特開 2023-184517 電解加工の方法およびシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023184517

(43)【公開日】2023-12-28

(54)【発明の名称】電解加工の方法およびシステム

(51)【国際特許分類】

   B23H 3/04 20060101AFI20231221BHJP

【ＦＩ】

B23H3/04 Z

【審査請求】有

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023100186

(22)【出願日】2023-06-19

(31)【優先権主張番号】17/843,286

(32)【優先日】2022-06-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100154922

【弁理士】

【氏名又は名称】崔 允辰

(74)【代理人】

【識別番号】100207158

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 研二

(72)【発明者】

【氏名】アンドリュー・リー・トリマー

(72)【発明者】

【氏名】ジョン・マロット・コットリル

(72)【発明者】

【氏名】ダグラス・カール・ホーファー

(72)【発明者】

【氏名】バグラ・ハン・アータス

【テーマコード（参考）】

3C059

【Ｆターム（参考）】

3C059AA02

3C059AB10

3C059DA04

3C059DC01

3C059EA02

3C059HA13

(57)【要約】

【課題】部品を電解加工する方法およびシステムを提供すること。
【解決手段】方法は、ツール電極とツール電極の反対側のワークピースとの間に２つ以上の電場を生成するために、２つ以上の個別電極のアレイを含むツール電極に２つ以上の電位を印加するステップであって、２つ以上の電場のそれぞれは、２つ以上の個別電極のアレイのうちの１つによって生成される、ステップ、を含み得る。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

部品を電解加工する方法であって、
ツール電極と前記ツール電極の反対側のワークピースとの間に２つ以上の電場を生成するために、２つ以上の個別電極のアレイを含むツール電極に２つ以上の電位を印加するステップであって、前記２つ以上の電場のそれぞれは、前記２つ以上の個別電極のアレイのうちの１つによって生成される、ステップ、
を含む、方法。

【請求項2】

前記２つ以上の個別電極のアレイの第１の電極と第２の電極との間に少なくとも１つのスペーサが配置される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記少なくとも１つのスペーサが１００マイクロメートルから２５００マイクロメートルの厚さを有する、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記少なくとも１つのスペーサ内の少なくとも１つの電解質フラッシングポートを通じて、前記ツール電極と前記ワークピースとの間に帯電したまたは非帯電の電解質溶液を送達するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。

【請求項5】

前記第１の電極および前記第２の電極が前記ワークピースと電気的に並列に接続される、請求項２に記載の方法。

【請求項6】

前記２つ以上の電位が第１の電位と第２の電位を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記第１の電位および前記第２の電位のうちの少なくとも１つが、１２ボルトから３５ボルトの範囲の直流電位である、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記第１の電位および前記第２の電位のうちの少なくとも１つがパルス電位である、請求項６に記載の方法。

【請求項9】

前記パルス電位が５から３２ボルトの平均電位を有する、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記ワークピースおよび前記２つ以上の個別電極のアレイのうちの少なくとも１つは金属材料を含み、前記金属材料は、チタン基合金、ニオブ基合金、ニッケル基合金、ジルコニウム基合金、アルミニウム基合金、パラジウム基合金、白金基合金、チタンアルミナイド合金、またはそれらの組み合わせを含む金属合金を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

前記部品がブレード付きディスク上の翼形部である、請求項１に記載の方法。

【請求項12】

２μｍ未満の最小寸法を有するように前記ワークピースを電解加工するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項13】

前記ツール電極と前記ワークピースとの間に介在する電解質溶液が水性塩電解質を含み、前記水性塩電解質が、硝酸ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項14】

前記ツール電極に２つ以上の電位を印加する前記ステップが、前記ツール電極が前記ワークピース内へ非直線方向に移動するように選択的に実行される、請求項１に記載の方法。

【請求項15】

２つ以上の個別電極のアレイを含むツール電極であって、前記２つ以上の個別電極のアレイに２つ以上の電位を印加すると、前記ツール電極とワークピースとの間に２つ以上の電場が生成され、前記２つ以上の電場のそれぞれが前記２つ以上の個別電極のアレイのうちの１つによって生成される、ツール電極、
を備える、電解加工システム。

【請求項16】

前記２つ以上の個別電極のアレイの第１の電極と第２の電極との間に少なくとも１つのスペーサが配置される、請求項１５に記載の電解加工システム。

【請求項17】

前記少なくとも１つのスペーサが、少なくとも１つの電解質フラッシングポートを含む、請求項１６に記載の電解加工システム。

【請求項18】

前記第１の電極と前記第２の電極とが、前記ワークピースと電気的に並列に接続されている、請求項１６に記載の電解加工システム。

【請求項19】

前記２つ以上の電位が、第１の電位と第２の電位を含む、請求項１５に記載の電解加工システム。

【請求項20】

前記第１の電位と前記第２の電位を独立して制御するように構成されたコントローラをさらに備える、請求項１９に記載の電解加工システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の分野は、一般に、電解加工に関し、より詳細には、電解加工を実行するための方法およびシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

電解加工（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ：ＥＣＭ）は、電気化学プロセスによって金属材料などの導電性材料を除去するプロセスである。ＥＣＭは通常、導電性材料で構成されるワークピースの機械加工（加工／仕上げ）に使用される。ＥＣＭは、従来の方法では機械加工が困難な高硬度の金属や合金に特に役立つ。例えば、ニッケル基合金は、様々な構成要素を製造するべく、ＥＣＭを使用して機械加工され得る。

【0003】

ＥＣＭプロセス中、印加された電位を使用して導電性材料がワークピースから酸化され、制御された速度で電流が流れるようになる。ワークピースはアノードとして機能し、カソードとして機能するツール電極から間隙によって分離されている。電解液（通常は水中の食塩水）が間隙を通って流れ、ワークピースから酸化物質を洗い流す。制御された間隙を維持するためにツール電極がワークピースに向かって移動すると、ワークピースはツール電極の相補的な形状に機械加工される。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

当業者を対象とした、その最良の形態を含む完全かつ実現可能な開示は、添付の図面を参照して本明細書に記載されている。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】動作していない、２つ以上の個別電極のアレイを含むツール電極を含む例示的な電解加工システムの正面概略図である。

【図2】動作中の、２つ以上の個別電極のアレイを含むツール電極を含む例示的な電解加工システムの正面概略図である。

【図3】図１および図２のツール電極の底面斜視図である。

【図4】コンピューティングデバイスを含むコンピューティングシステムの概略図であり、コンピューティングデバイスのうちの１つは、本開示のコントローラと同じまたは同様に機能し得る。

【図5A】ワークピース内へ非直線方向に移動するツール電極の例示的な実施形態の概略図である。

【図5B】ワークピース内へ非直線方向に移動するツール電極の例示的な実施形態の概略図である。

【図5C】ワークピース内へ非直線方向に移動するツール電極の例示的な実施形態の概略図である。

【図5D】ワークピース内へ非直線方向に移動するツール電極の例示的な実施形態の概略図である。

【図6】本開示による電解加工方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0006】

本明細書および図面における参照文字の繰り返しの使用は、本開示の同一または類似の特徴または要素を表すことを意図している。

【0007】

次に、好ましい実施形態を詳細に参照し、その１つまたは複数の例を図面に示す。各実施例は、本発明の説明として提供されるものであり、本発明を限定するものではない。実際、当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な修正および変形を加えることができることが明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または説明された特徴を別の実施形態とともに使用して、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に含まれるそのような修正および変形を網羅することが意図されている。

【0008】

「例示的な」という言葉は、本明細書では「例、実例、または実例として機能する」という意味で使用される。本明細書で「例示的」として説明される実装は、必ずしも他の実装よりも好ましいまたは有利であると解釈される必要はない。さらに、特に別段の記載がない限り、本明細書に記載されるすべての実施形態は例示的なものであると考えられるべきである。

【0009】

「結合された」、「固定された」、「取り付けられた」などの用語は、本明細書に別段の指定がない限り、直接的な結合、固定、または取り付けと、少なくとも１つの中間構成要素または機構を介した間接的な結合、固定、または取り付けの両方を指す。

【0010】

本明細書で使用される「第１」、「第２」、および「第３」という用語は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同じ意味で使用される場合があり、個々の構成要素の位置または重要性を意味するものではない。

【0011】

以下の明細書および特許請求の範囲において、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈上明らかに別段の指示がない限り、複数の指示対象を含む。本明細書で使用される「または」という用語は、排他的であることを意味するものではなく、文脈上明らかに別段の指示がない限り、参照される構成要素の少なくとも１つが存在することを指し、参照される構成要素の組み合わせが存在する場合も含む。

【0012】

ここで使用される「最小寸法」とは、電気化学機械がワークピース上で生産できる精度の程度を指す。現在の最先端技術では、ワークピースに近接して配置されたツール電極は、一般に最小寸法２．５４μｍ以上の表面をワークピース上に再現することができる。

【0013】

ＥＣＭプロセス中、印加された電位を使用して導電性材料がワークピースから酸化され、制御された速度で電流が流れるようになる。ワークピースはアノードとして機能し、カソードとして機能するツール電極からギャップによって分離されている。電解質（通常は水中の食塩水）がギャップを通って流れ、ワークピースから酸化物質を洗い流す。制御されたギャップを維持するためにツール電極がワークピースに向かって移動すると、ワークピースはツール電極の相補的な形状に機械加工される。

【0014】

ＥＣＭは一般に、ガスタービン、ジェットエンジン、発電などのブレード付きディスクやその他の構成要素を含む構成要素の製造に、望ましい形状制御と滑らかな表面仕上げを提供する。酸化反応を利用して材料を除去するＥＣＭは、通常、望ましい最終形状のほぼ逆像である固体金属カソードを使用して実現される。ＥＣＭは多くの大量用途に使用されているが、正確な幾何学的忠実度を持つ構成要素を形成する一般的な機能が欠けているなどの制限がある。例えば、ツール電極に近接して配置されたワークピース上で動作するツール電極は、通常、最小寸法２．５４マイクロメートル（μｍ）の表面を再現できる。しかし、密集した特徴や複雑な形状を有する構成要素を製造する積層造形が広く採用されているため、一般的にＥＣＭアプリケーションを改善して、現代のＥＣＭ能力を超える公差で最小寸法や繰り返し表面パターンを備えた構成要素を製造できるようにすることが望ましい。

【0015】

本開示は、モノリシックツール電極ではなく個別電極のアレイを組み込んだ電極構成について説明する。さらに、本開示は、イオン種の質量輸送を調整するための電解液のフラッシングを可能にし、各個別電極に特定の印加電位を利用する構造を組み込んだ電極構成について説明する。

【0016】

具体的には、本開示は、２つ以上の個別電極のアレイを含むツール電極を使用する電解加工システムにおいてワークピースを電解加工するためのＥＣＭプロセスを提供し、ワークピース上に高忠実度および／またはサブミクロンの特徴を提供することができる。ＥＣＭプロセスには一般に、２つ以上の個別電極のアレイを含むツール電極の使用が含まれ、このツール電極では、２つ以上の個別電極のそれぞれに２つ以上の電位が個別に印加され、その結果２つ以上の電場が生成される。この点に関して、固有の電位を２つ以上の個別電極のそれぞれに印加することができ、ツール電極を介して、ワークピース上の戦略的な場所でワークピースの酸化速度を個別に制御でき、機械加工されるワークピースが高忠実度またはサブミクロンの特徴（すなわち、非限定的な例として１μｍから２．５０μｍ、またはさらなる非限定的な例として１．２５μｍから２．２５μｍなど、２．５４μｍ以下の最小寸法）を有することを可能にする。

【0017】

ここで図面を参照すると、図１は、動作していない、２つ以上の個別電極１４０のアレイを含むツール電極１２０を含む例示的な電解加工システム１００の正面概略図を示す。図２は、動作中の２つ以上の個別電極１４０のアレイを含むツール電極１２０を含む例示的な電解加工システム１００の正面概略図を示す。ワークピース１３０は、電極間隙１８０によってツール電極１２０から分離されており、ツール電極１２０とワークピース１３０との間に電解質溶液１９０が介在している。アレイは第１の電極１４３および第２の電極１４４を含むように示されているが、２つ以上の個別電極１４０のアレイは２つの電極に限定されない。少なくとも１つのスペーサ１６０が、２つ以上の個別電極１４０のアレイの第１の電極１４３と第２の電極１４４との間に配置される。少なくとも１つのスペーサ１６０は、少なくとも１つの電解質フラッシングチャネル１４１、少なくとも１つの電解質フラッシングポート１４６を含む。例示的な電解加工システム１００は、電解質溶液を含み、少なくとも１つのスペーサ１６０の少なくとも１つの電解質フラッシングチャネル１４１と流体連通する電解質供給源１４５をさらに含む。電解加工システム１００は、コントローラ１１２、電源１７０、およびアクチュエータ１１３をさらに含む。

【0018】

一般に、ワークピース１３０および２つ以上の個別電極１４０のアレイのうちの少なくとも１つは、ＥＣＭに適した金属材料を含む。さらに、一実施形態では、ワークピース１３０および２つ以上の個別電極のアレイはそれぞれ、互いに固有の金属材料を含むことができる。代替的に、ワークピース１３０および２つ以上の個別電極は、それぞれ同じ金属材料を含んでもよい。さらに、一実施形態では、第１の電極１４３および第２の電極１４４はそれぞれ、互いに固有の金属材料を含んでもよい。代替的に、第１の電極１４３と第２の電極１４４は、それぞれ同じ金属材料を含んでもよい。

【0019】

さらに、一実施形態では、本開示の金属材料は、純金属または金属合金を含み得る。純金属には、チタン、ニオブ、ニッケル、ジルコニウム、パラジウム、白金、またはアルミニウムが含まれ得る。一実施形態では、本開示の合金には、チタン基合金、ニオブ基合金、ニッケル基合金、ジルコニウム基合金、パラジウム基合金、白金基合金、アルミニウム基合金、またはそれらの組み合わせが含まれ得る。しかし、チタンアルミナイド合金を含む他の金属材料または合金を使用することもできる。

【0020】

ワークピース１３０および電解加工システム１００の２つ以上の個別電極は、少なくとも１つの電気回路で電気的に接続され得る。例示的な実施形態では、図１および図２に示すように、ワークピース１３０および２つ以上の個別電極は、１つの回路内で電気的に接続される。しかし、別の実施形態では、ワークピース１３０および２つ以上の個別電極は、２つ以上の回路で電気的に接続されてもよい。さらに、図１および図２に示す一実施形態では、第１の電極１４３および第２の電極１４４は、ワークピース１３０と電気的に並列に接続され得る。

【0021】

ツール電極１２０とワークピース１３０との間に介在する電解質溶液１９０は、塩基、酸、またはイオン液体などの任意の適切な電解質を含むことができる。いくつかの実施形態では、電解質溶液１９０は、イオン塩、二元酸、有機酸、深共晶、溶融塩、またはそれらの組み合わせを含む。電解質溶液は、水および少なくとも１つの塩を含む水性塩電解質などの水性電解質であってもよい。一実施形態では、電解質溶液１９０は、硝酸ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、またはそれらの組み合わせを含む水性塩電解質を含む。いくつかの実施形態では、電解質溶液１９０は、１０重量パーセントの塩水溶液から３０重量パーセントの塩水溶液を構成し得る。例えば、２０重量パーセントの硝酸ナトリウムを含む電解質溶液１９０は、インコネル７１８などのニッケル基合金を電解加工するために使用され得る。さらに、電解質は、一般に、電解加工される材料に応じてｐＨ調整される。例えば、電解質は、ｐＨ５から１０になるようにｐＨ調整され得る。しかし、他の水溶液電解質も本開示の技術で使用できることが理解されるであろう。

【0022】

図１および図２に示すように、例示的な電解加工システム１００は、少なくとも１つのスペーサ１６０を含む。少なくとも１つのスペーサ１６０は、第１の電極１４３と第２の電極１４４との間に配置され得る。図２に示すように、少なくとも１つのスペーサ１６０は非導電性材料を含み、非導電性材料は、電解加工システム１００の動作中にツール電極１２０とワークピース１３０との間に２つ以上の電場２００の生成が達成されるように、第１の電極１４３と第２の電極１４４を互いに電気的に絶縁する。例えば、少なくとも１つのスペーサ１６０は、フッ素ポリマーなどのガラス繊維強化非導電性材料を含んでもよい。

【0023】

一実施形態では、少なくとも１つのスペーサ１６０は、１００マイクロメートルから２５００マイクロメートル、例えば３５０マイクロメートルから２０００マイクロメートル、例えば５００マイクロメートルから１５００マイクロメートルの厚さを有していてもよい。一実施形態では、少なくとも１つのスペーサ１６０は、７５０マイクロメートルから２０００マイクロメートルの厚さを有し得る。

【0024】

一実施形態では、電解加工システム１００は、帯電したまたは非帯電の電解質溶液１４２を少なくとも１つの電解質フラッシングポート１４６に送達するように構成された電解質供給源１４５をさらに含む。電解質供給源１４５は、電解質溶液を含み、少なくとも１つのスペーサ１６０の少なくとも１つの電解質フラッシングポート１４６と流体連通していてもよい。電解質供給源１４５は、当技術分野で知られている任意の適切な手段を使用して、少なくとも１つのスペーサ１６０に電解質溶液を供給することができる。例えば、従来のポンプ（図示せず）を使用して、電解質供給源１４５から少なくとも１つのスペーサ１６０に電解質溶液を移動させることができる。

【0025】

図３は、図１および図２のツール電極１２０の底面斜視図を示す。図示のように、少なくとも１つのスペーサ１６０は、帯電したまたは非帯電の電解質溶液１４２（図２）が、少なくとも１つの電解質フラッシングポート１４６を通って電解加工システム１００（図１および図２）の電極間隙１８０（図１および図２）内に送達され得るように、ワークピース１３０の反対側の位置に配置されることが好ましい。これに関して、特に従来のフローボックス用途において、ワークピース１３０（図１および図２）から電解加工された任意の材料のフラッシングを強化することができる。

【0026】

少なくとも１つの電解質フラッシングポート１４６は、図１～図３に示すように、少なくとも１つのスペーサ１６０の中空の空洞であり、形状はほぼ円筒形である。さらに、図３に示すように、少なくとも１つの電解質フラッシングポート１４６は、少なくとも１つのスペーサ１６０のほぼ中央に配置されている。しかし、電解質フラッシングポート１４６の三次元幾何学的形状は、帯電したまたは非帯電の電解質溶液１４２がワークピース１３０から電解加工された材料を十分に「洗い流す」ことができる限り、他の形状であってもよく、少なくとも１つのスペーサ１６０の他の位置に配置されてもよい。

【0027】

本明細書で使用される場合、「動作可能に接続される」という表現は、それぞれの構成要素が（例えば、機械的または電気的に）直接接続され得るか、または他の構成要素を介して接続され得ることを意味すると理解されるべきである。一実施形態では、電解加工システム１００は、コントローラ１１２、電源１７０、およびアクチュエータ１１３をさらに含んでいてもよい。コントローラ１１２は、所望に応じて２つ以上の電位の電圧を調整するために電源１７０に動作可能に接続され得る。コントローラ１１２はさらに、ＥＣＭプロセス中にツール電極１２０および／またはワークピース１３０の位置を調整するためにアクチュエータ１１３に動作可能に接続され得る。コントローラ１１２および電源１７０は、図１および図２では別個のユニットとして示されているが、組み合わされたユニットであってもよい。さらに、コントローラ１１２は、図１～図２に示すように、電解加工システム１００に印加される２つ以上の電位を調整するように構成された単一のコントローラ１１２を含んでもよい。代替的に、コントローラ１１２は、２つ以上のコントローラ１１２を含んでもよく、２つ以上のコントローラ１１２のそれぞれは、電解加工システム１００に印加される２つ以上の電位のうちの１つを調整するように構成されている。さらに、いくつかの実施形態では、コントローラ１１２は、図４のコンピューティングシステム４００のコンピューティングデバイス４０２の１つと同じまたは同様の方法で構成されてもよいし、機能してもよい。

【0028】

図４は、本主題の例示的な実施形態による例示的なコンピューティングシステム４００を提供する。本明細書で説明されるコントローラ１１２は、様々な構成要素を含み、以下で説明されるコンピューティングシステム４００の少なくとも１つのコンピューティングデバイス４０２の様々な機能を実行することができる。

【0029】

図４に示すように、コンピューティングシステム４００は、少なくとも１つのコンピューティングデバイス４０２を含んでいてもよい。コンピューティングデバイス４０２は、少なくとも１つのプロセッサ４０４および少なくとも１つのメモリデバイス４０６を含んでいてもよい。少なくとも１つのプロセッサ４０４は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ１１２、集積回路、論理デバイス、および／または他の適切な処理デバイスなどの任意の適切な処理デバイスを含んでいてもよい。少なくとも１つのメモリデバイス４０６は、非一時的なコンピュータ可読媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードドライブ、フラッシュドライブ、および／または他のメモリデバイスを含むがこれらに限定されない、少なくとも１つのコンピュータ可読媒体を含んでいてもよい。

【0030】

少なくとも１つのメモリデバイス４０６は、少なくとも１つのプロセッサ４０４によって実行され得るコンピュータ可読命令４０８を含む、少なくとも１つのプロセッサ４０４によってアクセス可能な情報を記憶することができる。コンピュータ可読命令４０８は、少なくとも１つのプロセッサ４０４によって実行されると、少なくとも１つのプロセッサ４０４に、本明細書で説明される任意の動作などの動作を実行させる任意の命令のセットであってもよい。例えば、本明細書で提供される方法は、コンピューティングシステム４００によって全体または部分的に実装され得る。コンピュータ可読命令４０８は、任意の適切なプログラミング言語で書かれたソフトウェアであってもよいし、ハードウェアで実装されてもよい。さらに、および／または代わりに、コンピュータ可読命令４０８は、プロセッサ４０４上の論理的および／または仮想的に別個のスレッドで実行することができる。メモリデバイス４０６は、プロセッサ４０４によってアクセスできるデータ４１０をさらに記憶することができる。例えば、データ４１０は、モデル、データベースなどを含むことができる。

【0031】

コンピューティングデバイス４０２は、例えば、電解加工システム１００の他の構成要素と（例えば、ネットワークを介して）通信するために使用されるネットワークインターフェース４１２を含むこともできる。ネットワークインターフェース４１２は、例えば、送信機、受信機、ポート、アンテナ、および／または他の適切な構成要素を含む、少なくとも１つのネットワークとインターフェースするための任意の適切な構成要素を含むことができる。

【0032】

一実施形態では、電解加工システム１００は、図１～図２に一般的に示されているように、従来のフローボックス用途で利用される。代替的に、本開示の電解加工システム１００は、図５Ａ～図５Ｄに一般的に示されているように、電解質格納ボックスを使用せずに、機械加工作業のために開放して動作させることができる。この種の構成は、本開示のシステムおよび方法に従って、同様に、ワークピース１３０の表面１３１上の戦略的な場所でワークピース１３０の酸化を制御することができる。

【0033】

一実施形態では、図５Ａ～図５Ｄに示すように、ツール電極１２０がワークピース１３０内へ非直線方向に移動するように、ツール電極１２０に対する２つ以上の電位が選択的に印加され得る。明確にするために、電源１７０、コントローラ１１２、およびアクチュエータ１１３（図１および図２）などの構成要素を含む、図５Ａ～図５Ｄの電解加工システム１００から様々な構成要素が省略されており、図５Ａ～図５Ｄの電解加工システム１００は、図１～図２の電解加工システム１００の特徴の一部またはすべてを含み得ると解釈されるべきである。図５Ａ～図５Ｄに一般的に示されているように、２つ以上の個別電極１４０のそれぞれには、正確に制御された電圧を有する固有の電位を印加することができ、互いに固有であり、ワークピース１３０を異なる速度で酸化する２つ以上の電場２００を生成する。したがって、再加工された内部空洞１３３を有する部品の製造だけでなく、複雑な形状を有する部品の製造も達成することができる。

【0034】

例えば、図５Ａに示すように、電気化学機械は、再加工された内部空洞１３３（図５Ｄ）が形成されることが望ましいワークピース１３０の第１の開口部１３２に配置される。次に、本明細書に記載されているように、電解加工の方法を実行することができ、本方法では、２つ以上の個別電極１４０のアレイを備えるツール電極１２０に２つ以上の電位を印加して、ツール電極１２０とツール電極１２０の反対側のワークピース１３０との間に２つ以上の電場２００を生成することができる。図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、本開示によって説明される電解加工の方法を実行すると、ツール電極１２０が第１の開口部１３２から第２の開口部１３５までワークピース１３０内へ非直線方向に移動することが可能になる。したがって、図５Ｄに示すように、再加工された内部空洞１３３を有するワークピース１３０を形成することができる。さらに、非線形電解加工に関して上述した方法およびシステムは、少なくとも１つの電解質フラッシングポート１４６を通した帯電したまたは非帯電の電解質溶液１４２の送達など、本開示全体にわたって記載した他の特徴と組み合わせることができる。

【0035】

別の実施形態では、図６に示すように、部品を電解加工する方法７００が一般的に提供される。本方法は、ツール電極とツール電極の反対側のワークピースとの間に２つ以上の電場を生成するために２つ以上の個別電極のアレイを含むツール電極に２つ以上の電位を印加するステップ７１０を含み、２つ以上の電場のそれぞれは、２つ以上の個別電極のアレイのうちの１つによって生成される。

【0036】

ツール電極に２つ以上の電位を印加するステップは、電源を使用して実行できる。２つ以上の個別電極のアレイへの電源の構成により、２つ以上の電位のうちの少なくとも２つが互いに異なる電圧を有することが可能になる。したがって、一実施形態では、２つ以上の電位は、第１の電位と第２の電位とを含み得る。これに関して、電解加工システムの２つ以上の個別電極のそれぞれに固有の電位を印加することができ、ワークピース上の戦略的な場所でワークピースの酸化速度を個別に制御できるため、ワークピースを高忠実度またはサブミクロンの形状に加工できるようになる。図１では単一の電源として示されているが、電源には２つ以上の個別の電源が含まれていてもよい。

【0037】

動作中、ワークピースは、それぞれ個別にカソードとして機能し得る第１の電極と第２の電極とを含み、ワークピースとツール電極との間に電解反応が起こる２つ以上の電場が生成される２つ以上の個別電極のアレイのアノードとして機能し得る。

【0038】

第１の電位および第２の電位は、固有のパルス電位であってもよいし、あるいは固有のＤＣ電位であってもよい。一実施形態では、第１の電位および第２の電位のうちの少なくとも１つは、２ボルトから５０ボルトの範囲の直流電位である。さらなる実施形態では、第１の電位および第２の電位のうちの少なくとも１つは、１２ボルトから３５ボルトの範囲の直流電位である。

【0039】

別の実施形態では、第１の電位および第２の電位のうちの少なくとも１つはパルス電位である。具体的には、電源は、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも一方にパルス電位を印加するように構成され得る。さらに、コントローラは、ツール電極とワークピースに供給されるパルス電位のパルス持続時間、周波数および電圧を調整するように構成され得る。さらなる実施形態では、パルス電位は双極パルス電位であってもよい。

【0040】

例えば、パルス電位のパルス持続時間は、１０ナノ秒から５００マイクロ秒であってもよい。さらに、一実施形態では、パルス電位は、２ボルトから３５ボルト、例えば５ボルトから１５ボルトの電圧で印加され得る。

【0041】

本明細書で使用する「平均電位」という用語は、各パルス電位のオフタイム電位とオンタイム電位の平均である。いくつかの実施形態では、パルス電位の平均電位は、５ボルトから３２ボルトの範囲にあってもよい。

【0042】

再び図６を参照すると、本方法は、電解質フラッシングポートのうちの少なくとも１つを介して、帯電したまたは非帯電の電解質溶液を電解加工に送達するステップ７２０をさらに含んでいてもよい。非帯電の電解質溶液を送達すると、ワークピースから酸化物質が洗い流され、電気化学的酸化の精度が向上し、帯電電解質を送達すると、互いに干渉する２つ以上の電場を局所的に保護できるという追加の利点が得られる。例えば、電源は、ツール電極上の少なくとも１つの電解質フラッシングポートに電気的に接続される補助電源（図示せず）を含んでもよい。補助電源は、少なくとも１つの充電ポート電位を少なくとも１つの電解質フラッシングポートに供給することができる。例えば、少なくとも１つの充電ポート電位は、印加される加工電圧（すなわち、２つ以上の電位）に対して１ボルトから２０ボルト（正）の印加電圧を有してもよい。

【0043】

一実施形態では、本開示の方法は、最小寸法が２μｍ未満になるようにワークピースを電解加工するステップ７３０をさらに含む。さらなる実施形態では、本開示の方法は、最小寸法が１μｍ未満になるようにワークピースを電解加工するステップをさらに含む。

【0044】

例示的な実施形態では、帯電したまたは非帯電の電解質溶液は、少なくとも１つの電解質フラッシングポートのうちの少なくとも１つから、１Ｌ／分から５０Ｌ／分の速度、例えば１Ｌ／分から２５Ｌ／分、例えば１Ｌ／分から１０Ｌ／分、例えば１Ｌ／分から５Ｌ／分の速度で電解加工システム内に送達される。

【0045】

場合によっては、帯電したまたは非帯電の電解液の送達と組み合わせて、電解質溶液を電極間隙に連続的に押し込んで、０．５Ｌ／秒から２０Ｌ／秒、例えば３．７５Ｌ／秒から１０Ｌ／秒の流量でワークピースおよびツール電極を洗浄することができる。さらに、電解質溶液は、３５０，０００Ｐａから３，５００，０００Ｐａの圧力で電極間隙に連続的に押し込まれ得る。

【0046】

さらに、いくつかの実施形態では、本方法は、ツール電極とワークピースとの間の距離（すなわち、電極ギャップの長さ）を０．０５ミリメートルより大きく、例えば０．１ミリメートルより大きくなるように制御するステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法は、ツール電極とワークピースとの間の距離を０．１ミリメートルから２ミリメートル、例えば０．５ミリメートルから１．５ミリメートルになるように制御するステップを含む。

【0047】

本開示の態様は、固体モノリスではなく電極のアレイを組み込んだ電極構成に関する。電極のアレイを組み込むことにより、ワークピース上の戦略的な場所でワークピースの酸化速度を正確に閉ループ制御できる。具体的には、固体モノリスに単一の電位を印加する場合と比較して、電極のアレイの各個別電極に印加する個別の電位を制御することにより、複雑な質感や低剛性構造の部品を含む電解加工方法を使用して幾何学的忠実度が向上した構成要素を製造できるなど、多くの利点が得られる。

【0048】

したがって、本明細書に記載される方法およびシステムは、ワークピースの広範囲の化学的性質にわたってサブミクロンの特徴を有するようにワークピースを電解加工することを可能にする。さらに、本明細書に記載の方法は、電解加工中に所望に応じて各個別電極に印加される電位を調整できるため、自動化されており、リアルタイムで調整できるという利点がある。本開示はさらに、電解液の送達および特定の印加電位を調整して、高品質の表面およびサブミクロン寸法を有する結果として得られる構成要素を実現する機能を組み込む。電位と流体送達をアクティブに制御することにより、非線形形状の部品や、酸化しやすい高温金属合金を含む部品の製造も可能になる。さらに、本開示のツール電極アレイにおける少なくとも１つの電解質フラッシングポートは、ツール電極とワークピースとの間で電解質がどこにどのように流れるかを制御するための従来のフローボックスの必要性を排除することができる。

【0049】

さらに、小さな電極間隙を使用する電解加工用途では、反応を局所的に閉じ込めるための関連時定数は１０ナノ秒以下（例えば、１ナノ秒から１０ナノ秒）である。したがって、２つ以上の個別電極のアレイを使用して電解加工を行うと、モノリシックツール電極を高周波で動作させる際の信号減衰とインピーダンスの問題を克服する改善が得られる。この点において、本開示の方法およびシステムは、プロセス全体の安定性またはサイクル時間を犠牲にすることなく、電場全体（すなわち、２つ以上の電場の組み合わせ）の個別部分を管理する能力を提供することができる。

【0050】

本発明のさらなる態様は、次の条項の主題によって提供される。

【0051】

部品を電解加工する方法であって、ツール電極とツール電極の反対側のワークピースとの間に２つ以上の電場を生成するために２つ以上の個別電極のアレイを含むツール電極に２つ以上の電位を印加するステップであって、２つ以上の電場のそれぞれが、２つ以上の個別電極のアレイのうちの１つによって生成される、ステップ、を含む、方法。

【0052】

２つ以上の個別電極のアレイの第１の電極と第２の電極との間に少なくとも１つのスペーサが配置される、本明細書のいずれか１つの条項に記載の方法。

【0053】

少なくとも１つのスペーサが数マイクロメートルから２５００マイクロメートルの厚さを有する、本明細書のいずれかの条項に記載の方法。

【0054】

少なくとも１つのスペーサ内の少なくとも１つの電解質フラッシングポートを通じて、ツール電極とワークピースとの間に帯電したまたは非帯電の電解質溶液を送達するステップをさらに含む、本明細書のいずれか１つの条項に記載の方法。

【0055】

２つ以上の電位が第１の電位と第２の電位を含む、本明細書のいずれか１つの条項に記載の方法。

【0056】

第１の電位および第２の電位のうちの少なくとも１つは、１２ボルトから３５ボルトの範囲の直流電位である、本明細書のいずれか１つの条項に記載の方法。

【0057】

第１の電位および第２の電位のうちの少なくとも１つはパルス電位である、本明細書のいずれか１つの条項に記載の方法。

【0058】

パルス電位が５ボルトから３２ボルトの平均電位を有する、本明細書のいずれかの条項に記載の方法。

【0059】

第１の電極および第２の電極がワークピースと電気的に並列に接続される、本明細書のいずれか１つの条項に記載の方法。

【0060】

ワークピースおよび２つ以上の個別電極のアレイのうちの少なくとも１つは金属材料を含み、金属材料は、チタン基合金、ニオブ基合金、ニッケル基合金、ジルコニウム基合金、アルミニウム基合金、パラジウム基合金、白金基合金、チタンアルミナイド合金、またはそれらの組み合わせを含む金属合金を含む、本明細書のいずれか１つの条項に記載の方法。

【0061】

部品は、ブレード付きディスク上の翼形部である、本明細書のいずれか１つの条項に記載の方法。

【0062】

２μｍ未満の最小寸法を有するようにワークピースを電解加工するステップをさらに含む、本明細書のいずれか１つの条項に記載の方法。

【0063】

ツール電極とワークピースとの間に介在する電解質溶液は、水性塩電解質を含み、水性塩電解質は、硝酸ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、またはそれらの組み合わせを含む、本明細書のいずれか１つの条項に記載の方法。

【0064】

ツール電極に２つ以上の電位を印加するステップは、ツール電極がワークピース内に非線形方向に移動するように選択的に実行される、本明細書のいずれか１つの条項に記載の方法。

【0065】

２つ以上の個別電極のアレイを含むツール電極であって、２つ以上の個別電極のアレイに２つ以上の電位を印加すると、ツール電極とワークピースの間に２つ以上の電場が生成され、２つ以上の電場のそれぞれは、２つ以上の個別電極のアレイのうちの１つによって生成される、ツール電極、を備える、電解加工システム。

【0066】

２つ以上の個別電極のアレイの第１の電極と第２の電極との間に少なくとも１つのスペーサが配置される、本明細書のいずれか１つの条項に記載の電解加工システム。

【0067】

少なくとも１つのスペーサが少なくとも１つの電解質フラッシングポートを備える、本明細書のいずれか１つの条項に記載の電解加工システム。

【0068】

第１の電極および第２の電極がワークピースと電気的に並列に接続される、本明細書のいずれか１つの条項に記載の電解加工システム。

【0069】

２つ以上の電位が第１の電位と第２の電位を含む、本明細書のいずれか１つの条項に記載の電解加工システム。

【0070】

第１の電位と第２の電位とを独立して制御するように構成されたコントローラをさらに備える、本明細書のいずれか１つの条項に記載の電解加工システム。

【0071】

この書面による説明は、最良の形態を含む発明を開示するために例示的な実施形態を使用し、また、当業者が任意のデバイスまたはシステムの製造および使用、および組み込まれた任意の方法の実行を含む発明を実践できるようにするものである。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例も含まれる場合がある。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言語と異ならない構造要素を含む場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言語と実質的な違いはなく同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。

【0072】

本発明のさらなる態様は、以下の条項の主題によって提供される。

【0073】

［項１］部品を電解加工する方法であって、ツール電極とツール電極の反対側のワークピースとの間に２つ以上の電場を生成するために、２つ以上の個別電極のアレイを含むツール電極に２つ以上の電位を印加するステップであって、２つ以上の電場のそれぞれは、２つ以上の個別電極のアレイのうちの１つによって生成される、ステップ、を含む、方法。

【0074】

［項２］２つ以上の個別電極のアレイの第１の電極と第２の電極との間に少なくとも１つのスペーサが配置される、任意の前項に記載の方法。

【0075】

［項３］少なくとも１つのスペーサが１００マイクロメートルから２５００マイクロメートルの厚さを有する、任意の前項に記載の方法。

【0076】

［項４］少なくとも１つのスペーサ内の少なくとも１つの電解質フラッシングポートを通じて、ツール電極とワークピースとの間に帯電したまたは非帯電の電解質溶液を送達するステップをさらに含む、任意の前項に記載の方法。

【0077】

［項５］第１の電極および第２の電極がワークピースと電気的に並列に接続される、任意の前項に記載の方法。

【0078】

［項６］２つ以上の電位が第１の電位と第２の電位を含む、任意の前項に記載の方法。

【0079】

［項７］第１の電位および第２の電位のうちの少なくとも１つが、１２ボルトから３５ボルトの範囲の直流電位である、任意の前項に記載の方法。

【0080】

［項８］第１の電位および第２の電位のうちの少なくとも１つがパルス電位である、任意の前項に記載の方法。

【0081】

［項９］パルス電位が５ボルトから３２ボルトの平均電位を有する、任意の前項に記載の方法。

【0082】

［項１０］ワークピースおよび２つ以上の個別電極のアレイのうちの少なくとも１つは金属材料を含み、金属材料は、チタン基合金、ニオブ基合金、ニッケル基合金、ジルコニウム基合金、アルミニウム基合金、パラジウム基合金、白金基合金、チタンアルミナイド合金、またはそれらの組み合わせを含む金属合金を含む、任意の前項に記載の方法。

【0083】

［項１１］部品がブレード付きディスク上の翼形部である、任意の前項に記載の方法。

【0084】

［項１２］２μｍ未満の最小寸法を有するようにワークピースを電解加工するステップをさらに含む、任意の前項に記載の方法。

【0085】

［項１３］ツール電極とワークピースとの間に介在する電解質溶液が水性塩電解質を含み、水性塩電解質が、硝酸ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、またはそれらの組み合わせを含む、任意の前項に記載の方法。

【0086】

［項１４］ツール電極に２つ以上の電位を印加するステップが、ツール電極がワークピース内へ非直線方向に移動するように選択的に実行される、任意の前項に記載の方法。

【0087】

［項１５］２つ以上の個別電極のアレイを含むツール電極であって、２つ以上の個別電極のアレイに２つ以上の電位を印加すると、ツール電極とワークピースとの間に２つ以上の電場が生成され、２つ以上の電場のそれぞれが２つ以上の個別電極のアレイのうちの１つによって生成される、ツール電極、を備える、電解加工システム。

【0088】

［項１６］２つ以上の個別電極のアレイの第１の電極と第２の電極との間に少なくとも１つのスペーサが配置される、任意の前項に記載の電解加工システム。

【0089】

［項１７］少なくとも１つのスペーサが、少なくとも１つの電解質フラッシングポートを含む、任意の前項に記載の電解加工システム。

【0090】

［項１８］第１の電極と第２の電極とが、ワークピースと電気的に並列に接続されている、任意の前項に記載の電解加工システム。

【0091】

［項１９］２つ以上の電位が、第１の電位と第２の電位を含む、任意の前項に記載の電解加工システム。

【0092】

［項２０］第１の電位と第２の電位を独立して制御するように構成されたコントローラをさらに備える、任意の前項に記載の電解加工システム。

【符号の説明】

【0093】

１００ 電解加工システム
１１２ コントローラ
１１３ アクチュエータ
１２０ ツール電極
１３０ ワークピース
１４０ 個別電極
１４１ 電解質フラッシングチャネル
１４２ 帯電したまたは非帯電の電解質溶液
１４３ 第１の電極
１４４ 第２の電極
１４６ 電解質フラッシングポート
１６０ スペーサ
１７０ 電源
１８０ 電極間隙
１９０ 電解質溶液
２００ 電場
４００ コンピューティングシステム
４０２ コンピューティングデバイス
４０４ プロセッサ
４０６ メモリデバイス
４０８ コンピュータ可読命令
４１０ データ
４１２ ネットワークインターフェース、通信インターフェース

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6】

【外国語明細書】