TW201424896A - 電極結構及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種用於電化學加工之電極結構，其包含一導電本體、一陶瓷層以及一環氧樹脂層，其中導電本體包含具有親水性之一改質部，改質部設置於導電本體之表面，陶瓷層覆蓋改質部，環氧樹脂層覆蓋陶瓷層。藉由改質部之親水性，可提升陶瓷層與導電本體之間的附著力；藉由陶瓷層與環氧樹脂層所形成之複數絕緣層，一方面可提升電極結構之耐熱性及耐久性，而延長其使用壽命，另一方面，可提升電化學加工之定域性。

Description

電極結構及其製造方法

本發明是有關於一種電化學加工用之電極結構及其製造方法，且特別是有關於一種包含多層絕緣層之電化學加工用之電極結構及其製造方法。

電化學加工(electrochemical machining)是利用金屬陽極溶解的原理而使金屬成型的一種加工方法。加工時，工件連接電源之陽極，電極連接電源之陰極，工件與電極間具有一間隙，工件與電極被放置於裝有電解液的電解槽中，接通電源後，位於陽極的工件溶解，以移除工件不要的部位，而達到成型的目的。電化學加工可應用於廣泛且多元之材料，包括超硬金屬，以及難以使用傳統機械加工成型之材料，此外，由於電極不與工件直接接觸，因此電極不易損耗，而可降低加工成本，再者，因其可成型複雜的形狀、且加工後之工件表面粗糙度良好，不會產生毛邊，亦沒有殘留應力，因此被廣泛應用於航太、國防、汽車產業、3C產品、生醫等諸多領域。

電化學加工之品質與電極結構息息相關，在電化學加工中，特別是高精度電化學加工中，對電極的側壁進行絕緣可有效減少側壁對工件的雜散腐蝕，以提高加工定域性和加工精度。常見之作法，係以一絕緣材料如環氧樹脂覆蓋電極的側壁表面，以形成一絕緣層，其可降低電極側壁附近的電場強度，並且阻隔電極側壁的電化學反應，僅留 電極端面不被絕緣材料覆蓋，使電場被約束在電極端面附近，以利於提高加工之定域性。

環氧樹脂具有不易脆裂、質地緻密及易於加工等優點，然而，其耐熱性不佳、硬度不足，且與電極表面間的附著力有限，因此，電化學加工過程所產生之熱影響因素與電解液之沖流影響因素耦合，易導致環氧樹脂所形成之絕緣層崩離、破損或產生裂縫，而影響電極之使用壽命以及電化學加工之精度。

因此，本發明一態樣是在提供一種電極結構，其用於電化學加工，此電極結構包含一導電本體、一陶瓷層以及一環氧樹脂層，其中，導電本體包含具有親水性之一改質部，改質部設置於導電本體之表面，陶瓷層覆蓋改質部，環氧樹脂層覆蓋陶瓷層。

依據前述之電極結構，導電本體可為螺旋狀，且可更包含一圓角狀稜邊，其中改質部設置於圓角狀稜邊上，導電本體可由碳化鎢(WC)所製成，陶瓷層可由氧化鋁(Al₂O₃)或二氧化鈦(TiO₂)所製成。前述之改質部可利用氧氣電漿對導電本體之表面進行加工以形成。

本發明另一態樣是在提供一種電極結構之製造方法，其用以製造用於電化學加工之一電極結構，其包含以下步驟：提供一導電本體。改質導電本體之一表面，以形成一改質部，其中改質部具有親水性。形成一陶瓷層，以覆蓋改質部。以及形成一環氧樹脂層，以覆蓋陶瓷層。

依據前述之電極結構之製造方法，導電本體可包含一稜邊，且在進行前述改質導電本體之表面的步驟之前更包含一稜邊圓角化步驟，以形成一圓角狀稜邊。稜邊圓角化步驟可包含以下步驟：首先，形成保護層，以局部覆蓋導電本體之表面，並暴露出稜邊，其次，圓角化稜邊，以形成圓角狀稜邊，最後，除去保護層，其中，保護層可由環氧樹脂所製成，且可採用浸鍍法以形成此保護層，圓角化稜邊的步驟可使用電解方式以溶解稜邊。

依據前述之電極結構之製造方法，其中改質導電本體之表面的步驟可利用氧氣電漿對導電本體之表面進行加工，形成陶瓷層的步驟可採用溶膠浸鍍法，形成環氧樹脂層的步驟可採用浸鍍法。

依據前述之電極結構之製造方法，可更包含移除電極結構一特定區域之改質部、陶瓷層及環氧樹脂層，以使電極結構可藉此特定區域向外電性連接，以利用此區域對工件進行電化學加工。

本發明藉由於導電本體之表面設置一改質部，可提升陶瓷層與導電本體之間的附著力。此外，藉由陶瓷層與環氧樹脂層所形成之複數絕緣層，一方面可提升電極結構之耐熱性及耐久性，而延長其使用壽命，另一方面，可提升電化學加工之定域性。

請參照第1圖及第2圖，第1圖是繪示依照本發明一實施方式的一種電極結構之立體圖，第2圖是繪示第1圖 之電極結構沿著割面線2-2的局部剖面圖。此電極結構用於電化學加工，其包含導電本體100、陶瓷層200以及環氧樹脂層300，其中，導電本體100包含具有親水性之改質部110，改質部110局部設置於導電本體100之表面，陶瓷層200覆蓋改質部110，環氧樹脂層300覆蓋陶瓷層200。藉此，導電本體100局部被陶瓷層200與環氧樹脂層300所覆蓋，陶瓷層200與環氧樹脂層300可產生一絕緣效果，進而防止被覆蓋區域之導電本體100參與電化學反應，在本實施例中，於導電本體100之側壁140設置改質部110，且導電本體100之側壁140被陶瓷層200與環氧樹脂層300完整覆蓋，僅留導電本體100之端面150未被覆蓋，而使電場被約束在端面150附近，以提高加工之定域性。在其他實施例中，亦可依工件所需成型之形狀，彈性調整導電本體100被陶瓷層200與環氧樹脂層300所覆蓋的區域。

導電本體100可由碳化鎢所製成，但不限於碳化鎢，舉凡可導電之材料，皆可用以製成導電本體100。使用碳化鎢之優點在於其具有高硬度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等特性，以碳化鎢製成導電本體100，可使其所製成之電極結構具有較長的使用壽命。陶瓷層200可由二氧化鈦或氧化鋁所製成，且可利用溶膠浸鍍法方式成型、再利用燒結方式形成於導電本體100表面，此外，可於形成陶瓷層200之溶膠中添加適量界面活性劑，以降低溶膠之表面張力，進而提升溶膠對於導電本體100的披覆效果。相較於習用僅使用環氧樹脂作為電極結構之絕緣材料，陶瓷層200 具有耐熱性佳、硬度高等優點，其可補足環氧樹脂層300耐熱性較差、硬度較低等缺失，而環氧樹脂層300具有撓性、不易脆裂、耐酸鹼佳及質地緻密等優點，以環氧樹脂層300覆蓋陶瓷層200，可補足陶瓷層200易脆裂、多孔隙而不易完整包覆等缺失。此外，陶瓷層200係利用燒結方式形成於導電本體100表面，因此可使陶瓷層200與導電本體100緊密連接。由以上說明可知，藉由陶瓷層200與環氧樹脂層300所形成之複數絕緣層，可提升電極結構之耐熱性及耐久性，而延長其使用壽命，此外，因其絕緣效果佳，故可避免雜散電流由導電本體100被覆蓋之區域流出，而可提升電化學加工之定域性。

導電本體100包含改質部110，改質部110可利用氧氣電漿對導電本體100之表面進行加工以形成。改質部110之表面具有親水性，於塗佈製作陶瓷層200之溶膠時，藉由改質部110之親水性可降低前述溶膠於該區域之表面張力，進而提升前述溶膠於導電本體100上(特別是圓角狀稜邊130)的塗佈厚度，並同時提升前述溶膠與導電本體100之間的結合力，因此，經過燒結後，可使陶瓷層200覆蓋於改質部110的厚度更為均勻，而能有效提升其絕緣性。

導電本體100可包含複數個圓角狀稜邊130(如螺旋狀，請同時參照第5C圖)，且改質部110設置於圓角狀稜邊130上。所謂「稜邊」，係指一固體上不同方向之兩個平面相交的線，因此未經圓角化之稜邊120(請參照第5A圖)為一尖角狀，習用之螺旋狀電極結構具有複數個稜邊，當 於電極結構製作階段時，以具絕緣效果之液體塗佈於導電本體，因表面張力等因素，導致稜邊處無法被絕緣層所覆蓋而暴露在外，因此利用稜邊處無絕緣層之電極結構進行電化學工時，會導致工件之非預定區域被電化學加工，進而降低電化學加工之定域性。本發明之導電本體100經過稜邊圓角化步驟，使導電本體100具有圓角狀稜邊130，於製作陶瓷層200與環氧樹脂層300的過程中，含有陶瓷層200成分之溶膠與含有環氧樹脂層300成份之溶液較易附著於圓角狀稜邊130，而可增加陶瓷層200與環氧樹脂層300覆蓋導電本體100之厚度均勻性，進而提升電化學加工之定域性。

請參照第3圖，其為依照本發明一實施方式之電極結構之製造方法600的步驟流程圖，其用以製造用於電化學加工之電極結構，包含以下步驟。步驟610為提供一導電本體100，導電本體100可由碳化鎢所製成。步驟620為進行稜邊圓角化步驟，使導電本體100之稜邊120形成圓角狀稜邊130，以使後續陶瓷層200與環氧樹脂層300可均勻地覆蓋於導電本體100。步驟630為改質導電本體100之一表面，其可利用氧氣電漿對導電本體100之表面進行加工，以形成改質部110，改質部110之表面具有親水性，有利於降低溶液表面張力因素，使後續陶瓷層200較易附著其上。步驟640為形成一陶瓷層200，以覆蓋改質部110，陶瓷層200可由二氧化鈦或氧化鋁製成，其可利用溶膠浸鍍法以及燒結製程而使陶瓷層200覆蓋改質部110，另可於形成陶瓷層200之溶膠中添加適量界面活性劑，以降低 溶膠之表面張力，進而提升溶膠對於導電本體100的披覆效果。依據本發明一實施例，當使用二氧化鈦溶膠製作陶瓷層200時，可添加0.05 wt%~0.45 wt%之界面活性劑。界面活性劑之含量得視圓角狀稜邊130之形狀加以調整，當圓角狀稜邊130之曲率越大，可酌增界面活性劑之含量，反之，當圓角狀稜邊130之曲率越小，可酌減界面活性劑之含量。步驟650為形成一環氧樹脂層300，其可採用浸鍍法使環氧樹脂層300覆蓋陶瓷層200。其中，步驟640與步驟650可重覆至少一次以上，使陶瓷層200與環氧樹脂層300達到預定的厚度，依據本發明一實施例，其中係重覆步驟640二次以及重覆步驟650二次，以使陶瓷層200與環氧樹脂層300之厚度可滿足電化學加工所需之絕緣效果。在進行製造方法600時，可以導電本體100之整體表面進行步驟620至步驟650，而使改質部110完整設置於導電本體100之表面，且使陶瓷層200以及環氧樹脂層300完整包覆導電本體100，最後，再針對工件所需之成型形狀，移除電極結構一特定區域(如端面150)之改質部110、陶瓷層200以及環氧樹脂層300，使電極結構藉此特定區域向外電化學加工。

請參照第4圖，其為依照本發明一實施方式之電極結構之進行稜邊圓角化步驟620的步驟流程圖。並同時參照第5A圖至第5C圖，第5A圖是繪示依照本發明一實施方式於導電本體100形成保護層400之局部剖面示意圖，第5B圖是繪示第5A圖之稜邊120形成圓角狀稜邊130之局部剖面示意圖，第5C圖是繪示第5B圖於導電本體100除 去保護層400後之局部剖面示意圖。步驟621為形成一保護層400，以局部覆蓋導電本體100之表面，並暴露出稜邊120，其中，保護層400可由環氧樹脂所製成，可採用浸鍍法使環氧樹脂覆蓋導電本體100之表面，由於稜邊120為一尖角狀，如第5A圖所示，因表面張力等因素，導致含有環氧樹脂的溶液無法附著於稜邊120而只附著於導電本體100之其他部位，稜邊120無法被保護層400覆蓋而暴露。步驟622為圓角化稜邊，將前述局部覆蓋有保護層400之導電本體100浸泡於一硫酸液體中，使用電解方式溶解稜邊120之尖角，使稜邊120由第5A圖之尖角狀被溶解成第5B圖之圓角狀稜邊130。步驟623為除去保護層400，可藉由溶解方式將保護層400溶解。

由上述本發明實施方式可知，應用本發明具有下列優點：

(1)本發明之電極結構於導電本體設置改質部，改質部具有較高的表面粗超度，其可提高陶瓷層的附著效果，此外，改質部具有親水性，其可進一步提高陶瓷層的附著效果，且可提升陶瓷層厚度的均勻性。

(2)本發明之電極結構，由陶瓷層與環氧樹脂層形成複數絕緣層，藉由陶瓷層與環氧樹脂層不同之特性，產生互相補足之效果，而可提升電極結構之耐熱性及耐久性，而延長其使用壽命。

(3)本發明之電極結構，藉由陶瓷層與環氧樹脂層形成之複數絕緣層，提供極佳之絕緣效果，其可避免雜散電流由導電本體被覆蓋之區域流出，而可提升電化學加工之 定域性，進而提高電化學加工之精度。

(4)本發明之導電本體具有圓角狀稜邊，其可使陶瓷層以及環氧樹脂層完整覆蓋圓角狀稜邊，並可提升陶瓷層及環氧樹脂層覆蓋於圓角狀稜邊之厚度的均勻性，避免雜散電流由圓角狀稜邊處流出而降低電化學加工之定域性。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧導電本體

110‧‧‧改質部

120‧‧‧稜邊

130‧‧‧圓角狀稜邊

140‧‧‧側壁

150‧‧‧端面

200‧‧‧陶瓷層

300‧‧‧環氧樹脂層

400‧‧‧保護層

600‧‧‧製造方法

610‧‧‧步驟

620‧‧‧步驟

621~623‧‧‧步驟

630‧‧‧步驟

640‧‧‧步驟

650‧‧‧步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖是繪示依照本發明一實施方式的一種電極結構之立體圖。

第2圖是繪示第1圖之電極結構沿著割面線2-2的局部剖面圖。

第3圖是依照本發明一實施方式之電極結構之製造方法的步驟流程圖。

第4圖是依照本發明一實施方式之電極結構之進行稜邊圓角化步驟的步驟流程圖。

第5A圖是繪示依照本發明一實施方式於導電本體形成保護層之局部剖面示意圖。

第5B圖是繪示第5A圖之稜邊形成圓角狀稜邊之局部剖面示意圖。

第5C圖是繪示第5B圖於導電本體除去保護層後之局部剖面示意圖。

100‧‧‧導電本體

110‧‧‧改質部

200‧‧‧陶瓷層

300‧‧‧環氧樹脂層

Claims (10)

1. 一種電極結構，用於電化學加工，該電極結構包含：一導電本體，包含：一改質部，設置於該導電本體之一表面，該改質部具有親水性；一陶瓷層，覆蓋該改質部；以及一環氧樹脂層，覆蓋該陶瓷層。
2. 如請求項1之電極結構，其中該導電本體為螺旋狀。
3. 如請求項1或請求項2之電極結構，其中該導電本體更包含一圓角狀稜邊，且該改質部設置於該圓角狀稜邊上。
4. 如請求項1之電極結構，其中該導電本體係由碳化鎢(WC)所製成，該改質部係利用氧氣電漿對該導電本體之該表面進行加工以形成，且該陶瓷層係由氧化鋁(Al₂O₃)或二氧化鈦(TiO₂)所製成。
5. 一種電極結構之製造方法，用以製造用於電化學加工之一電極結構，該電極結構之製造方法包含：提供一導電本體；改質該導電本體之一表面，以形成一改質部，其中該改質部具有親水性； 形成一陶瓷層，以覆蓋該改質部；以及形成一環氧樹脂層，以覆蓋該陶瓷層。
6. 如請求項5之電極結構之製造方法，其中該導電本體包含一稜邊，且在該改質該導電本體之該表面的步驟之前更包含一稜邊圓角化步驟，以形成一圓角狀稜邊。
7. 如請求項6之電極結構之製造方法，其中該稜邊圓角化步驟包含：形成一保護層，以局部覆蓋該導電本體之該表面，並暴露出該稜邊；圓角化該稜邊，以形成該圓角狀稜邊；以及除去該保護層。
8. 如請求項7之電極結構之製造方法，其中該保護層係由環氧樹脂所製成，且形成該保護層係採用浸鍍法，該圓角化該稜邊的步驟係使用電解方式以溶解該稜邊。
9. 如請求項5之電極結構之製造方法，其中該改質該導電本體之該表面的步驟係利用氧氧電漿對該導電本體之該表面進行加工，該形成該陶瓷層的步驟係採用溶膠浸鍍法，該形成該環氧樹脂層的步驟係採用浸鍍法。
10. 如請求項5之電極結構之製造方法，更包含： 移除該電極結構一特定區域之該改質部、該陶瓷層及該環氧樹脂層，以使該電極結構藉該特定區域向外電化學加工。