控制电化学加工工艺的方法

专利名称：控制电化学加工工艺的方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的控制电化学加工导电性工件的工艺的方法，以及涉及一种如权利要求30的前序部分所述的电化学加工的方法。本发明进一步涉及一种如权利要求39的前序部分所述的实行控制电化学加工工艺方法的装置，同样涉及一种如权利要求68的前序部分所述的电化学加工的装置。
背景技术：
电化学加工是一种当提供电解液和电流时导电性工件在电极的位置溶解的工艺。为此目的，电极邻近工件引入并且，当电解液被注入工件和电极间的空隙时，电流经电解液流过工件和电极，此时相对于电极工件为阳极。在保持足够的空隙以补充电解液的同时电流可以恒定电流的形式提供。该方法允许高速率除去溶解的材料。电流同样可以具有特定幅度和宽度的脉冲的形式提供，在加工脉冲间的间隔中补充电解液。则在补充过程中工件和电极间的空隙比在加工过程中的大。在加工过程中小的空隙允许较高的加工准确度。在施加电流的过程中，电极和工件以给定的进给速率彼此相对运动，其结果是电极在工件的形状总形成内腔或最终形成一孔，该内腔或孔的形状对应于电极的形状。该工艺可被用于，例如，在硬性金属或合金中制造复杂的内腔或孔。
但是，实际上可能出现不需要的工艺条件可使正常的加工操作降级。这可能例如由于产生在空隙间可能出现的火花放电造成的。这种火花放电可能导致电极和工件的损坏。另一不希望的工艺条件是在加工空隙内存在充有气体的气泡或内腔，造成电解液中非导电区域。这可导致不希望的和不确定的工件表面粗糙度。这些充有气体的气泡可能由于温度升高或压力下降沿流动通道方向上升。如果该长大是由例如由于电流流过温度升高造成的，出现沸腾。如果该长大是由于压力下降造成的，一般认为出现气穴现象。另一不希望的工艺条件被称为阻塞，它由空隙最小面积决定的最大质量流速诱发的。再一不希望的工艺条件是在工件的表面上出现钝化或非导电层。
例如从可在本说明书的结尾部分找到的参考文献目录中文献D1，国际专利出版号WO 99/34949中已知，用天线装置测量由空隙产生的高频电磁波以避免这些不希望的工艺条件。这些被认为是表现为被认为是火花放电先驱物的所谓的部分放电。但是，电磁波的测量易受工业环境的干扰。同样从该信息中没有推出关于出现如上所述的其它不希望的工艺条件的信息。
从可在本说明书的结尾部分找到的参考文献目录中文献D2，国际专利出版号WO 97/03781中已知，分析由施加的电流诱发的波形以找到施加反向极性脉冲除去钝化层的最佳限度。为此，在加工工件之前的测试的过程中，脉冲的幅度被改变并且最佳限度从所得到的测量参数，例如出现空隙间电压的整体最小值推出。但是，该测试能够监测钝化的出现，更不用说在加工本身的过程中。此外，如果工艺条件，例如施加的电流或电解液流动的参数显著改变，必须重复测试。
本发明的目的和概述因此，其中，本发明的目的在于消除上述的缺点。本发明的目的特别在于获得一种控制电化学加工工艺的方法，它允许监测一个或多个工艺条件并调节一个或多个工艺参数以便尤其在保持恒定的空隙宽度时避免不希望的工艺条件。按照其观点之一按照本发明的方法的特征如权利要求1的特征部分所述。
改变工艺条件导致存在于例如电极和工件之间的空隙间所测电压的变化。通过选择测量周期使得变化在该测量周期内可被监测到，可以区分该测量周期内作为时间函数的变化或仅为确定变化类型的形状函数。该形状函数可被分解为组成频率分量或频谱。通过利用存在于该频谱中的信息，表现出例如那些上面提到的几个工艺条件的表征，可在加工工艺的过程中获得。已发现第一工艺条件的出现仅影响频谱的特定部分，而第二工艺条件或者以另一方式影响这些部分或影响另一部分。由于可连续获得信息，据此可连续控制工艺。
更为特别地，已发现按照权利要求2的方法，采用频谱的频率分量的幅度是有利的。
另一有利的方法为按照权利要求3的方法使用波形的谐波频率。谐波频率由此定义为由测量周期的长度决定的基本频率的整数倍。尤其最低的谐波频率可认为是在确定工艺条件时是有用的。
已发现按照权利要求4的方法，借助众所周知的傅里叶变换，按照傅里叶级数分解形状函数作为实用的数学实施例是有用的。虽然形状函数可被分解为分别具有特定频率的几个基本函数，可以认为例如正弦和余弦的三角函数是最有用的。
此外注意到，例如通过上述的傅里叶变换实现的所测电压从时域向频域的转变，不是获得频谱组成的唯一方法。频谱信息同样可以通过在时域内进行自动校正或通过采用适当的频带滤波获得。
再一有利的方法为按照权利要求5的方法仅采用傅里叶系数的符号。绝对值可能改变很大，并且发现符号并且尤其是相对符号为工艺条件的更稳定的表征。
按照权利要求6的方法，已发现较低的电流密度的第一工艺条件可被分配给缺少傅里叶系数的情况。按照权利要求7的方法，表明在电解液中存在充有气体的内腔的下一个工艺条件被分配给具有交替符号的傅里叶系数的情况。
按照权利要求8的方法，表明高电流密度的再一工艺条件可被分配给存在多个具有相同符号的傅里叶系数的情况。
另一有利的方法为按照权利要求9的方法，通过考虑大于一确定值的频率，并仅监测其中的变化获得。这被认为是接近空隙中能够电学放电的工艺条件的表征。按照权利要求10的方法，已发现监测相应幅度的运行平均值特别有用。
已发现根据改变工艺情况的出现，可以调整几个工艺控制参数以避免不希望的工艺条件。按照权利要求11的方法，已发现特别是改变被施加的电流的持续时间是有用的。断续地施加电流，具有减少加热电解液的作用并由此变化沸腾或出现气穴现象的工艺情况的作用。
一特别有利的方法为按照权利要求12的方法这样获得，即在断续施加电流的过程中，电极和工件以摆动谐波的方式或以重复的非谐波的方式彼此相对运动。当施加电流时这能够增加空隙中的电解液压力。这因此抵消在电解液中产生气泡。
按照权利要求13的方法，当在电极和工件间存在小的距离时施加电流脉冲序列具有进一步抵消产生气泡的优点。
一不希望的工艺条件的特点在于在工件上产生钝化层，例如形成工件和电解液间势垒的氧化层。有利的方法则为按照权利要求14的方法通过施加具有反向极性的电流脉冲获得。如从参考文献目录的文献D2中已知的，这导致钝化层的溶解。
另一不希望的工艺情况的特点在于加工准确度欠佳。按照权利要求15的方法改进加工准确度的有用的工艺控制参数为添加钝化脉冲。
由于污染材料在电极上的淀积可出现下一不希望的工艺条件。由于电极和工件间的距离可以不确定的方式改变，这导致或局部的或整体的不准确的加工。尤其是在电解液已长时间使用的情况下，溶解的工件的溶解的金属离子的淀积可以沿电极工具的整个区域的黑层的形式出现。这被称为镀层并可影响几何尺寸。另一种污染是在空隙内靠近电解液流出口处淀积氢氧化物层。这不仅影响几何尺寸还影响电解液的流速。有利的工艺参数则为按照权利要求16的方法则施加电极清洗脉冲。
下一特别的实施例以这样的方法获得，即在加工之前将工件和电极彼此接触以便校准相互位置。按照权利要求17的方法，通过正好在该动作前施加电极清洗脉冲获得准确校准。
在其中电极和工件以重复运动彼此相对运动并且在二者间距离小时施加电流脉冲的方法中，由于短的距离是允许的，加工准确度可高，但由于电解液的流动缓慢生产率低。按照权利要求18的方法，用以调整的有用的工艺控制参数为脉冲周期的持续时间。已发现缩短脉冲周期，可增加可被施加的电流的量。
缩短的脉冲周期的有利的值按照权利要求19的方法获得。在形成例如氢气的气体泡之前成核所需要的时间是决定缩短的脉冲周期的实用法则。当采用通常导致形成充有气体的气泡的较高电流密度时，这是有用的。在这种极短脉冲的情况下没有时间剩余以形成气泡。
虽然特定的数值可取决于特定的环境，本方法的第一实施例采用按照权利要求20的方法的数值。
这种极短脉冲的重要特征在于陡的脉冲最前部应具有按照权利要求21的方法的数值。
在施加断续施加的电流脉冲序列的工艺中，脉冲间的间距应优选按照权利要求22的方法选择，具有按照权利要求23的方法的特定数值。
在其中电极和工件以振荡运动彼此相对运动并且当二者间的距离小时断续提供电流的工艺中，按照权利要求25的方法另一有利的工艺控制参数为运动和施加电流的开始间的相对相移。
在相同的工艺中这同样证明是按照权利要求26的方法对于电解液压力的情况，以及是按照权利要求27的方法对于相对加工速度的情况。
在其中电流以脉冲形式施加的工艺中，已发现按照权利要求28的方法将脉冲周期基本上等于测量周期是有利的。在这种工艺中，在一个脉冲周期内工艺条件是不稳定的，导致在该脉冲周期过程中所测电压显著和供给信息的变化。
在其中电流基本上连续施加的工艺中，有利的方法为按照权利要求29的方法通过选择性地选择测量周期获得。虽然通常这种工艺应具有稳定的工艺条件，并因此在所测电压中没有显著的变化，但可探测到其偏离。例如在开始时，或在工艺过程中的干扰时或在到达加工的结尾时出现的那些偏离。
此外，单独或组合控制一些前面提到的工艺控制参数被认为是特别有用的以便避免不希望的工艺条件。
按照本发明的第一有利的电化学加工的方法通过按照权利要求30的方法，将其中被连续提供电流的方法与其中被断续提供电流的方法组合获得。按照被认为是过程材料除去步骤的第一方法，大的空隙距离可被保持以及导致高速除去材料的高的电解液流动。按照被认为是工件最终成型工艺的第二方法，由于较小的空隙可获得由此的精确成型。以第一方法在没有导致不希望的工艺条件的情况下这种精确成型也是不可行的。
另一有利的实施例通过按照权利要求31的方法在工件最终成型步骤中施加断续施加的电流的序列获得。这或者通过允许较小空隙扩展了改善加工准确度的能力或者扩展了改善工件表面质量的能力，二者均在没有达到不希望的工艺条件的情况下实现。
下一有利实施例通过按照权利要求36的方法在工件最终成型步骤中施加钝化脉冲获得。由于在电极前面钝化层将溶解而在电极侧面钝化层基本上很少溶解，这在很高程度上改善了加工准确度。工件的溶解将因此主要发生在电极前面。再次以这种方式不希望的工艺条件可被延迟。
随后的有利实施例通过按照权利要求37的方法，施加具有反向极性的脉冲获得。由此使得除去工件上的钝化层成为可能。
同样其中按照权利要求38的方法施加电极清洗脉冲的方法，认为是导致具有较长的所希望的工艺条件范围的方法。
涉及用于电化学加工的装置的本发明的其它有利方面分别在独立权利要求39和68中描述并分别在从属权利要求40-67和69-76中描述。
附图简述下面将参照优选实施例的公开，并特别参照附图更为详细地明确并阐明本发明这些及其它方面和优点，其中，

图1示意性说明用于实现本发明的方法的电化学加工的装置；图2示意性示出根据本发明方法控制图1的装置的控制电路；图3示出用在图2的控制电路中的电源线路的实施例；图4说明电化学加工的一种方法；图5说明电化学加工的另一种方法；图6说明电化学加工的再一种方法；图7示出通过将电流施加给电化学槽引起的在预定的测量周期中所测电压的特征实例；图8示出按照本发明的方法的用于确定如图7中所示的所测电压的特征波形的和由此推出的频谱信息的第一实施例；图9说明图8的方法；图10示出用参照图8和图9描述的方法获得的频谱信息的实例；图11示出根据本发明实施例的，将特定的工艺条件分配给频谱信息的的第一实例；图12示出用于推出频谱信息的按照本发明方法的另一实施例；图13示出用于实现本发明的方法的控制单元的实施例，图14至图18示出按照本发明的控制电化学加工工艺的几种方法，图19示出对应于类型I的工艺条件作为空隙尺寸S和最小施加电压Umin的函数的傅里叶系数Ck的实例，图20示出对应于类型II的工艺条件作为电解液压力Pin的函数的傅里叶系数Ck的实例，图21示出对应于类型III的工艺条件作为空隙尺寸S的函数的傅里叶系数Ck的实例，以及图22示出按照本发明的控制电化学加工工艺的另一实例。
实施例说明图1示意性说明用于电化学加工工件1的装置。工件1由台2承载，台2借助第一定位装置4以进给速率V1朝向电极工具3运动。工件1，电极工具3和台2是导电性的。电极工具3可借助第二定位装置5以电极进给速率V2相对于工件1运动。第二定位装置5可使电极工具3进行例如相对于工件1的谐波运动或非谐波的重复运动的振荡运动。这可借助例如由马达或由液压装置驱动的曲轴实现。第一定位装置4可包括包括螺纹轴的线性位移装置。第一定位装置4由第一定位控制信号S1控制，而第二定位装置5由第二定位控制信号S2控制。工件1可由例如，例如钛的硬性金属或例如含铬钢的合金制成。例如为一种碱金属硝酸盐水溶液的电解液18流入工件1和电极工具3之间的空隙6中并通过采用泵的合适的循环装置7以输入压力Pin和输出压力Pout从未在图中示出的贮存器循环。电极工具3和台2与包括电源的控制电路8连接，电源经电解液18在电极工具3和台2间引入电流。该引入的电流可为恒定的或脉冲的。为正常极性的台2，以及由此的工件1相对于电极工具3为阳极。在正常极性的电流脉冲中工件1的金属溶解在电解液中。台2的位置由位置传感装置9测量，它向控制电路8提供相应的位置信号Z。图1示出的装置不包括控制电路8的部分将在下文被表示为电化学工艺单元10。
图2更为详细地示意性示出图1中控制电路8的实施例。控制电路8被分成电源单元11，控制单元12，监测装置13和手动控制装置14。电源单元11产生施加给电化学工艺单元10的所需要的电流I或电压V。电源单元11可包括几个未在图中示出的电源子单元以产生或者恒定电流或者几种类型的脉冲电流。注意电源子单元不需要被集成为一个单元但可被安排在共同运转的独立子单元系统中。控制单元12根据所采用控制方法以电源控制信号SEL1，SEL2，CI1，CI2....并以从电化学工艺单元10接收到的测量信号Um，Z，P....控制电源单元11的操作。监测装置13可包括简单的目测指示器，测量仪器或通用的显示装置。手动控制装置14由操作者使用并可包括简单的开关装置以及通用的键盘。此外注意控制单元12可或者部分地或者整体地被构成为具有特定功能的专用硬件，或构成为装有特定程序的通用计算机。
图3更为详细地示出用于实现按照本发明方法的图2中电源单元11的实施例。电源单元11包括恒定电流源15，该电流源提供其幅度由控制信号CI1，经可例如由数字-模拟变换器形成的界面16控制的连续电流。控制信号CI1由控制单元12产生。电流源15的负极端子经任选电流测量电路17与电极工具3连接。可包括串联连接的单电阻的该电流测量电路17用于推出表现为施加给电化学工艺单元10的电流的所测电压Um1。恒定电流源15的正极端子与通过由控制单元12产生的选择信号SEL1控制的开关装置19连接。在电源输出端20和21间所测电压Um2由电压测量电路22测量。注意电流测量单元17和/或电压测量单元22可体现为与电源单元11分开但与电化学工艺单元10接近设置的特殊测量单元23。
电源单元11还包括用于向电化学工艺单元10提供恒定电压的恒定电压源23。由恒定电压源23产生的电压的幅度由控制信号CU1经界面24控制。恒定电压源23的输出端与由选择信号SEL2控制的开关装置25连接。控制信号CU1和选择信号SEL2由控制单元12产生。如将在后面更为详细地阐明的，可具有反向极性的附加电压可有利地施加给电化学工艺单元10。
另一方面，存在脉冲电流源26用于以脉冲状周期提供电流。脉冲电流源26由控制信号CI2经界面27控制。注意不仅所提供的电流的幅度可被控制，脉冲幅度对时间的关系同样可被控制。脉冲电流源26可经由选择信号SEL3控制的开关装置28与电化学工艺单元10连接。注意由于对脉冲形状和脉冲持续时间的要求，需要特殊的线路用于产生脉冲电流。虽然在下文将给出实例，典型的脉冲周期可以1至100ms表示。
最后存在特殊的脉冲电流源29用于在极短的，范围为10至100μs具有极陡的约为0.5μs的最前部的周期中产生电流。该特殊的脉冲电流源29由控制信号CI2经界面30控制，并由控制开关装置31的选择信号SEL4选择。
图4中曲线I表示在施加恒定电流过程中工件1和电极工具3间空隙6的尺寸S(t)的变动。图4中曲线II和III分别示出空隙6间测量的电压Um和经空隙6施加的电流Is的变动。实际上，在电化学加工工艺中，通过选择台2的进给速率V1等于工件1金属溶解的速率，空隙6基本上保持恒定。但是，例如入曲线I的实例指示的，尺寸S(t)可能出现小的变动。这些变动可能由于工艺条件的改变，例如改变工件1表面的特征或电极工具3或电解液18的污染。尺寸S(t)的这些变动可导致如由曲线III指示的在测量周期Tm中所测电压Um的变动。例如，由于空隙6中较少量的电解液18形成的较小的阻力，较小的尺寸S(t)可导致较小的电压Um。
图5中曲线I表示在以最大尺寸Smax和最小尺寸Smin彼此相对振荡运动并按照曲线II施加脉冲电流的过程中，工件1和电极工具3间空隙6的尺寸S(t)的变动。图III示出空隙6间所测电压Um。如果没有施加电流Is，不存在电压Um。但是，当施加具有幅度Is1的电流Is时，所测电压Um快速升高。在初始状态，距离S(t)比较大并且电解液流动可为湍流的并含有蒸气和气体泡。因此空隙6间的阻力相对高，这从图II中所测电压Um的第一最大值Um2显而易见。作为接近电极工具3的结果，电解液18中的压力增加，导致蒸气和气泡溶解使得电解液18在空隙中均匀和一致并且以小空隙尺寸可实现高电流密度。其结果，电阻降低，这对于曲线II中出现电压Um的局部最小值显而易见。增加距离S(t)和重新形成蒸气和气泡的结果，电阻再次增加，导致电压Um的第二最大值Um2。电功率的施加可能很大使得电解液开始剧烈沸腾，导致额外气泡形成在空隙6中。这引起电解液18电阻的暂时增加，表现为电压Um的局部最大值Um1。
电化学加工的这种工艺例如在可在本说明书结尾部分找到的参考文献目录中的文献D2中更为详细地描述，在此引入以参考。正常极性的电流脉冲的典型电流密度为100A/cm2，脉冲周期的长度为3ms并且振荡频率约50Hz。振荡幅度可为0.2mm。
图6中曲线I表示在以最大尺寸Smax和最小工作距离Smin彼此相对重复运动过程中工件1和电极工具3间空隙6的尺寸S(t)的变动。在建立工作距离Smin之前，距离S(t)减少到工件1和电极工具3彼此接触。通过监测电压Um，零距离S(t)的时刻可被决定并因此工作距离Smin可被准确调整。典型的工作距离可为小于50μm。工作距离Smin设定后，如图6中曲线II所示施加电流脉冲序列。施加该脉冲序列后，空隙被扩大至尺寸Smax使得电解液能够更新，因为在加工过程中由于不充分的流动率电解液18快速饱。图6的曲线III给出在测量周期Tm过程中由电流脉冲引起的电压Um变动的分析图。这种电化学加工工艺的更为详细的描述在本说明书结尾可找到的参考文献目录中的文献D3中更为详细描述，在此引入以参考。
如参照图4-6已说明的，由电流流经空隙引起的空隙间所测电压Um示出幅度Um与时间t间关系的显著变动。图7示出通过向电化学槽施加电流诱发的预定的测量周期Tm内所测电压Um的特征实例。曲线I说明例如参照图5说明的在施加电流脉冲并结合振荡运动的过程中可能出现的实例。注意仅示出小于脉冲周期的测量周期Tm内的电压Um，省略所测电压较少信息的部分。典型地一个局部最小值大致位于空隙6的最小尺寸S(t)的时刻。在结尾部由于尺寸S(t)增加电压Um增加。曲线II说明具有不同工艺条件的实例，其特点在于通过由于高电流密度产生气泡导致非均匀电解液而出现局部最大值。曲线III给出说明更坏的工艺条件的实例，其特点在于出现几个局部最大值。
如参照图6说明的，在恒定空隙6的尺寸S(t)施加电流脉冲的情况下，可行的脉冲持续时间可为工艺条件的特征表征。例如，曲线IV，V和VI说明所测电压Um的不同持续时间。注意如由电源单元11产生的相应的电流脉冲可全部具有相同的脉冲周期。仅仅由于在施加电流脉冲过程中快速增加的电阻，施加的电流不能在空隙6间保持并且电压Um下降。
曲线VII，VIII，IX说明当施加具有极短持续时间的电流脉冲时，所测电压Um的最前部的不同斜度的实例。例如，有利的工艺条件可用陡然增加的所测电压Um获得，因为在那种情况下没有时间剩余用于在电解液18中产生气泡。
曲线X，XI和XII说明如在施加如参照图4所解释的、基本上恒定的电流时可出现的所测电压Um的典型实例。测量周期Tm这样选择使得工艺条件中的显著改变可被及时检测。例如曲线XI说明稳定的工艺条件而曲线XI说明由于例如改变电解液18的组成或改变电解液的流动而改变工艺条件。曲线X说明具有增加的所测电压Um的噪声的工艺条件。这可表现为由局部放电导致的近似短路的条件。
注意上面给出的实例仅仅说明典型的效果。其它单独或组合的效果可导致各种测量的形状。
下面将解释如何按照本发明量化存在于所测电压Um中的信息，以便用作或者手动或者自动控制电化学加工工艺的方法中的控制参数。
图8示出按照本发明的，用于决定如图7中所示的所测电压Um的特征波形的这种方法的第一实施例。各步骤将参照示出量化的直接结果的图9解释。将参照如图9中曲线I示出的作为时间t的函数的所测电压Um解释该方法。按照参照图5说明的电化学加工工艺，该曲线I可通过在电极工具3和工件1彼此相对振荡运动过程中施加的电流脉冲诱发。测量周期Tm选择为等于脉冲周期，其信息可从电源单元11获得。注意虽然画出的曲线好像是连续的，实际上将使用曲线的取样的和数字化的点。优选取样值Ui(Ti)对时间时刻Ti的表格用于将所测电压Um特性化为时间t的函数。这在取样步骤31进行。
随后，在电源单元11过渡工艺中出现的所测取样电压Us(t)的初始和最后部分中的样本从该表中排除。这在删减步骤32中完成，在该步骤中与过渡工艺连接的初始部分Ta和结束部分Te排除在测量周期Tm之外以获得校正的测量周期Tm’。关于这些部分Te和Ta的大小的信息或者可从电源单元11获得或者可通过分析所测样本获得。另一方面，Te和Ta的大小可事先决定。此外，测量周期Tm可事先选择以将过渡性部分从开始排除。删减后所得到的取样形状Us(t)如图9中曲线II所示。
下面，在线性化步骤33中，线性函数Ulin(t)从到现在为止决定的样本Us推出。线性函数Ulin(t)的特点在于分别在删减后所得到的样本Us的开始和结尾处的所测取样电压Ui的值Ua和Ue，并这样给出Ulin(t)＝Ua+((Ue-Ua)/T*).t[1]其中T*＝Tm’。图9中曲线II示出这种线性函数Ulin(t)的实例。
下面，在减法计算步骤34中，按照下述公式从取样函数Us(t)中减去线性函数Ulin(t)获得差值函数Ud
Ud(t)＝Us(t)-Ulin(t)[2]所得到的差值函数Ud(t)如图9中曲线IV示出。
随后，在平滑步骤35中，平滑的连续函数U*(t)通过共轭差值函数Ud(t)形成。这通过如图9中曲线V所示，相对于水平和垂直轴的对称反射差值函数Ud(t)完成。所得到的平滑函数U*(t)为具有连续依次导数的周期性奇函数。
下面，在展开步骤36中，函数U*(t)被展开为具有傅里叶系数Ck和相应的幅度Ak傅里叶级数。由于函数U*(t)为奇函数，全部余弦系数将等于零。于是展开仅由正弦系数完成。这种扩展的典型结果如图10所示。在此示出对应傅里叶系数Ck的幅度Ak。如通常已知的，傅里叶系数Ck表示例如不同具有重复周期或波长的正弦和余弦函数的三角函数。系数C0仅表示补偿值，系数Ck其中k＝1，2，……表示重复周期为2T的基本正弦或余弦函数的k次谐波(图9中曲线V)。在这点上k次谐波表示重复周期等于2T/k的三角函数。但是，注意项数的确定是任意的。
下列步骤为振荡函数建立步骤37，在此按照参照图5的曲线I描述的工艺，对应于电极工具3和工件1的彼此相对振荡运动建立正弦函数。空隙6的距离S(t)由下列函数表示S(t)＝sin[ω(t-T*/2)+π/2][3]其中ω为单位为rad/s的振荡频率。曲线VI说明该函数S(t)。与前面的线性化步骤33类似，线性函数Slin(t)基于在校正的测量周期的开始和结束处函数S(t)的大小Sa和Se建立，如图9中曲线VI示意性示出的Slin(t)＝Sa+(Se-Sa)/T*.T [4]同样类似，从函数S(t)中减去该线性函数Slin(t)获得差值函数Sd(t)Sd(t)＝St(t)-Slin(t) [5]此后，仍在振荡函数建立步骤37中，平滑连续的函数S*(t)通过共轭差值函数Sd(t)形成。这通过如图9中曲线VII所示，相对于水平和垂直轴的对称反射差值函数Sd(t)完成。所得到的平滑函数S*(t)为具有连续一次导数的周期性奇函数。
下面，在第二傅里叶展开步骤38中，再次与步骤36类似，该函数S*(t)被展开为具有相应的傅里叶系数C*k和幅度A*k的傅里叶级数。
在减法步骤39中从相应的系数C*k中减去系数Ck得到校正的系数C′kC′k＝Ck-A.C*k(k＝1，2，……) [6]A值由最小化函数的最小二乘方的方法确定Φ(A)＝∑k＝1，2，...(Ck-A.C*k)2[7]A=Σk=1,2..Ck.C*kΣk=1,2..C*k2]]>当A=Σk=1,2,...Ck,C*kΣk=1,2,...C*k2---[8]]]>出现A的最小值。
出现A的最小值。具有幅度Ai的校正的系数Ck的合成数列的实例如图10所示。
注意，上面给出的在测量周期内的所测电压Um的展开是展开的几种方法之一。如果偶函数更合适展开可同样以余弦函数进行，或展开可以正弦或余弦函数的组合进行。另外，按照本发明的方法不限于仅展开为三角函数。展开可同样以一系列其它合适的基本函数进行。
此外注意，例如由上面所述傅里叶变换完成的所测电压从时域向频域的转换，不是获得频谱组成的唯一方法。频谱信息可同样通过在时域中进行自动校正或通过采用适当的频带滤波获得。
同样注意，减去线性函数对于本发明的方法不是必需的，但被认为是一种有利的实施例。对应于振荡运动减去系数是相同的考虑。由此应该了解上面给出的展开实例参照涉及电极工具3和工件1的振荡运动情况下的脉冲电流的特定工艺说明。在测量周期中没有相对运动的情况下，这种减法运算可能不大有利。另一方面，可存在不同种类的并且需要校正的运动。
上面所速的可采用专用硬件，用适当的软件编程的通用计算机或二者的组合进行。此外为提高速度，如典型地每20ms一个判定可为必需的，可采用正弦和余弦值表格。由于低频率畸变可用10个谐波描述，精度约1％，谐波次数可大致限于10。
表11说明将傅里叶系数Ck的特征数列分配给相应的工艺条件类型。当然数值受限于所用电化学加工工艺，例如用于解释展开方法的工艺。其它工艺将导致其它数值并导致工艺条件的其它典型类型。借助试错法决定傅里叶系数Ck的特征数列并相应地分配给工艺条件是熟练操作者的责任。这可甚至取决于待加工工件的类型。
类型1工艺条件被分配给用数值‘0’表示的，缺少2-10次谐波的情况。类型1工艺条件的特点在于由低电流密度导致的在加工表面出现暗灰或黑膜，高粗糙度和低生产率。
类型2工艺条件被分配给存在具有负幅度‘-1’的2次和4次谐波并存在具有正幅度‘+1’的3次谐波的情况。类型2工艺条件的特点在于由于电解液沸腾或达到电解液充有气体的极限值导致在加工表面上出现浓黑的行列，高粗糙度，低生产率。
类型3的工艺条件被分配给存在具有负幅度的2，3，4，5和6次谐波的情况。类型3工艺条件的特点在于沿电解液流动方向出现规则波状表面，低复制精度和高能耗。
未定义的工艺条件“u”被规定为未考虑到的情况“*”。
应了解在表10中给出的数值仅为一个实例。当几个傅里叶系数数列可被分配给一种工艺条件类型时，如果需要工艺条件类型的项数可延伸。
下面，参照图19-21，将给出作为改变工艺控制参数的函数的傅里叶系数Ck各种不同的实例。作为实例的工艺是如参照图5公开的采用振荡运动和电流脉冲的工艺。分别表示大小和存在n次谐波的傅里叶系数Ck和水平条78将用于示出由所测电压Um对时间t构成的各种波形。
图19示出作为工艺控制参数空隙大小S和空隙间最小施加电压Umin的函数的傅里叶系数Ck。Umin符合施加脉冲过程中存在的最小电压。电解液压力保持恒定在数值300kPa。所示为所测电压Um和相应的傅里叶系数的数值Ck。曲线I画出Umin＝9.0V和S＝22μm的情况，曲线II为Umin＝5.0V和S＝18μm的情况，以及曲线III为Umin＝4.0V和S＝3μm的情况。由Um对时间t画出的平整波形反映为傅里叶系数Ck的减少。由曲线I的条78示出的类型1工艺条件逐渐变化为如曲线III的条78示出的没有谐波的工艺条件。
图20示出最初作为对于与具有恒定的最小施加电压Umin＝10.0V和近似恒定的空隙尺寸S的相同工艺的电解液压力Pin的工艺控制参数的函数的傅里叶系数Ck。曲线I画出Pin＝400kPa和S＝30μm的情况，曲线II为Pin＝100kPa和S＝46μm的情况以及曲线III为Pin＝30kPa和S＝36μm的情况。降低压力Pin导致在由Um构成的波形中产生局部最大值。这由具有交替符号的傅里叶系数反映，导致如曲线III的条78所示的类型3工艺条件。
图21示出作为具有相同工艺的空隙尺寸S的函数的傅里叶系数Ck。在最小施加电压Umin保持在10.0V时电解液压力Pin保持在400kPa。曲线I画出S＝26μm的情况，曲线II为S＝36μm的情况以及曲线III为S＝46μm的情况。可以看出随着增加尺寸S，逐渐获得类型3工艺条件。
图12示出按照本发明方法的用于推出频谱信息的另一实施例。图12的曲线1示出在施加电流脉冲的情况下所测电压Um的实例。在该实施例中分析高频信息内容而不是如在前面描述的一些10次以内谐波确定的低频内容。高频内容包括基本上大于10次的谐波。指出的区域40指出典型的高频变动。图12中的曲线II示出放大并高通频率滤波电压Um后的所测电压UmHF。测量周期Tm应这样选择使得在所测脉冲开始和结束处存在的大峰值41和42应被排除。这些峰值主要由于电源电路中的开关动作并不是工艺条件的特征。画出的曲线I和II可表现为正常工艺条件。但是，图12中的曲线III对应于如由畸变43指出的变化的工艺条件。曲线IV再次示出放大的并高通频率滤波的所测电压UmHF。在该曲线IV中可区分两部分具有相对低幅度的部分44和具有相对高幅度的部分45。部分44表现为所谓的在偶然电化学加工状态之前。具有偶然ECM状态意味着出现电学放电的工艺条件。因为电极工具或工件可被损坏，应避免这种工艺条件的出现。如UmHF指出的高频内容幅度的变化认为是这种偶然ECM状态前的好的表征。
这种高频内容的出现可由例如大于10的高次的谐波的存在和幅度变化决定的，高次谐波通过按照参照图8和9公开的方法将所测电压Um展开为傅里叶级数建立。但是，另一有利的方法通过，如已参照图12中曲线II和IV指出的，放大和高通频率滤波所测电压Um获得。这可通过例如一简单的放大器和高通频率滤波器电路实现。在3ms的脉冲周期情况下当典型的截止频率应大于约20kHz时，典型的放大因数可为100。注意3ms的脉冲周期在频率范围在10kHz以内的情况下具有最低次的谐波。
在获得如图12的曲线IV所示的放大的并高通频率滤波的电压UmHF后，另一有利的方法通过取其绝对值AUmHF获得。注意Um或UmHF的取值可样本化或数字化的，所以所有的步骤可数字化进行。例如在测量周期Tm中取样点的数目可选择等于2000。此后AUmHF的运行平均值IAUmHF可相对于特定的例如300点的间隔获得。图12中曲线V说明可能结果的两种可能性一曲线47对应于例如由曲线II指出的正常ECM工艺条件，和一曲线46对应于与曲线IV相符的偶然ECM工艺条件之前的情况。IAUmHF参考值和实际值之间的差值的出现可选择作为表征。
图13示出用于实现本发明方法的图2控制单元12的实施例。这种控制单元12可被分为两个单元评价单元48和调节单元49。评价单元48用于按照本发明的方法决定所测电压Um(对应于或者Um1或者Um2)的频率内容。调节单元49用于采用评价单元48的结果和其它测量信号控制电化学加工工艺。
首先将解释实现本发明方法的评价单元48的实施例。如参照图3所示，取样单元50接收通过向电极工具3和工件1施加电流诱发的所测电压Um1或Um2。取样单元50接收表现为取样周期的取样信号Tm。该取样信号Tm由调节单元49产生并在脉冲电流情况下主要由所用的脉冲周期决定。在恒定电流的情况下，可使用预定的数值。取样单元50与取样信号Tm一致选取部分所测电压Um1或Um2。
随后取样信号提供给包括模拟-数字转换器51，形状函数产生单元52，傅里叶展开单元53和分配单元54的低频决定部分。形状函数产生单元52在对应于测量周期Tm的取样周期中产生表现为取样数值Um的形状函数。此外形状函数产生单元52接收表现为电极工具3和工件1相对运动的信号S2。由此产生表现为该运动的形状函数。两个形状函数的产生均可用参照图8和图9公开的方法实现。
这些形状函数以参照图8和图9解释的方式用傅里叶展开单元53展开为傅里叶级数。傅里叶展开单元53将相应的傅里叶系数信号Ck提供给用于显示的监测装置13和分配装置54。分配装置54以参照表1解释的方式将典型的工艺条件分配给傅里叶系数Ck的特征数列。所得到的表示工艺条件类型的信号T输出给监测装置13和调节单元49。
由取样单元50产生的取样信号同样提供给包括高通滤波器55，放大器56，和绝对值单元57，平均单元58和差值单元59的高频决定部分。提供给高通滤波器55的取样信号可为模拟的或数字的。如前所述，高通滤波器55应以从例如为20kHz的频率通过所测电压Um中的变动。随后的放大器56用于放大电压Um中的相对变动。在该阶段注意用例如由傅里叶展开单元53产生的傅里叶系数Ck取代到目前使用的经放大的和滤波的信号，只要该单元适于决定较高次谐波的幅度。
二者均按照参照图12公开的方法，绝对值单元58对输入的信号取绝对值而平均单元58决定运行平均值。最后，差值单元59决定用正常工艺条件获得的结果间的差值。表示存在偶然前(pre-accident)的工艺情况的信号Ac提供给调节单元49。
注意，评价单元48中分立的单元可体现为专用硬件的分立单元或可以是装在通用计算机中的通用软件程序中的处理步骤。同样可以存在组合，例如傅里叶展开单元53可作为通用计算机的扩充板实现。此外高频决定部分可用模拟组件体现。
下面将更详细地解释调节单元49。调节单元49除了接收已提到的信号，还接收手动输入的控制信号MAN，表示电解液18压力的例如在电化学工艺单元10的输出测量的信号Pout，和表示工件1位置的信号Z。调节单元49输出电流或电压源选择信号SEL1，SEL2…，电源控制信号CI1，CU1，…，用于分别控制进给速率V1和电极速度V2的控制信号S1和S2以及用于控制例如在电化学工艺单元10的输入的压力的电解液压力的控制信号Pin。
下面将参照图14-17更为详细地解释调节单元49的操作，这些图示出按照本发明的控制电化学加工工艺的几种方法。
首先，高频信息信号Ac和/或类型信息信号T或傅里叶系数信号Ck可仅用作限定调节单元49的工作范围。调节单元49控制在这些限制内的电化学加工工艺。用于施加脉冲电流和振荡运动的工艺的有利的控制工艺将，例如在电化学工艺单元10的输入的压力Pin的，电解液18压力用作工艺控制参数。当压力低时，将导致不充分的电解液流动，而高压力可导致电解液中的局部气穴现象或涡流。在相同工艺的情况下，另一有利的控制工艺将振荡运动和电流脉冲开始间的相对相位用作工艺控制参数。优选两个工艺控制参数均被采用。工艺控制参数Pin和以这种方式选择以便最佳化进给速率V1的数值。
但是，已发现当控制例如在或者脉冲地或者恒定地施加电流的过程中的时间，和/或电极工具3和工件1间相对运动的类型和数量的其它工艺参数时获得按照本发明的几种其它的有利实施例。已发现如从在测量周期Tm中所测电压Um推出的频谱信息显而易见的不希望的工艺条件，可通过控制这些工艺参数避免。
例如，图14说明控制用作第一工艺控制参数的连续或断续提供电流Is和用作第二工艺控制参数的空隙6的相应尺寸S(t)的第一方法。图14曲线I示出当加工在第一尺寸Smax进行时的第一操作相60和当加工在空隙6的较小尺寸Smin进行时的第二操作相61。如图14曲线II所示，在第一操作相60中电流Is连续施加而在第二操作相61中电流Is以脉冲状周期断续施加。曲线III示出作为时间t函数的电压Um。在第一操作相60中电压Um在第一测量周期Tm1中决定，而在第二操作相61中电压Um在第二测量周期Tm2中决定。如在曲线III中可看到的，其部分62示出在第一相过程中电压Um的显著变化。这指出由评价单元48监测的工艺条件中的变化。工艺条件中的变化可例如指出以高进给速率加工工件1的可行范围的末端。这可能由于到达导致空隙6的局部尺寸S(t)的变动的成型工件1中的特定阶段。评价单元48决定相应的工艺条件类型由此调节单元49通过断续地并在较小的距离Smin施加电流作出反应。这使得能够以改进的准确度和虽然工件1较低的进给速率继续稳定地加工。
图15说明控制用作第一工艺控制参数的连续或断续提供电流Is和用作第二工艺控制参数的电极工具3和工件1间空隙的或者恒定尺寸S(t)或者振荡尺寸S(t)的第二方法。图15曲线I说明在初始尺寸Sint恒定提供电流Is的第一操作相63和在振荡运动过程中脉冲地提供电流Is的第二操作相64。在测量周期Tm1中，在曲线III的部分65，所测电压Um中的增加由评价电压48测量到，例如指出由在电解液18中形成气体泡导致的电阻的增加。调节单元49导致电源单元11仅在振荡运动的最小尺寸Smin的时刻中施加电流。于是避免由于在最小尺寸的时刻中空隙6中增加的电解液压力导致气体泡的形成。在振荡运动的最大尺寸Smax时刻中，不提供电流而可补充液体。从第一操作相63变化至第二操作相64能够保持稳定的工艺条件。还在测量周期Tm2中的脉冲过程中所测电压Um仍被测量，以便决定例如最小距离的时刻和施加脉冲的时刻间的相位的工艺控制参数的限度。
图16说明控制用作第一工艺控制参数的如曲线II说明的以第一速率或以第二速率提供电流脉冲序列，和用作第二工艺控制参数的如曲线I说明的距离S(t)的第三方法。所示为两个特征操作相66和67。相应的加工距离S1和S2二者均在将工件1和电极工具1彼此接触后获得。这使得高定位准确度成为可能。如图16中曲线III的部分68，69和70所说明的，所测电压Um的特征形状随连续脉冲变化，指出工艺条件变坏。在该实例中脉冲最前部改变。这可以是加工距离可能减少的表征。评价单元48将该信息提供给调节单元49，由此加工距离减少至较小值S2。为使稳定的工艺条件成为可能，通过缩短脉冲持续时间提高脉冲频率。已发现缩短脉冲持续时间的作用在于没有剩余时间用于在电解液18中产生例如分子氢气的气体状气泡。优选脉冲持续时间应选择为足够小已避免或者在形成分子氢气前形成原子氢核或者形成这样的分子氢气。在一实施例中脉冲持续时间应不超过形成分子氢气所需要的时间。从曲线III的部分71和72可以看出，在短脉冲周期内施加充分的电功率可能是困难的，由此降低了加工速度。但是已发现如果脉冲持续时间被降低至极短的10-300μs的数值，甚至可以施加更多的电功率。令人吃惊地发现，以这么短的脉冲持续时间电流密度可增加到4000和6000A/cm2之间的数值。但是对于获得这些高电流密度所必需的是数值在100-1000ns间极陡的脉冲上坡。脉冲下坡看来较少相关并应小于5μs。连续脉冲间的时间持续时间或间距应足够大使得产生的分子氢气能够排出，脉冲间典型的持续时间在50-500μs间变化。一组脉冲的持续时间在200-1000μs间变化。但是，由于较长的间距同样意味着加工速率的降低，该间距不应取长。在一实用实施例中脉冲间间距的持续时间和脉冲持续时间的比应在2和10之间的范围内。施加的脉冲组之间的持续时间优选在20-5ms之间的范围。优选施加这些种类的脉冲结合电极工具3和工件1间的振荡运动进行。在空隙6的最小尺寸S(t)的时刻中空隙6内的局部压力的增加对于避免形成气体泡是有利的。注意借助极短的脉冲，当空隙的尺寸在5μm至45μm间时，空隙中允许的电场强度可在2500V/cm至25000V/cm间。
注意高局部压力同样导致避免气体泡的形成。虽然电解液输入压力Pin可为2bar，局部压力可增加至50bar。在那种情况下在必须更高的温度下才出现沸腾。
此外在这些极短的脉冲条件下的物理效应可类似于工件的局部熔化。局部熔化形成在小的电离通道中，其后熔化的材料立刻经电解液分散。
下面参照图17说明第四种方法。曲线I示出尺寸S(t)对时间t的变动。在建立加工距离Smin之前，电极工具3接触或搭上工件1。图17中曲线II说明施加具有正常极性的加工电流脉冲序列。如图17中曲线III指出的，通过评价傅里叶系数，由电流脉冲诱发的所测电压Um的变动73可指出在电极工具3上沉积层的形成。电极工具3本身可用象铜，铬或铬镍合金等金属制成。但象钛的金属将不会导致形成氧化层。由于在加工过程中电极工具3相对于工件1保持为负电压这同样不可能发生。但是，可能发生的是吸引存在于电解液中的例如酸的剩余物的带正电的颗粒和在电极工具3上形成它们的层。由于化学反应这些颗粒不会与电极工具强附着，并因此可通过暂时向电极工具3施加正电压从其除去。这可通过引入如曲线II说明的负极性的电流脉冲74实现。注意，或者可通过施加反极性的电压脉冲获得相同的结果。施加这种脉冲导致疏松附着的沉积物再次溶入溶液。此外，可淀积在电极上的，已知为电镀效应的电解液中的例如铬或和镍的金属剩余物可通过上述清洗脉冲除去。施加清洗脉冲可通过变化的几何数值但同样减少的电解液流动量引入。
图22说明将两种反极性的电压脉冲与正常极性的电流脉冲组合的再一有利的方法。曲线I画出如参照图3所述由控制信号CI2诱发产生具有幅度Ig1的正常极性的电流脉冲序列。曲线II画出如参照图3所述由控制信号CU2引入产生具有第一幅度Uc和第二幅度Un的反向极性的电压脉冲序列。按照在本说明书结尾部分可找到的参考文献目录中的文献D2中更为详细地公开的方法，具有幅度Un的电压脉冲用于溶解形成在工件1上的钝化层。钝化层由黑氧化膜形成。所需要的电压去钝化(depassivation)电压Un应优选位于参照曲线IV解释的极化电压Upol，和电极开始溶解时的电压Unmax之间。这在文献D2中详细地解释。具有幅度Uc的电压脉冲用于以参照图17公开的方式清洗电极工具3。数值Uc优选大于数值Un，后者这样选择使电极工具3不溶解。Uc较高数值的缺点在于由此电极工具3溶解。这可通过采用非溶解的电极材料例如铂防止或者通过采用例如硝酸钠的钝化电解液与铬钢电极结合使用防止。借助该电解液和电极材料的最后选择，数值Uc应不大于3.6V，否则钝化功能停止并且电极开始溶解。优选数值保持小于2V。必须施加的清洗脉冲的多少和长度必须由试错法决定。例如在每加工20s之后施加一个1s的清洗脉冲。曲线III示出作为施加电流和电压脉冲的结果流过空隙6的组合电流Ig。正常极性的电流脉冲具有幅度Ig1，反向极性的电压脉冲引入最大电流Ig2和Ig3。曲线IV示出空隙6间的所测电压Um。具有反向极性的电压脉冲具有幅度Um1和Um2。在没有施加其它脉冲时在电流脉冲终止之后立刻测量的电压Um被称为极化电压Upol，最后降低至零。
于是，如果评价例如从所测电压Um的频谱内容显而易见的工艺条件，指出电极工具污染，通过将施加这种电极工具清洗脉冲选择作为工艺控制参数获得一有利的方法。尤其在电解液已长时间使用的情况下，溶解的工件的溶解的金属离子的淀积可以沿电极工具整个表面的黑层出现。这被称为镀层并可影响几何尺寸。另一污染为空隙内靠近电解液流出开口的氢氧化物层的淀积。这不仅影响几何尺寸同样影响电解液的流动速率。注意这种电极工具清洗脉冲同样可在预定的时刻事先施加。
图18说明基于由图18中曲线I指出的振荡运动的再一有利实施例。加工电流脉冲76如曲线III指出的施加。有利的工艺控制参数通过施加具有相同极性但较小幅度的所谓的钝化脉冲77获得。当空隙尺寸大时施加这些脉冲，以便避免不希望的形状畸变。如在本说明书结尾部分可找到的参考文献目录中的文献D3中更为详细地公开的，由于钝化层形成在那些不被加工或较少被加工的工件1表面上，这种钝化脉冲改进加工复制准确度。借助频谱内容评价工艺条件可引入从较低精度加工工艺向较高精度加工工艺的改变，反之亦然。这同样可在已加工待加工总量中的材料预定量例如总量120μm中的80μm之后引入。
注意，虽然示出在一个单元中插入几个电流和电压源，实际上电源可分开放置并通过适当的连接装置与电化学工艺单元10和控制单元12连接。此外，取决于按照本发明的方法，可错过一个或多个电源或可添加一个或多个电源。
此外注意从一种电化学加工工艺类型向另一种类型的转变可或者自动或者手动地进行。手动改变可意味着改变电化学工艺单元10，电源单元11或电流或电压源。
虽然已参照其优选实施例描述本发明，应明白这些不是限定性的实例。于是，不偏离本发明范围的，由权利要求规定的各种不同的变型对于本领域的技术人员是显而易见的。本发明可借助硬件和软件实现，并且那几种“装置”可由相同的硬件元件表示。此外，本发明取决于每个或所有的新特征或特征的组合。同样注意单词“包括”不排除那些在权利要求中列出的其它成分和步骤。任何参考符号不限制权利要求的范围。
参考文献目录(D1)国际专利出版物WO 99/34949，以申请人的名义，(PHN16713)(D2)国际专利出版物WO 97/03781，以申请人的名义，(PHN15754)(D3)国际专利出版物WO 99/51382，以申请人的名义，(PHN16835)
权利要求
1.控制电化学加工导电性工件的工艺的方法，工艺包括当在工件和电极之间提供电解液时，在工件和导电性电极间施加电流，控制方法包括测量由电流诱发的电压，以及根据所测电压修改至少一个工艺控制参数，其特征在于，在电化学加工工艺过程中在预定的测量周期内决定有与所测电压的频谱组成有关的信息以及按照所述信息修改至少一个工艺控制参数。
2.按权利要求1的方法，其中所述信息包括表示所测电压的至少一个频率分量或至少一个频率分量范围的至少一个幅度。
3.按权利要求2的方法，其中所述信息包括表示在预定的测量周期内由所测电压构成的波形的至少一个谐波频率的幅度。
4.按权利要求3的方法，其中方法包括将预定的测量周期内的波形展开为三角函数的傅里叶级数，并且其中所述幅度对应于所述级数的傅里叶系数Ck。
5.按权利要求4的方法，其中方法包括决定所述傅里叶级数的谐波的第一项的傅里叶系数Ck的符号，并且将特定的工艺条件分配给傅里叶系数的至少一个特定组合，傅里叶系数指出没有或存在相应的谐波，并且在存在的情况下，指出相应谐波的相对符号。
6.按权利要求5的方法，其中方法包括将较低电流密度的第一工艺条件分配给没有傅里叶系数Ck的第一连续项的情况。
7.按权利要求5的方法，其中方法包括将在电解液中存在充有气体的空腔的第二工艺条件分配给存在具有相互交替的符号的连续的傅里叶系数Ck的第二项的情况。
8.按权利要求5的方法，其中方法包括将较高电流密度的第三工艺条件分配给具有相互一致符号的连续傅里叶系数Ck的第三项的情况。
9.按权利要求2的方法，其中所述信息包括表示大于预定的频率的频率分量范围的幅度和在预定的测量周期内幅度基本上变化的情况下修改至少一个工艺控制参数。
10.按权利要求9的方法，其中所述信息包括预定的时间间隔间的所述幅度的运行平均值。
11.按权利要求1的方法，其中至少一个工艺控制参数涉及从连续施加电流向断续施加电流改变。
12.按权利要求11的方法，其中在连续施加电流的过程中，电极和工件以基本上恒定的速度彼此相对运动以及在断续施加电流的过程中，电极和工件以振荡的方式或以叠加在线性运动上的重复的方式彼此相对运动，同时在或接近由工件和电极间振荡或重复的距离诱发的最小相互距离的时刻施加电流。
13.按权利要求12的方法，其中在相对振荡或重复运动的过程中当工件和电极间的相对距离小时，施加断续施加的电流脉冲序列。
14.按权利要求1的方法，其中施加电流包括以脉冲状周期断续施加具有正常极性的电流脉冲，至少一个工艺控制参数控制附加地施加至少一个或多个具有反向极性的电流脉冲。
15.按权利要求1的方法，其中施加电流包括以脉冲状周期断续施加具有正常极性的电流脉冲，至少一个工艺控制参数控制附加地施加具有相同的极性的电流钝化脉冲但电压具有的幅度不足以溶解工件和工件上的钝化膜。
16.按权利要求1的方法，其中至少一个工艺控制参数控制以一个或多个脉冲状周期以导致电极被清洗淀积废物的反向极性断续施加电极清洗电流。
17.按权利要求16的方法，其中电极和工件以重复运动彼此相对运动，施加电流包括当工件和电极间的距离较小时断续施加电脉冲，电极和工件的相应位置通过首先将工件和电极彼此相互接触并施加测量电流而不是加工电流以决定接触决定，至少一个工艺控制参数控制在将工件和电极接触前施加一个或多个电极清洗脉冲。
18.按权利要求1的方法，其中电极和工件以重复运动彼此相对运动，施加电流包括当工件和电极间的距离较小时以脉冲状周期断续施加电脉冲，至少一个工艺控制参数控制改变脉冲状周期的持续时间。
19.按权利要求1的方法，其中脉冲状周期的持续时间缩短至比在电解液中形成气体泡所需要的形成晶种的时间小的数值。
20.按权利要求19的方法，其中脉冲周期减少至10至100微秒之间的数值。
21.按权利要求20的方法，其中相应的脉冲最前部具有100和1000纳秒之间的数值。
22.按权利要求19的方法，其中施加断续施加的电流脉冲序列，序列中脉冲间的间距具有比排出已形成在电解液中的气泡所需要的排出时间大的数值。
23.按权利要求22的方法，间距/脉冲持续时间的比在2和10之间。
24.按权利要求9的方法，其中至少一个工艺控制参数控制所施加电流的快速中断。
25.按权利要求1的方法，其中电极和工件以振荡运动彼此相对运动，当在工件和电极间距离较小时以脉冲状周期断续提供电流，至少一个工艺控制参数包括振荡运动和在每个振荡运动施加电流的开始间的相对相移。
26.按权利要求1的方法，其中电极和工件以振荡运动彼此相对运动，当在工件和电极间距离较小时以脉冲状周期断续提供电流，至少一个工艺控制参数包括电解液压力。
27.按权利要求1的方法，其中电极和工件以振荡运动彼此相对运动，当在工件和电极间距离较小时以脉冲状周期断续提供电流，至少一个工艺控制参数包括工件和电极彼此相对运动的相对加工速度。
28.按权利要求1的方法，其中电化学加工工艺包括以脉冲状周期施加电流，其中预定的测量周期基本上对应于一个脉冲的持续时间。
29.按权利要求1的方法，其中电化学加工工艺包括在第一时间持续时间中基本上连续地施加电流，其中预定的测量周期为所述第一时间持续时间的一部分，使得工艺条件中的变动就在测量周期内被测量。
30.电化学加工导电性工件的方法，该方法包括当在工件和电极之间提供电解液时，在工件和导电性电极间施加电流，该方法包括材料除去步骤，其中当工件和电极以基本上恒定的速度彼此相对运动时连续提供电流，以及工件成型步骤，其中当工件和电流以振荡或重复运动彼此相对运动时以脉冲状周期断续提供电流，当工件和电极间的距离较小时提供电流。
31.按权利要求30的方法，其中在相对振荡或重复运动过程中当工件和电极之间的距离较小时施加断续施加的电流脉冲序列。
32.按权利要求31或30的方法，其中脉冲状周期的持续时间缩短至比在电解液中形成例如形成氢气的气体泡所需要的形成晶种时间小的数值。
33.按权利要求32或30的方法，其中脉冲周期减少至10至100微秒之间的数值。
34.按权利要求32的方法，其中序列中脉冲间的间距具有比排出已形成在电解液中的气体泡所需要的排出时间大的数值。
35.按权利要求34的方法，间距/脉冲持续时间的比在2和10之间。
36.按权利要求30的方法，其中工件成型步骤包括以脉冲状周期断续施加具有正常极性的电流脉冲，和附加地施加具有相同的极性的电流钝化脉冲但电压具有的幅度不足以溶解工件和工件上的钝化膜。
37.按权利要求30的方法，其中方法包括工件精加工步骤，步骤包括以脉冲状周期断续施加具有正常极性的电流脉冲，和附加地施加具有反向极性的一个或多个电流脉冲。
38.按权利要求30的方法，其中方法包括电极工具清洗步骤，步骤包括以一个或多个脉冲状周期以导致电极被清洗淀积废物的反向极性断续施加电流。
39.用于电化学加工导电性工件的装置，在工件和电极间提供电解液时在工件和导电性电极间施加电流，该装置包括导电性电极(3)；用于定位电极和工件(1)的空间关系的装置(4，5)，以便保持电极(3)和工件(1)间的空隙；用于将电解液提供至空隙中的装置(7)；供电电源(11)，它可与电极(3)和工件(1)电连接以在工件(1)和电极(3)间施加电流，其特征在于，该装置进一步包括电压测量装置(17，22)，它与电极(3)和工件(1)电连接或与供电电源(11)和工件(1)或电极(3)间的电源线中的阻抗线路连接；工艺调整装置(16，24，27，30)用于调整电化学加工工艺的至少一个工艺控制参数；控制装置(12)电压测量装置(17，22)和工艺调整装置(16，24，27，30)连接该控制装置(12)被配置有分析装置(48)，分析装置用于决定与在电化学加工工艺过程中在预定的周期(Tm，Tm’)内所测电压(Um)的频谱组成有关的信息(Ck，Ac)，以及该控制装置(12)适于按照所述频谱信息调整至少一个工艺控制参数信号(Pi，S1，S2，SEL1，SEL2，CI1，CU1，..)。
40.按权利要求39的装置，其特征在于，分析装置(48)适于产生表示所测电压的至少一个频率分量或至少一个频率分量范围的幅度的至少一个频谱信号。
41.按权利要求40的装置，其特征在于，分析装置(48)包括谐波检测装置(53)，检测装置用于产生由在预定的测量周期(Tm)内的所测电压(Um)构成的波形的至少一个谐波频率的频谱信号(Ck)表示式。
42.按权利要求41的装置，其特征在于，分析装置(48)包括波形展开装置(53)，该展开装置将预定的测量周期(Tm，Tm’)内的波形展开为傅里叶级数并用于产生表示傅里叶级数的傅里叶系数(Ck)幅度的频谱信号。
43.按权利要求42的装置，其特征在于，波形展开装置(53)包括符号决定装置以决定表示所述傅里叶级数的谐波第一项的频谱信号的符号，控制装置(12)包括分配装置(54)以在表示谐波第一项的频谱信号Ck的符号的特定组合被提供给控制装置(49)的情况下产生特定的工艺条件信号。
44.按权利要求43的装置，其特征在于，分配装置(54)适于在如果频谱信号指出没有傅里叶系数Ck的第一项的情况下产生表现较低电流密度的第一工艺条件信号(T)。
45.按权利要求43的装置，其特征在于，分配装置(54)适于在如果频谱信号指出连续的傅里叶系数Ck的第二项具有相互交替的符号的情况下产生表现在电解液中存在充有气体的空腔的第二工艺条件信号(T)。
46.按权利要求43的装置，其特征在于，分配装置(54)适于在连续的傅里叶系数Ck的第三项具有相互一致的符号的情况下产生表现存在较高电流密度的第三工艺条件信号(T)。
47.按权利要求40的装置，其特征在于，分析装置(48)包括高通滤波装置(55)用于产生表示大于预定频率的频率分量范围的频谱信号，以及频谱信号变化检测装置(59)用于检测在预定的测量间隔(Tm)内产生的频谱信号的快速变化并将相应的频谱信号变化信号(Ac)提供给控制装置，控制装置(12)适于在提供频谱信号变化信号(Ac)的情况下调整至少一个工艺控制参数信号。
48.按权利要求47的装置，其特征在于，分析装置(48)包括取平均值装置(58)将在预定的时间间隔(Tm)间产生的频谱信号的幅度取平均值。
49.按权利要求39的装置，其特征在于，供电电源(11)包括恒定电流或恒定电压源(15，23)用于连续施加电流，脉冲电流或脉冲电压源(26，29)用于断续施加电流，以及转换装置(19，25，28，31)用于在各电源之间转换。
50.按权利要求49的装置，其特征在于，用于定位的装置包括第一定位装置(4)用于以基本上恒定的速度彼此相对运动电极(3)和工件(1)，以及第二定位装置(5)用于以振荡或重复的方式彼此相对运动电极(3)和工件(1)。
51.按权利要求50的装置，其特征在于，脉冲电流源(26，29)适于在相对振荡或重复运动过程中工件(1)和电极(3)之间的相对距离小时，产生断续施加的脉冲序列。
52.按权利要求39的装置，其中脉冲电流源(26，29)适于以脉冲状周期断续施加具有正常极性的电流脉冲，其特征在于，脉冲电流源(26，29)进一步适于根据至少一个工艺控制参数信号(SEL1，SEL2，CI1，CU1…)附加地施加一个或多个具有反向极性的电流脉冲。
53.按权利要求39的装置，其中脉冲电流源(26，29)适于以脉冲状周期断续施加具有正常极性的电流脉冲，其特征在于，脉冲电流源(26，29)进一步适于根据至少一个工艺控制参数信号(SEL1，SEL2，CI1，CU1…)附加地施加具有相同极性但电压具有的幅度不足以溶解工件(1)和工件(1)上的钝化层的电钝化脉冲。
54.按权利要求39的装置，其中脉冲电流源(26，29)适于根据至少一个工艺控制参数信号(SEL1，SEL2，CI1，CU1…)以导致电极(3)被清洗淀积废物的反向极性以一个或多个脉冲状周期断续施加电极清洗电流。
55.按照权利要求54的装置，其中定位装置(4，5)适于以重复运动的方式彼此运动电极(3)和工件(1)，脉冲电流源(26，29)适于在工件(1)和电极(3)间的距离较小时断续地施加电流脉冲，控制单元(12)适于通过首先将工件(1)和电极(3)彼此连接并施加测量电流而不是加工电流以决定连接，决定电极(3)和工件(1)的相应位置，其特征在于，脉冲电流源(26，29)适于在将工件(1)和电极(3)连接前施加一个或多个电极清洗脉冲。
56.按照权利要求39的装置，其中定位装置(4，5)适于以重复运动的方式彼此相对运动电极(3)和工件(1)，脉冲电流源(26，29)适于在工件(1)和电极(3)间的距离较小时以脉冲状周期断续地施加电脉冲，其特征在于，脉冲电流源(26，29)适于根据至少一个工艺控制参数信号改变脉冲状周期的持续时间。
57.按权利要求56的装置，其中脉冲电流源(26，29)适于施加脉冲状周期的持续时间缩短至比在电解液中形成气体泡，例如形成氢气，所需要的形成晶种时间小的数值的电脉冲。
58.按权利要求57的装置，其中脉冲周期减少至10至100微秒之间的数值。
59.按权利要求58的装置，其中相应的脉冲最前部周期具有100和1000纳秒之间的数值。
60.按权利要求57的装置，其中脉冲电流源(26，29)适于产生断续施加的电流脉冲序列，序列中脉冲间的间距具有比用于排出已形成在电解液中的气体泡所需要的排出时间大的数值。
61.按权利要求60的装置，间距/脉冲持续时间的比在2和10之间。
62.按权利要求33的装置，其中供电电源(11)适于根据至少一个工艺控制参数信号快速中断提供电流。
63.按权利要求39的装置，其中定位装置(4，5)适于将电极(3)和工件(1)以振荡运动彼此相对运动，脉冲电流源(26，29)适于在工件(1)和电极(3)间距离较小时以脉冲状周期断续施加电脉冲，其特征在于，控制装置(12)适于根据至少一个工艺控制参数信号改变振荡运动和给每个振荡运动施加电流的开始之间的相对相移()。
64.按权利要求39的装置，其中定位装置(4，5)适于将电极(3)和工件(1)以振荡运动彼此相对运动，脉冲电流源(26，29)适于在工件(1)和电极(3)间距离较小时以脉冲状周期断续施加电脉冲，其特征在于，控制装置(12)适于根据至少一个工艺控制参数信号改变电解液压力(Pel)。
65.按权利要求39的装置，其中定位装置(4，5)适于将电极(3)和工件(1)以振荡运动彼此相对运动，脉冲电流源(26，29)适于在工件(1)和电极(3)间距离较小时以脉冲状周期断续施加电脉冲，其特征在于，控制装置(12)适于根据至少一个工艺控制参数信号改变工件(1)和电极(3)彼此相对运动的相对加工速度。
66.按权利要求39的装置，其中供电电源(11)适于以脉冲状周期施加电流脉冲，其特征在于，预定的测量周期(Tm，Tm’)基本上对应于脉冲的持续时间。
67.按权利要求39的装置，供电电源(11)适于在第一时间持续时间中基本上连续地施加电流，其特征在于，预定的测量周期(Tm，Tm’)为所述第一时间持续时间的一部分，使得工艺条件中的变动可在测量周期(Tm，Tm’)内被测量。
68.用于电化学加工导电性工件的装置，在工件和电极间提供电解液时在工件和导电性电极间施加电流，该装置包括导电性电极(3)；用于定位电极和工件(1)的空间关系的装置(4，5)，以便保持电极(3)和工件(1)间的空隙；用于将电解液提供至空隙内的装置(7)；供电电源(11)，它可与电极(3)和工件(1)电连接以在工件(1)和电极(3)间施加电流，控制装置(12)与用于定位的装置(4，5)和供电电源(11)连接，其特征在于，控制装置(12)适于以材料除去工作模式或以工件成型工作模式工作，用于定位的装置(4，5)适于在材料除去工作模式中以基本上恒定的速度或在工件成型工作模式中以振荡或重复运动将电极(3)和工件(1)彼此相对运动，供电电源(11)适于在材料除去工作模式中连续地或在工件成型工作模式中在工件(1)和电极(3)间的相对距离较小时以脉冲状周期断续地提供电流。
69.按权利要求68的装置，其中电源(11)适于在工件成型工作模式中当电极(3)和工件(1)之间的距离较小时产生断续施加的电流脉冲序列。
70.按权利要求69或68的方法，其中脉冲电流源(26，29)适于施加脉冲状周期的持续时间缩短至比在电解液中形成气体泡，例如形成氢气，所需要的形成晶种时间小的数值的电脉冲。
71.按权利要求70的装置，其中脉冲周期减少至10至100微秒之间的数值。
72.按权利要求70的装置，其中脉冲电流源(26，29)适于产生断续施加的电流脉冲的序列，序列中脉冲间的间距具有比排出已形成在电解液中的气体泡所需要的排出时间大的数值。
73.按权利要求72的装置，间距/脉冲持续时间的比在2和10之间。
74.按权利要求68的装置，其特征在于，供电电源(11)适于在工件成型工作模式中以脉冲状周期断续施加具有正常极性的电流脉冲，并附加地施加具有相同的极性的电钝化脉冲但电压具有的幅度不足以溶解工件(1)和工件(1)上的钝化膜。
75.按权利要求68的方法，其特点在于，控制装置(12)适于在工件精加工工作模式中工作，以及供电电源(11)适于在工件成型工作模式中以脉冲状周期断续施加具有正常极性的电流脉冲，并附加地施加具有反向极性的一个或多个电流脉冲。
76.按权利要求68的装置，其特征在于，控制装置(12)适于在电极工具清洗工作模式中工作，以及供电电源(11)适于在电极工具清洗工作模式中以一个或多个脉冲状周期以导致电极被清洗淀积废物的反向极性断续施加电流脉冲。
77.电化学加工导电性工件的方法，通过当在工件和电极之间提供电解液时在工件和导电性电极间施加电流实现，该方法包括材料除去步骤，其中当工件和电极以基本上恒定的速度彼此相对运动时连续地提供电流，工件成型步骤，其中当工件和电极以振荡或重复运动彼此相对运动时以脉冲状周期断续地提供电流，当工件和电极间的距离较小时施加电流，该方法进一步包括测量由电流诱发的电压；决定与在电化学加工工艺过程中在预定的测量周期内的所测电压的频谱组成有关的信息，以及按照所述信息修正至少一个工艺控制参数。
全文摘要
控制电化学加工导电性工件的工艺的方法,通过采用在例如由在导电性工件和电极工具间施加电流诱发的预定的测量周期内所测电压的频谱组成实现。电化学加工工艺采用连续提供电流的材料除去步骤和断续提供电流的工件成型步骤。有利的实施例采用极短的脉冲。
文档编号B23H7/30GK1383395SQ01801724
公开日2002年12月4日 申请日期2001年4月10日 优先权日2000年4月18日
发明者M·布鲁泽, N·Z·吉梅夫, A·N·扎赛夫, A·L·贝洛戈尔斯基, I·L·阿加福诺夫, V·P·志特尼科夫, V·N·库岑科, R·R·穆楚特迪诺夫 申请人:皇家菲利浦电子有限公司