JP4744653B2 - 被加工物の電気化学的加工方法およびその装置 - Google Patents

Description

（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と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と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、被加工物と電極と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し、作動電流を、前記電極と前記被加工物と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装置であって、
その装置が、
-被加工物を載置する基台と、
-電極を位置決めする保持具と、
-前記保持具と前記基台と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と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、
を含む装置に関する。
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 Electrochemical 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、電極と被加工物と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、その後に作動電流が被加工物と電極との間の間隙中の電解質を通過する。この刊行物によれば、この作動距離は、通常、電極と被加工物とを互いに接触させ、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、作動電流が印加されたときに電極と被加工物と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作動電流により生じる熱で電極と被加工物と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とが接触している状態から開始して、前記電極と前記被加工物と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と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と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作動距離に第2の距離を加えて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、電極と被加工物と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との正確な複製が得られる。
請求項3および4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、電極と被加工物と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5の解決手段は、作動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新しくさせることが出来る利点を有する。
請求項6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7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8の解決手段には、電極と被加工物と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9の解決手段には、一方では、電圧が被加工物と電極との間の雑音と電池効果と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10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。電極と被加工物と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11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12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とに依存し、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。
本発明の装置と制御ユニットとが特徴とする点は、この制御ユニットが、
-前記電極と前記被加工物との間の第1の距離を設定し、
-前記電極と前記被加工物と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との間の作動距離に第2の距離を加えて増加させるように構成されている点である。
【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との間の間隙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との距離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との間の第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図は異なる作動電圧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と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とは、電極3と被加工物2との間の作動距離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との間の作動距離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と酸と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からの作動電流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。作動電流Iの極性が適正なときは、この操作により、電極と被加工物と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との間の接触を検出する検出装置20と、アクチュエータ8を制御する制御ユニット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2との間の電圧差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との距離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との間の距離dを、被加工物2と電極3と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との間の接触状態から開始して電極3と被加工物2との間の距離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との間の作動距離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と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との間の距離dを作動距離に第2の距離d2を加えて増加させる（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2〜10μm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と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と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からの作動電流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との間の距離に、第VII段階で第3の距離d3を加えて増加させる。これにより作動距離dw内の電解質5が容易に新しくされる。数10μm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とを接触状態に至らせかつ電極3と被加工物2との間の作動距離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、作動距離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を通過して作動電流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3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との相対的な変位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との間の距離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との間の距離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との間の距離は、作動距離に第3の距離d3を加えて増加させ、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を満たす異なる作動電圧U1とU2とについて、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。電極と被加工物と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との間の距離を第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新しく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。

Claims (14)

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と、
   -前記被加工物と前記電極と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と、
   -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と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と、を有する方法において、
   -前記電極と前記被加工物とが接触している状態から開始して、前記電極と前記被加工物との間の前記作動距離を第1の距離分増加させるステップと、
   -前記電極と前記被加工物と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と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作動距離に第2の距離を加えて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. 前記被加工物と前記電極との間の前記作動距離に前記第2の距離を加えて増加させるステップの後に、
   -前記被加工物と前記電極との間の前記作動距離に第3の距離を加えて増加させるステップと、
   により、前記間隙中の前記電解質を流すことにより新しくさせ、前記被加工物と前記電極と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. 前記第1の距離を設定した後に、前記電極と前記被加工物の間の接触が絶たれていないことを判明した場合に、前記被加工物と前記電極との間の前記作動距離に第3の距離を加えて増加させ、前記間隙中の前記電解質を流すことにより新しくさせ、前記被加工物と前記電極と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。
5. 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と、前記電極と前記被加工物と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。
6. 前記作動電流の結果、前記被加工物の材料が溶解され、前記材料が溶解される溶解率に応じて、作動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とを相対的に移動させることを特徴とする請求項1に記載の方法。
7. 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5または請求項6に記載の方法。
8. 電流制限機能を備えた電流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と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と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。
9. 前記電流電圧源が、1乃至3Vの間の電圧を供給することを特徴とする請求項8に記載の方法。
10. 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。
11. 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。
12. 前記第1の距離が、2乃至10μmの間にあり、かつ前記第2の距離が、5乃至30μmの間にあることを特徴とする請求項11に記載の方法。
13. 被加工物と電極と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し、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と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、電極を用いた被加工物の電気化学的加工装置であって、
    当該装置が、
    -被加工物を載置する基台と、
    -電極を位置決めする保持具と、
    -前記保持具と前記基台と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と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とが接触している状態から開始して、前記電極と前記被加工物との間の前記作動距離を第1の距離分増加させる手段と、
    -前記電極と前記被加工物との間の接触が絶たれたか否かを検出する手段と、
    -前記検出が、前記電極と前記被加工物と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作動距離に第2の距離を加えて増加させる手段と、
    を有することを特徴とする被加工物の電気化学的加工装置。
14. 被加工物と電極と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し、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と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、電極を用いた被加工物の電気化学的加工装置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、
    前記制御ユニットが、
    -前記電極と前記被加工物とが接触している状態から開始して、前記電極と前記被加工物との間の前記作動距離を第1の距離分増加させる手段と、
    -前記電極と前記被加工物との間の接触が絶たれたか否かを検出する手段と、
    -前記検出が、前記電極と前記被加工物と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作動距離に第2の距離を加えて増加させる手段と、
    を有することを特徴とする制御ユニット。

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