JP5809137B2 - 被加工品を電解加工する電解加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの被加工品を電解加工する電解加工方法に関し、この場合に、被加工品は、異なるフェーズにおいて電流の流れによって処理され、電流の流れは、異なるフェーズにおいて異なる電流密度を有する。

電解加工（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ：ＥＣＭ）は、陽極化された金属製の被加工品の表面から金属を電気化学的に取り除くことによって金属を除去する方法であり、被加工品は、電気化学セルのコンポーネント部品である。この方法は、電解液によって充填された電気化学セル内における、ツール（カソード）での加工対象の金属製被加工品（アノード）表面の電気分解による、制御された陽極性の電気化学的分解に基づいている。電気分解とは、電解液である溶液内に浸漬された２つの電極（正に帯電したアノードと負に帯電したカソード）の間に電流が流れる化学的プロセスである。

加工対象の金属製被加工品の表面の陽極性の電気化学的分解の代表的な例は、電解研磨（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＥＣＰ）、電解バリ取り（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｅｂｕｒｒｉｎｇ：ＥＣＤ）、及び前述の電解加工である。電解研磨においては、金属製被加工品の表面が除去される。電解加工は、しばしば、異なる加工フェーズにおいて実行され、被加工品は、これらの異なる加工フェーズにおいて、異なる電流強度によって処理される。

独国特許出願公開第４２２７００５Ａ１号明細書は、被加工品の電解加工のための方法を開示しており、この方法においては、少なくとも２つの加工期間の間において電流が急激に増大している。この場合に、電流は、ツールと被加工品の間に流れている。この電流は、連続的な方式により、又はパルス化された方式により、供給されてもよい。この独国特許出願公開第４２２７００５Ａ１号明細書に記述されている方法は、特に、被加工品のバリ取りに使用される。

第１加工期間においては、電流強度は、電解液の過熱を防止するべく、相対的に小さなものとなるように選択される。これは、加工対象の被加工品のエッジの全体長の１ミリメートル当たりに０．５Ａという初期電流強度により、確実に実現することが判明している。第１加工期間における加工時間は、全体加工時間の１０％〜約４０％であり、全体加工時間は、多くの場合に、１〜３秒である。この第１加工期間に続いて、動作電流が、１．３〜１０倍だけ、急激に増大される。この急激に増大された電流レベルは、第２加工期間において、加工プロセスの終了時点まで保持されるが、この加工期間において、電流レベルの更なる増大が後続することも可能である。この明細書に記述されている方法の場合には、電気的な短絡の形成の低減が意図されている。

しかしながら、従来技術において既知の電解加工法によれば、特に、硝酸ナトリウムを電解液として使用した際に、被加工品上に堆積物が生成され、且つ、これらの堆積物は、被加工品表面の不動態化（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）をもたらす可能性があることが知られている。更には、低過ぎる電流密度による電解加工においては、被加工品の表面に、変色と、表面粗さの増大とが発生する。その一方で、高い表面品質が望ましいため、相対的に高い電流密度を使用しなければならず、これは、結果的に、加工精度に有害である。パルス化された直流によって表面品質を改善することは可能であるが、電流源により、まず、個々の電流パルスの間に適切な電流容量（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を生成しなければならないため、これは、加工プロセスの低速化に結び付く。更には、高電流強度の連続的な印加には、相応した規模の電流源が必要であり、この結果、購入及び稼働に伴う費用が増大する。

独国特許出願公開第４２２７００５Ａ１号明細書

従って、本発明の目的は、従来技術との関係における上述の問題点を少なくとも部分的に解決することにあり、且つ、具体的には、高加工速度を可能にし、低廉に使用されると共に、被加工品の高い表面品質を実現する、少なくとも１つの被加工品の電解加工のための方法を提供することにある。

これらの目的は、請求項１の特徴を有する方法によって実現される。本発明の更なる有利な形態は、従属請求項に規定されている。従属請求項に個別に提示されている特徴は、任意の望ましい技術的に有意な方法によって相互に組み合わせることが可能であり、且つ、本発明の更なる形態を規定可能であることに留意されたい。更には、請求項に規定されている特徴については、以下の説明において、更に正確に規定されると共に記述されており、これにより、本発明の更なる好適な形態が提示される。

少なくとも１つの被加工品の電解加工のための本発明による方法は、少なくとも、
ａ）第１フェーズにおいて、電解液中における第１電流密度を設定するステップと、
ｂ）第１フェーズに後続する第２フェーズにおいて、第１電流密度を維持するステップと、
ｃ）第２フェーズに後続する第３フェーズにおいて、第１電流密度を、第１電流密度と比較した場合に少なくとも３０％だけ高い第２電流密度に増大するステップと、
ｄ）第３フェーズに後続する第４フェーズにおいて、第２電流密度を、最大で１００マイクロ秒（μｓ）以内において、最大で第２電流密度の１％に低減するステップと、
を有する。

ステップａ）は、具体的には、第１フェーズにおいて、電解液中における被加工品とツール間に第１電流密度が設定されるという概念を表している。この場合に、電流密度とは、平方ミリメートルを単位とした自由カソード面積と、被加工品の加工面積と自由カソード面積の比率との積に対する、アンペアを単位とした電流強度の比率を意味するものと理解されたい。

ここで、

＝自由カソード面積との関係における平均電流密度であり、
Ｉ＝電流［Ａ］であり、
Ａ_１＝自由カソード面積［ｍｍ^２］であり、且つ、
Ａ_２＝加工面積［ｍｍ^２］である。

自由カソード面積とは、電圧が印加された際に加工対象の被加工品とカソードの間の電流の流れが通過するカソードのすべての面積の合計である。被加工品の加工面積とは、電流が流れた結果として化学反応が発生する被加工品のすべての面積の合計である。電圧が印加された際に、その結果生成される電界の影響下において、電流を伝導するすべての流体を電解液として使用可能であり、この場合に、好ましくは、硝酸ナトリウムが使用される。第１電流密度の設定は、任意の望ましい初期電流密度に基づいて実行してもよい。但し、０Ａ／ｍｍ^２の初期電流密度に基づいた第１電流密度の設定又は最新の加工サイクルが終了した際の電流密度に対応した初期電流密度による第１電流密度の設定が好ましい。この場合に、初期電流密度とは、ステップａ）の開始時点の前に被加工品とツールの間に存在する電解液中における電流密度を意味している。第１電流密度に対する初期電流密度の適合は、線形的に、逓減的に（ｄｅｇｒｅｓｓｉｖｅｌｙ）、又は累進的に（ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｌｙ）実行してもよい。好ましくは、第１電流密度は、０．８Ａ／ｍｍ^２未満であり、これにより、本方法を持続可能に実行する装置に関連した支出の許容可能なレベルへの低減と、従来技術において既知の方法によるものを下回る表面粗さの実現とが保証される。

ステップｂ）においては、第１フェーズに後続する、具体的には、直接的に後続する第２フェーズにおいて、この第１電流密度が実質的に一定に維持されるが、電流密度の±１０％の、好ましくは、±５％の、並びに、特に好ましくは、±２％の規則的な変動を許容可能である。被加工品からの材料の除去は、多くの場合に、この第２フェーズにおいて主に実行される。

ステップｂ）とステップｃ）の間において、ギャップ内の電解液の圧力及び／又は電解液の流量を増大させることが有利でる場合がある。これにより、加工空間の冷却の改善を実現可能である。このステップｃ）の前の準備期間（ｌｅａｄ）は、例えば、数秒であってもよいが、ステップｃ）と同時に実行してもよい。

ステップｃ）においては、第２フェーズに後続する、具体的には、直接後続する第３フェーズにおいて、第１電流密度が、第１電流密度と比べた場合に、少なくとも３０％だけ、好ましくは、少なくとも５０％だけ、特に好ましくは、少なくとも１００％だけ高い第２電流密度に、増大される。好ましくは、この場合に、第２電流密度は、少なくとも０．８Ａ／ｍｍ^２であることを要する。この場合に、電流密度の増大は、好ましくは、急激に実行され、即ち、時間（ｔ）との関係における電流密度の上昇は、可能な限り急激であることを要する。この第１電流密度と比較した場合に少なくとも３０％だけ高い、第２電流密度への第１電流密度の急激な増大により、被加工品の表面が研磨される。第３フェーズは、第２電流密度への到達によって終了する。

好ましくは、第３フェーズに直接的に後続するステップ（ｄ）においては、第２電流密度は、第４フェーズにおいて、１０〜１００マイクロ秒（μｓ）以内において、好ましくは、３０〜８０マイクロ秒（μｓ）以内において、特に好ましくは（例えば、０．８〜１．０Ａ／ｍｍ^２という第２電流密度の場合に）、実質的に５０〜６０マイクロ秒（μｓ）以内において、最大で第２電流密度の１％に、好ましくは、実質的に０Ａ／ｍｍ^２に、低減される。この実質的に０Ａ／ｍｍ^２の電流密度への第２電流密度の迅速且つ能動的な低減により、被加工品の極めて高い表面品質が得られることが明らかになった。具体的には、被加工品の表面の不動態化及び変色が防止される。

本明細書において提案されている方法の場合には、第２フェーズにおける第１電流密度が、０．３Ａ／ｍｍ^２〜０．７Ａ／ｍｍ^２、好ましくは、０．４Ａ／ｍｍ^２〜０．６Ａ／ｍｍ^２、特に好ましくは、実質的に０．５Ａ／ｍｍ^２であることも有利であると考えられる。この電流密度は、大量の材料が被加工品から除去され、且つ、その結果、高加工速度が実現されるという効果を具備している。

第３フェーズの（少なくとも終了時点における）第２電流密度が、少なくとも０．５Ａ／ｍｍ^２、好ましくは、少なくとも０．８Ａ／ｍｍ^２であることも有利であると考えられる。この電流密度によれば、被加工品の特に効果的な研磨により、極めて高い表面品質が実現される。

本発明の別の態様においては、第４フェーズにおける第２電流密度の低減は、電圧の逆転によって実行される。このようなツールと被加工品（カソードとアノード）の極性反転の形態における電圧の逆転は、使用される電流源の技術的な特性が、通常状態において、必要とされる時間内における第２電流密度の強力な低減を許容しない場合にも、第２電流密度の実質的に０Ａ／ｍｍ^２への極めて迅速な低減を実現可能であるという効果を具備している。これを実現するべく、特に、この段階において、負の電位を有する第２電流を付与してもよい。好ましくは、この第２回路は、（少なくとも）４００アンペアの連続定格と、（少なくとも）１秒にわたる（少なくとも）１０００アンペアの短時間定格と、を有する発電機（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を具備する。好ましくは、この第２回路により、第４フェーズにおいて最大で１０個のパルスが生成される。

本発明の更なる好適な実施例においては、ステップｃ）において、第２電流密度は、実質的に部分的に一定に維持されている。但し、電流密度は、ステップｃ）とステップｄ）の間において、一時的に、実質的に一定に維持してもよい。この時間の長さは、粗さ、色合い、及び輝きなどの実現可能な表面品質に影響し、且つ、要件に応じて適合可能である。

本発明の一態様においては、第２フェーズにおける加工時間は、その他のフェーズにおける加工時間の合計を上回る。

個々のフェーズは、具体的には、以下の長さを具備してもよい。
− 第１フェーズ：１００μｓ〜５００μｓ
− 第２フェーズ：１０ミリ秒〜１００秒
− 第３フェーズ：連続した状態において最大で１秒、又はパルス化された状態において合計最大で１秒
− 第４フェーズ：最大で７０μｓ

以下、添付図面に基づいて、本発明及び技術的な環境について更に詳細に説明する。添付図面は、本発明の特に好適な構成における一変形を示しているが、本発明は、これに限定されないことに留意されたい。図面は以下のものである：

加工サイクルにおける電流密度の変動を概略的に示す。 少なくとも１つの被加工品の電解加工のための方法を実行する際の条件の例を概略的に示す。

図１は、加工時間ｔに伴う電流密度の変動８（実線）及び電圧の変動１４（一点鎖線）を示すグラフ７を示している。この場合に、グラフ７のｙ軸は、Ａ／ｍｍ^２［アンペア／平方ミリメートル］を単位とする電流密度、又はＶ［ボルト］を単位とする電圧を示しており、且つ、グラフ７のｘ軸は、加工時間ｔを示している。グラフ７は、第１フェーズ１を示しており、この第１フェーズにおいては、電流密度の変動８は、初期電流密度９（この場合には、実質的に０Ａ／ｍｍ^２である）から（逓減的に）第１フェーズ１の終了時点における第１電流密度２まで上昇しており、且つ、電圧変動１４は、初期電圧２３（この場合には、実質的に０ボルトである）から（逓減的に）第１フェーズ１の終了時点における第１電圧１１まで上昇している。この場合に、グラフ７の原点は、加工サイクル１０の開始時点における０Ａ／ｍｍ^２の初期電流密度９と、０ボルトの初期電圧２３とを表している。第１フェーズ１の終了時点において第１電流密度２に到達し、且つ、第１フェーズ１の終了時点において第１電圧１１に到達した時、或いは、場合によっては、終了時点の前の段階において、第２フェーズ３が始まる。この第２フェーズ３においては、第１電流密度２が維持されており、且つ、従って、電流密度プロファイル８は、第２フェーズ３内において、上昇も下降もしない。第１電圧１１も、第２フェーズ３においては、第２フェーズ３の終了時点まで、又は第２フェーズ３の終了時点の直前の時点まで、維持されており、且つ、従って、電圧変動１４は、第２フェーズ３内において、又は第２フェーズ３の終了時点の直前の時点まで、上昇も下降もしない。第２フェーズ３には、第３フェーズ４が後続しており、この第３フェーズ４においては、第１電流密度２は、第２電流密度５に急激に増大しており、この第２電流密度５は、第１電流密度２と比べた場合に、少なくとも３０％だけ高い。第１電圧１１も、この第３フェーズ４において、第２電圧１２に増大する。第３フェーズ４には、第４フェーズ６が後続しており、この第４フェーズ６において、第２電流密度５は、最大で１００μｓ以内において、０Ａ／ｍｍ^２に低減される。第４フェーズ６の開始時点においては（又は第３フェーズ４の終了時点においては）、第３電圧１３への電圧の逆転２４が実施されており、第４フェーズ６において、第３電圧１３は、最大で１００μｓ以内において、０ボルトに低減される。

従って、本発明による方法は、一例として上述の好適な例示用の実施例に示されているように、対応する電圧の変動に基づいて識別又は（機械）制御することも可能である。

図２は、少なくとも１つの被加工品１９の電解加工のための方法を実行する装置の例示用の実施例を示しており、且つ、特に、ギャップ内の状況の例示に有用である。この目的のために、電流源１５が、導電性を有する方式により、被加工品１９（アノード２２）とツール１７（カソード１６）に接続されている。この被加工品１９とツール１７の間には、ギャップ１８が形成されており、このギャップは、被加工品１９とツール１７の間の距離を規定している。このギャップ１８内には、図示されてはいない電解液が存在している。ツール１７は、自由カソードエリア２０を具備しており、電圧が電流源１５によって印加された際に、この自由カソードエリアを電流の流れ（図には、破線で表されている）が被加工品１９に向かって通過する。これにより、被加工品１９の加工エリア２１の領域内の金属が除去される。

本発明による電解加工のための方法は、高加工速度と、加工済みの被加工品の高表面品質とによって弁別され、且つ、同時に、低廉に使用される。

１ 第１フェーズ
２ 第１電流密度
３ 第２フェーズ
４ 第３フェーズ
５ 第２電流密度
６ 第４フェーズ
７ グラフ
８ 電流密度の変動
９ 初期電流密度
１０ 加工サイクル
１１ 第１電圧
１２ 第２電圧
１３ 第３電圧
１４ 電圧の変動
１５ 電流源
１６ カソード
１７ ツール
１８ ギャップ
１９ 被加工品
２０ 自由カソードエリア
２１ 加工エリア
２２ アノード
２３ 初期電圧
２４ 電圧の逆転
ｔ 時間
Ａ アンペア
Ｖ ボルト
ｍｍ^２ 平方ミリメートル

Claims (7)

1. 少なくとも１つの被加工品を電解加工する電解加工方法であって、少なくとも、
   ａ）第１フェーズ（１）において、電解液中における第１電流密度（２）を設定するステップと、
   ｂ）前記第１フェーズ（１）に直接後続する第２フェーズ（３）において、前記第１電流密度（２）を維持するステップと、
   ｃ）前記第２フェーズ（３）に直接後続する第３フェーズ（４）において、前記第１電流密度（２）を、前記第１電流密度（２）から前記第１電流密度（２）と比べた場合に少なくとも３０％だけ高い第２電流密度（５）に増大するステップと、
   ｄ）前記第３フェーズ（４）に後続する第４フェーズ（６）において、前記第２電流密度（５）を、最大で１００マイクロ秒（μｓ）以内において、最大で前記第２電流密度の１％に低減するステップと、
   を有し、
   前記第１フェーズ（１）から前記第３フェーズ（４）にわたる電解加工において、前記電解液は０Ａ／ｍｍ^２ではない陽の電流密度である、電解加工方法。
2. ステップｂ）とステップｃ）の間において、少なくとも電解液の圧力又は電解液の流量が増大するステップを有する、請求項１に記載の電解加工方法。
3. 前記第２フェーズ（３）における前記第１電流密度（２）は、０．３Ａ／ｍｍ^２と０．７Ａ／ｍｍ^２の間である、請求項１又は２に記載の電解加工方法。
4. 前記第３フェーズ（４）における前記第２電流密度（５）は、少なくとも０．５Ａ／ｍｍ^２である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電解加工方法。
5. 前記第４フェーズ（６）における前記第２電流密度（５）の前記低減は、電圧の逆転によって実行される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電解加工方法。
6. 前記第２電流密度（５）は、ステップｃ）において、部分的に一定である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電解加工方法。
7. 前記第２フェーズ（３）における加工時間は、前記その他のフェーズ（１、４、６）における加工時間の合計を上回る、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電解加工方法。

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