TWI384096B - Electrochemical process of the processing electrode, the preparation method and manufacturing equipment - Google Patents

Electrochemical process of the processing electrode, the preparation method and manufacturing equipment Download PDF

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電化學製程之加工電極、其製法及製造設備
本發明係有關一種電化學製程之加工電極、其製法及製造設備,尤指一種包括提供一柱狀之電極基材,於該電極基材表面覆設一具鏤空部的絕緣層,使局部裸露於該鏤空部內之該電極基材沉積導電層,俾能製成作為電化學製程的加工電極者。
近年來,隨著3C產品的設計驅勢已逐漸往輕薄短小化的方向發展,所以如何將該3C產品之驅動裝置設計為更輕薄與短小實已成為同領域業者重要的課題。其中,首要關鍵係將流體動壓軸承技術運用於該3C產品之驅動裝置上,如此不僅可以增加馬達使用壽命,並可降低馬達運轉噪音,如今該技術已廣泛地被使用於風扇、硬碟以及光碟機的驅動裝置上。
該流體動壓軸承技術係利用支撐軸旋轉地運轉於軸承套內,且於其間注入潤滑流體,藉以利用支撐軸旋轉時其流體於該支撐軸與軸承套間形成預壓力,因此,該支撐軸與軸承套內環面形成規則性之溝紋或溝槽實屬必要的設置。
然而,利用電化學製程來製作該流體動壓軸承之溝紋時,首先必須先製作一加工電極(110)(如第七圖所示),使該加工電極(110)表面與加工件(101)即流體動壓軸承套內環面之加工結構(101a)即溝紋形成互為凹凸之對應狀,據以將該流體動壓軸承套內環面電化學加工成預定所需形狀的溝紋。
再者,用於電化學製程之加工電極(110)的製法,一般多利用陽刻方式(如放電加工等技術)製作以移除加工電極(110)之部份材料,使該加工電極(110)之表面形成與該流體動壓軸承套內環面之溝紋形狀對應的突出部(111),據以利用電化學蝕刻方式以該加工電極(110)來加工該流體動壓軸承套內環面之溝紋,使該流體動壓軸承套內環面形成與該加工電極(110)表面突出部(111)相對應的溝紋。
請參看第八圖所示,利用上述習用製法所製成的加工電極(110)雖然可以應用於電化學蝕刻上,惟,對該流體動壓軸承套內環面進行電化學蝕刻加工時,該加工電極(110)之突出部(111)之不連續處(112)會形成電荷聚集現象,加上該突出部(111)之側壁持續進行電化學作用因素,導致在流體動壓軸承套上形成橫斷面為不規則溝紋,因而無法達成預定所需的形狀;另一方面,由於該種電極在電化學製作過程中電極裸露面積大,以至於加工進行時會耗費更多能源及產生更多加工產物等因素,導致加工成本提高。另,該電極製作時,會因利用陽刻加工方式製作,導致加工過程複雜,同時造成製程時間增長以及加工費用增加等缺失。
為解決上述問題,另有一習用技術被提出,如中華民國發明專利第500834號『在空氣動力軸承套內表面以電解製成細溝紋之裝置』,其主要係於軸承套上產生細溝紋,其包含一滾筒電極係同軸心容置於軸承套內,而滾筒電極與軸承套之間隙是一致的;滾筒電極的外表面形成許多的溝槽且較佳地填滿絕緣物質。絕緣物質是與滾筒電極地帶水平等高的,如此將於滾筒電極上形成連續的外表面;一電力供應源施加負電壓於滾筒電極,及施加正電壓於軸承套。一電解物質輸送裝置輸送電解物質進入滾筒電極與軸承套間之間隙。當電流施加於滾筒電極與軸承套時,所要之具有長方形橫節面及一致之深度的細溝紋即可由電解加工方式在空氣動力軸承套對應滾筒電極地帶之處的內表面產生。
該習用結構之加工電極雖然可以解決電荷聚集現象以增加形狀精度、減少耗能及減少加工產物等優點。惟,其係利用陽刻方式(如放電加工等技術)製作移除加工電極(110)之部份材料,而可於加工電極表面形成一與加工件之溝紋對應的突出部,再於加工電極表面覆設一與該突出部等高的絕緣層,然後再去除加工電極突出部上的絕緣層,以使加工電極突出部得以露出等高於該絕緣層。
由於該習用結構因其製法及設計不良的緣故,故而衍生出下列的缺失:
(1)該習用結構係採放電加工技術來移除加工電極(110)上多餘的材料部份以製作出所需的加工電極,因而造成耗費大量材料、工時較長以及因加工過程複雜所致的加工困難情事發生等諸多的缺失。
(2)該習用結構於去除加工電極突出部上的絕緣層的過程中必須小心地進行,否則萬一去除過程刮傷該加工電極突出部,致使其表面無法與加工結構對應時,便會使該加工電極形同報廢。
由上得知,該習用結構不僅會徒增該加工程序的困難度,而且還會大幅增加製造加工電極的材料及工時成本的支出,不利市場上的競爭,故而該習用結構確實有再改良的必要。
有鑑於此,基於產業上對於流體動壓軸承加工的需求下,本發明係針對上述該習用結構之缺失進行改善,且經本發明人等人不斷地努力研發下,終於研發出改善該習用結構缺失的本發明,不僅可以應用於流體動壓軸承套之加工領域上,且可將該技術應用於批量生產,及建立我國微電化學之專精製造技術,不僅能掌握應用此加工技術於微型加工製造,並能藉由掌握微米精度等級之微特徵結構加工成形製造技術,以提升國內微型裝置、微型零組件及流體動壓軸承之製造技術。
本發明之第一目的在於提供一種電化學製程之加工電極、其製法及製造設備,本發明係以沉積技術將電極基材局部裸露的表面沉積為與絕緣層等高的導電層,所以本發明不需要如習用結構必須移除加工電極上多餘的材料部份以及去除加工電極突出部上的絕緣層,因此,本發明確實具有加工步驟較為簡化容易、加工難度相對較低、加工良率較高以及有效降低材料、工時成本等特點。
為達成上述功效,本發明採用之技術手段包括提供一柱狀之電極基材,於該電極基材表面覆設一絕緣層,該絕緣層上形成有至少一使該電極基材表面局部裸露的鏤空部,該鏤空部之形狀與一加工件所欲成型之加工結構相對應,再將局部裸露於該鏤空部內之該電極基材沉積導電層,俾能製成應用於電化學製程的加工電極者。
本發明之第二目的在於提供一種以電化學沉積製程將局部裸露之電極基材表面鍍製沉積為導電層,不僅可以提高電極間之電場均勻性,於電化學製程進行時,可相對降低加工件之加工不良率,並提高加工件之加工結構的成形精度,以提升加工件之性能與品質者。
為達成上述功效,本發明採用之技術手段係將環狀電極置於槽體內,再將電極基材定位於環狀電極之貫孔內,以電源裝置之正極電連接於環狀電極,電源裝置之負極電連接於電極基材,以提供電化學沉積製程所需之電源,並將電化學工作液注入槽體內,以進行電化學沉積製程,使電極基材局部裸露之表面得以鍍製沉積為導電層。
壹.本發明基本技術特徵 1.1製法的第一種基本技術特徵
請參看第一至三圖及第六圖所示,依本發明製法所製成之加工電極(10)主要係應用於電化學加工製程的領域上,尤其是針對作為加工件(1)的流體動壓軸承套進行電化學之微溝槽加工,為達上述功效,其包括下列基本步驟:提供一柱狀之電極基材(11),再於該電極基材表面覆設一絕緣層(12),該絕緣層(12)上形成有至少一使該電極基材(11)表面局部裸露的鏤空部(13),該鏤空部(13)之形狀與一加工件(1)即流體動壓軸承套所欲成型之加工結構(1a)相對應(即位於其內環面之微溝槽),再將局部裸露於該鏤空部(13)之該電極基材(11)表面沉積導電層(14),以製成運用於電化學製程的加工電極(10)。
上述沉積於電極基材(11)表面的導電層(14),其可行實施例可以是銅、銀、錫或白金等材質,其中,銅、銀、錫等導電材具較低阻值特性,得以提高電化學電解製程之電流密度,而白金具較高之耐蝕性。
1.2製法的第二種基本技術特徵
請參看第一至三圖及第六圖所示,本發明製法的第二種基本技術特徵包括:提供一柱狀之電極基材(11)及一絕緣層(12),其中,該絕緣層(12)上穿設有至少一與一加工件(1)所欲成型之加工結構(1a)相對應的鏤空部(13),再於該電極基材(11)表面覆設具有該鏤空部(13)的該絕緣層(12),再將局部裸露於該鏤空部(13)之該電極基材(11)表面沉積導電層(14),以製成作為電化學製程的加工電極(10)。
上述沉積於電極基材(11)表面的導電層(14),其可行實施例係選自銅、銀、錫、白金等材質,其中,銅、銀、錫等導電材具較低阻值特性,得以提高電化學電解製程之電流密度,而白金具較高之耐蝕性。
1.3加工電極的基本技術特徵
請參看第一至三圖所示,依本發明製法所製成之加工電極(10)主要係應用於電化學加工製程的領域上,尤其是針對作為加工件(1)的流體動壓軸承套進行電化學之微溝槽加工,為達上述功效,該加工電極(10)包括:一呈柱狀延伸的電極基材(11);一絕緣層(12),其覆設於該電極基材(11)表面,且該絕緣層(12)設有至少一與一加工件之加工結構形狀對應的鏤空部(13);及至少一導電層(14),其沉積於該電極基材(11)對應該鏤空部(13)所局部裸露的表面上。
貳.基於基本技術特徵的具體製法
請參看第四、五圖所示,本發明係以電化學沉積製程將局部裸露於鏤空部(13)之電極基材(11)表面鍍製沉積導電層(14),為達此目的,其包括下列具體步驟:提供一槽體(20)、一電化學工作液(30)、一的環狀電極(40)及一電源裝置(50),其中,該環狀電極(40)設有一軸向貫孔(410),貫孔(410)之環面具有一電化學電鍍基材(43);將該環狀電極(40)置於該槽體(20)內;以一定位手段(60)將該電極基材(11)定位於該環狀電極(40)之該貫孔(41)內;以該電源裝置(50)之正極電連接於該環狀電極(40),該電源裝置(50)之負極電連接於該電極基材(11),以提供電化學沉積製程所需之電源;及將該電化學工作液(30)注入該槽體(20)內,以進行電化學沉積製程,使該電化學電鍍基材(43)解離而沉積鍍覆於該電極基材(11)局部裸露的表面,以形成導電層(14),據此製成應用於電化學製程的加工電極(10)。
上述製法中的一種具體實施例,更包括提供一研磨該導電層(14)的研磨步驟,使該導電層(14)與該絕緣層(12)得以等高平齊,且該研磨步驟之較佳實施例係採用一種無心研磨技術;另,本發明係以機械加工方式來達到移除局部之該絕緣層(12)以形成該鏤空部(13)之目的。
參.基於基本技術特徵的具體製造設備
請參看第一、四圖及第五圖所示,本發明係以電化學沉積製程將局部裸露於鏤空部(13)之電極基材(11)表面鍍製沉積導電層(14),為達此目的,其包括:一槽體(20);一電化學工作液(30),其供填注於該槽體(20)內;一環狀電極(40),其設有一軸向貫孔(410),該貫孔(410)的環面具有一電化學電鍍基材(43),該環狀電極(40)置於該槽體(20)內,且該貫孔(41)內供定位一電極基材(11),該電極基材(11)表面覆設一絕緣層(12),該絕緣層(12)設有至少一使該電極基材表面局部裸露的鏤空部(13),該鏤空部(13)之形狀與一加工件(1)之加工結構(1a)相對應;及一電源裝置(50),其包含一電連接於該環狀電極(40)的正極,及一電連接於該電極基材(11)的負極,以提供電化學沉積製程所需之電源,使該電化學電鍍基材(43)解離而沉積鍍覆於該電極基材(11)局部裸露的表面上,以形成導電層(14),據此製成應用於電化學製程的加工電極(10)。
3.1電極基材之具體實施
請參看第一至三圖所示,本發明電極基材(11)於電化學沉積製程中可視為一被沉積加工之基材,其主要係透過電化學沉積製程將局部裸露於鏤空部(13)之電極基材(11)表面沉積導電層(14),且為製成一可應用於電化學製程的加工電極(10),於本圖示例中,為對應加工件(1)如流體動壓軸承套的形狀,所以本發明之電極基材(11)係呈與之對應的圓柱狀。
3.2環狀電極之具體實施
請參看第四,五圖所示,本發明環狀電極(40)包含一環狀之電極基體(41),該電極基體(41)具有一軸向貫穿的該貫孔(410),該電化學電鍍基材(43)係環設於該貫孔(410)的環面上,其中,該電化學電鍍基材(43)之可行實施例係選自銅、銀、錫、白金等材質之其中一種,而且,銅、銀、錫等導電材具較低阻值特性,得以提高電化學電解製程之電流密度、而白金具較高之耐蝕性。
請參看第四、五圖所示,此外,環狀電極(40)主要係與電極基材(11)之間產生均勻的電化學沉積作用,以使電極基材(11)局部裸露部位可以獲得沉積較為均勻的導電層(14),進而於電化學製程應用時,可以製作出品質及形狀精度較佳的加工件(1);此外,為避免電極間之電場干擾產生,本發明係於環狀電極(40)之外環面覆設一用以阻絕電場干擾的絕緣層(42)。
3.3定位手段之具體實施
請參看第四、五圖所示,為將電極基材(11)精確地定位於環狀電極(40)內,使電極基材(11)與該環狀電極(40)為同圓心而定位於該環狀電極(40)的軸線上,使並該電極基材(11)之外環面與該貫孔(410)之內環面具有一致的間距,為此目的,本發明包括一定位手段(60),於本圖示例中僅是舉出一種可行的實施例,該定位手段(60)係為固定於槽體(20)內用以定位電極基材(11)的定位桿(60a)。
當實際運作時,難免會因定位手段(60)的操作或是結構設計所影響,因而產生些微的間距誤差,故而該電極基材(11)之外環面與該貫孔(410)之內環面具有約略相等的間距亦屬本發明的保護範疇。
肆.本發明具體實施例的運作
請參看第一至三圖所示,當欲對電極基材(11)進行初步製備作業時,首先將柱狀之電極基材(11)表面覆設一絕緣層(12),再以機械加工方式移除局部之該絕緣層(12)以形成與加工結構(1a)形狀對應的鏤空部(13),如此即可完成電極基材(11)的初步製備作業。
請參看第四、五圖所示,當欲以電化學沉積製程將電極基材(11)局部裸露部位沉積導電層(14)作業時,首先將環狀電極(40)置於槽體(20)內,再將電極基材(11)以定位手段(60)定位於該環狀電極(40)之該貫孔(410)內,使電極基材(11)之表面與貫孔(410)之內環面具有大致相等的間距,再以該電源裝置(50)之正極電連接於該環狀電極(40),並以電源裝置(50)之負極電連接於該電極基材(11),再將電化學工作液(30)注入槽體(20)內,如此即可進行電化學沉積的製程作業,此時,電化學電鍍基材(43)於電化學工作液(30)中解離成金屬離子而沉積鍍覆於該電極基材(11)局部裸露的表面上,如此即可形成一與絕緣層(12)等高平齊的導電層(14)。
另一方面,為使導電層(14)與該絕緣層(12)等高平齊,故而再以一研磨該導電層(14)的研磨步驟,使該導電層(14)與該絕緣層(12)等高平齊,如此即可完成製作出一用於電化學製程所需的加工電極(10),並以該加工電極(10)來電化學加工該加工件(1),使加工件(1)形成預定所需的加工結構(1a)如人字形溝槽或溝紋(如第六圖所示)。
請參看第一、六圖所示,再者,依據本發明所製作而成的加工電極(10),由於該加工電極(10)上之導電層(14)與絕緣層(12)係為等高平齊的緣故,所以於電化學製程時,可以避免如習用結構於加工電極(10)之端緣產生電荷聚集的現象,進而影響加工件(1)之加工結構(1a)的成形精度與品質。
伍.結論
因此,藉由上述技術特徵的建構,使得本發明確實具有下列之特點:
1.本發明係於鏤空部內之電極基材表面沉積導電層以製成加工電極,與習用結構所採用之放電加工技術於加工電極上形成突出部的方式明顯不同,所以本發明無須移除加工電極上多餘的材料部份以及去除加工電極突出部上的絕緣層,因而具有加工步驟簡化、加工容易及加工良率高等特點,並可有效降低材料以及工時成本上的支出。
2.本發明採用電化學沉積製程將裸露之電極基材表面沉積導電層,不僅可以提高環狀電極與被加工之電極基材間之電場均勻性,於電化學製程進行時,可相對降低加工件加工之不良率,並提高加工件之加工結構的成形精度,以提升加工件之性能與品質。
3.應用本發明製成的加工電極於電化學加工時,不僅可以減小電化學製程時之電化學作用面積,藉以降低加工耗能及電解液內之加工產物,並可降低溝槽加工形貌之不良率以提高成形精度,使所生產之軸承產品製造成本降低之際,仍具有良好性能表現而具有產品競爭力。
以上所述,僅為本發明其中一種可行實施例,並非用以限定本發明之專利範圍,凡舉依據下列申請專利範圍所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施,以及依據本發明之製法及其設備所製成的加工電極皆應包含於本發明之專利範圍內。
(1)(101)...加工件
(1a)(101a)...加工結構
(10)(110)...加工電極
(11)...電極基材
(12)(42)...絕緣層
(13)...鏤空部
(14)...導電層
(20)...槽體
(30)...電化學工作液
(40)...環狀電極
(41)...電極基體
(410)...貫孔
(43)(140)...電化學電鍍基材
(50)(150)...電源裝置
(60)...定位手段
(60a)...定位桿
(111)...突出部
(112)...沉積層
(160)...旋轉裝置
第一圖係本發明製成之加工電極外觀示意圖。
第二圖係本發明於電極基材刻製鏤空部之剖視示意圖。
第三圖係本發明於電極基材沉積導電層之剖視示意圖。
第四圖係本發明實施電化學沉積製程之示意圖。
第五圖係本發明環狀電極之外觀示意圖。
第六圖係本發明加工件之剖視示意圖。
第七圖係習用加工電極之外觀示意圖。
第八圖係習用電化學製程之實施示意圖。
(10)...加工電極
(11)...電極基材
(12)...絕緣層
(13)...鏤空部
(14)...導電層

Claims (25)

  1. 一種電化學製程之加工電極製法,其包括下列步驟:提供一柱狀之電極基材;於該電極基材表面覆設一絕緣層,該絕緣層上形成有至少一使該電極基材表面局部裸露的鏤空部,該鏤空部之形狀與一加工件所欲成型之加工結構相對應;及將導電層佈設於局部裸露於該鏤空部之該電極基材,以製成作為電化學製程的加工電極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之加工電極製法,其中,該導電層佈設於局部裸露於該鏤空部之該電極基材之方式為沉積方式。
  3. 一種電化學製程之加工電極製法,其包括下列步驟:提供一柱狀之電極基材及一絕緣層,其中,該絕緣層上設有至少一與一加工件所欲成型之加工結構相對應的鏤空部;於該電極基材表面覆設該絕緣層;及將導電層佈設於局部裸露於該鏤空部之該電極基材表面,以製成作為電化學製程的加工電極。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之加工電極製法,其中,該導電層佈設於局部裸露於該鏤空部之該電極基材之方式為沉積方式。
  5. 如申請專利範圍第1或3項所述之加工電極製法,其中,該導電層與該絕緣層等高平齊。
  6. 如申請專利範圍第1或3項所述之加工電極製法,其中,所提供之該導電層係選自銅、銀、錫、白金材質之其中一種。
  7. 如申請專利範圍第2或4項所述之加工電極製法,其中,沉積該導電層的方式,係以電化學沉積製程將裸露之該電極基材表面沉積該導電層。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之加工電極製法,其中,該電化學沉積製程包括下列步驟:提供一槽體、一電化學工作液、一設於該槽體內的環狀電極及一電源裝置,其中,該環狀電極設有一軸向貫穿的貫孔,該貫孔的環面上具有一電化學電鍍基材;將該電極基材定位於該環狀電極之該貫孔內;以該電源裝置之正極電連接於該環狀電極,該電源裝置之負極電連接於該電極基材,以提供電化學沉積製程所需之電源;及將該電化學工作液注入該槽體內,以進行電化學沉積製程,使該電化學電鍍基材解離而沉積於該電極基材局部裸露的表面,以形成該導電層。
  9. 一種電化學製程之加工電極製法,其包括下列步驟:提供一槽體、一電化學工作液、一設於該槽體內的環狀電極、一電極基材及一電源裝置,其中,該環狀電極穿設一貫孔,該貫孔的環面上具有一電化學電鍍基材;於該電極基材表面覆設一絕緣層,再於該絕緣層上穿設至少一使該電極基材表面局部裸露的鏤空部,該鏤空部之形狀與一加工件所欲成型之加工結構相對應;將該電極基材定位於該環狀電極之該貫孔內;以該電源裝置之正極電連接於該環狀電極,該電源裝置之負極電連接於該電極基材;及將該電化學工作液注入該槽體內,以進行電化學沉積製程,使該電化學電鍍基材解離而沉積鍍覆於該電極基材局部裸露的表面,以形成導電層,據此製成應用於電化學製程的加工電極。
  10. 如申請專利範圍第1、2、3、4、8或9項所述之加工電極製法,其中,所提供之該電極基材係呈圓柱狀。
  11. 如申請專利範圍第1、3或9項所述之加工電極製法,其中,係利用機械加工方式在電極基材表面上之該絕緣層形成該鏤空部。
  12. 如申請專利範圍第8或9項所述之加工電極製法,其中,該環狀電極之外環面覆設一絕緣層。
  13. 如申請專利範圍第8或9項所述之加工電極製法,其中,該環狀電極包括一環狀之電極基體,該電極基體具有一軸向貫穿的該貫孔,且該電化學電鍍基材環設於該貫孔的環面上。
  14. 如申請專利範圍第8或9項所述之加工電極製法,其中,該環狀電極係呈圓柱狀,且該電極基材與該環狀電極為同圓心而定位於該環狀電極的軸線上,使該電極基材之外環面與該貫孔之內環面具有一致的間距。
  15. 如申請專利範圍第8或9項所述之加工電極製法,其中,更包括提供一定位手段,以該定位手段使該電極基材定位於該環狀電極之該貫孔內。
  16. 如申請專利範圍第1、2、3、4或9項所述之加工電極製法,其中,更包括提供一研磨該導電層的研磨步驟,使該導電層與該絕緣層等高平齊。
  17. 如申請專利範圍第1、3或9項所述之加工電極製法,其中,該加工件係為一流體動壓軸承套,該加工件所欲成型之加工結構係為溝槽或溝紋。
  18. 一種電化學製程之加工電極製造設備,其包括:一槽體,其可供注入電化學工作液;一置於該槽體內的環狀電極,該環狀電極設有一軸向貫穿的貫孔,該貫孔的環面上具有一電化學電鍍基材,且該貫孔可供一電極基材容置定位;及一電源裝置,其包含一電連接於該環狀電極的正極,及一電連接於該電極基材的負極,以提供電化學沉積製程所需之電源;其中,該電極基材表面覆設一絕緣層,該絕緣層設有至少一使該電極基材表面局部裸露的鏤空部,該加工電極製造設備進行該電化學沉積製程,使該電極基材局部裸露的表面鍍製沉積為一導電層。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之加工電極製造設備,其中,該鏤空部之形狀與一加工件之加工結構相對應,且該導電層與該絕緣層等高平齊。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之加工電極製造設備,其中,該導電層係由該電化學電鍍基材解離而沉積鍍製於該電極基材局部裸露的表面所形成。
  21. 如申請專利範圍第18項所述之加工電極製造設備,其中,該電極基材係呈圓柱狀。
  22. 一種電化學製程之加工電極,其包括:一呈柱狀延伸的電極基材;一絕緣層,其覆設於該電極基材表面,該絕緣層穿設有至少一與一加工件之加工結構形狀對應的鏤空部;及至少一導電層,其沉積於該電極基材對應該鏤空部所局部裸露的表面上。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之加工電極,其中,該電極基材係呈圓柱狀。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之加工電極,其中,該導電層與該絕緣層等高平齊。
  25. 如申請專利範圍第22項所述之加工電極,其中,係以電化學沉積製程將局部裸露之該電極基材表面沉積鍍製為該導電層。
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