用於電化學加工的電極工具和用於製造該工具的方法
2023-05-11 05:08:36
專利名稱：用於電化學加工的電極工具和用於製造該工具的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於電化學加工的電極工具，並涉及一種製造該電極工具的方法。本發明尤其涉及一種能長時間高精度地對流體軸承中的動態壓力產生槽進行電化學加工的電極工具。
背景技術：
動力槽(動態壓力產生槽，dynamic groove)加工設備用於在工件-例如流體軸承-的表面上形成動力槽。動力槽在位於軸承和軸之間的支承流體上產生動態壓力，以支承軸承中的軸。如圖1所示，用於動力槽加工的傳統電極工具包括電極基體1和通過公知的防鍍(resist)方法在電極基體1的表面上形成的不導電絕緣膜2。在這種電極工具中，導電圖案3越細微，電極基體1和絕緣膜2之間的附著強度就越弱，絕緣膜2脫落的發生率就越高。
所形成的凹槽對應於電極工具上的導電區域的暴露圖案。另一種已知的電極工具具有上述暴露圖案以外區域被絕緣樹脂層覆蓋的基體。該絕緣樹脂層是通過將樹脂微粒附著和烘焙到基體上而形成。此外，另一種已知的動力槽加工設備包括電極工具，在該電極工具上，在待加工的動力槽圖案內預先形成有孔的樹脂薄片固定在電極基體表面上。
此外，在用於細微表面形狀的電化學加工的電極工具中，由於加工圖案以外區域的絕緣膜很薄，因此不導電絕緣樹脂附著到基體的強度通常很弱。結果，絕緣膜由於在電化學加工過程中使用的電解質溶液的影響會脫落。這是因為，在很多情況下，用作絕緣層膜的絕緣樹脂被紫外線、熱等硬化，並且該絕緣樹脂與電極工具中所用的導電基體的附著力通常很低。
另外，由於這種細微表面形狀的電化學加工通過設置在電極工具和工件之間的狹窄加工間隙進行，因此絕緣膜受到由於電解質溶液流動而產生的相當大的剪切力。當絕緣膜發生脫落時，就不可能將加工圖案精確地傳遞到工件上。此外，電極工具和工件之間的加工間隙會被絕緣膜脫落的碎片阻塞。這種阻塞部分地阻隔了電解質溶液的流動，造成工件的加工形狀缺陷，因此降低了將該工件用作部件的最終產品-例如動態軸承(dynamicbearing)等-的產量。而且，上述阻塞會導致損壞電極工具和工件的電短路。
為了避免上述阻塞問題，已知在另一種已知的用於電化學加工的電極工具中，電極包括在導電基體表面上形成特殊圖案的導電區域。電極和表面上將形成有凹陷的工件面對面地浸在電解質溶液中。工件和電極分別連接到加工電源的正極和負極，電流通過它們以在對應於電極導電區域圖案的工件表面上形成凹陷。電沉積塗層膜形成為在上述導電區域圖案以外的電極表面區域上的絕緣膜。
如圖2所示，另一種已知的電極工具的導電圖案具有由凸臺3限定的電極基體表面。凸臺3通過對電極基體1的表面進行凹槽加工並然後用絕緣樹脂模製基體1而形成。對電極基體1的表面進行機械拋光，以暴露出導電圖案的凸臺。從而，絕緣膜2就被充填在表面基本平坦的基體1中的被切除的凹陷中。
然而，雖然在這種電極工具結構中對電解質溶液的流動所帶來的力的影響不敏感，但是電解質溶液逐漸地穿透絕緣膜2和導電基體1之間的分界面，導致絕緣膜2最終脫落。
在第三種已知的用於電化學加工的電極工具中，在面向工件但不對應於動力槽圖案的電極工具基體部分形成有凹陷。在這些凹陷中設置不導電絕緣膜，未被絕緣膜覆蓋的基體部分形成暴露的電極圖案。電極圖案表面形成為與不導電絕緣膜表面齊平。因此，即使為了提高傳遞精度而使加工間隙變窄，也將沒有由加工產生的電解副產品或熱電解質溶液的滯留，因此可以維持所期望的電解條件。此外，也不會有因電解副產品與不導電絕緣膜2碰撞而脫落的不導電絕緣膜碎片的阻塞，並且防止了電解質溶液的流量下降。
當電極工具的上述表面被做成齊平的時，消除了凹坑和凸起，因此在更大程度上防止了電解質溶液流量下降。當防止了流量下降時，也防止了電流密度下降，從而降低了工件加工表面的表面粗糙度。此外，防止電流密度下降提高了電化學加工速度。
上述電極工具可以由具有導電圖案的電極基體表面形成，所述導電圖案是由通過凹槽加工形成的凸臺限定的。用緣樹脂模製電極工具。然後，對絕緣樹脂表面進行機械拋光，以暴露出導電圖案的凸臺。該電極工具可以對工件進行精確的表面加工並能長時間使用。
然而，已經確定，當使用絕緣樹脂模製上述由凸臺限定的導電圖案表面並對樹脂表面進行機械拋光時，凸臺會沿凹槽下降的方向向外伸入當拋光電極基體表面的凸臺時應該為槽的區域。這通常導致嚴重的毛刺，因為與絕緣樹脂電極相比基體具有金屬特徵的延展性。
發明內容
鑑於已知電極工具的上述限制，本發明的電極工具包括在由凸臺限定的導電圖案中精確形成的凹槽，並且凸臺不伸入凹槽下降的方向。更具體地，本發明的電極工具包括通過對電極基體的表面進行凹槽加工形成的凸臺和凹槽。由凸臺限定的導電圖案的表面形成為低於絕緣樹脂表面或換句話說從絕緣樹脂表面凹進，該絕緣樹脂被一體地模製在導體圖案上並充填在凹槽中。具體地，兩個表面之間的高度差在1μm和5μm之間。
通過使電極工具的導電圖案表面低於絕緣樹脂表面1至5μm，可以防止凸臺產生毛刺。結果，甚至對於細微的導電圖案，也可獲得能夠製造200,000件或更多工件並且導電圖案具有良好的再現性的電極工具。
此外，由於可以防止電極基體和樹脂產生毛刺，因此可以精確地形成細微的凸臺圖案。另外，通過選擇基體和樹脂的適當組合，可以沒有毛刺地製造用於電化學加工的電極工具。
本發明中所使用的絕緣樹脂可以是任何類型的，只要它對電解質溶液-例如典型的是NaNO3(硝酸鈉)-具有高的抗腐蝕能力，並對電極基體具有良好的附著性。該絕緣樹脂可以是從環氧樹脂、聚氨酯樹脂或聚醯亞胺樹脂中選出的材料。另外，本發明的電極工具的電極基體優選包括銅合金和鐵合金，銅合金包括黃銅，鐵合金包括奧氏體不鏽鋼。
此外，本發明的另一方面涉及一種製造用於電化學加工的電極工具的方法，該方法包括形成由凸臺限定的導電圖案，即，通過對電極基體表面進行凹槽加工，用絕緣樹脂模製電極基體表面，對絕緣樹脂的表面進行機械拋光以暴露出導電圖案的凸臺，以及對導電圖案的凸臺進行化學溶解。
而且，在本發明中，當通過對下降到刀凹槽內的凸臺的邊緣進行倒圓來形成由凸臺限定的導電圖案時，可以防止下降到凹槽中的凸臺的邊緣在拋光過程中延展，從而防止產生毛刺。
電化學加工、銑削或其它機械加工、雷射加工、電火花加工、噴丸處理等都可用於對電極基體進行凹槽加工並形成凹陷。
此外，可以通過蝕刻、通過使用酸或鹼溶解電極基體或通過電化學加工來化學溶解導電圖案的凸臺。
附圖和下文的詳細說明包含在說明書中並形成說明書的一部分，用以進一步說明根據本發明的各種實施例並解釋本發明的各種原理和優點，在附圖中，相同的參考數字在所有附圖中表示相同的元件或功能相似的元件。
圖1示出用於電化學加工的現有技術電極工具的橫截面；圖2示出用於電化學加工的另一種現有技術電極工具的橫截面；圖3A-圖3E示出形成根據本發明的第一實施例的電極工具的工藝步驟；圖4A-圖4E示出形成根據本發明的第二和第三實施例的電極工具的工藝步驟；圖5是在根據本發明的電極工具上形成的典型導電圖案的示意圖；圖6是使用根據本發明的電極工具的電化學加工裝置的實施例的簡圖；圖7是使用圖6的電化學加工裝置在工件上形成的典型導電圖案的照片；圖8A是由光波幹涉測量系統生成的三維圖片，該圖片示出由圖6的電化學加工裝置使用傳統電極工具在工件上形成的導電圖案；圖8B是由光波幹涉測量系統生成的圖片，該圖片示出由圖6的電化學加工裝置使用根據本發明的電極工具在工件上形成的導電圖案。
具體實施例方式
下文將根據附圖詳細說明本發明。省略了對於本領域的技術人員理解本發明不必要的對部件的圖示和說明。
參考圖3A-圖3E，下文將說明形成根據本發明的第一實施例的用於電化學加工的電極工具的工藝。
在圖3A中，優選由銅合金黃銅製成的電極基體1包括用作加工電極的表面1a。清洗加工電極表面1a，然後，如圖3B中所示，通過凹槽加工在表面1a上銑出凸臺3。凸臺3共同形成導電圖案，例如圖5中所示的導電圖案14。導電圖案14形成後，去除加工電極表面的油汙並清洗加工電極表面。
然後，如圖3C中所示，用環氧樹脂模製加工電極表面1a的上部，以形成堅硬的絕緣樹脂層4。用拋光機拋光該堅硬的絕緣樹脂層4以使之逐漸變薄，直到如圖3D中所示暴露出導電圖案14，拋光後絕緣樹脂2仍保留於在凸臺3之間限定的凹槽3a中。在凸臺3伸入凹槽3a的位置處，在凸臺3的邊緣5處形成毛刺。
然後，將電極工具浸在60％的硝酸溶液中3秒鐘並用清水清洗。導電圖案14被蝕刻，而且毛刺被完全去除。如圖3E中所示，形成最終的電極工具，導電圖案14的表面形成為低于堅硬的絕緣樹脂層4的表面，或者說從絕緣樹脂層4的表面凹進。導電圖案14的表面和絕緣樹脂2的表面之間的高度差約為2μm。
根據本發明第二實施例的用於電化學加工的電極工具可通過圖4A-圖4E所示的工藝製造。
在第二實施例中，用銅合金黃銅作為電極基體1。如圖4A中所示，清洗將用作加工電極的表面1a。然後，如圖4B中所示，通過凹槽加工在電極基體的表面1a上銑出凸臺3，以形成圖5中所示的導電圖案14。導電圖案14形成後，對伸入相鄰凹槽3a內的凸臺3的邊緣進行倒圓，並清洗加工電極的表面1a。
如圖4C中所示，用環氧樹脂模製加工電極的表面1a，以在加工電極上形成堅硬的絕緣樹脂層4。然後通過拋光去掉堅硬的絕緣樹脂層4，拋光後絕緣樹脂2仍保留在凹槽中。堅硬的絕緣樹脂層4通過拋光加工而逐漸變薄，直到如圖4D中所示暴露出導電圖案14。在伸入凹槽3a的凸臺3的邊緣5處幾乎沒有毛刺。
然後，將電極工具浸在60％的硝酸溶液中2秒鐘並用清水清洗。導電圖案3被蝕刻，而且毛刺被完全去除。參考圖4E，最終的電極工具具有導電圖案表面，所述導電圖案表面形成為低于堅硬的絕緣樹脂2的表面或者說從絕緣樹脂2的表面凹進，導電圖案表面和絕緣樹脂2的表面之間的高度差約為3μm。
根據本發明第三實施例的用於電化學加工的電極工具也可通過圖4A-圖4E中所示的工藝製造。
具體地，用奧氏體不鏽鋼SUS304作為電極基體1。清洗將用作加工電極的表面。如圖4B中所示，通過雷射加工對加工電極的表面進行凹槽加工，以形成凸臺3。凸臺3共同形成例如圖5中所示的電極導電圖案14。
導電圖案14形成後，對伸入凹槽3a內的凸臺3的邊緣進行倒圓，去除加工表面的油汙並清洗加工表面。如圖4C中所示，用環氧樹脂模製加工電極的表面1a，以形成堅硬的絕緣樹脂層4。拋光該堅硬的絕緣樹脂層4並使之逐漸變薄，直到如圖4D中所示暴露出導電圖案14。在伸入凹槽3a的凸臺3的邊緣5處幾乎沒有毛刺。
然後，將電極工具浸在60％的硝酸溶液中3秒鐘並用清水清洗。導電圖案14被蝕刻並且存在的任何毛刺都被完全去除。最終的電極工具包括導電圖案14，所述導電圖案的表面形成為低於絕緣樹脂2的表面，導電圖案表面和絕緣樹脂2的表面之間的高度差約為1μm。
用於電化學加工的電極工具也可以基於表1中所示的條件通過與上述第一、第二和第三實施例類似的方式製造。(表1)示出基於第四至第八實施例的實際使用的試驗結果、現有技術電極工具的對比試驗結果和相應的製造條件。現有技術的例子的電極工具是根據上述第一實施例製造的，但省略了蝕刻步驟。
(表1)
在表1中，術語「最小寬度」是指凹槽最窄部分處(例如，圖5所示的典型電極導電圖案中的圖案中心附近)的電極導電圖案能夠被精確複製的最小寬度。在本發明中，該最小寬度約為20μm±5μm。並且，術語「壽命」是指用於電化學加工的單個電極工具在保持圖案再現性的情況下所能製造的工件數量。
圖6示出使用在本發明的上述任一實施例中所討論的類型的電極工具在工件上形成導電圖案的電化學加工裝置。
包括由電極基體1和絕緣樹脂2形成的導電圖案14的電極工具和工件6隔著一間隙(約為20至100μm)相互對置，電解質溶液8穿過所述間隙循環。直流脈衝電源13的負極端子連接到電極工具上，正極端子連接到工件6上。
包含重量百分比為15的NaNO3(硝酸鈉)的特定量電解質溶液8存儲在電解質溶液存儲槽15中。向電極工具的殼體16內供給電解質溶液8的電解質溶液供給管11和從電極工具的殼體16排出電解質溶液並使之返回到電解質溶液存儲槽15的電解質溶液排出管12通過泵9和過濾器10連接到存儲槽15。因此，電解質溶液8穿過殼體16循環，同時被過濾器9過濾。
優選地，電化學加工裝置中的電解質溶液8的流速設定在8至12m/s。來自電壓為8至16V的直流脈衝電源13的電流供給到電極工具1至5秒。
只有與電極工具的導電圖案凸臺3相對應的工件6的表面區域通過電解反應被除去並變為凹槽或凹陷7，從而凹槽或凹陷7形成為電極工具的導電圖案14的形狀。圖7示出具有使用上述電化學加工裝置在工件6的表面上形成的凹槽7的典型導電圖案18。
圖8A是由光波幹涉測量系統生成的三維圖片，該圖片更詳細地示出由圖6的電化學加工裝置使用如上所述的傳統電極工具在工件表面上形成的在1627μm×1237μm的區域內的導電圖案20。圖8B是由光波幹涉測量系統生成的圖片，該圖片更詳細地示出由圖6的電化學加工裝置使用本發明的電極工具在工件表面上形成的在1627μm×1237μm的區域內的導電圖案21。如所示出的，導電圖案20表現出變形，例如在22處、在凹槽的尖端或末端部分的變形，所述變形造成凹槽分隔部斷口(break)，例如在23處示出凹槽分隔部斷口。另一方面，導電圖案21沒有這種變形或凹槽分隔部斷口，因此根據本發明的電極工具能夠形成具有更高精度且沒有缺陷的動力槽，從而能夠製造出例如與具有使用傳統電極工具形成的動力槽的流體軸承相比性能更好的流體軸承。
在形成根據本發明的電極工具時在加工電極表面上不產生毛刺，從而可以精確地形成不受毛刺影響的凸臺導電圖案。此外，上述用於製造本發明的電極工具的方法可以防止產生毛刺，甚至在使用易於起毛刺的電極基體和樹脂時。這使得可以選擇電極基體和樹脂的組合以製造具有期望特性的電極工具，這反過來有助於開發更小的流體軸承。
本公開旨在解釋如何製造和使用根據本發明的各種實施例，並非意圖窮舉或將本發明限制為所公開的具體形式。可以根據上文的教導進行修改和變型。選擇並描述實施例旨在最清楚地說明本發明的原理及其實際應用，並使本領域的普通技術人員能夠在各種適合於特定用途並落在由所附權利要求限定的本發明的範圍內的實施例和變型中應用本發明，還可以在根據所附權利要求被清楚地、合法地並公正地授權的範圍內解釋時的所有等同物中使用本發明。
權利要求
1.一種用於電化學加工的電極工具，包括包含加工電極表面的電極基體；由形成在加工電極表面上的多個凸臺和凹槽限定的導電圖案；與電極基體模製成一體並充填在導電圖案的凹槽中的絕緣樹脂，其中，凸臺限定導電圖案的表面，所述表面低於充填在導電圖案的凹槽中的絕緣樹脂的表面，並且導電圖案表面與絕緣樹脂表面之間的高度差在1μm和5μm之間。
2.根據權利要求1的電極工具，其特徵在於，絕緣樹脂包括從環氧樹脂、聚氨酯樹脂和聚醯亞胺樹脂中選出的樹脂。
3.根據權利要求1的電極工具，其特徵在於，電極基體包括黃銅和奧氏體不鏽鋼之一，絕緣層包括環氧樹脂。
4.根據權利要求1的電極工具，其特徵在於，凸臺包括去除了毛刺的凸臺。
5.根據權利要求1的電極工具，其特徵在於，導電圖案表面與絕緣樹脂表面之間的高度差在1μm和3μm之間。
6.根據權利要求1的電極工具，其特徵在於，導電圖案表面與絕緣樹脂表面之間的高度差是2μm。
7.根據權利要求1的電極工具，其特徵在於，導電圖案表面與絕緣樹脂表面之間的高度差是3μm。
8.根據權利要求1的電極工具，其特徵在於，凸臺具有倒圓的邊緣。
9.根據權利要求1的電極工具，其特徵在於，在工件上複製出的導電圖案沒有凹槽分隔部斷口。
10.一種製造用於電化學加工的電極工具的方法，包括對電極基體的加工電極表面進行凹槽加工，以形成限定導電圖案的凸臺和凹槽；用絕緣樹脂模製加工電極表面；對絕緣樹脂的表面進行機械拋光，以暴露出導電圖案的凸臺；以及僅對導電圖案的凸臺進行化學溶解，以使導電圖案表面低於絕緣樹脂表面。
11.根據權利要求10的方法，其特徵在於，還包括對在凹槽加工時伸入凹槽中的凸臺邊緣進行倒圓。
12.根據權利要求10的方法，其特徵在於，僅對導電圖案的凸臺進行化學溶解包括將導電圖案浸在60％的硝酸溶液中大約2秒鐘，然後用清水清洗導電圖案。
13.根據權利要求12的方法，其特徵在於，通過將導電圖案浸入在60％的硝酸溶液中大約2秒鐘並然後用清水清洗導電圖案，來從凸臺上去除毛刺。
14.根據權利要求10的方法，其特徵在於，僅對導電圖案的凸臺進行化學溶解以使導電圖案表面低於絕緣樹脂表面包括僅對導電圖案的凸臺進行化學溶解，以使導電圖案表面低於絕緣樹脂表面1至5μm。
15.根據權利要求10的方法，其特徵在於，僅對導電圖案的凸臺進行化學溶解包括通過將導電圖案浸在60％的硝酸溶液中大約3秒鐘並然後用清水清洗導電圖案，來化學溶解導電圖案的凸臺。
16.一種使用具有從不導電錶面凹進的導電圖案表面的電極工具對工件進行機械加工的方法，包括將工件和電極工具相互分開地置於電解質溶液中，以限定工件和電極工具之間的間隙；使電解質溶液穿過間隙循環；以及產生通過電極工具到工件的直流電流，以在工件上形成凹槽，所述凹槽對應於電極工具上的導電圖案。
17.根據權利要求16的方法，其特徵在於，將工件和電極工具相互分開地置於電解質溶液中以限定工件和電極工具之間的間隙包括將工件和電極工具相互分開地置於電解質溶液中，以限定工件和電極工具之間約為20-100μm的間隙。
18.根據權利要求16的方法，其特徵在於，使電解質溶液穿過間隙循環包括使電解質溶液以8m/s至12m/s的速度穿過間隙循環。
19.根據權利要求16的方法，其特徵在於，將工件和電極工具相互分開地置於電解質溶液中以限定工件和電極工具之間的間隙包括將工件和電極工具相互分開地置於電解質溶液中，以限定工件和電極工具之間約為20-100μm的間隙；使電解質溶液穿過間隙循環包括使電解質溶液以8m/s至12m/s的速度穿過間隙循環。
20.根據權利要求16的方法，其特徵在於，產生通過電極工具到工件的直流電流以在工件上形成凹槽包括將直流脈衝電源的負極端子連接到電極工具上；將直流脈衝電源的正極端子連接到工件上。
全文摘要
一種用於電化學加工的電極工具包括加工電極表面(1a)。該加工電極表面(1a)包括由通過對電極表面(1a)進行凹槽加工形成的凸臺(3)和凹槽(3a)限定的導電圖案。然後，將加工電極表面(1a)模製上堅硬的絕緣樹脂層(4)，並對該堅硬的絕緣樹脂層(4)的表面進行機械拋光，以暴露出導電圖案的凸臺(3)。對凸臺(3)進行化學溶解，以得到導電圖案(14)，所述導電圖案的表面形成為低於最終的絕緣樹脂表面(2)，兩個表面之間的高度差在1μm和5μm之間。電極工具能夠對工件進行精確的表面加工，並能夠長時間使用。
文檔編號B23Q15/00GK1989276SQ200480040833
公開日2007年6月27日 申請日期2004年12月21日 優先權日2004年1月23日
發明者安田知行, 井出淳 申請人:美蓓亞株式會社