TWI720548B - 變脈寬定電流控制之電化學加工方法及其裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係有關一種變脈寬定電流控制之電化學加工方法，透過定電流源產生脈寬調變之電源並供應至電化學加工驅動裝置，例如:電化學鑽孔加工設備，進入孔壁後，有極佳之限制二次雜散腐蝕能力，有助於維持極間電解環境，降低火花、短路、電極耗損率，將有更佳之孔壁垂直度與加工表現。

Description

變脈寬定電流控制之電化學加工方法及其裝置

本發明係有關一種電化學加工方法及其裝置，尤其是一種變脈寬定電流控制之電化學加工方法及其裝置。

一般而言，傳統加工方式為以刀具對一工件進行車、銑、鉋、磨或鑽，讓工件塑形或符合產品需求，但是，傳統加工方式容易因刀具殘留應力於工件上，因而讓工件微變形或讓工件之表面粗糙度變差，甚至牽涉到工件材質硬度高於刀具時，容易導致刀具毀損率高，因而需要提高刀具之硬度遂導致刀具成本提高。為了解決傳統加工的問題，遂發展出非傳統加工方式，例如：電化學加工、電解拋光等加工製程。

電化學加工(Electrochemical Machining，ECM)是一種通過電化學反應去除工件材料的一種加工方式，其原理係將兩金屬片分別作為電極陽極和陰極，放在電解溶液中接上直流電源，接於陽極之金屬將失去電子形成正離子溶於溶液中，正離子移向陰極，在陰極上得到電子而進行還原反應形成金屬，負離子移向陽極，在陽極表面失去電子而進行氧化反應，在陽、陰電極表面發生得失電子的化學反應稱之為電化學反應，利用電化學反應作用於金屬工件而 進行加工，由於，電化學加工有諸多優點，且其精密度高，因此滿足了許多金屬加工方面的特殊需求。

不同於傳統的物理加工方法，電化學加工係藉由電化學反應來進行去除處理或類似的處理。因此，電化學加工並不會讓工件容易產生缺陷，例如：不會導致應力殘留而發生變形，使得電化學加工可以在不破壞材料特性的情況下對工件來進行加工。

然而，發展至電化學加工在應用上，仍無可避免電性操作上的問題，例如：電源穩定性，而電源穩定性容易影響到電化學加工的精度，甚至是工件之加工面的表面粗糙度。

基於上述之問題，本發明提供一種變脈寬定電流控制之電化學加工方法及其裝置，其藉由電源供應器提供定電流源至調變控制電路，以產生較為穩定之輸出電源至電化學加工驅動器，使電化學加工驅動器驅動加工治具進行電化學加工時，可提供較佳之平滑度並減少變量。

本發明之主要目的，提供一種變脈寬定電流控制之電化學加工方法及其裝置，其藉由調變電源供應器之定電流源，以輸出較佳之定電流源，使電化學加工驅動器驅動加工治具進行電化學加工時，可具較佳之精度。

為了達到上述之目的，本發明揭示了一種變脈寬定電流控制之電化學加工方法，其先提供一定電流源，再以調變控制電路依據定電流源產生輸出電源，然後依據該輸出電源之一加工電流之感測結果調變輸出電源之脈波寬度。接續，將該輸出電源傳輸至一電化學加工驅動裝置，以驅使該電化學加工 驅動裝置所連接之一加工刀具對一工件進行電化學加工並依據該輸出電源之平均電壓控制該加工刀具之加工速率。藉由脈波寬度的調變，讓工件於電化學加工後之平滑度提升並減少加工精度上的變化量，因而讓電化學加工良率上升。

本發明提供一實施例，其內容在於該調變控制電路依據該定電流源之一加工電流調變該定電流源之一脈波寬度之步驟中，該調變控制電路控制該脈波寬度為一固定值或依據該工件之一材質調變該脈波寬度。

本發明提供一實施例，其內容在於該調變控制電路依據該定電流源之一加工電流調變該定電流源之一脈波寬度之步驟中，該調變控制電路依據一陰極與一陽極之間的阻抗值上升而調低該脈波寬度。

本發明提供一實施例，其內容在於該調變控制電路依據該定電流源之一加工電流調變該定電流源之一脈波寬度之步驟中，該調變控制電路依據該陰極與該陽極之間的阻抗值下降而調高該脈波寬度。

為了達到上述之目的，本發明另揭示了一種變脈寬定電流控制之電化學加工裝置，其包含一電源供應器、一調變控制電路以及一電化學加工驅動裝置，其中該電源供應器產生一定電流源，該調變控制電路電性接收該定電流源並依據該定電流源產生一輸出電源，且該調變控制電路依據該定電流源之一感測電流調變該輸出電源之一脈波寬度，其中該脈波寬度對應於該輸出電源之一平均電壓；該電化學加工驅動裝置電性連接該調變控制電路以及連接一加工治具，以該輸出電源驅動該加工治具進行電化學加工。定電流源更是具有變脈寬，也就是將定電流源及脈寬調變之電源提供至電化學加工裝置，亦即提供變速脈波之電源供應器提供電源至電化學設備，特別是電化學鑽孔加工裝置，其中調整脈波電源之占空比(Duty Cycle)以調整脈波寬度，確保極間環境都能流入相同的電流，用以避免電極間的電解環境改變並提升定域侵蝕能力。

本發明提供另一實施例，其內容在於該調變控制電路包含一電源驅動器(Power driver)、一控制器與一電流感測器，其中該電源驅動器電性連接該電源供應器與該電化學加工驅動裝置，接收該定電流源，以產生該輸出電源；該控制器電性連接該電源驅動器，且該電流感測器電性連接該控制器並感測該輸出電源之一電流值，以回饋一感測結果至該控制器，而驅使該控制器產生一控制訊號至該電源驅動器，該控制訊號驅使該電源驅動器調變該脈波寬度。

本發明提供另一實施例，其內容在於該電流感測器依據該電流值下降而產生一電阻值上升的感測結果至該控制器，該控制器依據該感測結果產生減少該脈波寬度之該控制訊號至該電源驅動器，以調變該輸出電源之該脈波寬度減少。

本發明提供另一實施例，其內容在於該電流感測器依據該電流值上升而產生一電阻值下降的感測結果至該控制器，該控制器依據該感測結果產生增加該脈波寬度之該控制訊號至該電源驅動器，以調變該輸出電源之該脈波寬度增加。

10:伺服器

12:電源供應器

14:調變控制電路

142:電源控制驅動器

144:控制器

144A:第一加總單元

144B:常數單元

144C:積分單元

144D:第二加總單元

144E:受控體

146:電流感測器

16:電化學加工驅動裝置

162:加工刀具

I:加工電流

IN1:第一輸入脈波

IN2:第二輸入脈波

IN3:第三輸入脈波

IN4:第四輸入脈波

OU1:第一輸出脈波

OU2:第二輸出脈波

OU3:第三輸出脈波

OU4:第四輸出脈波

OUT1:第一輸出電源

OUT2:第二輸出電源

P:定電流源

S:控制訊號

S10-S30:步驟

y:輸出

y_goal:輸入

第1圖：其為本發明之一實施例之流程圖；第2A圖：其為本發明之一實施例之系統示意圖；第2B圖：其為本發明之一實施例之系統示意圖；第2C圖：其為本發明之一實施例之控制器的示意圖；第2D圖：其為本發明之一實施例之定脈波寬度的示意圖； 第2E圖：其為本發明之一實施例之變脈波寬度的示意圖；第3A圖與第3B圖為本發明之一實施例之因果關係的示意圖；第4A圖：其為本發明之一實施例之第一孔徑的示意圖；第4B圖：其為本發明之一實施例之第二孔徑的示意圖；第5A圖：其為本發明之一實施例之第一孔徑邊緣的示意圖；第5B圖：其為本發明之一實施例之第二孔徑邊緣的示意圖；第6A圖：其為本發明之一實施例之第一孔徑側壁的示意圖；第6B圖：其為本發明之一實施例之第二孔徑側壁的示意圖；以及

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，謹佐以實施例及配合說明，說明如後：有鑑於習知定位技術對於可靠度的影響，據此，本發明遂提出一種變脈寬定電流控制之電化學加工方法及其裝置，以解決習知技術所造成之信賴度問題。

以下，將進一步說明本發明一種變脈寬定電流控制之電化學加工方法及其裝置所包含之特性、所搭配之結構及其方法：首先，請參閱第1圖，其為本發明之一實施例之流程圖。如圖所示，本發明之一種變脈寬定電流控制之電化學加工方法及其裝置，其步驟包含：步驟S10：提供一定電流源；步驟S20：一調變控制電路依據該定電流源產生一第一輸出電源；步驟S30：感測該第一輸出電源之一加工電流，以依據該加工電流之感測結果調變該第一輸出電源之一第一脈波寬度為一第二脈波寬度，而產生一第二輸出電源；以及步驟S40：輸出該第二輸出電源至一電化學加工驅動裝置所連接之一加工刀具並同時電性連接一工件，以對該工件進行電化學加工。

請一併參閱第2A圖與第2B圖，其為本發明之一實施例之系統示意圖。如圖所示，本發明之定電流源脈波寬度調變之電化學加工方法所採用之電化學加工裝置10包含一電源供應器12、一調變控制電路14與一電化學加工驅動裝置16，其中調變控制電路14進一步包含一電源驅動器142、一控制器144與一電流感測器146。調變控制電路14為電性連接至電源供應器12，因此調變控制電路14經電源驅動器142電性連接至電源供應器12，而接收定電流源P，同時電源驅動器142亦電性連接至電化學加工驅動裝置16，即電化學加工驅動裝置16為電性連接調變控制電路14，而控制器144為電性連接電源驅動器142，而電流感測器146為電性連接控制器144並感測電源驅動器142與電化學加工驅動裝置16之間的加工電流量。

於步驟S10中，透過電源供應器12產生一定電流源P，其中本實施例之定電流源P為定電流源；接續於步驟S20中，藉由調變控制電路14接收定電流源P並依據定電流源P，而產生對應之第一輸出電源OUT1，本實施例中，電源驅動器142為一電晶體電路，其設有複數個電晶體(圖未示)，例如：場效應電晶體(MOSFET)或雙極性電晶體(BJT)，以提供電源訊號轉換，因此依據定電流源P產生一第一輸出電源OUT1。於步驟S30中，控制器144為依據電流感測器146之感測結果產生控制訊號S至電源驅動器142，使電源驅動器142產生對應之一第二輸出電源OUT2，也就是依據第一輸出電源OUT1之一加工電流I進行脈波寬度調變，使電源驅動器142產生具第二脈波寬度之第二輸出電源OUT2，其中本實施例之第一脈波寬度即如第2C圖所示，本實施例之第一脈波寬度為50%占空比，也就是波峰跟波股的比是1：1，而本實施例之第二脈波寬度如第2D圖所示，本實施例之第二脈波寬度為80%占空比，也就是波峰跟波谷的比為4：1，另外根據陰極與陽極之間環境阻抗值變化而調節占空比，並隨著環境阻抗值變化，具第一脈波寬度之波形會變化如第一輸入脈波IN1、第二輸入脈波IN2、第二輸入脈波IN3與第四輸入脈波IN4，而具第二脈波寬度之波形會變化如第一輸出脈波OU1、第二輸出脈波OU2、第三輸出脈波OU3與第四輸出脈波OU4，即環境阻抗值越大，波形 變化越趨向於三角形，也就是三角波，環境阻抗值越小，波形變化越趨向於方形，也就是方波。

於步驟S40中，本實施例中，電化學加工驅動裝置16為一XYZ線性平台，其連接一電化學加工之加工刀具162，並藉由電性連接至工件W，而將第二輸出電源OUT2傳導至加工刀具162上，因而構成工件W為陽極，而加工刀具162為陰極，以進行電化學加工。

控制器144透過占空比控制，改變脈波寬度，改變平均電壓，使加工電流維持在目標值。

=D．v _max +(1-D)．v_min (式29)

其中v：平均電壓，f(t)：隨時變之電壓值，T：週期時間，D：占空比，設脈衝電占空比(Duty Cycle)為D通電時間：0<t<DT，斷電時間：DT<t<T。如第2C圖所示，控制器144為包含一第一加總單元144A、一常數單元144B、一積分單元144C、一第二加總單元144D與一受控體144E，第一加總單元144A之輸入端連接輸入端y_goal與輸出端y，常數單元144B與積分單元144C為輸入端連接至第一加總單元144A之輸出端，第二加總單元144D之輸入端連接常數單元144B與積分單元144C之輸出端，受控體144E接收第二加總單元144D之輸出並傳送至輸出端y。控制器144所對應之方程式如下：

其中K_p：比例增益常數、T_i：積分時間變量、e(t)：控制誤差量。

由上式30可知，本實施例之控制器144為利用RISC微處理器設計成比例-積分控制器，所以控制器144之控制原理就是透過目標與系統實際輸出的誤差比例、積分，並透過參數的設定決定兩者之間的權重，依兩者之間和即為系統的輸入值。其中比例控制項主要可以放大受控體的回授誤差量，減少上升時間。積分控制項主要目的在於累計先前的誤差量，即使微小誤差隨著時間的增加也隨之放大，因此積分控制有助於消除系統外界固定擾動所產生的穩態誤差。因此，控制器144控制電源驅動器142輸出如第2C圖與第2D圖所示之輸出電源OUT，控制器144調整占空比(duty cycle)相當於調整平均電壓，如第3A圖與第3B圖所示，調高占空比相當於調高平均電壓，因而增加電化學加工速度，反之，調低占空比相當於調低平均電壓，因而減緩電化學加工速度。因果關係如圖3A與圖3B所示，因此控制器144會依據陰極與陽極之間的環境阻值變化而調節占空比，其中占空比為20%至80%，但本發明不限於此，可依工件之材質進行參數調整，而對應調整占空比。

在加工刀具所在的陰極中，還原反應獲得電子產生氫氣，由於氫鍵對水的表面張力特別大，形成後常吸附在陰極表面上，編織成緻密氣泡膜。然而氣體之電阻極高(1011Ω以上)，因此含有氣泡之電解液導電度隨氣體含量增加而降低。電化學極間間隙導電度隨溫度、氣泡率的變化趨勢如以下方程式所揭示：β(x)=yg(x)/g (式24)

k(x)=k ₀[1+ξ(T(x)-T₀)][1-β(x)]ⁿp (式25)

其中β(x)：氣泡率變化

yg(x)：氣泡厚度(mm)、g：極間間隙(mm)、k(x)：一微電導率(μS/cm)、k ₀：初始電導率(μS/cm)、ξ：溫度係數、T(x)：溫度變化(℃)、T₀：初始溫度(℃)以及n_p：極間氣泡分布的指數常數

因此氣泡相對於導電度的影響如下：

因此，本發明之變脈寬定電流控制之電化學加工方法使氣泡形成率降低，藉此改善導電度過高或過低的問題，同時，本發明之定電流源脈波寬度調變之電化學加工方法藉由維持定電流源並調變脈波寬度的技術，以改善上表一所述之加工電源所產生的問題。

實施例一：由下表二至表三可知，定脈波寬度與變脈波寬度的差異在於占空比。如第4A圖至第6B圖所示，工件為304不鏽鋼(SUS304)，經調變控制電路14產生定脈寬電源以及變脈波寬度電源供應至電化學加工驅動裝置16之加工刀具162並對不鏽鋼進行鑽孔，在5mm深度鑽孔，第一鑽孔PO1及第二鑽孔PO2之最大孔徑達1.220mm，而其開口周緣ED1、ED2形成環形邊緣，且開口周緣ED1、ED2之邊緣寬度較為平均，同時第一鑽孔PO1及第二鑽孔PO2之側壁W1、W2較少顆粒狀。

實施例二：由下表四至表五可知，本實施例之工件為鉻鎳鐵合金(Inconel 718)，而定脈波寬度與變脈波寬度的差異在於占空比固定或變動。經調變控制電路14產生定脈寬電源以及變脈波寬度電流源供應至電化學鑽孔裝置並對鉻鎳鐵合金(Inconel 718)進行鑽孔，在5mm深度鑽孔，達成孔徑1.260mm，而其孔開口周緣形成環形邊緣，且邊緣寬度較為平均。且脈波寬度對應於工件的邊緣寬度，其中變脈波寬度情況下所產出之工件的邊緣寬度大於定脈波寬度情況下所產出之工件的邊緣寬度。

由以上實施例一、二可知，本發明之變脈寬定電流控制之電化學加工方法及其裝置使電化學加工可讓加工結果穩定，並讓離散程度維持在0.04釐米(mm)以下，以上實施例一、二為離散程度之舉例說明，但本發明並不侷限於此。該工件之邊緣寬度對應於該脈波寬度為一定脈波寬度或一變脈波寬度，特別是該調變控制電路使該輸出電源為變脈波寬度時，該工件之邊緣寬度較大。

綜上所述，本發明之變脈寬定電流控制之電化學加工方法及其裝置，藉由調變定電流源為輸出電源，以供應至電化學加工驅動裝置上的加工刀具，進而讓電化學加工之加工結果較為平滑且離散程度較低。因此，本發明藉由上述之技術使加工刀具進入孔壁後，有極佳之限制二次雜散腐蝕能力，有助於維持極間電解環境，降低火花、短路、電極耗損率，將有更佳之孔壁垂直度與加工表現。

故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。

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。

S10-S30 步驟

Claims (7)

1. 一種變脈寬定電流控制之電化學加工方法，其步驟包含：提供一定電流源；一調變控制電路依據該定電流源產生一第一輸出電源；感測該第一輸出電源之一加工電流，以依據該加工電流之感測結果調變該第一輸出電源之一第一脈波寬度為一第二脈波寬度，而產生一第二輸出電源，該第二脈波寬度對應於該第二輸出電源之一平均電壓；以及輸出該第二輸出電源至一電化學加工驅動裝置所連接之一加工刀具並同時電性連接一工件，以對該工件進行電化學加工，該工件之邊緣寬度對應於該第二脈波寬度為一定脈波寬度或一變脈波寬度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之變脈寬定電流控制之電化學加工方法，其中於依據該加工電流之感測結果調變該第一輸出電源之一第一脈波寬度為一第二脈波寬度之步驟中，該調變控制電路依據一陰極與一陽極之間的阻抗值上升而調低該第一脈波寬度而產生該第二脈波寬度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之變脈寬定電流控制之電化學加工方法，其中於依據該加工電流之感測結果調變該第一輸出電源之一第一脈波寬度為一第二脈波寬度之步驟中，該調變控制電路依據一陰極與一陽極之間的阻抗值下降而調高該第一脈波寬度而產生該第二脈波寬度。
4. 一種變脈寬定電流控制之電化學加工裝置，其包含：一電源供應器，產生一定電流源；一調變控制電路，電性連接該電源供應器，依據該定電流源產生一第一輸出電源並依據該第一輸出電源之一加工電流調變該第一輸出電源之一第一脈波寬度為一定脈波寬度或一變脈波寬度之一第 二脈波寬度，以產生一第二輸出電源，該第二脈波寬度對應於該第二輸出電源之一平均電壓；以及一電化學加工驅動裝置，電性連接該調變控制電路以及一加工治具，以該第二輸出電源驅使該加工治具進行電化學加工。
5. 如申請專利範圍第4項所述之變脈寬定電流控制之電化學加工裝置，其中該調變控制電路包含：一電源驅動器，電性連接該電源供應器與該電化學加工驅動裝置，接收該定電流源，以輸出該第一輸出電源；一控制器，電性連接該電源驅動器；以及一電流感測器，電性連接該控制器並感測該第一輸出電源之一電流值，以回饋一感測結果至該控制器，而驅使該控制器產生一控制訊號至該電源驅動器，該控制訊號驅使該電源驅動器調變該第一脈波寬度為該定脈波寬度或該變脈波寬度之該第二脈波寬度。
6. 如申請專利範圍第5項所述之變脈寬定電流 控制之電化學加工裝置，其中該電流感測器依據該電流值下降而產生一電阻值上升的感測結果至該控制器，該控制器依據該感測結果產生減少該第一脈波寬度之該控制訊號至該電源驅動器，以調變該第一輸出電源之該第一脈波寬度減少，而產生具該第二脈波寬度之該第二輸出電源。
7. 如申請專利範圍第5項所述之變脈寬定電流控制之電化學加工裝置，其中該電流感測器依據該電流值上升而產生一電阻值下降的感測結果至該控制器，該控制器依據該感測結果產生增加該第一脈波寬度之該控制訊號至該電源驅動器，以調變該第一輸出電源之該第一脈波寬度增加，而產生具該第二脈波寬度之該第二輸出電源。

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