TW201722595A - 混氣式電化學微噴射加工方法及其裝置 - Google Patents

Abstract

本發明為一種混氣式電化學微噴射加工方法及其裝置。此混氣式電化學微噴射加工方法與裝置係混合一電解液與一氣體為一混氣電解液，並提供混氣電解液於一噴嘴電極，以微噴射混氣電解液至一加工件，以進行電化學微噴射加工。本發明於電解液混入氣體，可增加電解液的可壓縮性、流動均勻性與流動能力，且使電解液與加工件接觸的導電面積縮小，進而提高電流密度，如此即會增加材料移除率。

Description

混氣式電化學微噴射加工方法及其裝置

本發明係有關於一種電化學噴射加工，其尤指一種混氣式電化學微噴射加工方法及其裝置。

隨著各類零組件的發展逐漸趨向於精微化，國內外也相繼提出微加工技術與系統，其中能製備出如微孔、微槽道、3D微結構等微細結構之加工技術更是受到矚目，而電化學噴射加工技術(Electrochemical Jet Machining, ECJM)就是其中之一。

近年來陸續有相關研究，如X. Lu等人在2005年之Journal of Materials Processing Technology, Vol.169, pp.173-178發表“Electrochemical micromachining of titanium surfaces for biomedical applications”，其利用電化學噴射加工技術對航太醫療用的鈦金屬進行盲孔加工。W. Natsu等人在2007年之Precision Engineering, Vol.31,1,pp.33-39發表 “Generating complicated surface with electrolyte jet machining”，其在電化學加工實驗中，使用微噴嘴電極，並以不鏽鋼作為加工件，由此實驗結果得知，電化學噴射加工藉由提高電流密度不僅能提高加工速度也能獲得較光澤的表面及較好的表面粗糙度。

有關輔助電化學噴射加工相關研究方面，如A.K.M. De Silva等人於2004年之CIRP Annals-Manufacturing Technology, Vol.55, 1,pp.179-182發表了“Modelling and Experimental Investigation of Laser Assisted Jet Electrochemical Machining”，其利用雷射輔助加工溶解加工件作為電化學噴射加工之定位效果。Z. Liu等人於2014年Journal of Materials Processing Technology Vol.214,pp.1886-1894發表了“Abrasive enhanced electrochemical slurry jet micro-machining: Comparative experiments and synergistic effects”，其提出將磨料漿料射流加工（ASJM）與電化學噴射加工結合。

雖然，已有上述相當多關於電化學噴射加工的研究，但如何使電化學噴射加工能達到更佳之加工精度仍是目前待研究的課題之一，主要因素是由於進行電化學噴射加工時，加工件與電極間以極小液束（電解液）之加工條件進行加工，其存在多種物理與化學衝擊效應，如高電流密度、高電壓、電阻熱、反應熱、高壓激烈沖流等，皆會造成液束遭受破壞、積水或產生渦流現象，因此如何在此環境下，強化加工液之可壓縮性、均勻性與流動能力，增進加工形狀精度，成為該項技術領域者所汲汲營營探究的方向。本發明係針對此需求提出一種嶄新的混氣式電化學微噴射加工方法及其裝置。

本發明之主要目的，係提供一種混氣式電化學微噴射加工方法及其裝置，其藉由將電解液混入氣體，而作為加工液，以可增加此加工液的可壓縮性、流動均勻性與流動能力，且使加工液與加工件接觸的導電面積縮小，也就是相對地提高電流密度，使得材料移除率增加。

本發明揭示了一種混氣式電化學微噴射加工方法，其步驟包含混合一電解液與一氣體為一混氣電解液；提供混氣電解液至一噴嘴電極，噴嘴電極微噴射混氣電解液至一加工件；以及於加工件與噴嘴電極施加加工電源，以進行電化學微噴射加工。

本發明更提供一種混氣式電化學微噴射加工裝置，其包含有一噴嘴電極與一電解液混氣裝置。電解液混氣裝置具有一液氣混合腔，其將電解液與氣體混合為混氣電解液，並注入至噴嘴電極，以噴射混氣電解液進行電化學微噴射加工。

本發明更提供一種混氣式電化學微噴射加工之液氣混合電極裝置，其混合電解液與氣體為混氣電解液，包含有一主體、一氣體流場調整件、一電解液流場調整件以及一噴嘴電極。主體具有一液氣混合腔、至少一氣體注入口與一液氣混合出口，液氣混合出口連通於液氣混合腔，以供應混氣電解液。氣體流場調整件容置於液氣混合腔，並具有複數個進氣孔，該些個進氣孔連通於液氣混合腔與氣體注入口，氣體經氣體注入口與該些個進氣孔注入至液氣混合腔內。電解液流場調整件容置於液氣混合腔，且具有複數個進液孔，該些個進液孔連通於液氣混合腔，以將電解液注入至液氣混合腔內。噴嘴電極連接於主體，並連通於液氣混合出口，以噴射液氣混合出口提供之混氣電解液。

10 混氣式電化學微噴射加工裝置
12 噴嘴電極
121 噴嘴口
13 混氣電解液
14 電解液混氣裝置
140 主體
1401 上分體
14011 定位孔
1402 中分體
1403 下分體
1405 液氣混合腔
141 氣體流場調整件
1411 進氣孔
142 電解液流場調整件
1421 進液孔
143 氣體注入口
144 液氣混合出口
146 墊片
147 墊片
148 墊片
149 轉接頭
16 工件承載台
18 加工件
20 電源供應器
22 工件承載槽
24 電解液供應裝置
241 電解液槽
242 幫浦
243 過濾模組
244 壓力錶
26 氣體供應模組
27 固定件
28 液氣混合電極裝置
29 Z軸移動器
30 氣體輔助模組
32 輔助氣體
301 本體
3010 腔體
3011 開口部
3012 出口部
3013 氣體注入口

第1圖為本發明之混氣式電化學微噴射加工方法之一實施例的主要步驟流程圖；
第2圖為本發明之混氣式電化學微噴射加工裝置之一實施例的示意圖；
第3a圖為本發明之電解液混氣裝置之一實施例的分解示意圖；
第3b圖為本發明之液氣混合電極裝置之一實施例的示意圖；
第4a圖為本發明之氣體流場調整件之進氣孔之一實施例的示意圖；
第4b圖為第4a圖之A區域的放大示意圖；
第5a圖為本發明之電解液流場調整件之進液孔之一實施例的示意圖；
第5b圖為第5a圖之B區域的放大示意圖；
第6a圖為本發明之氣體輔助模組之一實施例的示意圖；以及
第6b圖本發明之氣體輔助模組之一實施例的立體示意圖。

為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：

首先，請參閱第1圖，其為本發明之混氣式電化學微噴射加工方法之一實施例的主要步驟流程圖。如步驟S1所示，混合一電解液與一氣體而為一混氣電解液，以作為進行電化學微噴射加工的一加工液。接續，如步驟S2所示，提供混氣電解液至一噴嘴電極，以供噴嘴電極微噴射混氣電解液至一加工件。此外，如步驟S3所示，以加工件與噴嘴電極各作為電極端，施加一加工電源於加工件與噴嘴電極，如此即可進行電化學微噴射加工。於本發明之一實施例中，可於加工件之表面形成微槽或微孔，但並非限制僅能形成微槽或者微孔於加工件。於本發明之一實施例中，氣體可為一壓縮氣體。

本發明主要藉由於電解液混入氣體後，由噴嘴電極噴出，使混氣電解液噴射於加工件之表面上，以進行電化學微噴射加工，以於加工件形成微結構，例如微孔或微槽或者其他微型圖案。由於本發明之混氣電解液內具有氣體，且氣體具有可壓縮的特性，如此進行電化學微噴射加工中，若流道之截面積突然變化而導致混氣電解液壓力改變時，氣體的體積可膨脹及壓縮，可以避免混氣電解液發生供給不穩定的現象，以改善加工件之表面的均勻性，例如在低壓區，由於氣體膨脹使得混氣電解液之局部壓力相對升高，此有利於改善加工間隙中混氣電解液之流動均勻性，即改善流場均勻性，而提高加工件進行電化學微噴射加工的表面質量。此外，混氣電解液中之氣體在截面積大（間隙大）的區域內，其體積會膨脹，如此混氣電解液之體積流量相對增大而使流速提高，此有助於混氣電解液帶走加工生成物及熱量。

由上述說明可知，由於氣體具有可壓縮性，因此本發明利用電解液混入氣體的方式使電解液為混氣電解液，如此可增加電化學微噴射加工之加工液（混氣電解液）之可壓縮性、流動均勻性與流動能力，且由於混氣電解液中具有氣體，所以混氣電解液與加工件接觸的導電面積可縮小，如此在加工電源之加工電壓不變的情況下相對地提高電流密度，使得進行電化學微噴射加工之材料移除率增加，而提高加工效率。

於上述步驟S2中，加工件為陽極而噴嘴電極為陰極，即加工件與加工電源之來源的陽極耦接，如電源供應器之陽極，而噴嘴電極則與加工電源之來源的陰極耦接。再者，本發明之加工方法更包含有於噴嘴電極之外周緣提供一輔助氣體，此輔助氣體環繞噴嘴電極且往噴嘴電極之噴嘴口噴射混氣電解液的方向噴射，以避免混氣電解液由於表面張力的緣故包覆噴嘴電極，此外輔助氣體可聚束混氣電解液，避免混氣電解液散開，以可提高加工精度。另外，輔助氣體往噴嘴口噴射混氣電解液之方向噴射，其亦可以避免混氣電解液噴射至加工件之表面後向上反濺至噴嘴電極。

於混合電解液與氣體為混氣電解液之步驟，係可驅使電解液與氣體以螺旋方式流動而進行混合，如此可增進混合的均勻性。於本發明之一實施例中，混合壓力為0.2MPa（百萬帕）至1MPa之電解液與壓力為0.1MPa至0.9MPa之壓縮氣體。電解液為5wt.%（重量百分比）至30wt.%的硝酸鈉（NaNO3）水溶液。噴嘴電極之噴嘴口的孔徑為0.1mm（毫米）至0.5mm。加工電源為50V（伏特）至300V。加工件與噴嘴電極之初始間距為0.4mm至1mm。

此外，加工件可事先進行一清洗前置作業，舉例來說使用丙酮溶液浸泡此加工件，並用超音波震動來洗淨加工件的表面。

接續，針對本發明之混氣式電化學微噴射加工裝置的架構說明如下。請參閱第2圖，其為本發明之混氣式電化學微噴射加工裝置之一實施例之示意圖。如圖所示，本發明之混氣式電化學微噴射加工裝置10主要包含有一噴嘴電極12與一電解液混氣裝置14。噴嘴12設置於電解液混氣裝置14之底部。電解液混氣裝置14係將電解液與氣體混合為混氣電解液13並注入至噴嘴電極12，噴嘴電極12噴射混氣電解液13，以作為進行電化學微噴射加工之加工液。一工件承載台16，其與噴嘴電極12對應設置，以設置一加工件18。於本發明之一實施例中，工件承載台16可橫向（X方向）與縱向（Y方向）移動。一電源供應器20，其陰極耦接於噴嘴電極12，而陽極與加工件18耦接，以提供加工電源至噴嘴電極12與加工件18，以配合噴嘴電極12噴射出之混氣電解液13，而對加工件18進行電化學微噴射加工，如微槽或微孔之表面加工。

此外，上述之工件承載台16可設置於一工件承載槽22內。再者，為提供電解液混氣裝置14所需的電解液，並且使已噴射出之混氣電解液之電解液可重複循環使用，在工件承載槽22以及電解液混氣裝置14間設置一電解液供應裝置24，其用於供給電解液至電解液混氣裝置14、回收噴嘴電極12噴射出之混氣電解液13，並過濾淨化，以循環使用電解液。如圖所示之電解液供應裝置24可包含有一電解液槽241，其係與工件承載槽22連通，以回收工件承載槽22內由噴嘴電極12噴射出的電解液。一幫浦242與電解液槽241連通，以抽取電解液槽241之電解液。一過濾模組243與幫浦242相連通，以將幫浦242自電解液槽241所抽取之電解液進行過濾，以注入至電解液混氣裝置14。再者，可於注入電解液至電解液混氣裝置14之管路上設置一壓力錶244，以監測電解液注入至電解液混氣裝置14之壓力。此外，電解液供應裝置24更可包含一恆溫控制器(圖中未示)，以維持電解液注入至電解液混氣裝置14時的溫度。

此外，上述之電解液混氣裝置14所混合的氣體是由一氣體供應模組26所供應，其連接於電解液混氣裝置14。另外，噴嘴電極12與電解液混氣裝置14可整合設置為一液氣混合電極裝置28。一固定件27設置於電解液混氣裝置14之頂部，以固定液氣混合電極裝置28於一Z軸移動器29，Z軸移動器29可帶動液氣混合電極裝置28於垂直方向(Z方向)移動，以調整噴嘴電極12與加工件18之間的間距。

接續，係針對上述電解液混氣裝置14，進行進一步說明。請一併參閱第3a與3b圖，其分別為本發明之電解液混氣裝置之一實施例的分解示意圖與液氣混合電極裝置之一實施例的示意圖。液氣混合電極裝置28包含噴嘴電極12與電解液混氣裝置14。如圖所示，本發明之電解液混氣裝置14包含有一主體140、一氣體流場調整件141以及一電解液流場調整件142。主體140具有至少一氣體注入口143以及一液氣混合出口144，並包含一上分體1401、一中分體1402與一下分體1403。上分體1401與下分體1403分別設置於中分體1402之頂部與底部，以組裝為主體140。於本發明之一實施例中，主體140係呈圓柱狀，但並非限制其必定為圓柱狀，其亦可為其他幾合形狀。主體140內具有一液氣混合腔1405。此外，墊片146設置於上分體1401與中分體1402之間。墊片147設置於中分體1402與下分體1403之間。

承接上述，氣體流場調整件141容置於液氣混合腔1405內，並具有複數個進氣孔1411，該些個進氣孔1411為穿孔，而連通於液氣混合腔1405。於本發明之一實施例中，氣體流場調整件141呈圓筒狀，其周緣即呈圓弧狀。電解液流場調整件142穿置於上分體1401之一定位孔14011，以設置於上分體1401，定位孔14011為穿孔，所以電解液流場調整件142之下半部容置於液氣混合腔1405內，電解液流場調整件142之下半部具有複數個進液孔1421，該些個進液孔1421為穿孔而連通於液氣混合腔1405。於本發明之一實施例中，電解液流場調整件142呈管狀。一墊片148設置於電解液流場調整件142與上分體1401之間。一轉接頭149設置於上分體1401之定位孔14011，以與電解液流場調整件142連接，轉接頭149連接電解液供應裝置24之管路，電解液經轉接頭149注入至電解液流場調整件142，並經電解液流場調整件142之該些個進液孔1421注入電解液至液氣混合腔1405內。

復參閱第3a與3b圖，氣體注入口143設置於主體140之中分體1402，並與氣體供應模組26(如第2圖所示)相連接，且連通氣體流場調整件141之該些個進氣孔1411，如此氣體供應模組26供應之氣體會經由氣體注入口143與該些個進氣孔1411注入至液氣混合腔1405內，以與電解液混合而為混氣電解液13。液氣混合出口144係設置於主體140之下分體1403之底部，並連通於液氣混合腔1405，如此液氣混合腔1405內之混氣電解液13即可經由液氣混合出口144注入至噴嘴電極12。

請參閱第4a與4b圖，其分別為本發明之氣體流場調整件之進氣孔之一實施例的示意圖與第4b圖之A區域的放大示意圖。如圖所示，本發明之氣體流場調整件141之進氣孔1411係具有斜度而具有一射出角，如此氣體經由該些個進氣孔1411注入至液氣混合腔1405時，氣體是以一角度注入至液氣混合腔1405，如此氣體會以螺旋方式流動於液氣混合腔1405，如此可提高混合的均勻性。如第4b圖所示，該些個進氣孔1411與氣體流場調整件141之徑向線的夾角為30度。於本發明之一實施例中，此夾角可為25度~60度。於此實施例中，於氣體流場調整件141之圓弧壁上，每隔20度設置一進氣孔1411，所以此實施例具有18個進氣孔1411。進氣孔1411之數量可依據使用需求而決定。

請參閱第5a與5b圖，其分別為本發明之電解液流場調整件之進液孔之一實施例的示意圖與第5b圖之B區域的放大示意圖。如圖所示，本發明之電解液流場調整件142之進液孔1421係具有斜度而具有一射出角，如此電解液經由該些進液孔1421注入至液氣混合腔1405時，電解液是以一角度注入至液氣混合腔1405，如此電解液如同上述氣體般會以螺旋方式流動於液氣混合腔1405，如此可提高混合的均勻性。

如第5b圖所示，該些個進液孔1421與電解液流場調整件142之徑向線的夾角為30度。於本發明之一實施例中，此夾角可為25度~60度。於此實施例中，於電解液流場調整件142之圓弧壁上，每隔45度設置一進液孔1421，所以此實施例具有8個進氣孔1421。進液孔1421之數量可依據使用需求而決定。由上述說明可知，本發明之該些個進氣孔1411與該些個進液孔1421以一角度方向注入氣體與電解液至液氣混合腔1405內，以驅使氣體與電解液呈螺旋狀流動，而增加混合之均勻性。

再者，本發明之液氣混合噴嘴裝置28更可包含有一氣體輔助模組30，其係環設於液氣混合電極裝置28之噴嘴電極12之外周緣，如第6a圖與第6b圖所示，氣體輔助模組30係提供垂直向下的輔助氣體32，以避免電解液因表面張力緣故包覆噴嘴電極12之噴嘴口121，並進而避免因噴嘴電極12被包覆時所產生的加工電流密度分散、加工形狀不佳與加工件表面產生雜散現象等問題。

氣體輔助模組30包含一本體301，其為中空而具有一腔體3010，且本體301具有一開口部3011、一出口部3012以及至少一氣體注入口3013。開口部3011位於本體301之頂部，即位於本體301之一側，並與腔體3010連通，開口部3011用以與液氣混合電極裝置28之噴嘴電極12接合，即氣體輔助模組30套設於噴嘴電極12，而噴嘴電極12會位於腔體3010。出口部3012位於本體301之底部，即位於本體301之開口部3011的相對側，並連通於腔體3010。於本發明之一實施例中，出口部3012之內徑往開口處漸縮，所以出口部3012之內壁是具有斜度。此外，出口部3012對應於噴嘴電極12之噴嘴口121。

氣體注入口3013位於本體301之側壁上，並與腔體3010連通，氣體供應模組26可連接氣體注入口3013，以供應輔助氣體32至注入口3013，以注入至腔體3010，輔助氣體32會環繞於位於腔體3010之噴嘴電極12的外周緣，腔體3010會穩流輔助氣體，所以腔體3010相當於穩流腔室。經穩流後之環狀輔助氣體32會經由出口部3012往噴嘴電極12之噴嘴口121噴射混氣電解液之方向噴射出，即輔助氣體32垂直向下噴射噴嘴電極12之噴嘴口121，以避免混氣電解液因為表面張力而包覆噴嘴口121，且可聚束混氣電解液，避免混氣電解液散開，以提高加工精度。另外，輔助氣體往噴嘴口121噴射混氣電解液之方向噴射，其亦可以避免混氣電解液噴射至加工件之表面後向上反濺至噴嘴電極12。

綜上所述，本發明之混氣式電化學微噴射加工方法及其裝置，係藉由將電解液混入氣體作為工作液，並以噴嘴電極噴射混氣電解液在加工件，以進行電化學微噴射加工。利用混氣電解液作為工作液，可以增加加工液之可壓縮性、流動均勻性與流動能力，且可使加工液與加工件接觸的導電面積縮小，而提高電流密度，使得材料移除率增加。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈　鈞局早日賜准專利，至感為禱。

 

Claims (12)

1. 一種混氣式電化學微噴射加工方法，其包含有下列步驟:
   混合電解液與氣體為混氣電解液；
   提供該混氣電解液至噴嘴電極，該噴嘴電極微噴射該混氣電解液至加工件；以及
   於該加工件與該噴嘴電極施加加工電源，以進行電化學微噴射加工。
2. 如請求項1所述之加工方法，其中混合電解液與氣體之步驟，係驅使該電解液與該氣體螺旋流動，而混合為該混氣電解液。
3. 如請求項1所述之加工方法，其中該電解液之壓力為0.2百萬帕至1百萬帕，該氣體為壓縮氣體，其壓力為0.1百萬帕至0.9百萬帕，該電解液為重量百分比5%至30%的硝酸鈉水溶液，該噴嘴電極之噴嘴口的孔徑為0.1毫米至0.5毫米，該加工件與該噴嘴電極之初始間距為0.4毫米至1毫米，該加工電源為50伏特至300伏特。
4. 如請求項1所述之加工方法，其更包含有於該噴嘴電極之外周緣提供輔助氣體，該輔助氣體往該噴嘴電極之噴嘴口之方向噴射。
5. 一種混氣式電化學微噴射加工裝置，其包含有:
   一噴嘴電極；以及
   一電解液混氣裝置，其具有一液氣混合腔，將一電解液與一氣體混合為一混氣電解液，並注入至該噴嘴電極，以噴射該混氣電解液進行電化學微噴射加工。
6. 如請求項5所述之加工裝置，更包含:
   一電解液供應裝置，其連接該電解液混氣裝置，並供應該電解液至該電解液混氣裝置；以及
   一氣體供應模組，其連接該電解液混氣裝置，並供應該氣體至該電解液混氣裝置。
7. 如請求項5所述之加工裝置，其中該電解液混氣裝置包含有：
   一主體，其具有該液氣混合腔、至少一氣體注入口與一液氣混合出口，該液氣混合出口連通於該液氣混合腔，該混氣電解液經該液氣混合出口注入至該噴嘴電極；
   一氣體流場調整件，其容置於該液氣混合腔，並具有複數個進氣孔，該些個進氣孔連通於該液氣混合腔與該氣體注入口，該氣體經該氣體注入口與該些個進氣孔注入至該液氣混合腔內；以及
   一電解液流場調整件，其容置於該液氣混合腔，並具有複數個進液孔，該些個進液孔連通於該液氣混合腔，以將該電解液注入至該液氣混合腔內。
8. 如請求項7所述之加工裝置，其中該些個進氣孔或者/以及該些個進液孔分別具有一射出角。
9. 如請求項8所述之加工裝置，其中該氣體流場調整件呈圓弧狀，該些個進氣孔與該氣體流場調整件之徑向線的夾角為25度~60度，該電解液流場調整件呈管狀，該些個進液孔與該電解液流場調整件之徑向線的夾角為25度~60度。
10. 如請求項5所述之加工裝置，更包含有一氣體輔助模組，其係環設於該噴嘴電極，該氣體輔助模組包含有一本體，其具有一開口部、一出口部、至少一氣體注入口，且該本體內部具有一腔體，該開口部位於該本體之一側，並與該腔體連通，經由該開口部，該氣體輔助模組套設於該噴嘴電極，而該噴嘴電極位於該腔體，該出口部位於該本體之該開口部的相對側，並與該腔體連通，該出口部之內徑往該開口處漸縮，該出口部對應於該噴嘴電極之一噴嘴口，該氣體注入口位於該本體之側壁上，並與該腔體連通，該氣體注入口接收一輔助氣體並注入該輔助氣體至該腔體，且由該出口部往該噴嘴口之方向噴射該輔助氣體。
11. 一種混氣式電化學微噴射加工之液氣混合電極裝置，其混合一電解液與一氣體為一混氣電解液，包含有：
    一主體，其具有一液氣混合腔、至少一氣體注入口與一液氣混合出口，該液氣混合出口連通於該液氣混合腔，以供應該混氣電解液；
    一氣體流場調整件，其容置於該液氣混合腔，並具有複數個進氣孔，該些個進氣孔連通於該液氣混合腔與該氣體注入口，該氣體經該氣體注入口與該些個進氣孔注入至該液氣混合腔內；
    一電解液流場調整件，其容置於該液氣混合腔，並具有複數個進液孔，該些個進液孔連通於該液氣混合腔，以將該電解液注入至該液氣混合腔內；以及
    一噴嘴電極，連接於該主體，並連通於該液氣混合出口。
12. 如請求項11所述之液氣混合電極裝置，其中該些個進氣孔或者/以及該些個進液孔分別具有一射出角。