专利名称：通过双极脉冲清除阴极沉积物的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过在工件和导电电极之间施加双极电脉冲并且单极加工极性的一个或多个电压脉冲与相反极性的电压脉冲交替使用同时在该工件和该电极之间保持填充有电解质的间隙来电化学加工导电工件的方法。
本发明还涉及一种通过在工件和导电电极之间施加双极电脉冲并且单极加工极性的一个或多个电压脉冲与相反极性的电压脉冲交替使用同时在该工件和该电极之间保持填充有电解质的间隙来电化学加工导电工件的配置。
电化学加工是一种工艺，其中导电工件在供应电解质和电流的同时在电极的位置上溶解。为此，该电极位于该工件的附近，并在电解质输入该工件和该电解质之间的同时，强电流流经该电解质通过该工件和该电极，该工件相对于该电极为正性。电流以加工脉冲的形式施加，该脉冲具有给定的幅值和持续时间。在加工脉冲之间的间隔中更换电解质。在操作条件下，工件溶解，因此增加该工件和该电极之间的间隙的大小。为对此进行补偿，该电极和该工件以给定送进速率相对运动，因此该电极在该工件表面形成空腔或逐渐形成孔，该空腔或孔的形状与电极的形状相对应。使用此工艺例如在成形坚硬的金属或合金中或为其制成复杂的空腔或孔。工件中的空腔或孔的形状与该电极的的形状相对应的复制精度对于成品的品质至关重要。
一种使用双极脉冲实施电化学加工的方法已知于US 5,833,835。与加工脉冲极性相反的脉冲分量用来清除该电极前表面上的沉积物。相反极性脉冲的幅值由电极表面的磨损状况限制。此状况通过在加工脉冲终止之后根据工件和电极之间的极化电压值进行测试来验证。
已知方法的缺陷在于以下事实，即由于在该系统中得不到阴极沉积程度的信息，不能控制阴极沉积物清除的过程。因此，可能是阴极表面不能完全清理，导致阴极有效几何形状的偏差。这导致电化学加工精度不准确。
本发明的目的在于提供一种改进电化学加工精度和效率的方法，这是由于一种确定阴极沉积物的改进的方法，继而控制从电极前表面清除该沉积物。
本发明的方法的特征在于以下步骤根据该电极前表面的清洁程度进行操作参数的第一值的测量，所述第一值与该电极清洁前表面相对应；在施加至少一单极加工电压脉冲之后在单极加工电压脉冲之间的间隔内进行该操作参数的第二值的测量；进行该操作参数的第一值和第二值之间偏差的计算；只在计算偏差非零之后施加至少一相反极性的电压脉冲。
按照本发明的技术特征，进行与清洁电极表面的状况相对应的该操作参数的第一值的测量，并进一步用作参考值以便得出阴极沉积的程度。应该理解，在施加加工脉冲之后，沉积物出现在该电极的前表面上。此现象在该间隙内发生化学反应的产品难以清除的情况下特别显著。因此形成的沉积物主要包括该工件内存在的化学元素的氢氧化物和氧化物。随后是沉积物形成的机理及其在双极电化学加工时清除。应该理解，例如Fe，Ni，Al，Ti，Cr的金属在电化学加工不同类型金属时在盐的水溶液中电离。这些电离的金属通过阴极附近的电解质流输送，其中它们形成例如Fe(OH)3、Cr(OH)3、Ni(OH)2、Al(OH)3、FeOH(NO3)2、Fe(OH2)NO3的氧化物、氢氧化物和盐。这些成分进一步导致形成正电荷胶体，例如[mFe(OH)3nFe3+(n-x)OH]2+。下面化学反应形成本领域技术人员基本的知识。当这些胶体到达阴极表面时，它们以阴极沉积物的形式沉积在那里。阴极沉积物形成的主要物理过程是正电荷粒子的电泳输送及其在阴极表面进一步的吸收。在双极模式中，当相反极性的电压脉冲施加在间隙上时，阳极处理出现在阴极表面上。此过程特征在于形成强氧气，按照以下反应
氧气的形成首先通过该沉积物层上的机械裂纹导致沉积物从阴极表面清除。其次，在该阴极附近形成酸，其pH值在1-2级。在阴极表面出现的多个化学反应在因此形成的酸的影响下导致沉积物进一步清除。因此，作为氧气形成的机械影响以及伴随的沉积物在所形成的酸层中化学溶解的结果，阴极的前表面得以清洁。
阴极沉积物的化学和相的成分由工件(阳极)材料确定并可不同于电极(阴极)的材料。因此，如果不同元素成分的沉积物出现在阴极表面，阴极的性能可改变。通过选择阴极适当的性能作为操作参数，可检测该沉积物的产生。这提供获得关于电极前表面上沉积物形成的程度的信息的可能性。因此，通过进行操作参数的在线测量并将测量值和对应于阴极清洁表面的参考值相比较可获得大量关于阴极沉积物的信息。此信息在本发明的方法中使用以便如果在操作参数的第一值和第二值之间出现偏差时通过施加相反极性的电压脉冲以精确和受控的方式进行阴极沉积物的清除。该相反极性的脉冲的幅值、脉冲上坡和持续时间以如下方式选择，即对于间隙的给定值在阴极前表面附近出现强酸的形成，该酸区域的厚度足以溶解沉积物，并在电解质中保持溶解的沉积物。这种操作条件的实例对于脉冲上坡不大于2μs、间隙内所得到的电流密度值至少为1000A/cm2、脉冲持续时间在5～20μs的范围内可实现。
本发明方法方法的实施例的特征在于如果操作参数的第一值和第二值之间所计算的偏差大于预定第三值，每一连续单极加工电压脉冲随后进行多次重复的相反极性的电压脉冲。从电化学工艺效率的观点，最好限定一极限值，清除阴极沉积物的操作必须在此值下实施。此极限值由操作参数的第三值量化。如果检测出超过此极限值，该系统转换到其他模式，其中单极加工脉冲和多次重复的相反极性的脉冲相交替。该重复次数可按照根据操作参数的第三值建立的经验值预设。同样当检测到操作参数值到达预定切断值时可以停止施加相反极性的电压脉冲。
本发明方法的另一实施例的特征在于如果在施加所述多次重复之后所计算的偏差始终大于该第三值，相反极性的电压脉冲的脉冲持续时间由预定增量增加。此技术方案基于以下共识，即根据例如一方面是间隙值和电解质流以及另一方面是所施加相反极性的电压脉冲的幅值和持续时间的电化学工艺的操作条件，阴极沉积物清除的效率是整体效果。
本发明方法的又一实施例的特征在于电极前表面的电极电位值选择成该操作参数。此技术方案基于以下共识，即阴极沉积物的化学和相位成分由工件(阳极)的材料确定并可不同于电极(阴极)的材料。因此，如果不同元素成分的沉积物出现在阴极表面上，该电极电位变化。这提供获得关于在电极前表面上形成沉积物的信息的可能性。通过在电化学加工之前或在第一数量加工脉冲期间测量阴极电位，确定与没有沉积物的阴极表面相对应的阴极电位值。当由于上述工艺在阴极表面上形成沉积物时，阴极电位的绝对值变化。通过周期测量阴极电位，可以得出所产生的沉积物的数量。该测量最好在加工脉冲的间隔中进行。还可以在阴极电位的初始值和实际测量值之间设置预定容许偏差。这确定阴极前表面几何形状的容许偏差。如果所计算偏差大于预设容许偏差，施加相反极性的脉冲。其细节将参考附图进一步描述。
本发明方法的再一实施例的特征在于在与单极加工电压脉冲之间的间隔相对应的区域中，得到一在电极电位曲线之下的区域，所述区域选择成该操作参数。该操作参数的选择对于具有高电解质流的电化学加工条件或对于小电解质路径或对于该间隙的较大值是优选的。在这些条件下，该操作条件对于阴极沉积物产生到很大程度不是优选的，导致阴极电位值的微小变化。通过分析电极电位曲线更敏感地检测阴极沉积物的形成。进一步的细节将参考
。
本发明方法的又再一实施例的特征在于阴极电位脉冲的傅立叶变换的第一基波的绝对值选择成该操作参数。此技术方案基于以下共识，即傅立叶变换的第一基波的绝对值是该电极部分的阴极沉积物高度的直接测量结果。另外，应该理解的是对于加工极性的脉冲之间的非常短的间隔，傅里叶变换系数对阴极沉积物比阴极电位绝对值更敏感。另外，可以监测傅立叶变换的第一基波的实际值并使用它作为避免电极磨损的系统控制参数。此技术方案基于以下共识，即该第一基波值在产生阴极沉积物时具有正信号。如果由于施加相反极性的脉冲电极表面溶解，傅立叶变换的第一基波的信号从“正”变成“负”。因此，通过监测第一基波的绝对值和/或其信号，可以从电极表面清除阴极沉积物而不产生电极磨损。
本发明方法的又再一实施例的特征在于对于在一与单极加工电压脉冲之间间隔相对应的区域内加工电压脉冲之间的短的间隔，可得到电极电位曲线的斜率，所述效率选择作为该操作参数。已经发现阴极电位值在高频电化学加工的加工脉冲之间不稳定。因此，最好使用该电极电位曲线的过程的定量特征。此定量特征是该曲线的斜率，由以下公式给出kφ=(φ2-φ3)(φ1-φ2),]]>其中φi是在加工电压脉冲关闭之后的时刻i的电极电位。
通过选择用于测量电极电位相应值的等距采样时间以便确定该曲线斜率，可进一步简化该工艺控制。
按照本发明的方法，由于电极的几何形状大致保持不变，从而改进电化学加工的复制精度。由于该间隙阻力减小，因此该工艺效率提高大约20％，所得到工件表面质量改进一个等级。
本发明的这些和其他方面将参考附图进一步描述。
图1表示电化学加工的配置的示意图；图2表示对于不同金属阴极电位的特性曲线；图3示意表示作为时间函数的电极电位值；图4表示在该间隙上施加相反极性的电压的可能的模式；图5示意表示控制装置的示意功能方框图。
图1表示用于通过电极3电化学加工导电工件2的配置1的示意图。配置1包括定位工件2的底部6，定位电极3的保持器7和用于相互运动保持器7和端部6的致动器8。底部6和致动器8安装在具有刚性结构的底盘9以便使得电极3和工件2之间的工作距离高精度设置。该配置还包括以下述方法填充电解质5的储槽10，使得由于电极3和工件2之间工作距离而形成的间隙4由电解质5填充。在当前情况下，电解质包括溶解在水中的NaNO3。作为选择，可以使用其他的电解质，例如NaCl或NaNO3和酸的组合。电解质5通过未在图中示出的装置泵送通过间隙4。通过配置1，工件2可通过来自电力供应单元40的加工电压脉冲通过电极3和工件2之间的间隙4中的电解质5加工。电力供应单元40包括电压脉冲产生器41和可控制开关43。当所施加的加工电压的极性正确时，这导致工件2的材料从其表面除去并溶解在位于该电极和该工件之间小距离的位置处的电解质5中。因此所得到空腔的形状由与之相对的电极的形状确定。该配置1还包括第二电力供应单元20，其中结合相反极性U2的电压脉冲源21。该第二电力供应源还包括由工艺控制单元30操作的可控制开关23。在检测到加工脉冲U1与相反极性U2脉冲相交替的情况下，工艺控制单元30交替操作可控制开关23和43以便将适合极性的电压脉冲供应到间隙4。同样可以使用电源，其中第一和第二电力供应源集成并构成单一电力供应源，其可由工艺控制装置30编程以便传递相反极性的交替电压脉冲。
工艺控制装置30在施加加工电压脉冲U1之前或在第一施加的加工电压脉冲中确定例如电极电位值的操作参数的第一值。最好在加工脉冲之间的间隔内测量电极电位值。已经发现阴极沉积物的主要部分出现在采用单极加工电压脉冲U1的操作的第一个1～5分钟的期间内。如上所述，由于出现阴极沉积物，电极电位值变化。工艺控制装置30在操作条件下进行电极电位的测量，所述值作为操作参数的第二值。根据电极电位第一值和电极电位第二值之间的偏差，产生控制信号以便操作可控制开关23和43并交替施加相反极性的脉冲。因此，在阴极处将开始阳极处理，导致阴极前表面上清除所产生的沉积物。
图2表示用于清洁金属(1)、带有沉积物的金属(2)、带有沉积物的黄铜(3)、清洁黄铜(4)的材料的阴极电位以及Ag/Cr电极(5)的参考电极电位的特性曲线。如图2所示，相应的电极电位值提供确定阴极沉积物存在的可靠手段。在加工脉冲终止之后，电极电位值达到饱和，其相应的稳定值与间隙内平衡状态相对应。此稳定值用于测量。然而，在例如高频电化学加工的操作条件下，加工脉冲之间的间隙对于电极电位值达到饱和值是不充分的。因此，最好使用表示作为操作参数的电极电位曲线斜率。这将参考图3进一步说明。
图3示意表示作为时间函数的电极电位值。线a表示与加工电压脉冲U1相对应的加工电压U发展的实例。线b表示在加工电压脉冲已经关断之后电极电位发展的实例。阴影线表示加工电压关断的时刻，电极电位进一步随线b发展。线b的斜率从电极电位φi的测量值得出。如图3示意表示，与加工脉冲1相对应的电极电位的变化不同于与加工脉冲n相对应的电极电位变化。电极电位的斜率之间的差别表示阴极沉积物产生的程度。
对于几乎在加工电压关断之后紧接的时刻的电极电位绝对值出现小的变化的情况，最好选择曲线b之下的区域作为该操作参数。该曲线之下的区域通过进行曲线本身数字化来确定或通过积分电容上的电压以模拟方式测量，电容负荷与该曲线之下的区域的值相对应。
图4表示在该间隙上施加相反极性的电压以便清除所产生阴极沉积物的可能模式。由a给出的脉冲序列表示在单极模式中的参考加工脉冲序列。按照本发明的方法，例如电极电位的测量是在加工脉冲之间的间隔内进行的，并在工艺控制单元内和与阴极清洁表面相对应的电极电位参考值比较。如果检测出出现阴极沉积物，该工艺控制单元操作电力供应单元的可控制开关以便以相反极性脉冲。所得到的脉冲序列的实例由曲线b给出，其中在每一单极加工电压脉冲之后施加相反极性的脉冲。
在图4中通过曲线c给出可选择的解决方法，其中每一连续单极加工电压脉冲之后接着进行多次重复的相反极性的电压脉冲。使用重复的次数可根据给定操作条件下经验建立的最佳值来预先设定。如果只在操作参数的第一值和第二值之间的偏差超过预定第三值之后进行该重复，此技术方案的效果是最佳的，例如该第三值对于复制精度内的容许公差具有特征。同样，如果操作参数值测量为恒定并如果操作参数值减小到预定关断值以下时还可以中断该重复。这种模式的实例在图4中由脉冲序列d给出。
图5表示工艺控制装置30的功能方框图。脉冲电力供应产生器21产生施加在间隙4上的单极加工电压脉冲。单极加工脉冲的幅值和持续时间由脉冲控制单元36控制。在加工脉冲之前，采用探头33测量阴极电位值。此值构成操作参数的第一值并进一步存储在计算单元34的存储单元中。在加工脉冲之间的间隔内，探头33进行电极电位的测量。每一所述的测量构成操作参数的第二值。该测量值发送到计算单元34，其中计算第一值和第二值之间的偏差。如果计算的偏差非零，计算单元34产生到脉冲控制单元36的控制信号。接收到这种控制信号，该脉冲控制单元交替操作电力供应单元41，21的可控制开关。所得到的脉冲序列与图4的曲线b相对应。工艺控制装置30还包括采样时间产生器37，它控制探头33。在一些应用中，阴极沉积物略微产生，在加工脉冲之后不需要进行操作参数的测量。
同样可以设计脉冲序列，其中有选择地施加相反极性的电压脉冲，而不是对于操作参数的第一值和第二值的每一偏差都施加。可设想对于可检测到但轻度的阴极沉积物，电化学加工得到的精度保持在容许公差内。在这种情况下，如果阴极沉积物的程度超过预定容许水平，足以进行阴极表面的清除。操作参数的相应第三值由经验确定并可与操作参数的第一值一起存储在计算装置34的存储单元中。如果计算单元34检测到由探头33给出的操作参数第二值和第一值之间的计算偏差已经超过第三值，控制信号发送到脉冲控制单元36。在此情况下，可在该间隙上施加多次重复脉冲。此操作模式的实例在图4中由曲线c给出。重复的预定次数存储在计算装置34的存储单元中。如果脉冲重复完成之后，观察到计算偏差始终保持在第三值之上，计算单元34发送控制信号到脉冲控制单元36以便以一增量增加相反极性单元脉冲的脉冲持续时间。该增量值由操作条件确定并存储在计算装置34的存储单元的速查表中。对于5ms的加工脉冲，相反极性的单元脉冲的相应的脉冲增量是1ms级，相反极性的单元脉冲的初始脉冲持续时间是2ms级。给定脉冲持续时间对于以下操作条件是优选的，即15％NaNO3，单极加工脉冲幅值为8V，间隙值为20μm。
由于可以可控制的方式进行加工脉冲和相反极性脉冲交替，可以清除阴极沉积物而没有阴极磨损。操作参数的实际值与初始值之间的偏差是测量阴极沉积物程度的方法。通过在线检测操作参数值，可以构成所述类型的自动工艺控制以便使得电化学加工精度最佳化。已经发现采用本发明的方法复制精度的所得到内偏差在20μm级，相应部分光洁度构成0，2μm。
权利要求
1.一种在电解质中电化学加工导电工件的方法，该方法通过在工件和导电电极之间施加单极电脉冲、一个或多个单极加工极性的电压脉冲和相反极性的电压脉冲交替使用并同时在该工件和单极保持间隙，该间隙填充有电解质，其特征在于，该方法包括以下步骤根据该电极前表面的清洁程度进行操作参数的第一值的测量，所述第一值与该电极清洁前表面相对应；在施加至少一单极加工电压脉冲之后在单极加工电压脉冲之间的间隔内进行该操作参数的第二值的测量；进行该操作参数的第一值和第二值之间偏差的计算；只在计算偏差非零之后施加至少一相反极性的电压脉冲。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果该操作参数的第一值和第二值之间的计算偏差大于预定第三值，每一连续单极加工单元脉冲之后进行多次重复的相反极性的电压脉冲。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，如果在所述多次重复施加之后该计算的偏差始终大于该第三值，相反极性的电压脉冲的脉冲持续时间以一预定增量增加。
4.如权利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，该电极前表面的电极电位值选择作为该操作参数。
5.如权利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，在与该单极加工电压脉冲之间的间隔相对应的区域内，得出该单极电位曲线之下的区域，所述区域选择作为该操作参数。
6.如权利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，阴极电位的傅立叶变换的第一基波的绝对值选择作为该操作参数。
7.如权利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，对于在一与该单极加工电压脉冲的加工相对应的区域内单极加工电压脉冲之间的短间隔，得出该电极电位曲线的斜率，所述斜率选择作为该操作参数。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述斜率根据等时间间隔测量的该电极电位值之间的差别得出。
9.一种在电解质(5)中电化学加工导电工件(2)的配置(1)，它通过在工件(2)和导电电极(3)之间施加单极加工脉冲、一个或多个单极加工极性的电压脉冲和相反极性的电压脉冲交替使用并同时在工件(2)和电极(3)之间保持有间隙(4)，间隙(4)填充电解质(5)来实现，其特征在于，该配置包括一电极(3)；用于在空间关系上定位电极(3)和工件(2)以便在该电极和工件之间保持间隙(4)的装置(6，7，8，9)；用于将电解质(5)供应到间隙(4)中的装置(10)；一可电连接在电极(3)和工件(2)上以便为该工件和电极供应加工极性U1的电压脉冲的第一电力供应源(40)；一可电连接在电极(3)和工件(2)上以便为该工件和电极供应相反极性U2的电压脉冲的第二电力供应源(20)；用于在加工电压脉冲之间的间隔期间根据操作参数的测量结果产生控制信号的装置(33)；根据控制信号在间隙(4)上施加至少一相反极性U2的电压脉冲的工艺控制装置(30)。
10.如权利要求9所述的配置(1)，其特征在于，该控制信号从该操作参数的第一测量值和第二测量值之间的偏差得出。
11.如权利要求10所述的配置(1)，其特征在于，该控制信号在该操作参数的偏差和预定第三值之间进行比较后产生。
12.如权利要求10或11所述的配置(1)，其特征在于，该工艺控制装置(30)包括电力供应控制装置(36)和用于计算该操作参数的第一值和第二值之间偏差的计算装置(34)。
全文摘要
一种用于在电化学加工期间在线清除阴极沉积物的方法。工艺控制装置(30)配置成将单极加工电压脉冲U1和相反极性U2的电压脉冲交替施加在工件(2)和阴极(3)上。该工艺控制装置包括根据操作参数在线确定阴极沉淀物量的配置。只在该操作参数超过容许水平的情况下，工艺控制装置(30)将单极电压加工脉冲U1和相反极性U2的电压脉冲交替。在此情况下阴极磨损最小。
文档编号B23H3/02GK1462216SQ02801535
公开日2003年12月17日 申请日期2002年4月19日 优先权日2001年5月8日
发明者A·蔡特塞夫, N·Z·吉梅夫, V·库特森科, N·A·阿米尔查诺瓦, A·L·贝洛戈尔斯基, N·马克洛瓦, R·R·穆楚特迪诺夫, M·布鲁塞 申请人:皇家菲利浦电子有限公司