TWI565837B - 多點多角度電解加工裝置及其電解加工方法 - Google Patents

Description

多點多角度電解加工裝置及其電解加工方法

本發明係關於一種電解加工裝置及其方法；更特別言之，係關於一種使用具自由端之電極件，而能達到多角度多點複雜加工之電解加工裝置及加工方法。

現今對大面積且精密度高的加工工藝的需求已日益殷切。舉例而言，如半導體電子器件工業、光學工程、生醫科技、航空工業及汽車工業等，皆需精密度較高之器件。

傳統器械加工如車床或銑床，係通常以物理方式將不需要之部分於一物件表面移除，藉此形成所需形狀。惟，由於其僅能單點加工，且受限於其作動機制及設備先天限制，其所形成之形狀無法具平滑邊緣及複雜曲度；且因磨擦產生之高熱往往對物件造成破壞。再者，加工物硬度往往極高，令加工過程非常耗時，且其亦無法形成具微米或奈米尺寸的形狀，因此已無法滿足如前述高精密度工業的需求。

基於前述，能同時進行精密及大面積之加工技術也相應蓬勃發展。電解加工(Electrochemical Machining，ECM)為精密加工技術之一種，其加工過程如第1圖所繪示。於第1圖中，電極件102被帶動往加工物101靠近，但不接觸加工物101。此時，以電極件102為陰極(Cathode)，而加工物101為陽極(Anode)，而二極與加工物101間則充滿電解液103(Electrolyte)。當施以一偏壓後，電流經電解液103而流通至正、負極。基於電化學作用，陽極的加工物101產生化學變化，並釋放出電子及離子而形成金屬-氫氧化物，從而令加工物101之材料逐漸被移除。上述現象發生於電解液103中。隨著電極件102依循一定路徑持續作動，電解作用不斷形成於加工物101表面，加工物101之材料亦持續被移除，最終於加工物101上形成所需的形狀。

上述電解加工之特點，在於：(a)適合用於習知難以加工之超高硬度材料，只要加工物101為導電材料，無論任何硬度皆可加工。(b)電極未直接與加工物101接觸，因此可使用易於加工成形的材質製造，對使用工具材質選擇的要求不高。(c)加工過程產生極少熱量，於加工物101表面不會有應力殘留及高溫變質等問題。(d)適合處理具有複雜輪廓和形狀的加工物101。

上述使用電解加工固然可提供較純機械式物理加工更多的優點；然而，受限於其電極之設置型態，仍無法處理具高度複雜曲面的產品。舉例而言，於航空工業或汽車工業中，基於空氣力學效應及安全性考量，於機身或車身上所形成之擾流葉片之曲度往往相當複雜而具不同角度，且對精密度要求相當高；而透過上述傳統電解加工方式，其電極之角度受到限制，因而無法同時形成其所需之複雜曲度。

緣此，仍亟需開發能簡易應用於高度複雜曲面之電解加工裝置。

明確言之，本發明提供一種可提供多點多角度加工之電解加工裝置及電解加工方法，特別適用於具有高度複雜曲面之產品。電解加工裝置之電極件具有自由端及導電端，且自由端於初始不與致動件接觸。當致動件下壓接觸自由端對其施力時，藉由自由端之弧狀表面，得以令致動件之施力方向平行電極件之中心軸或偏離電極件之中心軸。藉此，帶動電極件之導電端通過導引件形成多種角度變化。並且，同時使用多個電極件可各自形成相異角度變化，可對加工物同時形成多點多角度加工，提高加工精度及增加加工效率。

為達上述目的，於一實施例中，本發明提供一種電解加工裝置，其包含至少一電極件、一導引件以及一致動件。電極件具剛性不可撓曲，且包含一導電端及一自由端。導引件用以限位並導引電極件移動。致動件用以對電極件之自由端施加壓力，而令導電端透過導引件形成角度變化。其中致動件對自由端之施力方向平行電極件之一中心軸或偏離電極件之中心軸，令導電端形成多種角度。

上述電解加工裝置中，導引件包含一導引槽，電極件則穿設於導引槽。導引件並包含一定位件，定位件抵靠電極件之側面以便限位電極件。另外，電極件上可穿設有一彈性件，彈性件設置於電極件之自由端與導引槽之間，用以提供一彈性恢復力於電極件。

上述電解加工裝置中，電極件之自由端表面呈弧狀。藉此，致動件對自由端之施力方向可平行電極件之中心軸或偏離電極件之中心軸。上述電解加工裝置更包含一壓力箱體以容置導引件，其中壓力箱體係用以提供一回流至流通於壓力箱體內之一電解液。

於另一實施例中，本發明提供另一種電解加工裝置，包含至少二電極件、一導引件一壓力箱體以及一致動件。二電極件各自包含一導電端及一自由端並間隔一距離，且各電極件具剛性不可撓曲。導引件用以限位並導引二電極件移動。壓力箱體用以容置導引件，其係用以提供一回流至流通於壓力箱體內之一電解液；致動件用以對二電極件之各自由端施加壓力，令二電極件之各導電端透過導引件形成角度變化。其中致動件對各電極件之自由端之施力方向平行各電極件之一中心軸或偏離各電極件之中心軸，令各電極件之各導電端各自形成多種角度。

上述電解加工裝置中，二電極件可平行排列或相夾一角度。角度範圍可由0°至180°。各電極件之自由端表面呈弧狀。藉此，致動件對各自由端之施力方向可平行各電極件之中心軸或偏離各電極件之中心軸。另外，各電極件上穿設有一彈性件，導引件包含一導引槽，彈性件設置於各電極件之自由端與導引槽之間，用以提供一彈性恢復力於各電極件。導引槽可呈弧狀，且各電極件亦可形成弧狀，且各電極件之弧狀對應導引槽之弧狀。

上述電解加工裝置中，致動件可包含一環繞之側壁，並以側壁之內表面或外表面對各電極件之自由端施加壓力。各導電端之表面可呈弧狀。各電極件可邊移動邊轉動。

於又一實施例中，本發明提供一種電解加工方法，包含：提供多個電極件；於各電極件上製作一導電端及一自由端；提供一導引件；同時穿設多個電極件至導引件；以導引件限位各導電端形成不同移動路徑；以一致動件對各電極件之自由端施加壓力，令各電極件之導電端依據多個不同移動路徑形成相異角度變化；以及以各電極件之導電端同時進行電解加工。

101‧‧‧加工物

102‧‧‧電極件

103‧‧‧電解液

206‧‧‧彈性件

301‧‧‧加工物

301a‧‧‧形狀

200‧‧‧電解加工裝置

201‧‧‧致動件

201a‧‧‧內表面

201b‧‧‧外表面

202‧‧‧電極件

202a‧‧‧自由端

202b‧‧‧導電端

203‧‧‧導引件

203a‧‧‧導引槽

204‧‧‧檔塊

205‧‧‧定位件

302‧‧‧載台

303‧‧‧壓板

304‧‧‧防水罩導柱

305‧‧‧壓力箱體

401‧‧‧桿

402‧‧‧槽

403‧‧‧出口管路

S‧‧‧中心軸

θ‧‧‧角度

S101~S108‧‧‧步驟

第1圖係繪示一習知電解加工過程示意圖；第2圖係繪示依據本發明之一實施例之電解加工裝置組裝示意圖；第3圖係繪示依據第2圖之電解加工裝置之結構示意圖；第4圖係繪示依據第3圖之電解加工裝置之剖面示意圖；第5圖係繪示電極件之一排列方式示意圖；第6A圖係繪示電極件之另一排列方式示意圖；第6B圖係繪示第6A圖之電極件間設置檔塊之示意圖；第7圖係繪示依據本發明另一實施例之電解加工方法流程示意圖；第8A圖係繪示依據本發明一實施例之形成多點多角度加工之電解加工裝置結構示意圖；第8B圖係繪示第8A圖中之電解加工裝置之另一角度結構示意圖；第8C圖係繪示第8A圖中之電解加工裝置之結構側視圖； 第9A圖係繪示依據本發明一實施例之形成多點多角度加工之電解加工裝置結構示意圖；第9B圖係繪示第9A圖中之電解加工裝置之另一角度結構示意圖；第9C圖係繪示第9A圖中之電解加工裝置之結構側視圖；第10圖係繪示依據本發明之一實施例之電解加工裝置結構示意圖；第11圖係繪示第10圖中之電解加工裝置使用多個電極件進行多點多角度加工之示意圖；第12圖係繪示第10圖中之電極件為第一狀態；第13圖係繪示第10圖中之電極件為第二狀態；以及第14圖係繪示第10圖中之電極件移動及旋轉示意圖。

以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

請一併參照第2圖、第3圖及第4圖，第2圖係繪示依據本發明之一實施例之電解加工裝置200組裝示意圖；第3圖係繪示依據第2圖之電解加工裝置200之結構示意圖；第4圖係繪示依據第3圖之電解加工裝置200之剖面示意圖。

電解加工裝置200基本包含一致動件201、二電極件202一導引件203以及一壓力箱體305。於一例中，致動件201係呈板狀以便提供均勻之壓力。另可有一載台302供設置前述元件。

二電極件202各自包含一導電端202b及一自由端202a，並間隔一距離，以及相夾一角度θ。角度θ可自由變換以達到更複雜的加工效果，於後續實施例將另述之。

導引件203上形成二導引槽203a，分別供二電極件202穿設。導引槽203a提供足夠之活動空間，以便限位並導引二電極件202延預設路徑移動。同時，二電極件202亦可於導引槽203a中形成多角度變化。

壓力箱體305供容置導引件203，其提供一壓力至流動於電極件202及加工物301間之電解液。

為使二電極件202於加工時穩定度增加，亦可各別於二電極件202兩側設置二定位件205。於一例中，二定位件205抵靠二電極件202之側壁，以便防止二電極件202於加工時之自轉。

另外，為達到重覆加工之功能，二電極件202分別穿設有二彈性件206，其各別設置於各電極件202之自由端202a與導引槽203a之間，係用以提供一彈性恢復力於二電極件202，以便令二電極件202得以回復至初始位置。

上述為電解加工裝置200基本結構，此續說明電解加工裝置200之運作過程。初始將一加工物301置放於壓力箱體305內。電解加工需電解液以便產生電化學反應。一般電解液會填入於壓力箱體305內，或亦有由電極件202填入者，而令電解液充滿於電極件202及加工 物301間。於電極件202上設置一通道，且該通道連接設置於電極件202之自由端202a之出口管路403。壓力箱體305為封閉無其餘路徑供電解液流出。據此，電解液先以壓力P1流入壓力箱體305，續流經電極件202上設置之通道，再由出口管路403流出。此時，賦予出口管路403之端點一回向壓力(back pressure)P2。前述稱之為回流。習知電解加工係單向將電解液流於加工物表面而無此回流結構，故其電解液係不均地流動於加工物表面。本發明此種回流結構可確保電解液均勻流通於加工物表面，對加工精度有大幅提升。

此時，可續行後續電解加工程序。使用一壓板303對致動件201施予一向下之壓力，致動件201推動二電極件202以便令二電極件202接近加工物301，但不接觸加工物301，而與加工物301間保持一定間隙。另並於壓板303四角落平均裝有防水罩導柱304。二電極件202通電後，加工物301表面產生電化學變化而產生如金屬-氫氧化物之物質，而令加工物301表面材料逐漸被移除，形成所需形狀。自加工物301表面被移除之材料則可被儲存至一回流桶內。電解加工之速度則可使用一電腦數值控制工具機(CNC)控制之。

二電極件202之自由端202a於初始時係可自由地活動而不接觸致動件201。當致動件201受壓板303下壓時，將逐漸靠近並接觸自由端202a。於一例中，自由端202a之表面係呈弧狀。因此，當致動件201接觸自由端202a時，係接觸自由端202a表面上之一點，而對自由端202a施予壓力。基於自由端202a之弧狀表面，所施加之壓力將具有不同施力方向。舉例而言，致動件201對自由端202a之施力方向可 能平行於電極件202之中心軸S或偏離電極件202之中心軸S。藉此，當致動件201垂直下壓時，可令二電極件202各自產生多個角度之變化。再詳述之，由於電極件202本身具剛性而不可撓曲，因此當電極件202之自由端202a受到壓力時，將同時帶動電極件202之導電端202b。電極件202之導電端202b係穿過導引件203之導引槽203a。導引件203另可裝設於一載台305上，再透過導引件203的限位及導引，帶動二電極件202延預設路徑移動，而可持續於加工物301表面形成電解反應，以形成最終所需之形狀301a。移動路徑可因應實際狀況而改變，且二電極件202可分別具有不同移動路徑，以便達到複雜加工，此將於後詳述之。

上述之電解加工裝置200運作過程中，當單獨使用一電極件202時，基於自由端202a的弧狀表面，於受壓時可形成多角度之變化。於更複雜的狀況中，當使用多個電極件202時，各電極件202之設置方式可再加以變化。

請續參照第5圖、第6A圖及第6B圖。第5圖係繪示電極件202之一排列方式示意圖；第6A圖係繪示電極件202之另一排列方式示意圖。第6B圖係繪示第6A圖之電極件202間設置檔塊之示意圖。

二電極件202之間形成有一距離，且相夾角度θ。角度θ的範圍可由0°至180°。於前述第3圖的實施例中，二電極件202相夾角度為0°，故二電極件202係平行排列。於第5圖中，二電極件202之夾角大於0°且小於90°；而於第6A圖中，二電極件202之夾角大於90°且小於180°。透過上述角度θ的變化，再結合各自電極件202本身的多角度變 化，使得更複雜曲面的加工成為可能。於第6B圖中，於致動件201上可設置一檔塊204，其係用以令致動件201之施力平均於各電極件202。

更需提及的是，當二電極件202互相平行排列時，致動件201對各電極件202施力方向可平行於各電極件202之中心軸S或偏離各電極件202之中心軸S，藉此令各電極件202之各導電端202b各自形成複雜角度變化。當二電極件202互相不平行排列時，電極件202之各導電端202b則可形成更為複雜之角度變化。藉此，當同時使用二電極件202進行電解加工時，可於加工物301表面形成多點及多角度之加工，令更複雜曲面加工成為可能，並可增加工作效率。前述致動件201亦可使用一傳動裝置為之。例如將電極件202之自由端202a連接一線性滑軌，下壓時，藉由線性滑軌帶動電極件202形成多角度變化。

請續參照第7圖，第7圖係繪示依據本發明另一實施例之電解加工方法流程示意圖。為形成複雜之多點多角度加工，本發明提供一電解加工方法，包含以下步驟：S101，提供多個電極件；S102，於各電極件上製作一導電端及一自由端；S103，提供一導引件；S104，容置導引件於一壓力箱體；S105，同時穿設多個電極件至導引件；S106，以導引件限位各導電端形成不同移動路徑；S107，以一致動件對各電極件之自由端施加壓力，令各電極件之導電端依據多個不同移動路徑形成相異角度變化；以及S108，透過壓力箱體回流一電解液至各電極件，並以各電極件之導電端同時進行電解加工。

更具體說明上述的電解加工方法，請同時參照第8A~8C圖，第8A圖係繪示依據本發明一實施例之形成多點多角度加工之電解 加工裝置結構示意圖；第8B圖係繪示第8A圖中之電解加工裝置之另一角度結構示意圖；第8C圖係繪示第8A圖中之電解加工裝置之結構側視圖。

第8A~8C圖中，電解加工裝置200於導引件203形成多個導引槽203a，並同時於各導引槽203a穿設了多個電極件202，令各電極件202可於各導引槽203a內移動。各導引槽203a可形成不同角度之移動路徑，以導引各電極件202之導電端202b形成不同角度。致動件201包含環繞之側壁，其內表面201a可於致動件201向下移動時接觸電極件202之自由端202a。藉此，致動件201延單一軸向(向下)下壓時，可以側壁內表面201a對各電極件202之自由端202a施加壓力，進而帶動導電端202b移動以便對加工物加工。由於各導電端202b角度皆不同，因此可於加工物表面同時形成多點多角度加工，可形成高度複雜曲面，並提高加工效率。

請續參照第9A~9C圖，第9A圖係繪示依據本發明一實施例之形成多點多角度加工之電解加工裝置結構示意圖；第9B圖係繪示第9A圖中之電解加工裝置之另一角度結構示意圖；以及第9C圖係繪示第9A圖中之電解加工裝置之結構側視圖。

第9A~9C圖中，制動件201結構與前述第8A~8C圖中之致動件201結構有所差異。第9A~9C圖中，致動件201係以其側壁之外表面201b推動各電極件202之自由端202a，藉此形成更多樣之角度變化，可再增加電解加工之應用範圍。

於前述之實施例中，導引件203之導引槽203a係呈一直線。然而為應不同狀況之需求，導引槽203a可呈弧狀，且電極件202亦可呈與導引槽203a之弧狀相對應之弧狀。藉此，可令加工角度更為複雜，於加工物301形成更複雜之曲面。再者，於電極件202移動時同時進行轉動，可達到更為複雜之電解加工。

請參照第10圖至第14圖。第10圖係繪示依據本發明之一實施例之電解加工裝置結構示意圖；第11圖係繪示第10圖中之電解加工裝置使用多個電極件202進行多點多角度加工之示意圖；第12圖係繪示第10圖中之電極件202為第一狀態；第13圖係繪示第10圖中之電極件202為第二狀態；以及第14圖係繪示第10圖中之電極件202移動及旋轉示意圖。

於第10圖中，電解加工裝置的結構與第9A圖中類似。第10圖中之電解加工裝置具有制動件201、多個電極件202以及一導引件203。第10圖中之電極件202可延橫向移動，可知電極件202之移動路徑可隨不同狀況而改變。例如於前述實施例中電極件202，較接近於垂直方向上下移動；而本實施例中之電極件202，則為制動件201推動而較接近於水平橫向移動進行電解加工。於第10圖中，電極件202的導電端202b可呈弧狀，且於移動過程中形成轉動而達到更為複雜之加工角度。為達前述目的，於各電極件202表面形成一槽402。初始，如第12圖所繪示，電極件202係處於第一狀態，而其上之槽402之一端為一桿401抵頂。接續，電極件202持續為制動件201推動而橫向移動對加工物301進行電解加工。最終，電極件202係處於如第13圖中所繪示之第 二狀態，槽402之另一端為桿401抵頂。藉此，由於電解加工過程中，桿401係固定不動，而槽402係由其一端至另一端偏離電極件202之中心軸S，透過桿401對槽402之限位，令整體電極件202於移動時形成轉動，而帶動其弧狀之導電端202b轉動，達到複雜之加工角度。舉例而言，可結合多個上述型式之電極件202而製造出如第11圖中所繪示之具有複雜曲面形狀之渦輪葉片。第14圖中，可看到電極件202由第一狀態轉動至第二狀態，而導電端202b亦隨之轉動，再藉由導電端202b之弧面，達到更為複雜之加工曲面。

綜合上述，本發明提供之電解加工裝置200，藉由各電極件202之自由端202a的設置，再結合多個電極件202間的角度θ變化，再透過多個電極件202移動且轉動的加工方式，得以實現高度複雜之多點多角度之曲面加工，並提高加工效率，進而大幅降低製造成本。

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。

200‧‧‧電解加工裝置

201‧‧‧致動件

202‧‧‧電極件

202a‧‧‧自由端

202b‧‧‧導電端

203‧‧‧導引件

203a‧‧‧導引槽

205‧‧‧定位件

206‧‧‧彈性件

301‧‧‧加工物

301a‧‧‧形狀

305‧‧‧壓力箱體

403‧‧‧出口管路

S‧‧‧中心軸

Claims (17)

1. 一種電解加工裝置，係用以形成多點多角度加工，該電解加工裝置包含：至少一電極件，其包含一導電端及一自由端，該電極件具剛性不可撓曲；一導引件，用以限位並導引該電極件移動；以及一致動件，用以對該電極件之該自由端施加壓力，令該導電端通過該導引件形成角度變化；其中該致動件於初始不接觸該自由端，當該致動件受壓而接觸該自由端時，對該自由端之施力方向平行該電極件之一中心軸或偏離該電極件之該中心軸，令該導電端形成多種角度，並相對一加工物形成垂直、斜向或平行之一電解加工方向。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電解加工裝置，更包含一壓力箱體以容置該導引件，其中該壓力箱體係用以提供一回流至流通於該壓力箱體內之一電解液。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電解加工裝置，其中該導引件包含一導引槽，該電極件穿設於該導引槽。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電解加工裝置，其中該導引件包含一定位件，該定位件對應限位該電極件。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電解加工裝置，其中該電極件上穿設有一彈性件，該彈性件設置於該電極件之該自由端與該導引槽之間，用以提供一彈性恢復力於該電極件。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電解加工裝置，其中該自由端之表面呈弧狀。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電解加工裝置，其中該致動件使用一傳動裝置。
8. 一種電解加工裝置，係用以形成多點多角度加工，該電解加工裝置包含：至少二電極件，其各自包含一導電端及一自由端，該二電極件間隔一距離且相夾一夾角，該夾角範圍由0°至180°，且各該電極件具剛性不可撓曲；一導引件，用以限位並導引該二電極件移動；一壓力箱體用以容置該導引件，該壓力箱體係用以提供一回流至流通於該壓力箱體內之一電解液；以及一致動件，用以對該二電極件之各該自由端施加壓力，令該二電極件之各該導電端通過該導引件形成角度變化； 其中該致動件於初始不接觸各該自由端，當該致動件受壓而接觸各該電極件之該自由端時，對各該電極件之該自由端之施力方向平行各該電極件之一中心軸或偏離各該電極件之該中心軸，令各該電極件之各該導電端各自形成多種角度，並相對一加工物形成垂直、斜向或平行之一電解加工方向。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電解加工裝置，其中各該自由端之表面呈弧狀。
10. 如申請範圍第8項所述之電解加工裝置，其中各該導電端之表面呈弧狀。
11. 如申請範圍第8項所述之電解加工裝置，其中各該電極件可邊移動邊轉動。
12. 如申請專利範圍第8項所述之電解加工裝置，其中各該電極件上穿設有一彈性件，該導引件包含一導引槽，該彈性件設置於各該電極件之該自由端與該導引槽之間，用以提供一彈性恢復力於各該電極件。
13. 如申請專利範圍第12項所述之電解加工裝置，其中該導引槽呈弧狀。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電解加工裝置，其中各該電極件之導電端形成弧狀，且各該導電端之弧狀對應該導引槽之弧狀。
15. 如申請專利範圍第8項所述之電解加工裝置，其中該致動件包含一環繞之側壁，以該側壁之內表面對各該電極件之該自由端施加壓力。
16. 如申請專利範圍第8項所述之電解加工裝置，其中該致動件包含一環繞之側壁，以該側壁之外表面對各該電極件之該自由端施加壓力。
17. 一種電解加工方法，係用以形成多點多角度加工，該電解加工方法包含：提供多個電極件；於各該電極件上製作一導電端及一自由端；提供一導引件；容置該導引件於一壓力箱體；同時穿設該多個電極件至該導引件；以該導引件限位各該導電端形成不同移動路徑；提供一致動件，其於初始不接觸各該電極件之該自由端；對該致動件施加壓力，令其接觸各該電極件之該自由端； 以該致動件對各該電極件之該自由端施加壓力，令各該電極件之該導電端依據該不同移動路徑形成相異角度變化；以及透過該壓力箱體回流一電解液至各該電極件，並以各該電極件之該導電端同時進行電解加工，並相對一加工物形成垂直、斜向或平行之一電解加工方向。