專利名稱：電化學(xué)加工工件的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及借助于電極來電化學(xué)加工工件的方法，它包括如下步驟使工件和電極相互接觸，設(shè)置電極和工件之間的工作距離，同時(shí)在工件和電極之間保持裝有電解質(zhì)的間隙，及借助電極和工件使工作電流通過間隙中的電解質(zhì)，從而加工工件。
本發(fā)明還涉及通過電極來電化學(xué)加工工件的裝置，在該裝置中，工作距離設(shè)置在電極和工件之間，同時(shí)工件和電極之間的間隙裝有電解質(zhì)，在該裝置中，借助電極和工件使工作電流通過間隙中的電解質(zhì)來加工工件，該裝置包括基體，它用來安置工件，電極夾，它用來安置電極，致動(dòng)器，它使用電極夾和基體相互移動(dòng)，探測(cè)裝置，它探測(cè)電極和工件之間的接觸，及控制單元，它控制致動(dòng)器。
而且，本發(fā)明涉及控制單元，該控制單元控制裝置中的致動(dòng)器從而通過電極來電化學(xué)加工工件。
從出版物CIRP年刊Vol.44/1/95的“模擬和監(jiān)視脈沖電化學(xué)加工上的電子間隙”中可以了解到這種方法。在這種公知的方法中，工件通過電解質(zhì)中的電極來加工，而該電解質(zhì)由水中的15％的NaCL溶液組成。所述的公開物表明當(dāng)電極和工件之間提供較小的工作距離時(shí)，加工精確度較高。在實(shí)驗(yàn)?zāi)M中，設(shè)置了至少0.1mm的工作距離，之后，工作電流通過工件和電極之間的間隙中的電解質(zhì)。根據(jù)這種公開，工作距離常常由這些來設(shè)置使電極和工件相互產(chǎn)生接觸，之后把電極定位在離開工件的理想距離中。這種方法的缺點(diǎn)是在設(shè)置成小工作距離的情況下，極有可能在施加電流時(shí)在電極和工件之間產(chǎn)生跳火或者短路，其結(jié)果是，電極和/或工件由于工作電流在短路和跳火的位置上產(chǎn)生的熱量而被損害。
本發(fā)明的目的是減少可能產(chǎn)生的跳火或者短路。為此，本發(fā)明方法的特征在于工作距離通過下面的方法來設(shè)置從電極和工件之間的接觸位置開始把電極和工件之間的距離增加第一距離，接著，探測(cè)電極和工件之間的接觸是否被破壞，及如果探測(cè)表明電極和工件之間的接觸被破壞掉，那么把電極和工件之間的距離增加第二距離。
本發(fā)明是基于該事實(shí)的識(shí)別在電極和工件產(chǎn)生接觸之后把它們相互遠(yuǎn)離移動(dòng)一個(gè)理想的距離而不會(huì)總是產(chǎn)生理想的工作距離的設(shè)置。由于彈性元件的原因，因此所得到的工作距離可以比理想的工作距離小，甚至可能持續(xù)地進(jìn)行電接觸。如果理想的工作距離是微米級(jí)的，那么可能發(fā)生的這些是有價(jià)值的。所述的彈性元件可以是用來相對(duì)于工件定位電極的裝置的部分，和/或可以由間隙中的毛刺或者雜質(zhì)形成。如果工作距離比理想的要小，那么電流強(qiáng)度比預(yù)料中的要高，因此存在間隙中產(chǎn)生出氣的較大危險(xiǎn)。其結(jié)果是，具有較大的跳火危險(xiǎn)。如果在工作距離設(shè)置之后持續(xù)進(jìn)行電接觸，那么由于工作電流的原因，在電接觸的位置處的電流強(qiáng)度是如此的高以致?lián)p害電極和/或工件。本發(fā)明的方法確保了實(shí)際間隙具有至少第二距離的大小。這就防止了短路或者跳火的產(chǎn)生。這種方法的結(jié)果是，基本上減少了損害工件和/或電極的危險(xiǎn)，以可靠方式設(shè)置了微米級(jí)大小的工作距離。
本發(fā)明的方法具有這些優(yōu)點(diǎn)關(guān)于所設(shè)置的工作距離的大小相對(duì)于所設(shè)置的工作距離的平均大小的不確定性較小。這會(huì)引起均勻的溶解速度和電極的精確復(fù)制。
本發(fā)明的方法具有這樣的優(yōu)點(diǎn)如果電接觸由于毛刺或者雜質(zhì)的存在而沒有被中斷，那么毛刺或者雜質(zhì)可以通過增加電極和工件之間的距離來分開，從而，例如，可以隨電解質(zhì)沖洗掉。第三距離的最佳值依賴于幾何形狀，并在實(shí)踐中接近0.1mm。
本發(fā)明的方法具有這些優(yōu)點(diǎn)工作距離中的可能漂移周期性地被校正，因此電解質(zhì)可以更好地流過，其結(jié)果是，在間隙增大時(shí)可以更好地更新。
本發(fā)明的方法具有這些優(yōu)點(diǎn)在溶解工件時(shí)，工作距離的大小基本上保持不變。
本發(fā)明的方法是用來估算溶解速度的簡(jiǎn)單方法。
本發(fā)明的方法具有這些優(yōu)點(diǎn)電極和工件之間存在的接觸可以為簡(jiǎn)單裝置所探測(cè)到。
本發(fā)明的方法具有這些優(yōu)點(diǎn)一方面，電壓足夠高從而使噪聲和工件與電極之間的電池效應(yīng)最小，另一方面，電壓足夠小從而防止熔解電極或工件。
本發(fā)明的方法具有這些優(yōu)點(diǎn)在電流強(qiáng)度較高時(shí)，工件以高速溶解，而在電流強(qiáng)度較低時(shí)，以低速溶解。由于電流強(qiáng)度隨著電極和工件之間的距離的增加而減少，這種方法確保了限制所謂的側(cè)溶解，從而工件的加工表面近以為電板表面的反面。
本發(fā)明的方法具有這些優(yōu)點(diǎn)加工速度和精確度基本上比用在現(xiàn)有技術(shù)中的工作距離大小的情況下的高。本發(fā)明的方法使得以可靠的方式來建立這種較小的工作距離，因此可以得到所述的優(yōu)點(diǎn)而沒有增加損害工件和/或電極的危險(xiǎn)。發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的方法產(chǎn)生特別滿意的結(jié)果。第一距離的最佳值依賴于移動(dòng)極限和裝置中的彈性，并且最好根據(jù)實(shí)驗(yàn)來決定。第二距離的最佳值尤其依賴于電極的幾何形狀，并最好也由實(shí)驗(yàn)來決定。
本發(fā)明的裝置和控制單元的特征在于采用了控制單元。
在電極和工件之間設(shè)置第一距離，探測(cè)電極和工件之間的接觸是否破壞掉，及把工件和電極之間的距離增加第二距離。
現(xiàn)在，參照附圖，以例子的方式來詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中

圖1示意性地表示裝置1，在電極3的幫助下，它用來電化學(xué)地加工工件2，圖2示意性地表示實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法過程中作為時(shí)間函數(shù)的工件2和電極3之間的間隙4的大小d和電壓U。
圖3示意性地表示在工件2和電極3之間的距離增加第一距離d1之后，發(fā)現(xiàn)接觸沒有被破壞掉的情況下，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法過程中作為時(shí)間函數(shù)的工件2和電極3之間的間隙4的大小d和電壓U。
圖4是表示作為不同工作電壓U1和U2的工作距離dw的函數(shù)的溶解速度Vf的圖。
圖1是借助于電極3來電化學(xué)加工工件2的裝置1的圖解。裝置1包括基體6，它用來安置工件2；電極夾7，它用來安置電極3；及致動(dòng)器8，它使電極夾7和基體6相互移動(dòng)?；w6和致動(dòng)器8安裝在具有剛性結(jié)構(gòu)的機(jī)架9上，從而使得電極3和工件2之間的工作距離dw設(shè)置得很精確。該裝置還包括儲(chǔ)存器10，該儲(chǔ)存器10以這種方式來裝有電解質(zhì)5由于電極3和工件2之間的工作距離dw而形成的間隙4裝有電解質(zhì)5。在這種情況下，電解質(zhì)包括溶解在水中的NaNO3。作為一個(gè)替換實(shí)施例，使用其它電解質(zhì)如氯酸鈉或者NaNO3和酸的化合物也是可以的。借助于未示出的裝置通過間隙4泵抽出電解質(zhì)5，借助于裝置1，通過工作電流I來加工工件2，該工作電流I來自電源40且經(jīng)由電極3和工件2通過在間隙4的電解質(zhì)5。當(dāng)工作電流I的極性正確時(shí)，這引起工件2的材料在電極和工件之間的小距離的位置處溶解在電解質(zhì)5中。其結(jié)果是，電極3的形狀復(fù)制在工件2上。裝置1還包括探測(cè)裝置20，它探測(cè)電極3和工件2之間的接觸；及控制裝置30，它控制致動(dòng)器8。探測(cè)裝置20包括限流電壓源21，在這種情況下，只要沒有驅(qū)動(dòng)電流限制器，電壓源21就提供接近2V的電壓Um；監(jiān)視器22，監(jiān)視器22監(jiān)視電極3和工件2之間的壓差U。參照?qǐng)D2所描述的控制單元30適合于實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法。
圖2示意性地表示了在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法期間作為時(shí)間函數(shù)的工件2和電極3之間的距離d和電壓U。在第一相I中，根據(jù)這種方法，開關(guān)23(見圖1)閉合，工件2和電極3之間的距離d減少直到工件2和電極3相互產(chǎn)生接觸為止。這種接觸的結(jié)果是，限流器被驅(qū)動(dòng)，而電壓U減少到接近零V(階段Ⅱ)。之后，通過把電極3和工件2之間的距離d增加第一距離d1(階段Ⅲ)來設(shè)置電極3和工件2之間的工作距離dw，該距離dw開始于電極3和工件2之間的接觸位置，接著通過監(jiān)視電壓U來探測(cè)電極3和工件2之間的接觸是否破壞掉(階段Ⅳ)，如果探測(cè)表明電壓U又接近2V，這表明電極3和工件2之間的接觸被破壞掉，那么把工件2和電極3之間的距離d增加第二距離d2(階段Ⅴ)。最好，工作距離dw小于50um。此外，通過選擇第一距離d1的預(yù)定值和通過選擇相對(duì)于第二距離d2相對(duì)較小的第一距離d1來限制實(shí)際工作距離dw的擴(kuò)大。d1在2到10um之間及d2在5到30um時(shí)，可得到滿意結(jié)果。
最好，第一距離d1(階段Ⅲ)之后的某時(shí)實(shí)現(xiàn)通過監(jiān)視電壓U(階段Ⅳ)來探測(cè)電極3和工件2之間的接觸是否破壞掉。這是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)在階段Ⅲ電壓慢慢地返回到原始范圍Um。這是由電解質(zhì)5內(nèi)的電池效應(yīng)所引起的。最好通過確定電壓U是否大于比如0.5Um以便使探測(cè)時(shí)的電池效應(yīng)和其它噪聲或者干擾源的影響最小，來實(shí)現(xiàn)通過監(jiān)視電壓U(階段Ⅳ)探測(cè)電極3和工件2之間的接觸是否破壞掉。
根據(jù)所描述的方法來設(shè)置工作距離之后，借助于閉合開關(guān)43，來自電源40的工作電流I在階段Ⅵ期間通過位于工作距離dw中的電解質(zhì)5。最好，電源40提供脈沖電壓Up，因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)它比連續(xù)的電壓，能更加均勻地溶解工件2。之后，在階段Ⅶ中，工件2和電極3之間的距離增加距離d3，因此使得工作距離dw中的電解質(zhì)5容易更新。在幾十個(gè)微米的工作距離dw時(shí)，因?yàn)橥ㄟ^這種工作距離的電解質(zhì)的流速不大使電解質(zhì)快速飽和。距離d增大后，工作距離dw最好根據(jù)本發(fā)明的方法重新設(shè)置，從而定期地重復(fù)這樣的操作使工件2和電極3產(chǎn)生接觸，并設(shè)置電極3和工件2之間的工作距離dw。
在圖2中，字母FF表示實(shí)施例，在該實(shí)施例中，在工作電流I通過電解質(zhì)5期間，根據(jù)材料溶解的估算速度Vf，電極3和工件2相互移近。這種溶解速度Vf可以估算，例如根據(jù)在兩個(gè)接觸階段之間的電極3和工件2的相對(duì)位移來估算。
圖3示意性地表示在工件2和電極3之間的距離d增加第一距離d1(階段Ⅳ)之后而發(fā)現(xiàn)接觸沒有被破壞掉的情況下，在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法過程作為時(shí)間函數(shù)的工件2和電極3之間的距離d和電壓U。在這種情況下，與圖2的階段Ⅶ相同，工件2和電極3之間的距離增加第三距離d3，接著采用參照?qǐng)D2所概述的步驟。
圖4是表示作為不同工作電壓U1和U2，的工作距離dw的函數(shù)的溶解速度Vf的圖，其遵守U2＞U1。該圖表示溶解速度Vf基本上隨著工作距離dw的減少而增加。本發(fā)明方法比上述公開的方法使得所設(shè)置的工作距離更小，不會(huì)由于短路或者跳火的結(jié)果而增加損害工件2或者電極3的危險(xiǎn)。其結(jié)果是，可得到較高的溶解速度Vf。同時(shí)，橫向溶解快速產(chǎn)生引起相對(duì)較小溶解速度Vf(見圖4)的距離d時(shí)，得到較高的精確度，因此工件2的機(jī)加工表面近似于電極3的相應(yīng)表面的反向復(fù)制。
應(yīng)當(dāng)注意到，本發(fā)明不局限于所示出的變形。在沒有脫離本發(fā)明范圍可以有許多其它變形。因此，以其它方式如借助于脈沖電流源或者電壓源或者借助于通過電極來測(cè)量施加在工件上的力的壓力傳感器，從而探測(cè)電極和工件之間的接觸是可能的。還可以在階段Ⅳ期間，任意與電壓U的增大結(jié)合時(shí)，通過復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)如電壓U的平均值來進(jìn)行探測(cè)在電極3和工件2之間的距離增加了第一距離之后該接觸是否被破壞掉。而且，借助于電解質(zhì)合適的幾何形狀，在間隙中實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)的滿意更新是可能的，這使得間隙的循環(huán)擴(kuò)大可以消除。
權(quán)利要求
1．一種借助于電極(3)進(jìn)行電化學(xué)加工工件(2)的方法，包括步驟使工件和電極相互接觸，設(shè)置電極和工件之間的工作距離(dw)，同時(shí)在工件和電極之間保持裝有電解質(zhì)(5)的間隙(4)，及借助電極和工件使工作電流(I)通過間隙中的電解質(zhì)，從而加工工件，其特征在于工作距離(dw)通過下面的方法來設(shè)置從電極(3)和工件(2)之間的接觸位置開始把電極和工件之間的距離(d)增加第一距離(d1)，接著探測(cè)電極和工件之間的接觸是否被破壞，及如果探測(cè)表明電極和工件之間的接觸被破壞掉，那么在電極和工件之間增加第二距離(d2)。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第一距離(d1)是預(yù)定距離，第一距離相對(duì)于第二距離(d2)比較小。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于把工件(2)和電極(3)之間的距離(d)增加第三距離(d3)，之后，間隙中的電解質(zhì)(5)通過沖洗來更新，這時(shí)，在設(shè)置了預(yù)定距離(d1)之后，如果發(fā)現(xiàn)電極和工件之間的接觸沒有被破壞掉，那么工件和電極相互又產(chǎn)生了接觸。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于這些步驟使工件(2)和電極(3)相互產(chǎn)生接觸，設(shè)置電極和工件之間的工作距離(dw)的步驟循環(huán)地重復(fù)。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過工作電流(I)來溶解工件(2)的材料，及在工作電流通過電解質(zhì)(5)期間，根據(jù)估算的材料溶解速度(Vf)，電極(3)和工件相互相向移動(dòng)(FF)。
6．如權(quán)利要求4和5所述的方法，其特征在于根據(jù)在兩個(gè)接觸階段之間的電極(3)和工件(2)之間的相對(duì)位移(d4)來估算溶解速度(Vf)。
7．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過連接電極和工件之間的限流電壓源及監(jiān)視電極和工件之間電壓差來探測(cè)電極(3)和工件(2)之間的接觸。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于電壓源(21)提供1到3V之間的電壓(Um)。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于電解質(zhì)包括NaNO3。
10．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于設(shè)置比50um小的工作距離(dw)。
11．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于第一距離(d1)處于2到10um之間，第二距離(d2)處于5和30um之間。
12．一種通過電極(3)來電化學(xué)加工工件(2)的裝置(1)，其中，工作距離(dw)設(shè)置在電極和工件之間，同時(shí)工件和電極之間的間隙(4)裝有電解質(zhì)(5)，在該裝置中，借助于電極和工件工作電流(I)通過在間隙內(nèi)的電解質(zhì)來加工工件，該裝置包括基體(6)，它用來安置工件，電極夾(7)，它用來安置電極，致動(dòng)器(8)，它使電極夾和基體相互移動(dòng)，探測(cè)裝置(20)，它探測(cè)電極和工件之間的接觸，及控制單元(30)，它控制致動(dòng)器，其特征在于采用了控制單元(30)設(shè)置電極和工件之間的第一距離(d1)，探測(cè)電極和工件之間的接觸是否被破壞，及把電極和工件之間的距離(d)增加第二距離(d2)。
13．一種用來控制裝置(1)的致動(dòng)器的控制單元(30)，該裝置(1)通過電極(3)來電化學(xué)加工工件(2)，其特征在于采用了控制單元(30)設(shè)置電極和工件之間的第一距離(d1)，探測(cè)電極和工件之間的接觸是否被破壞，及把電極和工件之間的距離(d)增加第二距離(d2)。
全文摘要
在一種電化學(xué)加工的方法中,通過使工件(2)與電極(3)接觸(階段Ⅰ)來設(shè)置工作距離(dw),把工件(2)和電極(3)之間的距離增加第一距離(d1)(階段Ⅱ－Ⅲ),探測(cè)電極(3)和工件(2)之間的接觸是否被破壞(階段Ⅳ),還把工件(2)和電極(3)之間的距離增加第二距離(d2)。由于這種方法,因可以設(shè)置一個(gè)伴隨有限的短路和跳火的危險(xiǎn)非常小的工作距離。
文檔編號(hào)B23H7/16GK1312744SQ99800466
公開日2001年9月12日 申請(qǐng)日期1999年3月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月6日
發(fā)明者H·S·J·阿爾特納, M·布魯瑟, A·M·波爾斯馬, F·克拉默 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司