスの安定性をモニタすることが可能になり、これにより、電圧パルスの測定が実際のギャップ寸法を決定するのに用いられることを認証することが可能になる。この技術的手段は、本発明による方法の信頼性を更に向上させる。

本発明のこれらの及び他の側面は、図を参照して説明される。

図１は、マシニングパルスの印加後にギャップ間に累積された電圧パルスのパルス波形を図式的に示す。被加工物のマシニングの間ギャップにおいて実行されるプロセスは、３つの連続した期間に分割されることができることが分かっており、これらはＩ、ＩＩ、ＩＩＩで図式的に示されている。第１の期間Ｉは、ギャップ中の電解液の安定な状態によって特徴付けられる。第２の期間ＩＩは、電解液の加熱及びギャップ中の電解液へのガス充填の開始によって特徴付けられる。第３の期間ＩＩＩは、電解液の温度及び気相の両方の大幅な増加によって特徴付けられる。電圧パルスのパルス波形を分析することによって、ギャップ間に累積された電圧パルスＰの結果であるパルス波形に寄与する異なった成分間の区別をすることが可能である。これらの成分は、それぞれＭ、Ｇ、Ｈによって示される曲線によって、定性的に図１に示される。第１の領域Ｉのパルス波形は、大域的最小値Ｘの点で確立される安定なマシニング状態Ｍへの遷移を特徴付ける一方で、第２の及び第３の領域ＩＩ、ＩＩＩのパルス波形は、それぞれ、電解液加熱Ｈ及び電解液のガス充填Ｇを伴うギャップの不安定状態を表すことが理解される。領域ＩＩ及びＩＩＩにおいて、ギャップの電気抵抗は大幅に増加され、前記ギャップ間に累積された電圧パルスとギャップの絶対値との間の関係に不一致を生じる。第１の領域内の電圧パルスの値はギャップの絶対値と直接関連することが理解される。電圧パルスの大域的最小値である特性点Ｘを、ギャップの絶対値の決定のための較正点として用いることは有利である。従って、動作条件下でのギャップの実際の値のモニタリングを実行するために、最初に、点Ｘにおける電圧とギャップにおける電圧との間の較正が実行されなければならない。この較正は、当業者によって容易に実行されることができ、この較正は、種々のギャップ寸法における種々の電圧パルスの大域的最小値の測定を含む。電圧パルスＰの大域的最小値Ｘの位置及び対応する電圧値を決定するために、標準の利用可能なソフトウェアが使用されることができる。

図２は、測定された電圧パルスに対して構築されたエンベロープの例を図式的に示す。高度な再現性を持って電圧パルスＰの大域的最小値Ｘの位置を発見することが既存のソフトウェアを用いて可能であるという事実のため、エンベロープＥを大域的最小値に基づいて構築することが有利であることが分かった。図２に図式的に示されるように、エンベロープは時間ｔと共に増加する関数であり、電極と被加工物との間のギャップの値に直接対応する値を持つ。従って、エンベロープの値をモニタし、図１を参照して説明された所定の較正に対処することによって、動作条件下のギャップの実際の値は、決定され、且つ、プロセス制御の目的のためにモニタされることができる。エンベロープの勾配をモニタすることによって、ギャップ間に累積された電圧パルスの測定を制御することが可能である。このような測定制御は、エンベロープの勾配に依存して電圧パルス測定の頻度をセットすることによって構成されることができる。より低い勾配値については、電圧パルス測定の頻度は低減されることができる。

図３は、本発明による被加工物２の電解加工のための装置１の実施例を図式的に示す。装置１は、被加工物２を位置決めするためのベース６と、電極３を位置決めするための保持器７と、前記保持器７及び前記ベース６を互いに対して移動するためのアクチュエータ８とを有する。ベース６及びアクチュエータ８は、電極３と被加工物２との間の作動距離が高精度でセットされることを可能にするために剛体構造を有するシャシ（図示せず）に取り付けられる。装置は、更に電解液５で満たされる貯蔵部１０を有し、電極３と被加工物２との間の作動距離の結果として形成されるギャップ４は、電解液５で満たされる。この場合、電解液は水に溶解されたＮａＮＯ_３を有する。代わりに、他の電解液、例えばＮａＣｌ又はＮａＮＯ_３と酸との組合せを用いることが可能である。電解液５は、図示されない設備によってギャップ４を通じてポンプで注入される。被加工物２は、装置１によって、電源ユニット２０からのマシニング電流パルスを、電極３及び被加工物２を介してギャップ４の電解液５に通じることによって、マシニングされることができる。電源ユニット２０は、電流パルス発生器２１及び制御可能スイッチ２３を有する。印加される電流パルスの極性がマシニング極性Ｉｍに対応すれば、被加工物２の物質がその表面から除去され、電解液５中に溶解され、図１を参照して説明された電圧パルスＵがギャップ間に累積される。装置１は、更に、反対極性の電流パルスＩｐのソース４１が組み込まれた第２の電源ユニット４０を有する。この第２の電力供給源は、更に、第１の制御ユニット３０によって動作される制御可能スイッチ４３を有する。マシニングパルスＩｍが反対極性のパルスＩｐと交番されるべきと決定される場合には、第１の制御ユニット３０は、代替的に、制御可能スイッチ２３及び４３を操作して、適切な極性の電流パルスをギャップ４に供給させる。第１の及び第２の電力供給源が統合されて単一の電力供給源を構成する、反対極性の交流パルスＩｍ、Ｉｐを供給するように第１のプロセス制御ユニット３０によってプログラム可能である電源を用いることも可能である。本発明による装置１は、更に、動作条件下でギャップの実際の値を自動的に決定するように構成される第２の制御ユニット３２を有する。第２の制御ユニット３２は、好適にはＲＳ２３２インタフェースによって第１の制御ユニット３０と通信するように構成される。また、第２の制御ユニット３２は、ギャップ間に累積された電圧パルスＵの値の測定及びモニタリングを実行するように構成される。第２の制御ユニット３２は、図４を参照して更に詳細に議論される。

図４は、本発明による第２の制御ユニット３２の実施例を図式的に示す。第２の制御ユニット３２は、例えばデジタルオシロスコープ（図示せず）によってギャップ間に累積された電圧パルスの値の測定を実行するように構成されるプローブ手段５１を有する。プローブ手段５１は、電圧パルスの関連部分をデジタル化し、これを更なる分析のためにオプショナルな他の制御手段５０に入力することができるように構成されることもできる。他の制御手段５０が、デジタル化された電圧パルスのフーリエ変換を実行してこの変換のフーリエ係数を導き出すように構成された認証ユニット５０ａを有するように構成されると特に有利である。ギャップの安定な電気化学的状態に対しては、フーリエ係数は実質的にゼロである。認証ユニット５０ａは、プローブ手段５１へのディスエーブル信号Ｄを作動させてフーリエ係数が実質的に非ゼロである場合の測定を破棄するように構成されることができる。実際には、安定状態について、フーリエ係数の絶対ゼロ値からの小さな偏差が発生する。これらの偏差は、第１に、バックグラウンドとの電磁干渉によって、第２に、測定装置の品質によって、生じる。好適には、他の制御手段５０は、フーリエ係数が既定の閾値を超える場合にディスエーブル信号Ｄを作動するように構成される。ディスエーブル信号Ｄの作動のためのフーリエ係数の閾値は、電磁セルが等価な負荷によって置換されるセットアップの安定状態についてのフーリエ係数を導き出すことによって実験的に得られることができる。ディスエーブル信号が作動されない場合には、測定されたデータは制御信号５５を発生させるための手段に転送される。第２の制御ユニット３２は、更に、ギャップの実際の値と電圧パルスの大域的最小値の対応値との数値的較正を記憶するように構成された較正手段５３を有する。較正は、ルックアップテーブル（図示せず）として又は大域的最小値と対応するギャップ寸法との間の依存性を表す数学的関数として記憶されることができる。較正は、電解加工の前に実行される実験に基づいて得られることができる。この較正は、プローブ手段５１からのデータの受信の際に手段５５によって対処される。制御信号を生成するための手段５５を、ギャップ間に蓄積される電圧パルスＵの単一の測定に基づいてギャップの値を計算するように構成することは十分である。その場合には、手段５５は、電圧パルスの大域的最小値を導き出すように構成される計算手段５５ａを有する。ギャップの実際の値は、大域的最小値の導出された値及び較正手段５３に記憶された較正テーブルから決定される。ギャップの計算された値が既定値から外れたら、制御信号Ｓが発生される。この条件は、適切に構成された論理ユニット５５ｂによってチェックされることができる。次に、制御信号Ｓが、電極を平行移動するための手段（図示せず）を駆動するように構成されたプロセス制御手段５７に転送される。ギャップの既定値が回復されたら、電解加工のプロセスは、次の制御信号Ｓが作動させられるまで続行される。加えて、手段５５ａは、多くの測定された連続した電圧パルスに基づいてエンベロープを構成するように構成されることができる。この次に、制御信号を発生させるための手段５５は、エンベロープと較正手段５３に記憶された較正データとに基づいてギャップの実際の値を決定するために更に論理ユニット５５ｂを有するように構成されてもよい。論理ユニット５５ｂは、更に、エンベロープの勾配を計算し、この勾配が実質的でない場合に電圧パルス測定の周波数を低減させるためにプローブ手段５１に第２の制御信号Ｓ’を発生させるように構成されることができる。好適には、論理ユニット５５ｂはルックアップテーブル（図示せず）を有し、このルックアップテーブルには、電圧パルスの測定の、低減された、標準の及び高い頻度に対応する勾配の閾値が記憶される。このように、本発明による電解加工装置は、自己制御的である一方で、ギャップの実際の値は、プロセス効率に低下を生じさせることなく動作条件下でリアルタイムで正確に測定される。

マシニングパルスの印加後にギャップ間に累積された電圧パルスのパルス波形を図式的に示す。 測定された電圧パルスについて構築されるエンベロープの例を図式的に示す。 本発明による被加工物の電解加工のための装置の実施例を図式的に示す。 プロセス制御手段の実施例を図式的に示す。

Claims (6)

1. 被加工物の電解加工のプロセスの最中の電極と前記被加工物との間の実際のギャップ寸法を決定するための方法において、
   −前記電解加工プロセスにおけるマシニングパルスの印加後にギャップ間に累積された電圧パルスの値の測定を実行するステップと、
   −前記電圧パルスの値の大域的最小値を導出するステップと、
   −前記値と前記実際のギャップ寸法との間の演繹的に確立された関係に基づいて前記大域的最小値から前記実際のギャップ寸法を導き出すステップと、
   を有する方法。
2. 請求項１に記載の方法において、連続した電圧パルスの大域的最小値に基づくエンベロープの勾配に依存して、前記電圧パルスの測定の頻度が設定されることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、前記電圧パルスのフーリエ係数が非ゼロである場合の測定を破棄することを特徴とする方法。
4. 電解液が導電性被加工物と導電性電極との間に供給された状態で、前記被加工物と前記電極との間に電気マシニングパルス（Ｉｍ）を印加することによる前記被加工物の電解加工のための装置であって、前記電極と前記被加工物との間のギャップを維持するような空間的関係に前記電極及び前記被加工物を位置決めするための手段を有する装置において、
   −前記マシニングパルスの印加後にギャップ間に累積された電圧パルスの値の測定を実行するための手段と、
   −前記電圧パルスの値の大域的最小値を導出するための手段と、
   −前記大域的最小値の測定に基づいて制御信号を生成するための手段と、
   −前記ギャップの指定された既定値を維持するように、前記制御信号に基づいて、前記電極及び前記被加工物を位置決めするための前記手段を駆動するためのプロセス制御手段と、
   を有することを特徴とする装置。
5. 請求項４に記載の装置において、前記制御信号を生成するための前記手段は、
   −連続した電圧パルスの大域的最小値に基づいてエンベロープを構築するように構成される計算手段と、
   −前記エンベロープの勾配に依存して、前記電圧パルスの測定の頻度を決定するように構成された論理ユニットと、
   を有することを特徴とする装置。
6. 請求項４又は５に記載の装置において、更に、前記電圧パルスのフーリエ係数が非ゼロである場合の測定を破棄する手段を有することを特徴とする装置。

Images