フレキシブルな電気化学処理のための方法、装置、及びシステム
【課題】フレキシブルな電気化学処理のための方法、装置、及びシステムを提供する。
【解決手段】フレキシブルツールカソード４００は、弾性的に変形可能なカソードを含み、該カソードは、２次元又は３次元で変形することができ、加工物がフレキシブルツールカソード４００と相対的に移動している間は、加工物の輪郭に適応することができる。すなわち、フレキシブルツールカソードは、トレースを実施することができる。特定のフレキシブルツールカソードは、また、このようなコーナー及び縁部などの特別な構成に用いることができる。フレキシブルツールカソード４００を用いて、電気化学プロセスにより加工物を研磨、仕上げ加工、又は整形することができる。
【解決手段】フレキシブルツールカソード４００は、弾性的に変形可能なカソードを含み、該カソードは、２次元又は３次元で変形することができ、加工物がフレキシブルツールカソード４００と相対的に移動している間は、加工物の輪郭に適応することができる。すなわち、フレキシブルツールカソードは、トレースを実施することができる。特定のフレキシブルツールカソードは、また、このようなコーナー及び縁部などの特別な構成に用いることができる。フレキシブルツールカソード４００を用いて、電気化学プロセスにより加工物を研磨、仕上げ加工、又は整形することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の１以上の態様は、フレキシブルな電気化学処理のための方法、装置、及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、旋削、孔加工、及びフライス加工などの機械加工法は、機械的力の印加を伴う。これらの方法では、硬質のツールを用いて加工物を機械加工しており、従って、ツールは、加工物よりもより硬質である必要性がある。しかしながら、一部の用途では、加工物自体を硬質の材料で作ることが望ましい。例えば、タービンエンジンのブレードは、過酷な動作環境に曝されるので、硬度を含めた厳しい要件を有する。加工物自体が硬質であるときには、従来の機械加工は通常、実行可能ではない。
【０００３】
硬質の加工物を機械加工する代替の方法として、一般的には電解加工（ＥＣＭ）が使用される。ＥＣＭでは、導電性の硬質加工物がツールによって機械加工され、該ツールもまた導電性である。ＥＣＭの間、カソードとしての役割を果たすツールは、アノードとしての役割を果たす加工物に相対的に位置付けられてこれらの間にギャップが定められるようにし、該ギャップは、硝酸ナトリウム水溶液のような流動する電解質で満たされる。カソードであるツールとアノードである加工物との間に低電圧の高密度直流が印加され、加工物の電解溶解を生じさせる。溶解作用は、流動電解質により隔てられた、カソードであるツールとアノードである加工物とによって形成される電解槽において起こる。腐食材料又はスラッジは、金属水酸化物の形態で流動電解質によりギャップから除去される。アノードである加工物は一般に、カソードであるツールの輪郭に一致した輪郭を呈する。スラッジは、電解質から濾過することができ、清浄な電解質は再使用することができる。
【０００４】
ＥＣＭでは、ツールは損耗することがない。また、加工速度は、加工物の硬度とは無関係である。従って、銅及び黄銅などの軟質材料をツールとして用いて、炭素鋼、インコネル、チタン、及びコバール又はこれらの合金のような硬質又は強靱な金属の加工物を整形することができ、ツールカソードは繰り返し用いることができる。このことは、軟質の金属の上に複雑な形状のものでも比較的容易に形成され、硬質の金属及び合金の加工物を整形するのに用いることができるので、有利である。
【０００５】
ＥＣＭには幾つかの欠点がある。従来のＥＣＭにおいては、各所望の形状に対して専用のツールを構成しなくてはならない。発電のような産業では、１パーセントなどの小さな効率の向上でも運用コストの有意な節減に相当する。従って、タービン製造業者は、漸増の効率向上を達成するために、タービンブレード及び他のタービン部品を絶えず設計し直している。このような状況で従来のＥＣＭを用いるには、新規のツールを定期的に作り出す必要があり、これは極めて高価になる可能性がある。従って、異なる形状の加工物にフレキシブルに適応し、従来のＥＣＭに伴うコスト及び時間を低減する電気化学処理方法、装置、及びシステムを提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施するフレキシブル電気化学ツールに関する。フレキシブル電気化学ツールは、２次元（２Ｄ）で弾性的に変形可能なストリップシートメタルと、機械ラムと、ストリップカソードの長さに沿って、上端部にて機械ラムと接続され下端部にてストリップカソードと接続された複数の支持コネクタと、を備えることができる。複数の支持コネクタは、機械ラムに対して横方向位置が固定される少なくとも１つの固定支持コネクタを含むことができる。各支持コネクタは、ストリップカソードが弾性的に変形したときにストロークが変わるように構成することができる。また、各支持コネクタは、支持コネクタの下端部を結合するよう構成され、且つストリップカソードが弾性的に変形したときに転回するよう構成された回転カプラを含むことができる。
【０００７】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施する方法に関する。本方法において、フレキシブル電気化学ツールは、電解質が充填された作業タンク内にフレキシブル電気化学ツールカソードのフレキシブルカソードが浸漬される加工物の表面部分と係合するように位置付けることができる。加工物が係合された後、電力及び電解質流動を起動して電解加工プロセスを開始することができる。次に、フレキシブルカソードは、加工物の第１又は第２の端部に向かってトレースすることができる。トレースは、電力及び電解質流動を維持しながら、フレキシブルカソードが加工物と相対的に移動することを含むことができる。
【０００８】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施するシステムに関する。本システムは、作業タンク、フレキシブルカソードを有するフレキシブル電気化学ツール、機械ラム、複数のクランプ、及びコントローラを含むことができる。作業タンクは電解質を充填させることができる。フレキシブルカソードは、加工物の表面輪郭に連続的に適応可能にすることができる。機械ラムは、ツールカソードを移動させるよう構成することができる。複数のクランプは、作業タンク内に加工物を固定するよう構成することができる。コントローラは、電解質で充填された作業タンク内に浸漬される加工物の表面部分とツールカソードが係合するように該ツールカソードを位置付けるよう構成することができる。或いは、ツールカソードは、加工物を浸漬することなく電解質を電解槽に供給する電解質チャンネルを含む。コントローラはまた、加工物が係合されてフレキシブル電気化学プロセスを開始した後に電力及び電解質流動を起動するよう構成することができる。コントローラは更に、第１又は第２の端部に向かってツールカソードをトレースするよう更に構成することができる。トレースは、電力及び電解質流動を維持しながら、ツールカソードが加工物と相対的に移動することを含むことができる。
【０００９】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施するコーナリングフレキシブル電気化学ツールに関する。コーナリングフレキシブル電気化学ツールは、カソードと、機械ラムと、カソード及び機械ラム間にエラストマーとを含むことができ、該エラストマーは、カソードが加工物のコーナーの形状に適応するよう適応バッキングを提供する。加工物のコーナーは、コーナー角θで凹状面を形成する端点から実質的に直線方向に延びる２つの側面により形成することができる。カソードは、コーナー角に対してθよりも大きい角度αで予め撓むことができる。この差違は、加工物コーナーに対してコーナリングツールカソードの必要な圧縮を提供する。
【００１０】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施するエッジングフレキシブル電気化学ツールに関する。エッジングフレキシブル電気化学ツールカソードは、ストリップカソードと、機械ラムと、カソード及び機械ラム間にエラストマーとを含むことができ、該エラストマーは、カソードが加工物の縁部の形状に適応するよう適応バッキングを提供する。加工物の縁部は、縁部角度φで凸面を形成する端点１０６０から実質的に直線方向に延びる２つの側面により形成することができる。ストリップカソードは、φよりも小さい縁部角度に対する角度βで予め撓むことができる。この差違は、加工物縁部に対する縁部カソードの必要な圧縮を提供する。
【００１１】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施するフレキシブル電気化学ツールに関する。フレキシブル電気化学ツールは、シートカソード、機械ラム、及び複数の支持コネクタを含むことができる。シートカソードは、３次元（３Ｄ）で弾性的に変形可能に構成することができる。複数の支持コネクタは、シートカソードの上面に沿って、上端部で機械ラムと接続され、下端部でシートカソードと接続することができる。各支持コネクタは、ストロークを変えるよう構成することができる。各支持コネクタはまた、シートカソードが弾性的に変形するときに支持コネクタの下端部をフレキシブルシートカソードと結合するよう構成された下側カプラを含むことができる。
【００１２】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施するフレキシブル電気化学ツールに関する。フレキシブル電気化学ツールは、シートカソード、機械ラム、弾性バッキング、及び少なくとも１つのセンサを含むことができる。シートカソードは、３Ｄで弾性的に変形することができる。機械ラムは、フレキシブル電気化学ツールを移動させ、圧縮力を加えるよう構成することができる。弾性バッキングは、シートカソードに弾性バッキングを提供するよう構成することができる。センサは、フレキシブル電気化学ツールが加工物と係合するときに加工物の表面高度を測定するよう構成することができる。シートカソードは、加工物と係合しながら移動するときに、加工物の輪郭に連続的に適応することができる。
【００１３】
本発明の別の非限定的な態様は、フレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスを実施する方法に関する。本方法において、フレキシブル電気化学ツールは、電解質が充填され又はツールカソードから電解質がスプレーされた作業タンク内に浸漬される加工物の表面部分と係合するように位置付けることができる。加工物が係合された後、電力及び電解質流動が起動され、フレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスを開始することができる。加工物は、フレキシブル電気化学ツールが加工物の第１及び第２の端部に向かって移動されるときにフレキシブル電気化学仕上げ加工をすることができる。フレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスは、加工物の表面誤差を修正するよう加工物を仕上げ加工する段階を含むことができ、該表面誤差は、表面部分の所定の許容限度の外にある表面部分の表面高度の偏差として定められる。フレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスは、ツールカソードが加工物と係合されて加工物と相対的に移動しているときに実施することができる。
【００１４】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスを実施するシステムに関する。本システムは、作業タンク、フレキシブルカソードを含むフレキシブル電気化学ツール、機械ラム、複数のクランプ、及びコントローラを備えることができる。作業タンクは、電解質で充填することができ、或いは、加工物は、ツールカソードから電解質がスプレーされる。フレキシブル電気化学ツールは、ストリップカソードを含むことができ、フレキシブル電気化学ツールは、加工物の表面輪郭に連続的に適応可能にすることができる。機械ラムは、フレキシブル電気化学ツールを移動させるよう構成することができる。複数のクランプは、作業タンク内に加工物を固定するよう構成することができる。コントローラは、電解質が充填され又はフレキシブル電気化学ツールから電解質がスプレーされた作業タンク内に浸漬される加工物の表面部分と係合するように、フレキシブル電気化学ツールを位置付けるよう構成することができる。コントローラはまた、加工物が係合されてフレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスを開始した後に、電力及び電解質流動を起動するよう構成することができる。コントローラは、更に、加工物の第１及び第２の端部を仕上げ加工するよう構成することができる。フレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスは、加工物の表面誤差を修正するよう加工物を仕上げ加工する段階を含むことができ、該表面誤差は、表面部分の所定の許容限度の外にある表面部分の表面高度の偏差として定められる。加工物は、フレキシブル電気化学ツールが加工物と係合されて加工物と相対的に移動している間に、フレキシブル電気化学仕上げ加工を実施することができる。
【００１５】
ここで、以下に示された図面に関して本発明をより詳細に説明する。
【００１６】
本発明のこれら及び他の特徴は、添付図面を参照しながら例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明からより十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来の電解加工システムを示す図。
【図２】関連出願のツールカソードの１つの実施例を示す図。
【図３】加工物に適用される関連出願のツールカソードを示す図。
【図４ａ】本発明の一実施形態に係る圧縮状態の２Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図４ｂ】本発明の一実施形態に係る非圧縮状態の２Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図５】本発明の一実施形態に係るフレキシブルストリップカソードの構造を示す図。
【図６】本発明の別の実施形態に係る２Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図７】本発明の一実施形態に係るフレキシブル電気化学研磨プロセスを実施するシステムを示す図。
【図８】本発明の一実施形態に係るフレキシブル電気化学研磨プロセスを実施する方法のフローチャート。
【図９ａ】本発明の別の実施形態に係るコーナリングフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図９ｂ】本発明の別の実施形態に係るコーナリングフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１０ａ】本発明の別の実施形態に係るエッジングフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１０ｂ】本発明の別の実施形態に係るエッジングフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１１ａ】本発明の一実施形態に係る３Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１１ｂ】本発明の一実施形態に係る３Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１２ａ】本発明の別の実施形態に係る３Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１２ｂ】本発明の別の実施形態に係る３Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１３ａ−ｂ】本発明の別の実施形態に係るセンサを備えたフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１４】本発明の１つの態様による、フレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスを実施する方法のフローチャート。
【図１５】本発明の１つの態様による、加工物トレース中に実施される例示的なフレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本明細書で説明されるように、本出願の実施形態に係るフレキシブル電気化学プロセスは、加工物の仕上げ加工、研磨、及び／又は整形を行う比較的高速な方法を提供することができる。１以上の非限定的な態様において、様々な加工物の全体的な輪郭に適応できるフレキシブル電気化学ツールが提供される。
【００１９】
図１には、従来のＥＣＭシステムが示されている。ＥＣＭシステム１００は、電源１０２、それぞれ電解槽のカソード及びアノードとしての役割を果たすツール１０４及び加工物１０６、電解質ポンプ１０８、及び電解質タンク１１０を含む。ツール１０４の形状は固定である。作動時には、ツール１０４及び加工物１０６は、これらの間のスペースにより比較的狭い電極間ギャップ１１２が定められるように位置決めされる。電源１０２を用いて、加工物１０６及びツール１０４の両端に電圧を印加する。
【００２０】
システム１００は、加圧電解質の連続したストリームをギャップ１１２に圧送する電解質システムを含み、該ギャップ１１２において、電解質がポンプ１０８により電解質タンク１１０から圧送され、ツール１０４内に形成された中空電解質チャンネル１１４に送給される。チャンネル１１４は、電解質を加工物１０６に配向する。電解質は、チャンネル１１４によりツールカソード１０４から出て、比較的高速高圧でギャップ１１２を通過する。
【００２１】
加工物１０６は、アノード分極した加工物１０６の電気化学的溶解による加工物金属の金属除去で整形される。ＥＣＭ工程中、ギャップ１１２を通って移動する電解質は、加工物１０６から電気化学的溶解材料を除去し、加工物１０６の形状誤差を減少させる。金属除去速度は、一般に、カソードとアノードとの間の離隔距離に反比例する。ツール１０４が加工物１０６に近づくと、ツール１０４及び加工物１０６の長さに沿ったカソードであるツール１０４とアノードである加工物１０６との間の離隔距離すなわちギャップ１１２は定常値になる傾向があり、加工物１０６は一般に、ツールカソード１０４の輪郭を呈する。
【００２２】
上述のように、ツール１０４は、従来のＥＣＭにおいては、対応する加工物１０６を作製するよう固有に整形される。各々が固有の形状を有し且つ必要な電解質チャンネルが構成された多くのツール１０４の作製は、高コストになる可能性がある。比較的少数の対応する加工物１０６を作製するのにツール１０４を使用すると、コスト問題が悪化する可能性がある。
【００２３】
上述の関連出願では、有意なレベルの互換性を提供するカソードツールが記載されている。図２は、従来のツールとは異なり、フレキシブルであることにより様々な加工物の形状に用いることができる関連ツール３００の１つの実施例を示している。図２に示すツール３００は、カソード３０２、スペーサパッド３０４、弾性バッキング３０６、導電性ストリップ３０８、及び電解質チャンネル３１０を含む。機械ラム３１２は、加工物を所望の方法で係合するようにツールカソード３００を移動又は位置決めすることができる。
【００２４】
カソード３０２は、比較的薄肉で且つフレキシブルな導電性材料である。図３に示すように、弾性バッキング３０６は、カソード３０２が変形し、従って、加工物１０６の表面輪郭と共形にすることができる形状コンプライアンスを提供する。弾性変形は、カソード３０２の外面が加工物１０６の表面から所望の距離にあり、効率的なＥＣＭプロセスを実施できるようにするものである。このようにして、関連のツール３００は、多数のカソードダイを必要とすることなく、全体的に３次元の表面を研磨することができる。
【００２５】
加工物１０６がツール３００よりも大きな表面積を有するときには、ツール３００は、加工物１０６の様々な部分に対して一度に一部分ずつ適用される。例えば、ツール３００、より具体的にはカソード３０２は、下向きに圧縮されて、加工物１０６の表面部分を囲む。表面部分が囲まれた後、電解質及び電源がオンにされ、カソード３０２の真下の係合した表面部分を研磨する。表面部分が研磨された後、ツール３００は引き上げられ移動されて新しい表面部分を囲み、該新しい表面部分が研磨される。この断続的研磨のサイクルは、加工物の表面全体が研磨されるまで継続する。
【００２６】
図４ａ及び４ｂは、２次元（２Ｄ）のフレキシブル電気化学ツール（ＦＥＣツール）４００を示しており、これを用いて、本発明の一実施形態に係るフレキシブル電気化学プロセス（ＦＥＣプロセス）を実施することができる。参照を容易にするために、これらの図には方向Ｘ、Ｙ、及びＺが示されている。「Ｘ」は左右方向又は横方向を指し、「Ｙ」は上下方向又は垂直方向を指し、「Ｚ」は内外方向を指す。構成要素又は実施形態が特定の位置にあるか又は特定の方向に移動しているように記載される場合、これらは便宜上のものであり、限定を意味するものではない点を理解されたい。例えば、ＦＥＣツールのような構成要素が垂直方向に移動しているように記載されるときには、これは、実際の実施において、必ずしも構成要素が重力方向に移動しなければならないことを意味する訳ではない。
【００２７】
本発明の複数の主題の１つは、加工物をトレースできるようにすることである。本明細書で使用される場合、トレースとは、加工物及びＦＥＣツールが相対的に移動中であるときにフレキシブル電気化学プロセスを実施する能力を意味する。一例として、加工物は、トレースにより研磨することができる。関連出願に関して上述された断続的研磨プロセスと比較すると、連続研磨プロセスはより迅速になる点は理解されたい。トレースはまた、本明細書全体にわたって示すように、他の望ましい性質を有する。
【００２８】
語句「フレキシブル電気化学プロセス」（同様にＦＥＣプロセス）が上記段落で導入されている。ＦＥＣプロセスは、とりわけ、研磨、仕上げ加工、及び整形などのプロセスを広範囲に含む。ＦＥＣプロセスは、加工物からかなりの量の金属を除去するのに固定カソードダイが使用される従来のＥＣＭプロセスとは区別されるべきである。本明細書で説明されるＦＥＣプロセスは、別途指示されない限り、一般にはフレキシブル電気化学ツールを用いた加工物の金属表面からの金属の１又は複数の層の除去を指す。
【００２９】
また、加工物及びＦＥＣツールは、一方又は他方、もしくは両方を移動させることにより相対的に移動可能である点を理解されたい。従って、明示的にそうでないことを示していない限り、「ＡがＢに対して移動した」などの表現は、「ＢがＡに対して移動した」及び「Ａ及びＢは互いに対して移動した」などの表現と同等と解釈すべきであり、従って、相対移動の全ての可能性を含むものと解釈すべきである。また、「ＡがＢに向かって／Ｂから離れて移動した」及び「Ａ及びＢが互いに向かって／互いから離れて移動した」もまた、相対移動を示していると解釈すべきである。
【００３０】
平滑なトレースの動きを可能にするために、ある程度の横方向剛直性があることが望ましい。横方向剛直性は、湾曲した部品表面上でより安定した横方向の動きを提供する。図４ａ及び４ｂに示すＦＥＣツールの実施形態は、このような横方向剛直性と、垂直方向のフレキシビリティを提供する。図４ａは、ＦＥＣツール４００の非圧縮状態を示し、図４ｂは、圧縮状態を示す。ＦＥＣツール４００は、ストリップカソード４０２、機械ラム４１２、及び複数の支持コネクタ４２０を含むことができる。以下でより詳細に説明するように、複数の支持コネクタ４２０は、少なくとも１つの固定支持コネクタと、少なくとも１つの非固定支持コネクタとを含むことができる。機械ラム４１２は、支持コネクタ４２０の上端部にて該支持コネクタ４２０と接続することができる。支持コネクタ４２０の下端部は、ストリップカソード４０２の長さに沿ってストリップカソード４０２と接続することができる。
【００３１】
ストリップカソード４０２は、２Ｄで弾性的に変形可能すなわちフレキシブルであるのが好ましい。これは以下のように説明される。図４ａにおいて、非圧縮状態のストリップカソード４０２は、横方向の縦に位置付けられる。すなわち、ストリップカソード４０２は、非圧縮状態でＸ方向に直線状である。図４ｂに示すような圧縮状態において、ストリップカソード４０２は、横方向の長さに沿って異なる点で垂直方向に弾性変形又は屈曲し、Ｙ方向の変形量は、ストリップカソード４０２が加工物１０６の表面輪郭に共形であるように異なるＸ位置に沿って異なることができる。
【００３２】
これに類似したものは、ワイパーとフロントガラスが相対的に動く車両フロントガラスの曲率に共形なワイパーである。ＦＥＣツール４００の複数の利点の１つは、ストリップカソード４０２が２Ｄ湾曲線に対してより容易に撓むことができることである。また、ストリップカソード４０２は、加工物１０６表面の形状が変化したときに、容易に跳ね返ることができる。
【００３３】
ＦＥＣツール４００が図４ｂに示すように圧縮状態であるときには、異なる支持コネクタ４２０の垂直長さが異なり、すなわち加工物１０６の曲率を調整するためにストロークが異なることが分かる。従って、支持コネクタ４２０は、ストリップカソード４０２が２Ｄで弾性的に変形すると、これらのコネクタのストロークを変えることができる。しかしながら、ストロークに関係なく、支持コネクタ４２０は均一な圧力を加えることが好ましい。これは、ストリップカソード４０２が加工物１０６の湾曲表面に適応できるように垂直方向のフレキシビリティを提供する。
【００３４】
一実施形態において、支持コネクタ４２０はエアシリンダーであり、各シリンダー４２０は、垂直滑り軸受４２７及びバネ４２８を含むことができる。軸受４２７及びバネ４２８は、フレキシブルストリップカソード４０２が加工物１０６の表面輪郭に共形にできるように、シリンダー４２０が弾性支持を提供可能にする。
【００３５】
空気シリンダー４２０は更に、何らかの公知の駆動機構により垂直方向に移動できるピストン４２９を含むことができ、シリンダー４２０内の空気圧は、例えば、コントローラ（図４ａ及び４ｂに図示せず）を通って正確に制御することができる。一定の空気圧及び駆動機構を用いると、各シリンダー４２０のストロークは、加工物１０６の輪郭に応じて設定することができ、その結果、ストリップカソード４０２の変形を制御できるようになる。以下で更に立証されるように、ストリップカソード４０２を整形する能力は、加工物１０６を仕上げ加工する有利な機能を提供する。駆動機構は、機械ラム４１２に組み込むことができる。シリンダー４２０は、駆動機構を介して、加工物輪郭に基づいてストロークを変えて、ストリップカソード４０２を弾性的に変形させ且つ加工物表面を囲むようにすることができる。
【００３６】
上述のように、複数のシリンダー４２０すなわち複数の支持コネクタ４２０によって作用される圧力を実質的に等しくすることが好ましい。すなわち、支持コネクタ４２０は、可変のストローク及び実質的に一定の圧力を有することができ、これによりシリンダー内の空気圧が一定に確保される。或いは、とりわけ液圧又は電磁機構を支持コネクタ４２０として用いてもよい。
【００３７】
各支持コネクタ４２０は、対応する支持コネクタ４２０の下端部をストリップカソード４０２に結合する回転カプラ４５０を含むことができる。回転カプラ４５０の実施例はジャーナル軸受である。図４ｂで分かるように、ジャーナル軸受４５０が転回し、垂直方向に延びる支持コネクタ４２０を弾性バッキングストリップ４４５と共に湾曲ストリップカソード４０２と結合する。
【００３８】
トリップカソード４０２が２Ｄで弾性的に変形すると横方向で短くなる。外側支持コネクタ４２０の上の滑りカプラ４３０により、シリンダー並進部４６０が、垂直方向に延びる支持コネクタ４２０を湾曲して横方向に短くなったストリップカソード４０２とリンクさせることができるようになる。滑りカプラ４３０に接続された支持コネクタ４２０は、
好ましくはある限度内で機械ラム４１２に対して横方向への滑動が許容されるので、非固定支持コネクタと呼ばれる。
【００３９】
他方、横方向位置が機械ラム４１２に対して固定される少なくとも１つの固定支持コネクタ４２０が存在することが好ましいとすることができる。図４ａ及び４ｂでは、機械４１２への固定接続部４４０によって横方向位置が固定された中央支持コネクタ４２０が図示されている。これは単に１つの実施例に過ぎず、限定ではない。非中央支持コネクタを含む支持コネクタ４２０の何れかを固定することができる。
【００４０】
回転カプラ４５０及び滑りカプラ４３０により、非固定支持コネクタは、機械ラム４１２から実質的に垂直方向に真っ直ぐに延び又は接触し、湾曲して横方向に短くなったストリップカソード４０２とリンクすることができるようになる。固定支持コネクタは、その固定接続部により装着ラム３１２から実質的に垂直方向に真っ直ぐに延び又は接触する。回転カプラ４５０により、固定及び非固定の支持コネクタ４２０の両方が、図４ｂで分かるように加工物表面輪郭に実質的に法線方向に適応できるようになる。
【００４１】
フレキシブルＥＣプロセス工程の間、ＦＥＣツール４００は加工物１０６に対してＺ方向（図４ａ及び４ｂにおいて紙面の内外方向）で移動すると仮定する。ＦＥＣツール４００は、Ｚ方向に沿って加工物１０６の表面をトレースすることができる。ＦＥＣツール４００がＺ方向で駆動されると、固定及び非固定両方の全ての支持コネクタ４２０は、変化するストロークを取り、駆動力に対する横方向剛直性並びにカソードのフレキシビリティに対する垂直自由度を提供することができる。明確にするために、電解質及び電源接続部は図示していない。
【００４２】
図５は、底面から見た、ストリップカソード４０２を含む例示的なフレキシブルカソード構造を示している。図５では、底面からの矢視であるので、ここではＹ方向は、図のように紙面の内外である点に留意されたい。好ましくは、ストリップカソード４０２は、平坦で、比較的長く薄肉である。相対寸法は必ずしも縮尺通りではない。構造体５００は、好ましくは、実際には、カソード４０２がストリップ、すなわち線カソードとみなすことができるように、その幅よりも遙かに長さが長い。カソード４０２は、ゴムストリップバッキングを備えたフレキシブルなシートメタルから形成することができる。
【００４３】
構造体５００はまた、電解質を供給するための複数の入口５１０と、電解質を流出させることができる複数の出口５２０とを含むことができる。複数の絶縁スペーサ５３０間のスペースは、本実施形態において出口５２０を定める。構造体５００はまた、１以上の絶縁スタンドオフ５３５を含む。スタンドオフ５３５及びスペーサ５３０は、入口５１０から出口５２０に電解質を誘導し、側部及び後部への電解質の漏洩及び放出を阻止する。好ましくは、絶縁スタンドオフ５３５及び絶縁スペーサ５３０は全て、所定の厚み（ページの内外に）があり、カソード４０２と加工物１０６との間に明確に定められた電極間ギャップを提供するようにする。
【００４４】
電解質流動が安定していない区域には、絶縁コーティング５４０が施工されるのが好ましい。不安定な電解質流動は、望ましくない表面粗面化を生じる可能性がある。これらの区域は通常、電解質入口５１０及び出口５２０を含む。従って、図５に示すように、絶縁コーティング５４０は、入口５１０及び出口５２０に対応する区域において施工され、電解質が比較的安定している構造体５００の中央は露出される。
【００４５】
図６は、本発明の別の実施形態に係るフレキシブル２Ｄ ＦＥＣツール６００を示している。ＦＥＣツール６００は、ストリップカソード構造体５００及び機械ラム６１２など、ＦＥＣツール４００として多くの同様の構成要素を含むことができる。ＦＥＣツール６００はまた、少なくとも１つの固定支持コネクタ（回転カプラ６３０に接続される）及び少なくとも１つの非固定コネクタ（固定コネクタ６４０に接続される）を備えた複数の支持コネクタ６２０を含むことができる。支持コネクタ６２０は、回転カプラ６５０、例えば、ジャーナル軸受を通ってその下端部にてカソード構造体５００に結合することができる。更に、支持コネクタ６２０は、そのストロークが変化し、更に、ストロークが変化している間に均一な圧力を加えることができる。
【００４６】
しかしながら、滑りカプラの代わりに、回転カプラ６３０が上端部にて非固定支持コネクタ６２０を結合することができる。参照を容易にするために、回転カプラ６５０及び６３０は、それぞれ、下側及び上側回転カプラと呼ばれる。上側回転カプラ６３０により、外側非固定支持コネクタが回転し、弾性変形したときに横方向に短くなったストリップカソード４０２を収容することが可能になる。非固定支持コネクタは、必ずしも、機械ラム６１２から垂直方向に真っ直ぐに延び、又は接触しなくてもよい。下側回転カプラ６５０により、固定及び非固定支持コネクタの両方が加工物表面輪郭に対して実質的に法線方向に適応することが可能になる。
【００４７】
動作の点では、ＦＥＣツール４００及び６００は両方とも、連続ＥＣ研磨プロセスなどの連続ＥＣプロセスを実施するのに優れたものである。加工物１０６の表面をトレースするのにＦＥＣツール４００、６００が移動している間、ＦＥＣツール４００、６００は加工物１０６の表面輪郭に連続的に適応し、ＥＣ研磨プロセスを実施する。
【００４８】
図７は、本発明の一実施形態に係る研磨、仕上げ加工、及び／又は整形などのフレキシブルＥＣプロセスを実施するシステムを示している。システム７００は、電解質が作業タンク７２０を充填し、蒸気タービンバケット及びＦＥＣツール７０４などの加工物１０６がＥＣプロセス中に浸漬されるようにする電解質システムに関する実施例として説明することができる。或いは、ＦＥＣツール７０４及び加工物１０６を浸漬することなく、電解質を流体導管を介してカソード入口に、及びＦＥＣツール７０４のカソード出口から外に供給することができる。ＦＥＣツール７０４は、機械ラム７１２に接続することができる。加工物１０６は、左右クランプ７３２、７３４により作業タンク７２０内で支持することができる。コントローラ７６０は、システムの動作を自動的に又はオペレータからの手動命令により制御することができる。コントローラ７６０は、コンピュータ、記憶装置、通信ユニット、及び多数の制御プログラムなど、ハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアの種々の組み合わせによって実施することができる。
【００４９】
明瞭にするために、電解質リザーバ、電解質ポンプ、電解質フィルタ、電源、コントローラ、駆動機構、パイプ、ホース、及び取付具などの構成要素は図示していない。また、コントローラ７６０と他の構成要素間の接続部は、情報を曖昧にするのを軽減するために図示していない。
【００５０】
図８は、本発明の１つの態様による、フレキシブルＥＣ研磨プロセスを実施する例示的な方法のフローチャートを示す。方法８００において、ステップ８１０では、コントローラ７６０は、加工物１０６の表面部分に係合するようＦＥＣツール７０４を位置決めすることができる。例えば、ＦＥＣツール７０４は、右クランプ７３４又は左クランプ７３２付近の加工物１０６の右端部又は左端部など、既知の開始位置に位置決めすることができる。ステップ８２０において、コントローラ７６０は、電源及び電解質流動を起動してＥＣ研磨プロセスを開始することができる。
【００５１】
ステップ８３０において、ＦＥＣツール７０４は、加工物１０６の末端側に達するまでコントローラ７６０の制御下で加工物１０６をトレースする。例えば、ＦＥＣツール７０４が最初に右クランプ７３４付近で加工物１０６を係合している場合、第１のトレースの動きは、ＦＥＣツール７０４が左クランプ７３２に到達するまで左クランプ７３２に向かってＦＥＣツール７０４を移動させる。ＦＥＣツール７０４が動いている間、コントローラ７６０によって電源及び電解質が維持され、すなわち、ＥＣ研磨プロセスが連続して実施される。また、ＦＥＣツール７０４が移動すると、該ツール７０４は、加工物１０６の表面輪郭に連続的に適応する。
【００５２】
末端側に到達すると、コントローラ７６０は、ステップ８４０においてＥＣ研磨プロセスが完了したか否かを判定することができる。ＥＣＭ研磨が終了したか否かを判定する基準は、特定の状況に依存することができる。一例として、加工物１０６の表面全体をトレースした時点で完了したとみなすことができる。別の状況では、表面全体のうちの一部だけのトレースで十分である場合もある。極めて滑らかな表面が望まれる場合、加工物１０６を２回以上トレースすることができる。
【００５３】
ステップ８４０において、ＥＣ研磨プロセスが完了していないと判定されると、ステップ８５０において、コントローラ７６０は、ＦＥＣツール７０４の再配置を行うことができる。例えば、コントローラ７６０は、右及び左クランプ７３４、４２３に指示して、「ｗ」方向に加工物１０６を回転させることができる。ＦＥＣツール７０４が再配置されると、ステップ８３０は、他端に到達するまで加工物１０６のトレースを繰り返すことができる。トレースステップの間、ＥＣ研磨プロセスは、連続して実施することができる。コントローラ７６０は、ステップ８４０において、ＥＣ研磨プロセスが完了したと判定されるときまで、ステップ８３０、８４０、及び８５０のループを継続することができる。次に、ステップ８６０において、コントローラ７６０は、ＦＥＣツール７０４を加工物１０６から係合解除させることができる。
【００５４】
ＦＥＣツール４００及び６００は極めて有用であるが、コーナー及び縁部のように、加工物輪郭が非常に厳しい状況がある。このような状況においては、フレキシブルＦＥＣツールの代替設計が望ましいとすることができる。図９ａ及び９ｂは、本発明の別の実施形態に係るフレキシブルＦＥＣツール９００を示している。ＦＥＣツール９００は、コーナーリングＦＥＣツール９００と呼ぶことができる。図９ａは、ＦＥＣツール９００の側面図を示し、図９ｂは、図９ａの位置Ａから見たＦＥＣツール９００を示している。
【００５５】
ＦＥＣツール９００の構造は、図５に示す構造体５００と同様とすることができる。ＦＥＣツール９００は、複数の入口９１０、複数の出口９２０、複数の絶縁スペーサ９３０及びスタンドオフ９３５、絶縁コーティング９４０、並びに、図９ｂで分かるようにストリップ又はシートカソードとすることができるカソード９０２を含むことができる。これらの構成要素は、図５に示す構造体５００の構成要素と同様の機能を果たすことができ、従って、これ以上説明しない。
【００５６】
しかしながら、図９ａで分かるように、ＦＥＣツール９００はエラストマー９５０を含み、ＦＥＣツール９００が加工物１０６のコーナーに適応できるように適応バッキングを提供する。図９ｂにおいて、エラストマー９５０は、中央よりもカソード９０２の縁部付近においてより多く裏込めされるようなものである点に留意されたい。これは、コーナー適応において電解質及び加工物圧力に対する緊密シールを提供することを可能にする。
【００５７】
一般に、加工物１０６のコーナーは、凹状面を形成する端点９６０から実質的に直線方向に延びる２つの側面９６２及び９６４として見なすことができ、コーナー角θは、側面９６２及び９６４により形成された角度とみなすことができる。コーナー角θは、図９ｂに示すように直角とすることができ、或いは、他の角度であってもよい。角度θは具体的には限定されない。多くの場合、コーナー角は、８０度と１００度の間の範囲が一般的である。
【００５８】
ＦＥＣツール９００の下層は、コーナー角θと必ずしも同じである必要はなく、鈍角まで予め撓ませることができる。好ましくは、予撓み角度αは、加工物のコーナー角θと少なくとも実質的に等しく、すなわち、α−θ≒０である。しかしながら、関係α−θ＞０が成り立つことが更に好ましく、すなわち、ＦＥＣツール９００の鈍角αは、加工物のコーナー角θよりも大きいことが好ましい。
【００５９】
作動時には、このコーナーリングＦＥＣツール９００は、最初に加工物コーナー部分内に押し込まれ、機械ラム９１２の力を受けて締まり嵌めすることができる。ＦＥＣツール９００が加工物コーナー内に押し込まれると、カソード９０２の縁部に沿った圧縮は、α−θ≒０、すなわちαとθが実質的に同じ角度であるときには、カソードの中央における圧縮よりも小さくなる可能性が高い。α−θ＞０であるときには、縁部に沿った圧縮が増大することになり、これによりカソード９０２の縁部と中央との間の圧縮差が最小となる。すなわち、差分α−θが増大すると、圧縮差はゼロになる傾向がある。α−θが引き続き増大すると、最終的には、縁部の圧縮が中央よりも大きくなる可能性がある。
【００６０】
従って、１つの態様において、コーナリングツール９００は、差分α−θは最小角度差よりも大きいか又は実質的に等しく、最大角度差よりも小さいか又は実質的に等しいようにされる。最小及び最大角度差は、ＦＥＣツールの縁部とコーナーとの間の圧力差が所定の許容可能な範囲内に留まる角度差の範囲にあると判定することができる。あるＥＣプロセスにおいて、それぞれ１０度と４５度である最大角度差及び最小角度差が適合する。
【００６１】
図１０ａ及び１０ｂは、本発明の別の実施形態に係るＦＥＣツール１０００を示している。ＦＥＣツール１０００は、エッジングＦＥＣツール１０００と呼ぶことができる。図１０ａは、ＦＥＣツール１０００の側面図を示す。図１０ｂは、線Ａ−Ａに沿って位置Ａから見たときのＦＥＣツール１０００の構造断面図を示す。一般に、加工物１０６の縁部は、凸面を形成する端点１０６０から実質的に直線方向に延びる２つの側面１０６２及び１０６４とみなすことができ、縁部角度は、側面１０６２及び１０６４により形成される角度φとみなすことができる。
【００６２】
エッジングＦＥＣツール１０００は、複数の入口１０１０、複数の出口１０２０、複数の絶縁スペーサ１０３０及びスタンドオフ１０３５、絶縁コーティング１０４０、並びに、図１０ｂで分かるようにストリップ又はシートカソードとすることができるカソード１００２を含むことができる。これらの構成要素は、図５及び９ｂの同様の構成要素に関して説明したのと同様の機能を果たすことができ、従って、これ以上説明しない。
【００６３】
コーナーリングＦＥＣツール９００と同様に、エッジングＦＥＣツール１０００は、エラストマー１０５０を含むことができ、加工物１０６の縁部に適応するように適応バッキングを提供する。縁部は、撓みが生じる中央よりもより多く裏込めすることができる。カソード１００２は予め撓められている。しかしながら、予撓み角度βは、関係β−φ≒０が成り立つように、加工物１０６の縁部角度φよりもより厳しいのが好ましい。関係β−φ＜０が成り立つことが更に好ましい。
【００６４】
作動時には、このエッジングＦＥＣツール１０００は、最初に、加工物縁部分内に押し込まれ、フレキシブルカソード１００２と部分縁部との間を締まり嵌めすることができる。ＦＥＣツール１０００が縁部を通って掃引されると、ＦＥＣツールの開口及び側部曲率は、縁部区域付近の部品表面と気密接触を維持するよう変化する。
【００６５】
カソード１００２の予撓み角度βにおいて、ＦＥＣツール１０００は、φ0からφ1の範囲、すなわち、φ0≦φ≦φ1である角度φの縁部上で用いることができ、縁部角度範囲φ1からφ0内で、カソード１００２の何れかの部品間の圧縮差は、所定の許容限度内にあるようにする。例えば、範囲φ1からφ0は、好ましくは１０度以下である。すなわち、公称的に特定の角度φに対して設計されるエッジングツール１０００は、角度が２，３度の公称角度内にあるエッジング表面に用いることができる。範囲φ1からφ0は、２度以下であることが更に好ましい。
【００６６】
ゼロツール角には超鋭角を提供できる点に留意されたい。ゼロ角のエッジングツール１０００では、側面１０６２及び１０６４により形成される端点１０６からのツール１０００の予撓み角βは、ツール１０００が加工物１０６と係合していないときに、少なくとも１つの部品についてゼロにすることができる。エラストマー１０５０により提供される裏込めは、必要とされる予撓み角及び嵌め込みを提供するよう適宜に変形する。エッジングＦＥＣツール１０００は、加工物１０６がＦＥＣツール１０００に対して駆動されるときに連続的又は断続的研磨に用いることができる。
【００６７】
ここまでは、２Ｄ ＦＥＣツールの実施例を例証し説明してきた。図１１ａ及び１１ｂは、本発明の一実施形態に係るフレキシブル３次元（３Ｄ）ＦＥＣツールを示している。ＦＥＣツール１１００は、シートメタル１１０２、機械ラム１１１２、及び複数の支持コネクタ１１２０を含むことができる。機械ラム１１１２は、上端部にて支持コネクタ１１２０と接続することができる。支持コネクタ１１２０の下端部は、シートカソード１１０２の上面に沿って種々の部品にてシートカソード１１０２と接続することができる。
【００６８】
シートカソード１１０２は、３Ｄで弾性的に変形可能であるのが好ましい。図１１ａ及び１１ｂでは、シートカソード１１０２は、ＸＺ平面において弾性バッキング１１４５を含む層状構造の一部とすることができる。加工物１０６（図示せず）の表面部分が、様々なＸＺ点に沿って層状カソード１１０２を圧縮すると、シートカソード１１０２は、Ｙ方向で弾性的に変形し、凹面状又は凸面状の何れかで加工物１０６の表面輪郭に共形にすることができる。シートカソード１１０２は、３Ｄ加工物１０６の表面輪郭に連続的に共形にするように変形され、加工物１０６の表面がシートカソード１１０２に関連して移動するときにトレースされるようにすることができる。このようにして、加工物１０６は連続的に研磨することができる。
【００６９】
支持コネクタ１１２０は、シートカソード１１０２が３Ｄで弾性的に変形したときに、コネクタのストロークを変えることができる。但し、ストロークに関係なく、支持コネクタ１１２０は、均一な圧力を加え、従って、シートカソード１１０２が加工物の湾曲面に適応することができるような垂直方向のフレキシビリティを提供するのが好ましい。一実施形態において、支持コネクタ１１２０は、図４ａに示すシリンダー４２０と類似の空気シリンダーを含む。すなわち、図１１ａ及び１１ｂに示していないが、各シリンダー１１２０は、垂直滑り軸受１１２７と、弾性的支持を提供するバネ１１２８とを含むことができ、更にシリンダー１１２０のストロークを変えるよう移動することができるピストン１１２９を含むことができる。ピストン移動量、及びその結果、ストローク量は、圧縮時の加工物輪郭の表面硬度による。
【００７０】
駆動機構は、機械ラム１１１２に組み込むことができる。更に、複数の支持コネクタ１１２０により加わる圧力は、ストロークの長さに関係なく実質的に等しいことが好ましい。
【００７１】
少なくとも１つの支持コネクタ１１２０は、その上端部において、ボールジョイントのような２つの直交方向で回転可能な上側カプラ１１３０により機械ラム１１１２に結合することができる。その下端部において、各指示コネクタ１１２０は、シートカソード１１０２を支持コネクタ１１２０と接続する下側カプラ１１５０を有することができる。
【００７２】
一実施形態において、下側カプラ１５０は、パッドに接続され、２つの直交方向に回転可能な機構を含むことができ（例えば、ボールジョイント）、パッドは、シートカソード１１０２に取り付けることができる。このような回転可能な下側カプラ１１５０により、支持コネクタ１１２０が加工物表面輪郭に対して実質的に法線方向に適応することが可能になる。
【００７３】
別の実施形態において、下側カプラ１５０は、パッドを含むことができるが、回転機構は含まない。シートカソード１１０２が層状構造体とすることができることは、上記で説明されている。構造体は、好ましくは、シートメタル１１０２上に弾性バッキング１１４５（例えば、エラストマー裏込め又はゴムバッキング）を含み、パッドは、弾性バッキング１１４５に取り付けられる。従って、下側カプラ１５０が回転機構を含まない場合でも、支持コネクタ１１２０とシートカソード１１０２との接続は、必ずしも剛直である必要はなく、加工物輪郭に垂直なある程度の適応を生じさせることができる。
【００７４】
回転機構を含まない実施形態においても、シートカソード１１０２は依然として弾性バッキング１１４５を含むのが好ましい点に留意されたい。
【００７５】
フレキシブルＥＣの作動時には、ＦＥＣツール１１００は、下にある加工物１０６と上にある機械ラム１１１２との間で圧縮することができる。同じ圧力の支持コネクタ１１２０は、加工物１０６の表面部分に応じた異なるストロークをとることができる。下側カプラ１１５０は、ＦＥＣツール１１０２を支持コネクタ１１２０と接続することができ、上側カプラ１１３０は、支持コネクタ１１２０と機械ラム１１１２との間で適切な接触角を維持可能にすることができる。ＦＥＣツール１１００が表面部分をトレースすると、支持コネクタ１１２０は、異なるストロークをとり、駆動力に対する横方向剛直性を提供することができる。電解質及び電力接続部は、明確にするために省略されている。空気シリンダーを備えた中央支持コネクタは、上部にボールジョイントを有する必要はない点に留意されたい。この中央支持コネクタは、主要横方向剛直性を提供する。しかしながら、これは以下で図示するように厳密な要件ではない。
【００７６】
上側カプラ１１３０は、２つの直交方向で所定の限定的な回転角度範囲を有するのが好ましい。この場合、各支持コネクタ１１２０は、全て非固定支持コネクタ１１２４であるように対応する上側カプラ１１３０を有することができる。しかしながら、少なくとも１つの支持コネクタ１１２０は、その上端部にて固定接続部１１４０を含み、支持コネクタ１１２０が機械ラム１１１２に対してＸＺ位置で固定されるようにすることも可能である。図１１ａにおいて、固定支持コネクタ１１２０は、中央支持コネクタとすることができる。但し、これは単なる実施例に過ぎず、限定ではない。支持コネクタ１１２０のどれもが固定にすることができる。
【００７７】
図４ａから１１ｂに示されるフレキシブルＦＥＣツールの実施形態は、フレキシブルＥＣ研磨プロセスにおいて加工物１０６をトレースする優れた選択肢である。換言すると、図８に示すフレキシブルＥＣ研磨法で使用されるＦＥＣツール７０４は、ＦＥＣツール４００、６００、及び１１００の何れかとすることができる。コーナー及び縁部などの浸食性の表面をＥＣ研磨する必要があるときには、加工物９００及び１０００を用いることができる。
【００７８】
しかしながら、ＦＥＣツールの実施形態の全てではないにしてもほとんどが、フレキシブルＥＣ仕上げ加工用にも用いることができる。本明細書において、仕上げ加工は、加工物の表面誤差が修正されるプロセスを指す。この関連において、表面誤差は、当該表面部分に許容される所定の許容差範囲を超える、加工物の表面部分の輪郭の偏差、例えば、表面高度の偏差として定義される。
【００７９】
仕上げ加工は、正確なニアネットシェイプ形成を実施する方法を提供している。鋳造又は鍛造のような形成プロセスを用いると、表面仕上げ加工を必要とすることなく最終加工物形状を提供する。最終機械加工の必要性を軽減又は排除するとプロセスが簡素化され、コストが低減されるので、このために正確な形成によってニアネットシェイプを達成することは数十年にわたって求められてきた。
【００８０】
インベストメント鋳造及びネット鍛造などのプロセスは、０．００１インチ又は１ミルほどの厳しい許容誤差に適合するための正確な形成を提供することができる。しかしながら、これは、多大なコストで達成され、限定的な部品サイズにしか実施できない。形成プロセスが表面精密度を維持しながらバルク材料を処理することは、基本的に困難なことある。一般に、バルク材料が変位すると、表面精度を維持するのが困難になる。また、形成コストは、部品許容誤差が厳しくなり、部品サイズが大きくなるほど指数関数的に大きくなる。厳しい許容誤差を得るために最終機械加工が依然として必要とされる場合、ネットシェイプの当初の目的は得られないか又は縮小される。除去されるストックが減少するにも関わらず、３Ｄ表面の輪郭を形成するために、正確且つ高価な５軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械加工が依然として必要とされる場合がある。
【００８１】
加えて、形成プロセスからの表面品質は通常、ほとんどの部品仕様に適合することができない。表面部分が直接固化又は鍛造された後は、通常は表面粗度が高い。ほとんどの場合、表面冷却速度が緩慢であることに起因して、あらゆる鋳造又は鍛造上に粗い表面粒の層が存在する。仕上げ加工無しの場合、表面酸化が問題となることが多い。
【００８２】
厳しい形成精度のコスト圧力を軽減し、同時にバルク材料及び表面を経済的に処理可能にするために、ニアネットシェイプ後の表面仕上げ加工を効率的に実施する必要がある。このようにして、ニアネット形成により粗加工の必要性が排除されるので、大型のストック除去の従来の機械加工は、表面材料のみを処理するよう簡素化され、大幅に改善することができる。粗く迅速な処理は通常、材料及びエネルギーを節減するよう形成することにより良好に実施することができる。
【００８３】
本発明の１つの態様において、ニアネット形成後に加工物をフレキシブルＥＣ仕上げ加工するのに用いることができるフレキシブルＦＥＣツールが設けられる。例えば、タービンのノズル又はバケットなどの加工物１０６は、最初に、インベストメント鋳造によってニアネット形成することができる。上述のＦＥＣツール４００、６００、９００、１０００、及び１１００と極めて類似したフレキシブルＦＥＣツールは、ＣＮＣ動作無しでニアネット形成された翼形部表面に適応することができる。フレキシブルカソードが加工物表面を通ってトレースすると、ＦＥＣプロセスが表面を研磨することができ、また、残留誤差を修正することができ、すなわち表面を仕上げ処理することができる。
【００８４】
フレキシブルＥＣ仕上げ加工を可能にするために、ＦＥＣツールは、好ましくは、加工物の表面高度を検出できるセンサを含む。コントローラは、検出した高度を記憶されている部品幾何形状と比較することができる。必要な補正に応じて、コントローラは、電圧、トレース速度、電解質流動、及びパルス電力が印加される場合にはパルスパラメータなど、材料除去に影響を及ぼす要因のあらゆる組み合わせを制御することができる。
【００８５】
フレキシブルＥＣ仕上げ加工の数多くの利点がある。例えば、フレキシブルＥＣ仕上げ加工は、強力な機械スピンドルを提供する必要性を排除することができる。また、硬質で耐久性のあるインコネルに対してもツール損耗が皆無か又はそれに近い。高い構造的精度を提供しながら、機械的負荷を小さくすることができる。更に、比較的少ないフレキシブルＦＥＣツールを用いて、迅速な研磨及び仕上げ加工を達成することができる。
【００８６】
図１２ａ及び１２ｂは、本発明の別の実施形態に係るフレキシブル３Ｄ ＦＥＣツール１２００を示している。ＦＥＣツール１２００は、ＦＥＣツール１１００のようなフレキシブルＥＣ研磨に用いることができる。但し、これに加えて、ＦＥＣツール１２００はまた、フレキシブルＥＣ仕上げ加工にも用いることができる。図１２ａは、ＦＥＣツール１２００の側面図であり、図１２ｂは、ＦＥＣツール１２００の底面図である。
【００８７】
ＦＥＣツール１２００は、シートカソード１２０２、スペーサ１２３０、弾性バッキング１２５０、及び電解質入口チャンネル１２１０を含むことができる。機械ラム１２１２は、加工物を所望の方法で係合するようＦＥＣツール１２００を位置決めすることができる。好ましくは、カソード１２０２は、銅及びスレンレス鋼のような、比較的薄肉でフレキシブルな導電性材料である。弾性バッキング１２５０は、カソード１２０２を変形させ、すなわち加工物の表面輪郭に共形にすることを可能にする弾性バッキングを提供することができる。弾性変形は、カソード１２０２の外面が加工物１０６の表面から所望の距離にあり、効率的なＥＣＭプロセスを実施できるようにすることができる。このようにして、ＦＥＣツール１２００は、多数のカソードダイを必要とすることなく、ほぼ３Ｄ表面を連続的に研磨することができる。
【００８８】
図１２ｂは、ＦＥＣツール１２００のカソード構造を示している。複数の絶縁スペーサ１２３０間のスペーサは、入口チャンネル１２１０から流入する電解質が流出することができる複数の出口１２２０を定める。スペーサ１２３０は、電解質を入口１２１０から出口１２２０に誘導する。スペーサ１２３０は、カソード１２０２と加工物との間に電極間ギャップを形成する。この特定の実施形態において、中央に近接したスペーサ１２３０は、縁部又は周辺に近接したスペーサ１２３０よりも厚肉に形成され、中央からのより良好な電解質流動を可能にする。絶縁コーティング１２４０は、スペーサ１２３０に対応する区域内に形成することができ、ここでは電解質流動が安定的である可能性が低い。
【００８９】
ＦＥＣツール１２００は、図７及び８に示すＥＣＭ研磨工程で使用することができる。すなわち、ＦＥＣツール１２００は、加工物１０６の様々な部分に適用することができ、ツール構造は、下にある加工物表面部分と上にある機械ラムとの間で圧縮することができる。弾性バッキング１２５０は、加工物の表面に共形の電解槽をシールするのに必要な弾性圧縮を提供することができる。加工物１０６及びツールカソード１２００が相対移動すると、シートカソード１２０２は、シートカソード１２０２と係合する表面部分の輪郭に共形にすることができ、ＥＣＭ研磨は、加工物表面とシートカソード１２０２との間のギャップ間を導通させて電解質を流すことにより実施することができる。
【００９０】
但し、これに加えて、ＦＥＣツール１２００はまた、トレース中、すなわち連続移動中に加工物１０６の表面高度を検知するセンサを含むことができる。図１２ａ及び１２ｂにおいて、センサ１２６０は、スタイラス１２６２、線形スケール１２６４、及びバネ１２６６の組み合わせとして実施される。但し、この組み合わせは、センサ１２６０を実施する多くの方法のうちの１つに過ぎない。センサの他の実施は、ＬＶＤＴ、すなわち線形可変差動変圧器と、容量センサとを含む。
【００９１】
スタイラス１２６２は、図示のようにＦＥＣツール１２００の実質的に中央に配置することができるが、これは限定ではない。スタイラス１２６２は、他の場所に置いてもよい。例えば、スタイラス１２６２は、トレース方向においてカソード１２０２の「正面」に置くことができる。更に、センサの数は１つに限定されず、すなわち、複数のセンサを設けることができる。例えば、２つのスタイラス１２６２をトレース方向においてカソード１２０２の各側部に１つずつ設けることができる。
【００９２】
センサは、図１３ａ及び１３ｂに示すようにフレキシブルＥＣ仕上げ加工で使用するためＦＥＣツール４００、６００、及び／又は１１００に加えることができる点に留意されたい。図１３ａにおいて、カソード構造体５００が再現され、図１３ｂでは、ＦＥＣツール１１００の底面図が再現されている。これらの図において、二重方形として描かれたセンサ１３６０は、各カソード構造の周りに分布される。入口、スペーサ、カプラ、及び出口などの他の構成要素は、明確にするために参照符号を付与していない。センサ１３６０がより多くあるのが望ましいが、実際に配備できるセンサの数を考慮に入れることができる、コストなどの幾つかの実際上の考慮事項が存在する場合がある。図１３ａ及び１３ｂに示すタイプの修正形態では、ＦＥＣツール４００、６００及び１１００はまた、フレキシブルＥＣ仕上げ加工の加工物において用いることができると言えば十分である。
【００９３】
図１４は、本発明の１つの態様による、フレキシブルＥＣ仕上げ加工.を実施する方法のフローチャートを示している。フレキシブルＥＣ仕上げ加工.を実施する方法１４００は、図８に示すフレキシブルＥＣ研磨方法８００と共通したステップ中の多くを共用している点に留意されたい。フレキシブルＥＣ研磨プロセスと同様に、フレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスは、加工物表面の輪郭に適応することができる。但し、既存の表面輪郭に単に共形であるのではなく、加工物が所望の最終形状に輪郭形成されるように、カソードのツールの弾性変形を能動的に制御することができる。図１４では、蒸気タービンのバケットのような加工物１０６は、最初に、インベストメント鋳造又は鍛造などの別のプロセス、或いは固定形状ＦＥＣツールを用いた従来のＥＣＭによって、ニアネットシェイプされていると仮定する。図７に示すシステム７００は、例示的なフレキシブルＥＣ仕上げ加工法１４００を説明するのに併せて用いられ、ここでＦＥＣツール７０４は、センサを備えた
ＦＥＣツール４００、６００、１１００、及び１２００の何れかとすることができる。
【００９４】
方法１４００では、ステップ１４１０においてコントローラ７６０は、加工物１０６の表面部分と係合するようＦＥＣツール７０４を位置決めすることができる。ステップ１４２０において、コントローラ７６０は、電源及び電解質流動を起動して、ＥＣＭプロセスを始動することができる。
【００９５】
ステップ１４３０において、コントローラ７６０は、加工物１０６の末端側に到達するまでＦＥＣツール７０４に加工物１０６をトレースさせることができる。トレース中、加工物１０６は、フレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスを受ける。図１５はステップ１４３０を実施して、本発明の１つの態様による、加工物のトレース中にフレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスを実行する例示的なプロセスのフローチャートを示している。図１５に示すプロセスは、ＦＥＣツール７０４が加工物１０６の一方端から他方端に移動したときに、ＦＥＣツール７０４として連続的に実施することができる。
【００９６】
ステップ１５１０において、センサ１２６０、１３６０のようなセンサによって表面部分の高度を検出することができる。センサ１２６０、１３６０は、検出結果をコントローラ７６０に提供することができる。ステップ１５２０において、コントローラ７６０は、検出した表面高度を当該特定の加工物１０６の表面部分についての記憶されたモデルと比較することができる。ステップ１５３０において、コントローラ７６０は、検出高度と記憶されたモデル高度との間の差異が許容限度内にあるか否かを判定することができる。
【００９７】
加工物の許容誤差は、極めて一般的から極めて特異的な範囲にわたることができる点に留意されたい。ある事例では、同じ許容限度は、加工物の表面全体又は幾つかの加工物にわたって適用することができる。別の事例では、ある加工物内の様々な表面部分は、特定の表面部分にのみ適用される許容限度を有することができる。実際に、異なる許容限度は、異なる状況下で同じ加工物に適用することができる。例えば、加工物製造業者は、同じ加工物について異なるレベルの保証を提示することができる。最高の価格に値する最高の保証レベルにおいて、加工物の仕上げ加工において極めて厳しい許容誤差を適用することができる。他の保証レベルでは、記憶されているモデルから適宜より大きな偏差を許容
することができる。
【００９８】
差違が許容限度内である場合、プロセスは、１５５０に進み、このトレースが完了したか否かを判定することができ、例えば、コントローラ７６０は、加工物１０６の末端側に到達したか否かを判定することができる。トレースが完了していない場合、プロセスは、ステップ１５１０を繰り返すことができる。
【００９９】
しかしながら、ステップ１５３において、検出された高度が許容限度の外にあると判定された場合、コントローラ７６０は、ステップ１５４において、修正措置又は措置の組み合わせを取ることができる。修正措置の非網羅的なリストには以下のものを含む。第１に、カソード１２０２の形状を変更することができる。上述のように、ＦＥＣツール４００、６００及び１１００は、支持コネクタ４２０、６２０及び１１２０のストロークを変えるよう制御可能な駆動機構を含むことができる。必要とされる修正に応じて、コントローラ７６０は、カソードの異なる部分下で行われるＥＣ処理の量が変化するように支持コネクタのストロークを変更することができる。例えば、比較的により多くの又はより少ない材料除去を必要とする表面部分では、支持コネクタ４２０、６２０、１１２０のストロークは、電極間ギャップを減少又は増大させるよう制御することができる。加工物が既にニアネットシェイプされているので、フレキシブルカソードの大幅な能動的整形が必要となる可能性は低い。
【０１００】
第２に、トレース移動を変更することができる。例えば、コントローラ７６０は、ＦＥＣツール７０４を必要に応じてより緩慢に、又は更に迅速に移動させることができる。移動速度は、表面部分高度を許容限度内にするのに必要な材料除去量に対応することができる。一般に、より緩慢な速度により、表面部分に対しより多くのＥＣ処理を実施することが可能となる。実際には、これは、元のトレース検出に処理が戻る前にトレース方向を短い距離だけ反転させることであってもよい。
【０１０１】
第３に、必要に応じて電流を増減させることができる。表面部分が比較的より多くの又はより少ないＥＣ処理を必要としている場合、ＦＥＣツール７０４が表面部分を通り越すときに、コントローラ７６０により、電源が電流フローを増大又は減少させることができる。コントローラ７６０はまた、必要に応じて電解質流動を増大又は減少させるよう電解質ポンプを制御することができる。
【０１０２】
勿論、コントローラ７６０は、上述の修正措置の何れかを組み合わせて、ＥＣＭ仕上げ加工を達成することができる。ステップ１５４０において修正措置が行われた後、コントローラ７６０はステップ１５５０に進むことができる。
【０１０３】
ステップ１５５０において、特定のトレースが完了したことが判定された場合、プロセス１４３０が起動され、本方法は、図１４のステップ１１４から再開される。このステップにおいて、コントローラ７６０は、全体のフレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスが完了したか否かを判定することができる。図８のフレキシブルＥＣ研磨方法に関して上述したように、フレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスが完了したか否かを判定する基準は、特定の状況に応じて決まる。
【０１０４】
ステップ１４４において、コントローラ７６０が、フレキシブルＥＣ仕上げ加工が完了していないと判定すると、ステップ１４５において、コントローラ７６０は、例えば、クランプ７３２、７３４が加工物１０６を回転させることによって、ＦＥＣツール７０４を再度位置決めすることができる。ＦＥＣツール７０４が再度位置決めされた後、コントローラ７６０は、ステップ１４３０に進み、ＦＥＣツール７０４が他の方向に移動したときにフレキシブルＥＣ仕上げ加工を繰り返すことができる。コントローラ７６０は、ステップ１４４において、フレキシブルＥＣ仕上げ加工が完了したと判定されるまで、ステップ１４３０、１４４０、及び１４５０のループを繰り返すことができる。ステップ１４６において、ＦＥＣツール７０４を加工物１０６から係合解除することができる。
【０１０５】
フレキシブルＥＣ研磨及び仕上げ加工プロセスに加えて、フレキシブルトレースを用いて、加工物を更に最終整形することができる。発電などの産業においては、効率の更なる漸次的向上により有意なコスト節減を示すことができると説明してきた。また、従来のＥＣＭでは、ツール再編成は高価なプロセスであると説明してきた。ツール再編成、すなわち新規のＦＥＣツールを製作することはまた、大幅な時間を要する可能性がある。
【０１０６】
上述のフレキシブルＥＣプロセスを用いると、このようなコスト及び時間を軽減することができる。例えば、有効な効率改善をもたらすために、既存の加工物の設計の比較的小さな変更が示される状況が存在する場合がある。このような状況において、加工物は、最初に、既存のモールド、ダイ、又はＦＥＣツールを用いて構築することができる。最初に構築される加工物は、新設計のフレキシブルＥＣ整形プロセスを受けることができる。実際には、新旧設計間の変更は、フレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスを通じて修正されるべき誤差として処理される場合がある。このようなプロセスを用いて、新規の設計加工物の製作を開始することができると共に、新設計に固有のモールド、ダイ、及びＦＥＣツールが出現することができる。これは、「早期市場参入」への製造者の機会を高めることができる。
【０１０７】
また、このようなプロセスを用いて、新規設計を比較的迅速に試験することができる。例えば、コンピュータモデルは、微調整設計が期待できることを示すことができるが、現実の試験には検証が必要とされる。試験のために再編成の時間及び費用が生じる代わりに、フレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスを用いて、試験加工物を作製することができる。
【０１０８】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【０１０９】
１０６ 加工物
３００，４００，６００，７０４，９００，１０００，１１００，１２００ 電気化学的ツール
３０２，４０２，９０２，１００２，１１０２，１２０２ カソード
３０４ スペーサパッド
３０８ 導電ストリップ
３１０ 電解質チャンネル
３１２，４１２，６１２，７１２，９１２，１０１２，１１１２，１２１２ 機械ラム
４２０，６２０，１１２０ 支持コネクタ
４２７，１１２７ 滑り軸受
４２８，１１２８ バネ
４２９，１１２９ ピストン
４３０ 滑りカプラ
４４５，１１４５，１２５０ エアラストマーバッキング
４５０，６５０ 下側回転カプラ
５００ フレキシブルカソード
５１０，９１０，１０１０，１２１０ 入口
５２０，９２０，１０２０，１２２０ 出口
５３０，９３０，１０３０，１２３０ 絶縁スペーサ
５３５，９３５，１０３５，１２３５ 絶縁スタンドオフ
５４０，９４０，１２４０ 絶縁コーティング
６３０ 上側回転カプラ
９５０，１０５０，１１５０ エラストマー
９６０ 端点
９６２，９６４，１０６２，１０６４ 側面
１０６０ 端点
１１３０ 上側カプラ
１１４０ 固定接続部
１２６０，１３６０ センサ
１２６２ スタイラスセンサ
１２６４ スケールセンサ
１２６６ バネセンサ
【技術分野】
【０００１】
本発明の１以上の態様は、フレキシブルな電気化学処理のための方法、装置、及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、旋削、孔加工、及びフライス加工などの機械加工法は、機械的力の印加を伴う。これらの方法では、硬質のツールを用いて加工物を機械加工しており、従って、ツールは、加工物よりもより硬質である必要性がある。しかしながら、一部の用途では、加工物自体を硬質の材料で作ることが望ましい。例えば、タービンエンジンのブレードは、過酷な動作環境に曝されるので、硬度を含めた厳しい要件を有する。加工物自体が硬質であるときには、従来の機械加工は通常、実行可能ではない。
【０００３】
硬質の加工物を機械加工する代替の方法として、一般的には電解加工（ＥＣＭ）が使用される。ＥＣＭでは、導電性の硬質加工物がツールによって機械加工され、該ツールもまた導電性である。ＥＣＭの間、カソードとしての役割を果たすツールは、アノードとしての役割を果たす加工物に相対的に位置付けられてこれらの間にギャップが定められるようにし、該ギャップは、硝酸ナトリウム水溶液のような流動する電解質で満たされる。カソードであるツールとアノードである加工物との間に低電圧の高密度直流が印加され、加工物の電解溶解を生じさせる。溶解作用は、流動電解質により隔てられた、カソードであるツールとアノードである加工物とによって形成される電解槽において起こる。腐食材料又はスラッジは、金属水酸化物の形態で流動電解質によりギャップから除去される。アノードである加工物は一般に、カソードであるツールの輪郭に一致した輪郭を呈する。スラッジは、電解質から濾過することができ、清浄な電解質は再使用することができる。
【０００４】
ＥＣＭでは、ツールは損耗することがない。また、加工速度は、加工物の硬度とは無関係である。従って、銅及び黄銅などの軟質材料をツールとして用いて、炭素鋼、インコネル、チタン、及びコバール又はこれらの合金のような硬質又は強靱な金属の加工物を整形することができ、ツールカソードは繰り返し用いることができる。このことは、軟質の金属の上に複雑な形状のものでも比較的容易に形成され、硬質の金属及び合金の加工物を整形するのに用いることができるので、有利である。
【０００５】
ＥＣＭには幾つかの欠点がある。従来のＥＣＭにおいては、各所望の形状に対して専用のツールを構成しなくてはならない。発電のような産業では、１パーセントなどの小さな効率の向上でも運用コストの有意な節減に相当する。従って、タービン製造業者は、漸増の効率向上を達成するために、タービンブレード及び他のタービン部品を絶えず設計し直している。このような状況で従来のＥＣＭを用いるには、新規のツールを定期的に作り出す必要があり、これは極めて高価になる可能性がある。従って、異なる形状の加工物にフレキシブルに適応し、従来のＥＣＭに伴うコスト及び時間を低減する電気化学処理方法、装置、及びシステムを提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施するフレキシブル電気化学ツールに関する。フレキシブル電気化学ツールは、２次元（２Ｄ）で弾性的に変形可能なストリップシートメタルと、機械ラムと、ストリップカソードの長さに沿って、上端部にて機械ラムと接続され下端部にてストリップカソードと接続された複数の支持コネクタと、を備えることができる。複数の支持コネクタは、機械ラムに対して横方向位置が固定される少なくとも１つの固定支持コネクタを含むことができる。各支持コネクタは、ストリップカソードが弾性的に変形したときにストロークが変わるように構成することができる。また、各支持コネクタは、支持コネクタの下端部を結合するよう構成され、且つストリップカソードが弾性的に変形したときに転回するよう構成された回転カプラを含むことができる。
【０００７】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施する方法に関する。本方法において、フレキシブル電気化学ツールは、電解質が充填された作業タンク内にフレキシブル電気化学ツールカソードのフレキシブルカソードが浸漬される加工物の表面部分と係合するように位置付けることができる。加工物が係合された後、電力及び電解質流動を起動して電解加工プロセスを開始することができる。次に、フレキシブルカソードは、加工物の第１又は第２の端部に向かってトレースすることができる。トレースは、電力及び電解質流動を維持しながら、フレキシブルカソードが加工物と相対的に移動することを含むことができる。
【０００８】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施するシステムに関する。本システムは、作業タンク、フレキシブルカソードを有するフレキシブル電気化学ツール、機械ラム、複数のクランプ、及びコントローラを含むことができる。作業タンクは電解質を充填させることができる。フレキシブルカソードは、加工物の表面輪郭に連続的に適応可能にすることができる。機械ラムは、ツールカソードを移動させるよう構成することができる。複数のクランプは、作業タンク内に加工物を固定するよう構成することができる。コントローラは、電解質で充填された作業タンク内に浸漬される加工物の表面部分とツールカソードが係合するように該ツールカソードを位置付けるよう構成することができる。或いは、ツールカソードは、加工物を浸漬することなく電解質を電解槽に供給する電解質チャンネルを含む。コントローラはまた、加工物が係合されてフレキシブル電気化学プロセスを開始した後に電力及び電解質流動を起動するよう構成することができる。コントローラは更に、第１又は第２の端部に向かってツールカソードをトレースするよう更に構成することができる。トレースは、電力及び電解質流動を維持しながら、ツールカソードが加工物と相対的に移動することを含むことができる。
【０００９】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施するコーナリングフレキシブル電気化学ツールに関する。コーナリングフレキシブル電気化学ツールは、カソードと、機械ラムと、カソード及び機械ラム間にエラストマーとを含むことができ、該エラストマーは、カソードが加工物のコーナーの形状に適応するよう適応バッキングを提供する。加工物のコーナーは、コーナー角θで凹状面を形成する端点から実質的に直線方向に延びる２つの側面により形成することができる。カソードは、コーナー角に対してθよりも大きい角度αで予め撓むことができる。この差違は、加工物コーナーに対してコーナリングツールカソードの必要な圧縮を提供する。
【００１０】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施するエッジングフレキシブル電気化学ツールに関する。エッジングフレキシブル電気化学ツールカソードは、ストリップカソードと、機械ラムと、カソード及び機械ラム間にエラストマーとを含むことができ、該エラストマーは、カソードが加工物の縁部の形状に適応するよう適応バッキングを提供する。加工物の縁部は、縁部角度φで凸面を形成する端点１０６０から実質的に直線方向に延びる２つの側面により形成することができる。ストリップカソードは、φよりも小さい縁部角度に対する角度βで予め撓むことができる。この差違は、加工物縁部に対する縁部カソードの必要な圧縮を提供する。
【００１１】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施するフレキシブル電気化学ツールに関する。フレキシブル電気化学ツールは、シートカソード、機械ラム、及び複数の支持コネクタを含むことができる。シートカソードは、３次元（３Ｄ）で弾性的に変形可能に構成することができる。複数の支持コネクタは、シートカソードの上面に沿って、上端部で機械ラムと接続され、下端部でシートカソードと接続することができる。各支持コネクタは、ストロークを変えるよう構成することができる。各支持コネクタはまた、シートカソードが弾性的に変形するときに支持コネクタの下端部をフレキシブルシートカソードと結合するよう構成された下側カプラを含むことができる。
【００１２】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学プロセスを実施するフレキシブル電気化学ツールに関する。フレキシブル電気化学ツールは、シートカソード、機械ラム、弾性バッキング、及び少なくとも１つのセンサを含むことができる。シートカソードは、３Ｄで弾性的に変形することができる。機械ラムは、フレキシブル電気化学ツールを移動させ、圧縮力を加えるよう構成することができる。弾性バッキングは、シートカソードに弾性バッキングを提供するよう構成することができる。センサは、フレキシブル電気化学ツールが加工物と係合するときに加工物の表面高度を測定するよう構成することができる。シートカソードは、加工物と係合しながら移動するときに、加工物の輪郭に連続的に適応することができる。
【００１３】
本発明の別の非限定的な態様は、フレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスを実施する方法に関する。本方法において、フレキシブル電気化学ツールは、電解質が充填され又はツールカソードから電解質がスプレーされた作業タンク内に浸漬される加工物の表面部分と係合するように位置付けることができる。加工物が係合された後、電力及び電解質流動が起動され、フレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスを開始することができる。加工物は、フレキシブル電気化学ツールが加工物の第１及び第２の端部に向かって移動されるときにフレキシブル電気化学仕上げ加工をすることができる。フレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスは、加工物の表面誤差を修正するよう加工物を仕上げ加工する段階を含むことができ、該表面誤差は、表面部分の所定の許容限度の外にある表面部分の表面高度の偏差として定められる。フレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスは、ツールカソードが加工物と係合されて加工物と相対的に移動しているときに実施することができる。
【００１４】
本発明の別の非限定的な態様は、加工物にフレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスを実施するシステムに関する。本システムは、作業タンク、フレキシブルカソードを含むフレキシブル電気化学ツール、機械ラム、複数のクランプ、及びコントローラを備えることができる。作業タンクは、電解質で充填することができ、或いは、加工物は、ツールカソードから電解質がスプレーされる。フレキシブル電気化学ツールは、ストリップカソードを含むことができ、フレキシブル電気化学ツールは、加工物の表面輪郭に連続的に適応可能にすることができる。機械ラムは、フレキシブル電気化学ツールを移動させるよう構成することができる。複数のクランプは、作業タンク内に加工物を固定するよう構成することができる。コントローラは、電解質が充填され又はフレキシブル電気化学ツールから電解質がスプレーされた作業タンク内に浸漬される加工物の表面部分と係合するように、フレキシブル電気化学ツールを位置付けるよう構成することができる。コントローラはまた、加工物が係合されてフレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスを開始した後に、電力及び電解質流動を起動するよう構成することができる。コントローラは、更に、加工物の第１及び第２の端部を仕上げ加工するよう構成することができる。フレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスは、加工物の表面誤差を修正するよう加工物を仕上げ加工する段階を含むことができ、該表面誤差は、表面部分の所定の許容限度の外にある表面部分の表面高度の偏差として定められる。加工物は、フレキシブル電気化学ツールが加工物と係合されて加工物と相対的に移動している間に、フレキシブル電気化学仕上げ加工を実施することができる。
【００１５】
ここで、以下に示された図面に関して本発明をより詳細に説明する。
【００１６】
本発明のこれら及び他の特徴は、添付図面を参照しながら例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明からより十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来の電解加工システムを示す図。
【図２】関連出願のツールカソードの１つの実施例を示す図。
【図３】加工物に適用される関連出願のツールカソードを示す図。
【図４ａ】本発明の一実施形態に係る圧縮状態の２Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図４ｂ】本発明の一実施形態に係る非圧縮状態の２Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図５】本発明の一実施形態に係るフレキシブルストリップカソードの構造を示す図。
【図６】本発明の別の実施形態に係る２Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図７】本発明の一実施形態に係るフレキシブル電気化学研磨プロセスを実施するシステムを示す図。
【図８】本発明の一実施形態に係るフレキシブル電気化学研磨プロセスを実施する方法のフローチャート。
【図９ａ】本発明の別の実施形態に係るコーナリングフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図９ｂ】本発明の別の実施形態に係るコーナリングフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１０ａ】本発明の別の実施形態に係るエッジングフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１０ｂ】本発明の別の実施形態に係るエッジングフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１１ａ】本発明の一実施形態に係る３Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１１ｂ】本発明の一実施形態に係る３Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１２ａ】本発明の別の実施形態に係る３Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１２ｂ】本発明の別の実施形態に係る３Ｄフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１３ａ−ｂ】本発明の別の実施形態に係るセンサを備えたフレキシブル電気化学ツールを示す図。
【図１４】本発明の１つの態様による、フレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスを実施する方法のフローチャート。
【図１５】本発明の１つの態様による、加工物トレース中に実施される例示的なフレキシブル電気化学的仕上げ加工プロセスのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本明細書で説明されるように、本出願の実施形態に係るフレキシブル電気化学プロセスは、加工物の仕上げ加工、研磨、及び／又は整形を行う比較的高速な方法を提供することができる。１以上の非限定的な態様において、様々な加工物の全体的な輪郭に適応できるフレキシブル電気化学ツールが提供される。
【００１９】
図１には、従来のＥＣＭシステムが示されている。ＥＣＭシステム１００は、電源１０２、それぞれ電解槽のカソード及びアノードとしての役割を果たすツール１０４及び加工物１０６、電解質ポンプ１０８、及び電解質タンク１１０を含む。ツール１０４の形状は固定である。作動時には、ツール１０４及び加工物１０６は、これらの間のスペースにより比較的狭い電極間ギャップ１１２が定められるように位置決めされる。電源１０２を用いて、加工物１０６及びツール１０４の両端に電圧を印加する。
【００２０】
システム１００は、加圧電解質の連続したストリームをギャップ１１２に圧送する電解質システムを含み、該ギャップ１１２において、電解質がポンプ１０８により電解質タンク１１０から圧送され、ツール１０４内に形成された中空電解質チャンネル１１４に送給される。チャンネル１１４は、電解質を加工物１０６に配向する。電解質は、チャンネル１１４によりツールカソード１０４から出て、比較的高速高圧でギャップ１１２を通過する。
【００２１】
加工物１０６は、アノード分極した加工物１０６の電気化学的溶解による加工物金属の金属除去で整形される。ＥＣＭ工程中、ギャップ１１２を通って移動する電解質は、加工物１０６から電気化学的溶解材料を除去し、加工物１０６の形状誤差を減少させる。金属除去速度は、一般に、カソードとアノードとの間の離隔距離に反比例する。ツール１０４が加工物１０６に近づくと、ツール１０４及び加工物１０６の長さに沿ったカソードであるツール１０４とアノードである加工物１０６との間の離隔距離すなわちギャップ１１２は定常値になる傾向があり、加工物１０６は一般に、ツールカソード１０４の輪郭を呈する。
【００２２】
上述のように、ツール１０４は、従来のＥＣＭにおいては、対応する加工物１０６を作製するよう固有に整形される。各々が固有の形状を有し且つ必要な電解質チャンネルが構成された多くのツール１０４の作製は、高コストになる可能性がある。比較的少数の対応する加工物１０６を作製するのにツール１０４を使用すると、コスト問題が悪化する可能性がある。
【００２３】
上述の関連出願では、有意なレベルの互換性を提供するカソードツールが記載されている。図２は、従来のツールとは異なり、フレキシブルであることにより様々な加工物の形状に用いることができる関連ツール３００の１つの実施例を示している。図２に示すツール３００は、カソード３０２、スペーサパッド３０４、弾性バッキング３０６、導電性ストリップ３０８、及び電解質チャンネル３１０を含む。機械ラム３１２は、加工物を所望の方法で係合するようにツールカソード３００を移動又は位置決めすることができる。
【００２４】
カソード３０２は、比較的薄肉で且つフレキシブルな導電性材料である。図３に示すように、弾性バッキング３０６は、カソード３０２が変形し、従って、加工物１０６の表面輪郭と共形にすることができる形状コンプライアンスを提供する。弾性変形は、カソード３０２の外面が加工物１０６の表面から所望の距離にあり、効率的なＥＣＭプロセスを実施できるようにするものである。このようにして、関連のツール３００は、多数のカソードダイを必要とすることなく、全体的に３次元の表面を研磨することができる。
【００２５】
加工物１０６がツール３００よりも大きな表面積を有するときには、ツール３００は、加工物１０６の様々な部分に対して一度に一部分ずつ適用される。例えば、ツール３００、より具体的にはカソード３０２は、下向きに圧縮されて、加工物１０６の表面部分を囲む。表面部分が囲まれた後、電解質及び電源がオンにされ、カソード３０２の真下の係合した表面部分を研磨する。表面部分が研磨された後、ツール３００は引き上げられ移動されて新しい表面部分を囲み、該新しい表面部分が研磨される。この断続的研磨のサイクルは、加工物の表面全体が研磨されるまで継続する。
【００２６】
図４ａ及び４ｂは、２次元（２Ｄ）のフレキシブル電気化学ツール（ＦＥＣツール）４００を示しており、これを用いて、本発明の一実施形態に係るフレキシブル電気化学プロセス（ＦＥＣプロセス）を実施することができる。参照を容易にするために、これらの図には方向Ｘ、Ｙ、及びＺが示されている。「Ｘ」は左右方向又は横方向を指し、「Ｙ」は上下方向又は垂直方向を指し、「Ｚ」は内外方向を指す。構成要素又は実施形態が特定の位置にあるか又は特定の方向に移動しているように記載される場合、これらは便宜上のものであり、限定を意味するものではない点を理解されたい。例えば、ＦＥＣツールのような構成要素が垂直方向に移動しているように記載されるときには、これは、実際の実施において、必ずしも構成要素が重力方向に移動しなければならないことを意味する訳ではない。
【００２７】
本発明の複数の主題の１つは、加工物をトレースできるようにすることである。本明細書で使用される場合、トレースとは、加工物及びＦＥＣツールが相対的に移動中であるときにフレキシブル電気化学プロセスを実施する能力を意味する。一例として、加工物は、トレースにより研磨することができる。関連出願に関して上述された断続的研磨プロセスと比較すると、連続研磨プロセスはより迅速になる点は理解されたい。トレースはまた、本明細書全体にわたって示すように、他の望ましい性質を有する。
【００２８】
語句「フレキシブル電気化学プロセス」（同様にＦＥＣプロセス）が上記段落で導入されている。ＦＥＣプロセスは、とりわけ、研磨、仕上げ加工、及び整形などのプロセスを広範囲に含む。ＦＥＣプロセスは、加工物からかなりの量の金属を除去するのに固定カソードダイが使用される従来のＥＣＭプロセスとは区別されるべきである。本明細書で説明されるＦＥＣプロセスは、別途指示されない限り、一般にはフレキシブル電気化学ツールを用いた加工物の金属表面からの金属の１又は複数の層の除去を指す。
【００２９】
また、加工物及びＦＥＣツールは、一方又は他方、もしくは両方を移動させることにより相対的に移動可能である点を理解されたい。従って、明示的にそうでないことを示していない限り、「ＡがＢに対して移動した」などの表現は、「ＢがＡに対して移動した」及び「Ａ及びＢは互いに対して移動した」などの表現と同等と解釈すべきであり、従って、相対移動の全ての可能性を含むものと解釈すべきである。また、「ＡがＢに向かって／Ｂから離れて移動した」及び「Ａ及びＢが互いに向かって／互いから離れて移動した」もまた、相対移動を示していると解釈すべきである。
【００３０】
平滑なトレースの動きを可能にするために、ある程度の横方向剛直性があることが望ましい。横方向剛直性は、湾曲した部品表面上でより安定した横方向の動きを提供する。図４ａ及び４ｂに示すＦＥＣツールの実施形態は、このような横方向剛直性と、垂直方向のフレキシビリティを提供する。図４ａは、ＦＥＣツール４００の非圧縮状態を示し、図４ｂは、圧縮状態を示す。ＦＥＣツール４００は、ストリップカソード４０２、機械ラム４１２、及び複数の支持コネクタ４２０を含むことができる。以下でより詳細に説明するように、複数の支持コネクタ４２０は、少なくとも１つの固定支持コネクタと、少なくとも１つの非固定支持コネクタとを含むことができる。機械ラム４１２は、支持コネクタ４２０の上端部にて該支持コネクタ４２０と接続することができる。支持コネクタ４２０の下端部は、ストリップカソード４０２の長さに沿ってストリップカソード４０２と接続することができる。
【００３１】
ストリップカソード４０２は、２Ｄで弾性的に変形可能すなわちフレキシブルであるのが好ましい。これは以下のように説明される。図４ａにおいて、非圧縮状態のストリップカソード４０２は、横方向の縦に位置付けられる。すなわち、ストリップカソード４０２は、非圧縮状態でＸ方向に直線状である。図４ｂに示すような圧縮状態において、ストリップカソード４０２は、横方向の長さに沿って異なる点で垂直方向に弾性変形又は屈曲し、Ｙ方向の変形量は、ストリップカソード４０２が加工物１０６の表面輪郭に共形であるように異なるＸ位置に沿って異なることができる。
【００３２】
これに類似したものは、ワイパーとフロントガラスが相対的に動く車両フロントガラスの曲率に共形なワイパーである。ＦＥＣツール４００の複数の利点の１つは、ストリップカソード４０２が２Ｄ湾曲線に対してより容易に撓むことができることである。また、ストリップカソード４０２は、加工物１０６表面の形状が変化したときに、容易に跳ね返ることができる。
【００３３】
ＦＥＣツール４００が図４ｂに示すように圧縮状態であるときには、異なる支持コネクタ４２０の垂直長さが異なり、すなわち加工物１０６の曲率を調整するためにストロークが異なることが分かる。従って、支持コネクタ４２０は、ストリップカソード４０２が２Ｄで弾性的に変形すると、これらのコネクタのストロークを変えることができる。しかしながら、ストロークに関係なく、支持コネクタ４２０は均一な圧力を加えることが好ましい。これは、ストリップカソード４０２が加工物１０６の湾曲表面に適応できるように垂直方向のフレキシビリティを提供する。
【００３４】
一実施形態において、支持コネクタ４２０はエアシリンダーであり、各シリンダー４２０は、垂直滑り軸受４２７及びバネ４２８を含むことができる。軸受４２７及びバネ４２８は、フレキシブルストリップカソード４０２が加工物１０６の表面輪郭に共形にできるように、シリンダー４２０が弾性支持を提供可能にする。
【００３５】
空気シリンダー４２０は更に、何らかの公知の駆動機構により垂直方向に移動できるピストン４２９を含むことができ、シリンダー４２０内の空気圧は、例えば、コントローラ（図４ａ及び４ｂに図示せず）を通って正確に制御することができる。一定の空気圧及び駆動機構を用いると、各シリンダー４２０のストロークは、加工物１０６の輪郭に応じて設定することができ、その結果、ストリップカソード４０２の変形を制御できるようになる。以下で更に立証されるように、ストリップカソード４０２を整形する能力は、加工物１０６を仕上げ加工する有利な機能を提供する。駆動機構は、機械ラム４１２に組み込むことができる。シリンダー４２０は、駆動機構を介して、加工物輪郭に基づいてストロークを変えて、ストリップカソード４０２を弾性的に変形させ且つ加工物表面を囲むようにすることができる。
【００３６】
上述のように、複数のシリンダー４２０すなわち複数の支持コネクタ４２０によって作用される圧力を実質的に等しくすることが好ましい。すなわち、支持コネクタ４２０は、可変のストローク及び実質的に一定の圧力を有することができ、これによりシリンダー内の空気圧が一定に確保される。或いは、とりわけ液圧又は電磁機構を支持コネクタ４２０として用いてもよい。
【００３７】
各支持コネクタ４２０は、対応する支持コネクタ４２０の下端部をストリップカソード４０２に結合する回転カプラ４５０を含むことができる。回転カプラ４５０の実施例はジャーナル軸受である。図４ｂで分かるように、ジャーナル軸受４５０が転回し、垂直方向に延びる支持コネクタ４２０を弾性バッキングストリップ４４５と共に湾曲ストリップカソード４０２と結合する。
【００３８】
トリップカソード４０２が２Ｄで弾性的に変形すると横方向で短くなる。外側支持コネクタ４２０の上の滑りカプラ４３０により、シリンダー並進部４６０が、垂直方向に延びる支持コネクタ４２０を湾曲して横方向に短くなったストリップカソード４０２とリンクさせることができるようになる。滑りカプラ４３０に接続された支持コネクタ４２０は、
好ましくはある限度内で機械ラム４１２に対して横方向への滑動が許容されるので、非固定支持コネクタと呼ばれる。
【００３９】
他方、横方向位置が機械ラム４１２に対して固定される少なくとも１つの固定支持コネクタ４２０が存在することが好ましいとすることができる。図４ａ及び４ｂでは、機械４１２への固定接続部４４０によって横方向位置が固定された中央支持コネクタ４２０が図示されている。これは単に１つの実施例に過ぎず、限定ではない。非中央支持コネクタを含む支持コネクタ４２０の何れかを固定することができる。
【００４０】
回転カプラ４５０及び滑りカプラ４３０により、非固定支持コネクタは、機械ラム４１２から実質的に垂直方向に真っ直ぐに延び又は接触し、湾曲して横方向に短くなったストリップカソード４０２とリンクすることができるようになる。固定支持コネクタは、その固定接続部により装着ラム３１２から実質的に垂直方向に真っ直ぐに延び又は接触する。回転カプラ４５０により、固定及び非固定の支持コネクタ４２０の両方が、図４ｂで分かるように加工物表面輪郭に実質的に法線方向に適応できるようになる。
【００４１】
フレキシブルＥＣプロセス工程の間、ＦＥＣツール４００は加工物１０６に対してＺ方向（図４ａ及び４ｂにおいて紙面の内外方向）で移動すると仮定する。ＦＥＣツール４００は、Ｚ方向に沿って加工物１０６の表面をトレースすることができる。ＦＥＣツール４００がＺ方向で駆動されると、固定及び非固定両方の全ての支持コネクタ４２０は、変化するストロークを取り、駆動力に対する横方向剛直性並びにカソードのフレキシビリティに対する垂直自由度を提供することができる。明確にするために、電解質及び電源接続部は図示していない。
【００４２】
図５は、底面から見た、ストリップカソード４０２を含む例示的なフレキシブルカソード構造を示している。図５では、底面からの矢視であるので、ここではＹ方向は、図のように紙面の内外である点に留意されたい。好ましくは、ストリップカソード４０２は、平坦で、比較的長く薄肉である。相対寸法は必ずしも縮尺通りではない。構造体５００は、好ましくは、実際には、カソード４０２がストリップ、すなわち線カソードとみなすことができるように、その幅よりも遙かに長さが長い。カソード４０２は、ゴムストリップバッキングを備えたフレキシブルなシートメタルから形成することができる。
【００４３】
構造体５００はまた、電解質を供給するための複数の入口５１０と、電解質を流出させることができる複数の出口５２０とを含むことができる。複数の絶縁スペーサ５３０間のスペースは、本実施形態において出口５２０を定める。構造体５００はまた、１以上の絶縁スタンドオフ５３５を含む。スタンドオフ５３５及びスペーサ５３０は、入口５１０から出口５２０に電解質を誘導し、側部及び後部への電解質の漏洩及び放出を阻止する。好ましくは、絶縁スタンドオフ５３５及び絶縁スペーサ５３０は全て、所定の厚み（ページの内外に）があり、カソード４０２と加工物１０６との間に明確に定められた電極間ギャップを提供するようにする。
【００４４】
電解質流動が安定していない区域には、絶縁コーティング５４０が施工されるのが好ましい。不安定な電解質流動は、望ましくない表面粗面化を生じる可能性がある。これらの区域は通常、電解質入口５１０及び出口５２０を含む。従って、図５に示すように、絶縁コーティング５４０は、入口５１０及び出口５２０に対応する区域において施工され、電解質が比較的安定している構造体５００の中央は露出される。
【００４５】
図６は、本発明の別の実施形態に係るフレキシブル２Ｄ ＦＥＣツール６００を示している。ＦＥＣツール６００は、ストリップカソード構造体５００及び機械ラム６１２など、ＦＥＣツール４００として多くの同様の構成要素を含むことができる。ＦＥＣツール６００はまた、少なくとも１つの固定支持コネクタ（回転カプラ６３０に接続される）及び少なくとも１つの非固定コネクタ（固定コネクタ６４０に接続される）を備えた複数の支持コネクタ６２０を含むことができる。支持コネクタ６２０は、回転カプラ６５０、例えば、ジャーナル軸受を通ってその下端部にてカソード構造体５００に結合することができる。更に、支持コネクタ６２０は、そのストロークが変化し、更に、ストロークが変化している間に均一な圧力を加えることができる。
【００４６】
しかしながら、滑りカプラの代わりに、回転カプラ６３０が上端部にて非固定支持コネクタ６２０を結合することができる。参照を容易にするために、回転カプラ６５０及び６３０は、それぞれ、下側及び上側回転カプラと呼ばれる。上側回転カプラ６３０により、外側非固定支持コネクタが回転し、弾性変形したときに横方向に短くなったストリップカソード４０２を収容することが可能になる。非固定支持コネクタは、必ずしも、機械ラム６１２から垂直方向に真っ直ぐに延び、又は接触しなくてもよい。下側回転カプラ６５０により、固定及び非固定支持コネクタの両方が加工物表面輪郭に対して実質的に法線方向に適応することが可能になる。
【００４７】
動作の点では、ＦＥＣツール４００及び６００は両方とも、連続ＥＣ研磨プロセスなどの連続ＥＣプロセスを実施するのに優れたものである。加工物１０６の表面をトレースするのにＦＥＣツール４００、６００が移動している間、ＦＥＣツール４００、６００は加工物１０６の表面輪郭に連続的に適応し、ＥＣ研磨プロセスを実施する。
【００４８】
図７は、本発明の一実施形態に係る研磨、仕上げ加工、及び／又は整形などのフレキシブルＥＣプロセスを実施するシステムを示している。システム７００は、電解質が作業タンク７２０を充填し、蒸気タービンバケット及びＦＥＣツール７０４などの加工物１０６がＥＣプロセス中に浸漬されるようにする電解質システムに関する実施例として説明することができる。或いは、ＦＥＣツール７０４及び加工物１０６を浸漬することなく、電解質を流体導管を介してカソード入口に、及びＦＥＣツール７０４のカソード出口から外に供給することができる。ＦＥＣツール７０４は、機械ラム７１２に接続することができる。加工物１０６は、左右クランプ７３２、７３４により作業タンク７２０内で支持することができる。コントローラ７６０は、システムの動作を自動的に又はオペレータからの手動命令により制御することができる。コントローラ７６０は、コンピュータ、記憶装置、通信ユニット、及び多数の制御プログラムなど、ハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアの種々の組み合わせによって実施することができる。
【００４９】
明瞭にするために、電解質リザーバ、電解質ポンプ、電解質フィルタ、電源、コントローラ、駆動機構、パイプ、ホース、及び取付具などの構成要素は図示していない。また、コントローラ７６０と他の構成要素間の接続部は、情報を曖昧にするのを軽減するために図示していない。
【００５０】
図８は、本発明の１つの態様による、フレキシブルＥＣ研磨プロセスを実施する例示的な方法のフローチャートを示す。方法８００において、ステップ８１０では、コントローラ７６０は、加工物１０６の表面部分に係合するようＦＥＣツール７０４を位置決めすることができる。例えば、ＦＥＣツール７０４は、右クランプ７３４又は左クランプ７３２付近の加工物１０６の右端部又は左端部など、既知の開始位置に位置決めすることができる。ステップ８２０において、コントローラ７６０は、電源及び電解質流動を起動してＥＣ研磨プロセスを開始することができる。
【００５１】
ステップ８３０において、ＦＥＣツール７０４は、加工物１０６の末端側に達するまでコントローラ７６０の制御下で加工物１０６をトレースする。例えば、ＦＥＣツール７０４が最初に右クランプ７３４付近で加工物１０６を係合している場合、第１のトレースの動きは、ＦＥＣツール７０４が左クランプ７３２に到達するまで左クランプ７３２に向かってＦＥＣツール７０４を移動させる。ＦＥＣツール７０４が動いている間、コントローラ７６０によって電源及び電解質が維持され、すなわち、ＥＣ研磨プロセスが連続して実施される。また、ＦＥＣツール７０４が移動すると、該ツール７０４は、加工物１０６の表面輪郭に連続的に適応する。
【００５２】
末端側に到達すると、コントローラ７６０は、ステップ８４０においてＥＣ研磨プロセスが完了したか否かを判定することができる。ＥＣＭ研磨が終了したか否かを判定する基準は、特定の状況に依存することができる。一例として、加工物１０６の表面全体をトレースした時点で完了したとみなすことができる。別の状況では、表面全体のうちの一部だけのトレースで十分である場合もある。極めて滑らかな表面が望まれる場合、加工物１０６を２回以上トレースすることができる。
【００５３】
ステップ８４０において、ＥＣ研磨プロセスが完了していないと判定されると、ステップ８５０において、コントローラ７６０は、ＦＥＣツール７０４の再配置を行うことができる。例えば、コントローラ７６０は、右及び左クランプ７３４、４２３に指示して、「ｗ」方向に加工物１０６を回転させることができる。ＦＥＣツール７０４が再配置されると、ステップ８３０は、他端に到達するまで加工物１０６のトレースを繰り返すことができる。トレースステップの間、ＥＣ研磨プロセスは、連続して実施することができる。コントローラ７６０は、ステップ８４０において、ＥＣ研磨プロセスが完了したと判定されるときまで、ステップ８３０、８４０、及び８５０のループを継続することができる。次に、ステップ８６０において、コントローラ７６０は、ＦＥＣツール７０４を加工物１０６から係合解除させることができる。
【００５４】
ＦＥＣツール４００及び６００は極めて有用であるが、コーナー及び縁部のように、加工物輪郭が非常に厳しい状況がある。このような状況においては、フレキシブルＦＥＣツールの代替設計が望ましいとすることができる。図９ａ及び９ｂは、本発明の別の実施形態に係るフレキシブルＦＥＣツール９００を示している。ＦＥＣツール９００は、コーナーリングＦＥＣツール９００と呼ぶことができる。図９ａは、ＦＥＣツール９００の側面図を示し、図９ｂは、図９ａの位置Ａから見たＦＥＣツール９００を示している。
【００５５】
ＦＥＣツール９００の構造は、図５に示す構造体５００と同様とすることができる。ＦＥＣツール９００は、複数の入口９１０、複数の出口９２０、複数の絶縁スペーサ９３０及びスタンドオフ９３５、絶縁コーティング９４０、並びに、図９ｂで分かるようにストリップ又はシートカソードとすることができるカソード９０２を含むことができる。これらの構成要素は、図５に示す構造体５００の構成要素と同様の機能を果たすことができ、従って、これ以上説明しない。
【００５６】
しかしながら、図９ａで分かるように、ＦＥＣツール９００はエラストマー９５０を含み、ＦＥＣツール９００が加工物１０６のコーナーに適応できるように適応バッキングを提供する。図９ｂにおいて、エラストマー９５０は、中央よりもカソード９０２の縁部付近においてより多く裏込めされるようなものである点に留意されたい。これは、コーナー適応において電解質及び加工物圧力に対する緊密シールを提供することを可能にする。
【００５７】
一般に、加工物１０６のコーナーは、凹状面を形成する端点９６０から実質的に直線方向に延びる２つの側面９６２及び９６４として見なすことができ、コーナー角θは、側面９６２及び９６４により形成された角度とみなすことができる。コーナー角θは、図９ｂに示すように直角とすることができ、或いは、他の角度であってもよい。角度θは具体的には限定されない。多くの場合、コーナー角は、８０度と１００度の間の範囲が一般的である。
【００５８】
ＦＥＣツール９００の下層は、コーナー角θと必ずしも同じである必要はなく、鈍角まで予め撓ませることができる。好ましくは、予撓み角度αは、加工物のコーナー角θと少なくとも実質的に等しく、すなわち、α−θ≒０である。しかしながら、関係α−θ＞０が成り立つことが更に好ましく、すなわち、ＦＥＣツール９００の鈍角αは、加工物のコーナー角θよりも大きいことが好ましい。
【００５９】
作動時には、このコーナーリングＦＥＣツール９００は、最初に加工物コーナー部分内に押し込まれ、機械ラム９１２の力を受けて締まり嵌めすることができる。ＦＥＣツール９００が加工物コーナー内に押し込まれると、カソード９０２の縁部に沿った圧縮は、α−θ≒０、すなわちαとθが実質的に同じ角度であるときには、カソードの中央における圧縮よりも小さくなる可能性が高い。α−θ＞０であるときには、縁部に沿った圧縮が増大することになり、これによりカソード９０２の縁部と中央との間の圧縮差が最小となる。すなわち、差分α−θが増大すると、圧縮差はゼロになる傾向がある。α−θが引き続き増大すると、最終的には、縁部の圧縮が中央よりも大きくなる可能性がある。
【００６０】
従って、１つの態様において、コーナリングツール９００は、差分α−θは最小角度差よりも大きいか又は実質的に等しく、最大角度差よりも小さいか又は実質的に等しいようにされる。最小及び最大角度差は、ＦＥＣツールの縁部とコーナーとの間の圧力差が所定の許容可能な範囲内に留まる角度差の範囲にあると判定することができる。あるＥＣプロセスにおいて、それぞれ１０度と４５度である最大角度差及び最小角度差が適合する。
【００６１】
図１０ａ及び１０ｂは、本発明の別の実施形態に係るＦＥＣツール１０００を示している。ＦＥＣツール１０００は、エッジングＦＥＣツール１０００と呼ぶことができる。図１０ａは、ＦＥＣツール１０００の側面図を示す。図１０ｂは、線Ａ−Ａに沿って位置Ａから見たときのＦＥＣツール１０００の構造断面図を示す。一般に、加工物１０６の縁部は、凸面を形成する端点１０６０から実質的に直線方向に延びる２つの側面１０６２及び１０６４とみなすことができ、縁部角度は、側面１０６２及び１０６４により形成される角度φとみなすことができる。
【００６２】
エッジングＦＥＣツール１０００は、複数の入口１０１０、複数の出口１０２０、複数の絶縁スペーサ１０３０及びスタンドオフ１０３５、絶縁コーティング１０４０、並びに、図１０ｂで分かるようにストリップ又はシートカソードとすることができるカソード１００２を含むことができる。これらの構成要素は、図５及び９ｂの同様の構成要素に関して説明したのと同様の機能を果たすことができ、従って、これ以上説明しない。
【００６３】
コーナーリングＦＥＣツール９００と同様に、エッジングＦＥＣツール１０００は、エラストマー１０５０を含むことができ、加工物１０６の縁部に適応するように適応バッキングを提供する。縁部は、撓みが生じる中央よりもより多く裏込めすることができる。カソード１００２は予め撓められている。しかしながら、予撓み角度βは、関係β−φ≒０が成り立つように、加工物１０６の縁部角度φよりもより厳しいのが好ましい。関係β−φ＜０が成り立つことが更に好ましい。
【００６４】
作動時には、このエッジングＦＥＣツール１０００は、最初に、加工物縁部分内に押し込まれ、フレキシブルカソード１００２と部分縁部との間を締まり嵌めすることができる。ＦＥＣツール１０００が縁部を通って掃引されると、ＦＥＣツールの開口及び側部曲率は、縁部区域付近の部品表面と気密接触を維持するよう変化する。
【００６５】
カソード１００２の予撓み角度βにおいて、ＦＥＣツール１０００は、φ0からφ1の範囲、すなわち、φ0≦φ≦φ1である角度φの縁部上で用いることができ、縁部角度範囲φ1からφ0内で、カソード１００２の何れかの部品間の圧縮差は、所定の許容限度内にあるようにする。例えば、範囲φ1からφ0は、好ましくは１０度以下である。すなわち、公称的に特定の角度φに対して設計されるエッジングツール１０００は、角度が２，３度の公称角度内にあるエッジング表面に用いることができる。範囲φ1からφ0は、２度以下であることが更に好ましい。
【００６６】
ゼロツール角には超鋭角を提供できる点に留意されたい。ゼロ角のエッジングツール１０００では、側面１０６２及び１０６４により形成される端点１０６からのツール１０００の予撓み角βは、ツール１０００が加工物１０６と係合していないときに、少なくとも１つの部品についてゼロにすることができる。エラストマー１０５０により提供される裏込めは、必要とされる予撓み角及び嵌め込みを提供するよう適宜に変形する。エッジングＦＥＣツール１０００は、加工物１０６がＦＥＣツール１０００に対して駆動されるときに連続的又は断続的研磨に用いることができる。
【００６７】
ここまでは、２Ｄ ＦＥＣツールの実施例を例証し説明してきた。図１１ａ及び１１ｂは、本発明の一実施形態に係るフレキシブル３次元（３Ｄ）ＦＥＣツールを示している。ＦＥＣツール１１００は、シートメタル１１０２、機械ラム１１１２、及び複数の支持コネクタ１１２０を含むことができる。機械ラム１１１２は、上端部にて支持コネクタ１１２０と接続することができる。支持コネクタ１１２０の下端部は、シートカソード１１０２の上面に沿って種々の部品にてシートカソード１１０２と接続することができる。
【００６８】
シートカソード１１０２は、３Ｄで弾性的に変形可能であるのが好ましい。図１１ａ及び１１ｂでは、シートカソード１１０２は、ＸＺ平面において弾性バッキング１１４５を含む層状構造の一部とすることができる。加工物１０６（図示せず）の表面部分が、様々なＸＺ点に沿って層状カソード１１０２を圧縮すると、シートカソード１１０２は、Ｙ方向で弾性的に変形し、凹面状又は凸面状の何れかで加工物１０６の表面輪郭に共形にすることができる。シートカソード１１０２は、３Ｄ加工物１０６の表面輪郭に連続的に共形にするように変形され、加工物１０６の表面がシートカソード１１０２に関連して移動するときにトレースされるようにすることができる。このようにして、加工物１０６は連続的に研磨することができる。
【００６９】
支持コネクタ１１２０は、シートカソード１１０２が３Ｄで弾性的に変形したときに、コネクタのストロークを変えることができる。但し、ストロークに関係なく、支持コネクタ１１２０は、均一な圧力を加え、従って、シートカソード１１０２が加工物の湾曲面に適応することができるような垂直方向のフレキシビリティを提供するのが好ましい。一実施形態において、支持コネクタ１１２０は、図４ａに示すシリンダー４２０と類似の空気シリンダーを含む。すなわち、図１１ａ及び１１ｂに示していないが、各シリンダー１１２０は、垂直滑り軸受１１２７と、弾性的支持を提供するバネ１１２８とを含むことができ、更にシリンダー１１２０のストロークを変えるよう移動することができるピストン１１２９を含むことができる。ピストン移動量、及びその結果、ストローク量は、圧縮時の加工物輪郭の表面硬度による。
【００７０】
駆動機構は、機械ラム１１１２に組み込むことができる。更に、複数の支持コネクタ１１２０により加わる圧力は、ストロークの長さに関係なく実質的に等しいことが好ましい。
【００７１】
少なくとも１つの支持コネクタ１１２０は、その上端部において、ボールジョイントのような２つの直交方向で回転可能な上側カプラ１１３０により機械ラム１１１２に結合することができる。その下端部において、各指示コネクタ１１２０は、シートカソード１１０２を支持コネクタ１１２０と接続する下側カプラ１１５０を有することができる。
【００７２】
一実施形態において、下側カプラ１５０は、パッドに接続され、２つの直交方向に回転可能な機構を含むことができ（例えば、ボールジョイント）、パッドは、シートカソード１１０２に取り付けることができる。このような回転可能な下側カプラ１１５０により、支持コネクタ１１２０が加工物表面輪郭に対して実質的に法線方向に適応することが可能になる。
【００７３】
別の実施形態において、下側カプラ１５０は、パッドを含むことができるが、回転機構は含まない。シートカソード１１０２が層状構造体とすることができることは、上記で説明されている。構造体は、好ましくは、シートメタル１１０２上に弾性バッキング１１４５（例えば、エラストマー裏込め又はゴムバッキング）を含み、パッドは、弾性バッキング１１４５に取り付けられる。従って、下側カプラ１５０が回転機構を含まない場合でも、支持コネクタ１１２０とシートカソード１１０２との接続は、必ずしも剛直である必要はなく、加工物輪郭に垂直なある程度の適応を生じさせることができる。
【００７４】
回転機構を含まない実施形態においても、シートカソード１１０２は依然として弾性バッキング１１４５を含むのが好ましい点に留意されたい。
【００７５】
フレキシブルＥＣの作動時には、ＦＥＣツール１１００は、下にある加工物１０６と上にある機械ラム１１１２との間で圧縮することができる。同じ圧力の支持コネクタ１１２０は、加工物１０６の表面部分に応じた異なるストロークをとることができる。下側カプラ１１５０は、ＦＥＣツール１１０２を支持コネクタ１１２０と接続することができ、上側カプラ１１３０は、支持コネクタ１１２０と機械ラム１１１２との間で適切な接触角を維持可能にすることができる。ＦＥＣツール１１００が表面部分をトレースすると、支持コネクタ１１２０は、異なるストロークをとり、駆動力に対する横方向剛直性を提供することができる。電解質及び電力接続部は、明確にするために省略されている。空気シリンダーを備えた中央支持コネクタは、上部にボールジョイントを有する必要はない点に留意されたい。この中央支持コネクタは、主要横方向剛直性を提供する。しかしながら、これは以下で図示するように厳密な要件ではない。
【００７６】
上側カプラ１１３０は、２つの直交方向で所定の限定的な回転角度範囲を有するのが好ましい。この場合、各支持コネクタ１１２０は、全て非固定支持コネクタ１１２４であるように対応する上側カプラ１１３０を有することができる。しかしながら、少なくとも１つの支持コネクタ１１２０は、その上端部にて固定接続部１１４０を含み、支持コネクタ１１２０が機械ラム１１１２に対してＸＺ位置で固定されるようにすることも可能である。図１１ａにおいて、固定支持コネクタ１１２０は、中央支持コネクタとすることができる。但し、これは単なる実施例に過ぎず、限定ではない。支持コネクタ１１２０のどれもが固定にすることができる。
【００７７】
図４ａから１１ｂに示されるフレキシブルＦＥＣツールの実施形態は、フレキシブルＥＣ研磨プロセスにおいて加工物１０６をトレースする優れた選択肢である。換言すると、図８に示すフレキシブルＥＣ研磨法で使用されるＦＥＣツール７０４は、ＦＥＣツール４００、６００、及び１１００の何れかとすることができる。コーナー及び縁部などの浸食性の表面をＥＣ研磨する必要があるときには、加工物９００及び１０００を用いることができる。
【００７８】
しかしながら、ＦＥＣツールの実施形態の全てではないにしてもほとんどが、フレキシブルＥＣ仕上げ加工用にも用いることができる。本明細書において、仕上げ加工は、加工物の表面誤差が修正されるプロセスを指す。この関連において、表面誤差は、当該表面部分に許容される所定の許容差範囲を超える、加工物の表面部分の輪郭の偏差、例えば、表面高度の偏差として定義される。
【００７９】
仕上げ加工は、正確なニアネットシェイプ形成を実施する方法を提供している。鋳造又は鍛造のような形成プロセスを用いると、表面仕上げ加工を必要とすることなく最終加工物形状を提供する。最終機械加工の必要性を軽減又は排除するとプロセスが簡素化され、コストが低減されるので、このために正確な形成によってニアネットシェイプを達成することは数十年にわたって求められてきた。
【００８０】
インベストメント鋳造及びネット鍛造などのプロセスは、０．００１インチ又は１ミルほどの厳しい許容誤差に適合するための正確な形成を提供することができる。しかしながら、これは、多大なコストで達成され、限定的な部品サイズにしか実施できない。形成プロセスが表面精密度を維持しながらバルク材料を処理することは、基本的に困難なことある。一般に、バルク材料が変位すると、表面精度を維持するのが困難になる。また、形成コストは、部品許容誤差が厳しくなり、部品サイズが大きくなるほど指数関数的に大きくなる。厳しい許容誤差を得るために最終機械加工が依然として必要とされる場合、ネットシェイプの当初の目的は得られないか又は縮小される。除去されるストックが減少するにも関わらず、３Ｄ表面の輪郭を形成するために、正確且つ高価な５軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械加工が依然として必要とされる場合がある。
【００８１】
加えて、形成プロセスからの表面品質は通常、ほとんどの部品仕様に適合することができない。表面部分が直接固化又は鍛造された後は、通常は表面粗度が高い。ほとんどの場合、表面冷却速度が緩慢であることに起因して、あらゆる鋳造又は鍛造上に粗い表面粒の層が存在する。仕上げ加工無しの場合、表面酸化が問題となることが多い。
【００８２】
厳しい形成精度のコスト圧力を軽減し、同時にバルク材料及び表面を経済的に処理可能にするために、ニアネットシェイプ後の表面仕上げ加工を効率的に実施する必要がある。このようにして、ニアネット形成により粗加工の必要性が排除されるので、大型のストック除去の従来の機械加工は、表面材料のみを処理するよう簡素化され、大幅に改善することができる。粗く迅速な処理は通常、材料及びエネルギーを節減するよう形成することにより良好に実施することができる。
【００８３】
本発明の１つの態様において、ニアネット形成後に加工物をフレキシブルＥＣ仕上げ加工するのに用いることができるフレキシブルＦＥＣツールが設けられる。例えば、タービンのノズル又はバケットなどの加工物１０６は、最初に、インベストメント鋳造によってニアネット形成することができる。上述のＦＥＣツール４００、６００、９００、１０００、及び１１００と極めて類似したフレキシブルＦＥＣツールは、ＣＮＣ動作無しでニアネット形成された翼形部表面に適応することができる。フレキシブルカソードが加工物表面を通ってトレースすると、ＦＥＣプロセスが表面を研磨することができ、また、残留誤差を修正することができ、すなわち表面を仕上げ処理することができる。
【００８４】
フレキシブルＥＣ仕上げ加工を可能にするために、ＦＥＣツールは、好ましくは、加工物の表面高度を検出できるセンサを含む。コントローラは、検出した高度を記憶されている部品幾何形状と比較することができる。必要な補正に応じて、コントローラは、電圧、トレース速度、電解質流動、及びパルス電力が印加される場合にはパルスパラメータなど、材料除去に影響を及ぼす要因のあらゆる組み合わせを制御することができる。
【００８５】
フレキシブルＥＣ仕上げ加工の数多くの利点がある。例えば、フレキシブルＥＣ仕上げ加工は、強力な機械スピンドルを提供する必要性を排除することができる。また、硬質で耐久性のあるインコネルに対してもツール損耗が皆無か又はそれに近い。高い構造的精度を提供しながら、機械的負荷を小さくすることができる。更に、比較的少ないフレキシブルＦＥＣツールを用いて、迅速な研磨及び仕上げ加工を達成することができる。
【００８６】
図１２ａ及び１２ｂは、本発明の別の実施形態に係るフレキシブル３Ｄ ＦＥＣツール１２００を示している。ＦＥＣツール１２００は、ＦＥＣツール１１００のようなフレキシブルＥＣ研磨に用いることができる。但し、これに加えて、ＦＥＣツール１２００はまた、フレキシブルＥＣ仕上げ加工にも用いることができる。図１２ａは、ＦＥＣツール１２００の側面図であり、図１２ｂは、ＦＥＣツール１２００の底面図である。
【００８７】
ＦＥＣツール１２００は、シートカソード１２０２、スペーサ１２３０、弾性バッキング１２５０、及び電解質入口チャンネル１２１０を含むことができる。機械ラム１２１２は、加工物を所望の方法で係合するようＦＥＣツール１２００を位置決めすることができる。好ましくは、カソード１２０２は、銅及びスレンレス鋼のような、比較的薄肉でフレキシブルな導電性材料である。弾性バッキング１２５０は、カソード１２０２を変形させ、すなわち加工物の表面輪郭に共形にすることを可能にする弾性バッキングを提供することができる。弾性変形は、カソード１２０２の外面が加工物１０６の表面から所望の距離にあり、効率的なＥＣＭプロセスを実施できるようにすることができる。このようにして、ＦＥＣツール１２００は、多数のカソードダイを必要とすることなく、ほぼ３Ｄ表面を連続的に研磨することができる。
【００８８】
図１２ｂは、ＦＥＣツール１２００のカソード構造を示している。複数の絶縁スペーサ１２３０間のスペーサは、入口チャンネル１２１０から流入する電解質が流出することができる複数の出口１２２０を定める。スペーサ１２３０は、電解質を入口１２１０から出口１２２０に誘導する。スペーサ１２３０は、カソード１２０２と加工物との間に電極間ギャップを形成する。この特定の実施形態において、中央に近接したスペーサ１２３０は、縁部又は周辺に近接したスペーサ１２３０よりも厚肉に形成され、中央からのより良好な電解質流動を可能にする。絶縁コーティング１２４０は、スペーサ１２３０に対応する区域内に形成することができ、ここでは電解質流動が安定的である可能性が低い。
【００８９】
ＦＥＣツール１２００は、図７及び８に示すＥＣＭ研磨工程で使用することができる。すなわち、ＦＥＣツール１２００は、加工物１０６の様々な部分に適用することができ、ツール構造は、下にある加工物表面部分と上にある機械ラムとの間で圧縮することができる。弾性バッキング１２５０は、加工物の表面に共形の電解槽をシールするのに必要な弾性圧縮を提供することができる。加工物１０６及びツールカソード１２００が相対移動すると、シートカソード１２０２は、シートカソード１２０２と係合する表面部分の輪郭に共形にすることができ、ＥＣＭ研磨は、加工物表面とシートカソード１２０２との間のギャップ間を導通させて電解質を流すことにより実施することができる。
【００９０】
但し、これに加えて、ＦＥＣツール１２００はまた、トレース中、すなわち連続移動中に加工物１０６の表面高度を検知するセンサを含むことができる。図１２ａ及び１２ｂにおいて、センサ１２６０は、スタイラス１２６２、線形スケール１２６４、及びバネ１２６６の組み合わせとして実施される。但し、この組み合わせは、センサ１２６０を実施する多くの方法のうちの１つに過ぎない。センサの他の実施は、ＬＶＤＴ、すなわち線形可変差動変圧器と、容量センサとを含む。
【００９１】
スタイラス１２６２は、図示のようにＦＥＣツール１２００の実質的に中央に配置することができるが、これは限定ではない。スタイラス１２６２は、他の場所に置いてもよい。例えば、スタイラス１２６２は、トレース方向においてカソード１２０２の「正面」に置くことができる。更に、センサの数は１つに限定されず、すなわち、複数のセンサを設けることができる。例えば、２つのスタイラス１２６２をトレース方向においてカソード１２０２の各側部に１つずつ設けることができる。
【００９２】
センサは、図１３ａ及び１３ｂに示すようにフレキシブルＥＣ仕上げ加工で使用するためＦＥＣツール４００、６００、及び／又は１１００に加えることができる点に留意されたい。図１３ａにおいて、カソード構造体５００が再現され、図１３ｂでは、ＦＥＣツール１１００の底面図が再現されている。これらの図において、二重方形として描かれたセンサ１３６０は、各カソード構造の周りに分布される。入口、スペーサ、カプラ、及び出口などの他の構成要素は、明確にするために参照符号を付与していない。センサ１３６０がより多くあるのが望ましいが、実際に配備できるセンサの数を考慮に入れることができる、コストなどの幾つかの実際上の考慮事項が存在する場合がある。図１３ａ及び１３ｂに示すタイプの修正形態では、ＦＥＣツール４００、６００及び１１００はまた、フレキシブルＥＣ仕上げ加工の加工物において用いることができると言えば十分である。
【００９３】
図１４は、本発明の１つの態様による、フレキシブルＥＣ仕上げ加工.を実施する方法のフローチャートを示している。フレキシブルＥＣ仕上げ加工.を実施する方法１４００は、図８に示すフレキシブルＥＣ研磨方法８００と共通したステップ中の多くを共用している点に留意されたい。フレキシブルＥＣ研磨プロセスと同様に、フレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスは、加工物表面の輪郭に適応することができる。但し、既存の表面輪郭に単に共形であるのではなく、加工物が所望の最終形状に輪郭形成されるように、カソードのツールの弾性変形を能動的に制御することができる。図１４では、蒸気タービンのバケットのような加工物１０６は、最初に、インベストメント鋳造又は鍛造などの別のプロセス、或いは固定形状ＦＥＣツールを用いた従来のＥＣＭによって、ニアネットシェイプされていると仮定する。図７に示すシステム７００は、例示的なフレキシブルＥＣ仕上げ加工法１４００を説明するのに併せて用いられ、ここでＦＥＣツール７０４は、センサを備えた
ＦＥＣツール４００、６００、１１００、及び１２００の何れかとすることができる。
【００９４】
方法１４００では、ステップ１４１０においてコントローラ７６０は、加工物１０６の表面部分と係合するようＦＥＣツール７０４を位置決めすることができる。ステップ１４２０において、コントローラ７６０は、電源及び電解質流動を起動して、ＥＣＭプロセスを始動することができる。
【００９５】
ステップ１４３０において、コントローラ７６０は、加工物１０６の末端側に到達するまでＦＥＣツール７０４に加工物１０６をトレースさせることができる。トレース中、加工物１０６は、フレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスを受ける。図１５はステップ１４３０を実施して、本発明の１つの態様による、加工物のトレース中にフレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスを実行する例示的なプロセスのフローチャートを示している。図１５に示すプロセスは、ＦＥＣツール７０４が加工物１０６の一方端から他方端に移動したときに、ＦＥＣツール７０４として連続的に実施することができる。
【００９６】
ステップ１５１０において、センサ１２６０、１３６０のようなセンサによって表面部分の高度を検出することができる。センサ１２６０、１３６０は、検出結果をコントローラ７６０に提供することができる。ステップ１５２０において、コントローラ７６０は、検出した表面高度を当該特定の加工物１０６の表面部分についての記憶されたモデルと比較することができる。ステップ１５３０において、コントローラ７６０は、検出高度と記憶されたモデル高度との間の差異が許容限度内にあるか否かを判定することができる。
【００９７】
加工物の許容誤差は、極めて一般的から極めて特異的な範囲にわたることができる点に留意されたい。ある事例では、同じ許容限度は、加工物の表面全体又は幾つかの加工物にわたって適用することができる。別の事例では、ある加工物内の様々な表面部分は、特定の表面部分にのみ適用される許容限度を有することができる。実際に、異なる許容限度は、異なる状況下で同じ加工物に適用することができる。例えば、加工物製造業者は、同じ加工物について異なるレベルの保証を提示することができる。最高の価格に値する最高の保証レベルにおいて、加工物の仕上げ加工において極めて厳しい許容誤差を適用することができる。他の保証レベルでは、記憶されているモデルから適宜より大きな偏差を許容
することができる。
【００９８】
差違が許容限度内である場合、プロセスは、１５５０に進み、このトレースが完了したか否かを判定することができ、例えば、コントローラ７６０は、加工物１０６の末端側に到達したか否かを判定することができる。トレースが完了していない場合、プロセスは、ステップ１５１０を繰り返すことができる。
【００９９】
しかしながら、ステップ１５３において、検出された高度が許容限度の外にあると判定された場合、コントローラ７６０は、ステップ１５４において、修正措置又は措置の組み合わせを取ることができる。修正措置の非網羅的なリストには以下のものを含む。第１に、カソード１２０２の形状を変更することができる。上述のように、ＦＥＣツール４００、６００及び１１００は、支持コネクタ４２０、６２０及び１１２０のストロークを変えるよう制御可能な駆動機構を含むことができる。必要とされる修正に応じて、コントローラ７６０は、カソードの異なる部分下で行われるＥＣ処理の量が変化するように支持コネクタのストロークを変更することができる。例えば、比較的により多くの又はより少ない材料除去を必要とする表面部分では、支持コネクタ４２０、６２０、１１２０のストロークは、電極間ギャップを減少又は増大させるよう制御することができる。加工物が既にニアネットシェイプされているので、フレキシブルカソードの大幅な能動的整形が必要となる可能性は低い。
【０１００】
第２に、トレース移動を変更することができる。例えば、コントローラ７６０は、ＦＥＣツール７０４を必要に応じてより緩慢に、又は更に迅速に移動させることができる。移動速度は、表面部分高度を許容限度内にするのに必要な材料除去量に対応することができる。一般に、より緩慢な速度により、表面部分に対しより多くのＥＣ処理を実施することが可能となる。実際には、これは、元のトレース検出に処理が戻る前にトレース方向を短い距離だけ反転させることであってもよい。
【０１０１】
第３に、必要に応じて電流を増減させることができる。表面部分が比較的より多くの又はより少ないＥＣ処理を必要としている場合、ＦＥＣツール７０４が表面部分を通り越すときに、コントローラ７６０により、電源が電流フローを増大又は減少させることができる。コントローラ７６０はまた、必要に応じて電解質流動を増大又は減少させるよう電解質ポンプを制御することができる。
【０１０２】
勿論、コントローラ７６０は、上述の修正措置の何れかを組み合わせて、ＥＣＭ仕上げ加工を達成することができる。ステップ１５４０において修正措置が行われた後、コントローラ７６０はステップ１５５０に進むことができる。
【０１０３】
ステップ１５５０において、特定のトレースが完了したことが判定された場合、プロセス１４３０が起動され、本方法は、図１４のステップ１１４から再開される。このステップにおいて、コントローラ７６０は、全体のフレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスが完了したか否かを判定することができる。図８のフレキシブルＥＣ研磨方法に関して上述したように、フレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスが完了したか否かを判定する基準は、特定の状況に応じて決まる。
【０１０４】
ステップ１４４において、コントローラ７６０が、フレキシブルＥＣ仕上げ加工が完了していないと判定すると、ステップ１４５において、コントローラ７６０は、例えば、クランプ７３２、７３４が加工物１０６を回転させることによって、ＦＥＣツール７０４を再度位置決めすることができる。ＦＥＣツール７０４が再度位置決めされた後、コントローラ７６０は、ステップ１４３０に進み、ＦＥＣツール７０４が他の方向に移動したときにフレキシブルＥＣ仕上げ加工を繰り返すことができる。コントローラ７６０は、ステップ１４４において、フレキシブルＥＣ仕上げ加工が完了したと判定されるまで、ステップ１４３０、１４４０、及び１４５０のループを繰り返すことができる。ステップ１４６において、ＦＥＣツール７０４を加工物１０６から係合解除することができる。
【０１０５】
フレキシブルＥＣ研磨及び仕上げ加工プロセスに加えて、フレキシブルトレースを用いて、加工物を更に最終整形することができる。発電などの産業においては、効率の更なる漸次的向上により有意なコスト節減を示すことができると説明してきた。また、従来のＥＣＭでは、ツール再編成は高価なプロセスであると説明してきた。ツール再編成、すなわち新規のＦＥＣツールを製作することはまた、大幅な時間を要する可能性がある。
【０１０６】
上述のフレキシブルＥＣプロセスを用いると、このようなコスト及び時間を軽減することができる。例えば、有効な効率改善をもたらすために、既存の加工物の設計の比較的小さな変更が示される状況が存在する場合がある。このような状況において、加工物は、最初に、既存のモールド、ダイ、又はＦＥＣツールを用いて構築することができる。最初に構築される加工物は、新設計のフレキシブルＥＣ整形プロセスを受けることができる。実際には、新旧設計間の変更は、フレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスを通じて修正されるべき誤差として処理される場合がある。このようなプロセスを用いて、新規の設計加工物の製作を開始することができると共に、新設計に固有のモールド、ダイ、及びＦＥＣツールが出現することができる。これは、「早期市場参入」への製造者の機会を高めることができる。
【０１０７】
また、このようなプロセスを用いて、新規設計を比較的迅速に試験することができる。例えば、コンピュータモデルは、微調整設計が期待できることを示すことができるが、現実の試験には検証が必要とされる。試験のために再編成の時間及び費用が生じる代わりに、フレキシブルＥＣ仕上げ加工プロセスを用いて、試験加工物を作製することができる。
【０１０８】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【０１０９】
１０６ 加工物
３００，４００，６００，７０４，９００，１０００，１１００，１２００ 電気化学的ツール
３０２，４０２，９０２，１００２，１１０２，１２０２ カソード
３０４ スペーサパッド
３０８ 導電ストリップ
３１０ 電解質チャンネル
３１２，４１２，６１２，７１２，９１２，１０１２，１１１２，１２１２ 機械ラム
４２０，６２０，１１２０ 支持コネクタ
４２７，１１２７ 滑り軸受
４２８，１１２８ バネ
４２９，１１２９ ピストン
４３０ 滑りカプラ
４４５，１１４５，１２５０ エアラストマーバッキング
４５０，６５０ 下側回転カプラ
５００ フレキシブルカソード
５１０，９１０，１０１０，１２１０ 入口
５２０，９２０，１０２０，１２２０ 出口
５３０，９３０，１０３０，１２３０ 絶縁スペーサ
５３５，９３５，１０３５，１２３５ 絶縁スタンドオフ
５４０，９４０，１２４０ 絶縁コーティング
６３０ 上側回転カプラ
９５０，１０５０，１１５０ エラストマー
９６０ 端点
９６２，９６４，１０６２，１０６４ 側面
１０６０ 端点
１１３０ 上側カプラ
１１４０ 固定接続部
１２６０，１３６０ センサ
１２６２ スタイラスセンサ
１２６４ スケールセンサ
１２６６ バネセンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物（１０６）にフレキシブル電気化学プロセスを実施するのに用いるフレキシブル電気化学ツール（４００、６００）であって、
２次元（２Ｄ）で弾性的に変形可能なストリップカソード（４０２）と、
機械ラム（４１２、６１２）と、
ストリップカソード（４０２）の長さに沿って、上端部にて機械ラム（４１２、６１２）と接続され、下端部にてストリップカソード（４０２）と接続された複数の支持コネクタ（４２０、６２０）と、
を備え、
前記複数の支持コネクタ（４２０、６２０）が、前記機械ラム（４１２、６１２）に対して横方向位置が固定される少なくとも１つの固定支持コネクタ（４２０、６２０）を含み、
該各支持コネクタ（４２０、６２０）は、前記ストリップカソード（４０２）が弾性的に変形したときにストロークが変わるように構成され、
前記各支持コネクタ（４２０、６２０）は、前記支持コネクタ（４２０、６２０）の下端部を結合するよう構成され、且つ前記ストリップカソード（４０２）が弾性的に変形したときに転回するよう構成された回転カプラ（４５０、６５０）を含む、フレキシブル電気化学ツール（４００、６００）。
【請求項２】
前記複数の支持コネクタ（４２０）はまた、滑りカプラ（４３０）を介して上端部にて前記機械ラム（４１２）に滑動可能に結合された少なくとも１つの非固定支持コネクタ（４２０）を含み、前記ストリップカソード（４０２）が弾性的に変形したときに前記非固定支持コネクタ（４２０）が前記機械ラム（４１２）に対して横方向に移動することが可能となり、前記非固定支持コネクタ（４２０、６２０）が前記機械ラム（４１２）から実質的に垂直方向に延びるか又は接触するようになる、請求項１記載のフレキシブル電気化学ツール（４００）。
【請求項３】
前記回転カプラ（６５０）が下側回転カプラ（６５０）であり、前記複数の支持コネクタ（６２０）はまた、上側回転カプラ（６３０）を介して上端部にて前記機械ラム（６１２）に回転可能に結合された少なくとも１つの非固定支持コネクタ（６２０）を含み、前記ストリップカソード（４０２）が弾性的に変形したときに前記非固定支持コネクタ（６２０）が回転可能になる、請求項１記載のフレキシブル電気化学ツール（６００）。
【請求項４】
前記ストリップカソード（４０２）が弾性的に変形して、前記加工物（１０６）の２Ｄ表面輪郭に連続的に共形になり、前記加工物（１０６）が前記ストリップカソード（４０２）に関連して移動したときに前記加工物（１０６）の表面がトレースされ、前記各支持コネクタ（４２０、６２０）は、前記ストリップカソード（４０２）の弾性変形に連続的に適応するようストロークを変えると共に、該ストロークの変化に関係なく実質的に一定の圧力を加えるように構成される、請求項１記載のフレキシブル電気化学ツール（４００、６００）。
【請求項５】
前記各支持コネクタ（４２０、６２０）は、制御信号に基づいてストロークを能動的に変化させ、前記ストリップカソード（４０２）を弾性的に変形させるように構成される、請求項１記載のフレキシブル電気化学ツール（４００、６００）。
【請求項６】
加工物（１０６）にフレキシブル電気化学プロセスを実施するためのフレキシブル電気化学ツール（１１００）であって、
３次元（３Ｄ）で弾性的に変形するよう構成されるシートカソード（１１０２）と、
機械ラム（１１１２）と、
前記シートカソード（１１０２）の上面に沿って、上端部にて前記機械ラム（１１１２）と接続され、下端部にて前記シートカソード（１１０２）と接続された複数の支持コネクタ（１１２０）と、
を備え、前記各支持コネクタ（１１２０）は、前記シートカソード（１１０２）が弾性的に変形したときにストロークが変わるように構成され、
前記各支持コネクタ（１１２０）は、前記シートカソード（１１０２）が弾性的に変形したときに前記各支持コネクタ（１１２０）の下端部を前記シートカソード（１１０２）に結合するよう構成された下側コネクタ（１１５０）を含む、フレキシブル電気化学ツール（１１００）。
【請求項７】
前記複数の支持コネクタ（１１２０）は、全て非固定支持コネクタであり、該非固定支持コネクタは各々、前記非固定支持コネクタ（１１２０）を前記機械ラム（１１１２）と結合するよう上端部にて上側カプラ（１１３０）を含み、該上側カプラ（１１３０）は所定の角度範囲内で直交方向に回転可能である、請求項６記載のフレキシブル電気化学ツール（１１００）。
【請求項８】
前記複数の支持コネクタ（１１２０）は、前記機械ラム（１１１２）に対してその上端部の固定接続部を介して横方向位置が固定される少なくとも１つの固定支持コネクタ（１１２０）を含み、前記各非固定支持コネクタ（１１２０）が、前記非固定支持コネクタ（４２０、６２０、１１２０）を前記機械ラム（１１１２）に結合するため上端部にて上側カプラ（１１３０）を含み、該上側カプラ（１１３０）は所定の角度範囲内で直交方向に回転可能である、請求項６記載のフレキシブル電気化学ツール（１１００）。
【請求項９】
前記シートカソード（１１０２）が弾性的に変形して、前記加工物（１０６）の３Ｄ表面輪郭に連続的に共形になり、前記加工物（１０６）が前記シートカソード（１１０２）に関連して移動したときに前記加工物（１０６）の表面がトレースされ、前記各支持コネクタ（１１０２）は、前記シートカソード（１１０２）の弾性変形に連続的に適応するようストロークを変えると共に、該ストロークの変化に関係なく実質的に一定の圧力を加えるように構成される、請求項６記載のフレキシブル電気化学ツール（１１００）。
【請求項１０】
前記加工物（１０６）の表面高度を検出するよう構成された少なくとも１つのセンサ（１３６０）を更に備える、請求項６記載のフレキシブル電気化学ツール（１１００）。
【請求項１】
加工物（１０６）にフレキシブル電気化学プロセスを実施するのに用いるフレキシブル電気化学ツール（４００、６００）であって、
２次元（２Ｄ）で弾性的に変形可能なストリップカソード（４０２）と、
機械ラム（４１２、６１２）と、
ストリップカソード（４０２）の長さに沿って、上端部にて機械ラム（４１２、６１２）と接続され、下端部にてストリップカソード（４０２）と接続された複数の支持コネクタ（４２０、６２０）と、
を備え、
前記複数の支持コネクタ（４２０、６２０）が、前記機械ラム（４１２、６１２）に対して横方向位置が固定される少なくとも１つの固定支持コネクタ（４２０、６２０）を含み、
該各支持コネクタ（４２０、６２０）は、前記ストリップカソード（４０２）が弾性的に変形したときにストロークが変わるように構成され、
前記各支持コネクタ（４２０、６２０）は、前記支持コネクタ（４２０、６２０）の下端部を結合するよう構成され、且つ前記ストリップカソード（４０２）が弾性的に変形したときに転回するよう構成された回転カプラ（４５０、６５０）を含む、フレキシブル電気化学ツール（４００、６００）。
【請求項２】
前記複数の支持コネクタ（４２０）はまた、滑りカプラ（４３０）を介して上端部にて前記機械ラム（４１２）に滑動可能に結合された少なくとも１つの非固定支持コネクタ（４２０）を含み、前記ストリップカソード（４０２）が弾性的に変形したときに前記非固定支持コネクタ（４２０）が前記機械ラム（４１２）に対して横方向に移動することが可能となり、前記非固定支持コネクタ（４２０、６２０）が前記機械ラム（４１２）から実質的に垂直方向に延びるか又は接触するようになる、請求項１記載のフレキシブル電気化学ツール（４００）。
【請求項３】
前記回転カプラ（６５０）が下側回転カプラ（６５０）であり、前記複数の支持コネクタ（６２０）はまた、上側回転カプラ（６３０）を介して上端部にて前記機械ラム（６１２）に回転可能に結合された少なくとも１つの非固定支持コネクタ（６２０）を含み、前記ストリップカソード（４０２）が弾性的に変形したときに前記非固定支持コネクタ（６２０）が回転可能になる、請求項１記載のフレキシブル電気化学ツール（６００）。
【請求項４】
前記ストリップカソード（４０２）が弾性的に変形して、前記加工物（１０６）の２Ｄ表面輪郭に連続的に共形になり、前記加工物（１０６）が前記ストリップカソード（４０２）に関連して移動したときに前記加工物（１０６）の表面がトレースされ、前記各支持コネクタ（４２０、６２０）は、前記ストリップカソード（４０２）の弾性変形に連続的に適応するようストロークを変えると共に、該ストロークの変化に関係なく実質的に一定の圧力を加えるように構成される、請求項１記載のフレキシブル電気化学ツール（４００、６００）。
【請求項５】
前記各支持コネクタ（４２０、６２０）は、制御信号に基づいてストロークを能動的に変化させ、前記ストリップカソード（４０２）を弾性的に変形させるように構成される、請求項１記載のフレキシブル電気化学ツール（４００、６００）。
【請求項６】
加工物（１０６）にフレキシブル電気化学プロセスを実施するためのフレキシブル電気化学ツール（１１００）であって、
３次元（３Ｄ）で弾性的に変形するよう構成されるシートカソード（１１０２）と、
機械ラム（１１１２）と、
前記シートカソード（１１０２）の上面に沿って、上端部にて前記機械ラム（１１１２）と接続され、下端部にて前記シートカソード（１１０２）と接続された複数の支持コネクタ（１１２０）と、
を備え、前記各支持コネクタ（１１２０）は、前記シートカソード（１１０２）が弾性的に変形したときにストロークが変わるように構成され、
前記各支持コネクタ（１１２０）は、前記シートカソード（１１０２）が弾性的に変形したときに前記各支持コネクタ（１１２０）の下端部を前記シートカソード（１１０２）に結合するよう構成された下側コネクタ（１１５０）を含む、フレキシブル電気化学ツール（１１００）。
【請求項７】
前記複数の支持コネクタ（１１２０）は、全て非固定支持コネクタであり、該非固定支持コネクタは各々、前記非固定支持コネクタ（１１２０）を前記機械ラム（１１１２）と結合するよう上端部にて上側カプラ（１１３０）を含み、該上側カプラ（１１３０）は所定の角度範囲内で直交方向に回転可能である、請求項６記載のフレキシブル電気化学ツール（１１００）。
【請求項８】
前記複数の支持コネクタ（１１２０）は、前記機械ラム（１１１２）に対してその上端部の固定接続部を介して横方向位置が固定される少なくとも１つの固定支持コネクタ（１１２０）を含み、前記各非固定支持コネクタ（１１２０）が、前記非固定支持コネクタ（４２０、６２０、１１２０）を前記機械ラム（１１１２）に結合するため上端部にて上側カプラ（１１３０）を含み、該上側カプラ（１１３０）は所定の角度範囲内で直交方向に回転可能である、請求項６記載のフレキシブル電気化学ツール（１１００）。
【請求項９】
前記シートカソード（１１０２）が弾性的に変形して、前記加工物（１０６）の３Ｄ表面輪郭に連続的に共形になり、前記加工物（１０６）が前記シートカソード（１１０２）に関連して移動したときに前記加工物（１０６）の表面がトレースされ、前記各支持コネクタ（１１０２）は、前記シートカソード（１１０２）の弾性変形に連続的に適応するようストロークを変えると共に、該ストロークの変化に関係なく実質的に一定の圧力を加えるように構成される、請求項６記載のフレキシブル電気化学ツール（１１００）。
【請求項１０】
前記加工物（１０６）の表面高度を検出するよう構成された少なくとも１つのセンサ（１３６０）を更に備える、請求項６記載のフレキシブル電気化学ツール（１１００）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１１ａ】
【図１１ｂ】
【図１２ａ】
【図１２ｂ】
【図１３ａ−ｂ】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１１ａ】
【図１１ｂ】
【図１２ａ】
【図１２ｂ】
【図１３ａ−ｂ】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１６８１３（Ｐ２０１２−１６８１３Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−１４３６３１（Ｐ２０１１−１４３６３１）
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４３６３１（Ｐ２０１１−１４３６３１）
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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