電気化学加工（ECM）：キネマティクス、ダイナミクス、工具設計を解明

本記事では電気化学加工（ECM）について説明します：1. ECMの意味と動作 2. ECMプロセスの電気化学 3. キネマティクスとダイナミクス 4. 熱とH₂気泡生成の影響 5. ECMの表面仕上げへの影響 6. ECMの工具設計 7. 使用電解液 8. 電気化学加工プラント 9. ECMの材料への影響 10. ECMの特性。

目次：

電気化学加工（ECM）の意味と動作
ECMプロセスの電気化学
ECMのキネマティクスとダイナミクス
ECMにおける熱とH₂気泡生成の影響
ECMの表面仕上げへの影響
ECMの工具設計
ECMで使用される電解液
電気化学加工プラント
ECMの材料への影響
ECMの特性

1. 電気化学加工（ECM）の意味と動作：

電気化学加工は、最も有望な非従来型加工プロセスの一つです。金属加工の新しいプロセスですが、基本原理は長い間よく知られていました。このプロセスは、いくつかの修正を加えた電気めっきの逆プロセスと見なせます。さらに、電気分解の原理に基づいています。

金属では電気は自由電子によって伝導されますが、電解液では電気伝導がイオンの移動によって達成されることが確立されています。したがって、電解液を通る電流の流れは常に物質の移動を伴います。

電気分解原理は長い間電気めっきで使用されてきました。そこでは目的はワークに金属を析出させることです。しかし、電気化学加工では目的が金属除去であるため、ワークを正極、工具を負極に接続します。図6.25はワークと適切な形状の工具、工具とワークの間のギャップが適切な電解液で満たされている様子を示しています。電流を流すと、陽極の溶解が起こります。

しかし、ギャップが小さいほど溶解率は高く、逆もまた然り。電流密度はギャップに反比例するためです。ここで工具に下向きの運動を与えると、ワーク表面は工具と同じ形状を取ろうとし、定常状態ではギャップが均一になります（図6.25参照）。こうして工具の形状が工作物に再現されます。

電気化学加工プロセスでは、工具に一定の送り運動が与えられます。電解液は高圧で工具と工具-ワーク間の小さなギャップを通じてポンプされます。電解液は、陽極が溶解するが陰極（工具）には析出しないよう選択されます。電流と電圧のオーダーは数千アンペアと8〜20ボルト。ギャップは0.1〜0.2mmのオーダー。

典型的な機械では、金属除去率は1000アンペアあたり約1600mm³/分。16×10³mm³の金属を除去するのに約3kWh必要で、これは従来プロセス（もちろん、金属が容易に切削可能な場合）のほぼ30倍のエネルギーです。しかしECMでは、金属除去率はワーク硬度に依存しません。したがって、ワーク材料の加工性が極めて低いか、加工形状が複雑な場合にECMが有利になります。

ほとんどの従来型および非従来型プロセスとは異なり、ここでは実質的に工具摩耗がありません。加工が電気化学的に行われるため工具は力を受けないように見えますが、実際には工具とワークはギャップ内の高圧流体によって非常に大きな力を受けています。

2. ECMプロセスの電気化学：

電気分解プロセスは、ファラデーによって提案された以下の2法則によって支配されます：

(i) 電流によって生じる化学変化の量、すなわち溶解または析出する任意の材料の量は、通過した電気量に比例する。
(ii) 同量の電気によって溶解または析出する異なる物質の量は、それらの化学当量に比例する。定量形式では、ファラデーの2法則は——

金属体が電解液に浸されているとき（図6.27）、金属原子が体を離れてイオンになり、イオンが体に移動して原子になる。このプロセスは連続的に続き平衡が保たれます。金属体表面（電極）上の一点と電解液中の隣接点の間に電位差が存在します。

この電位差を電極電位と呼びます。電極電位は電極-電解液の組み合わせによって変化。もし2つの異なる電極（AとB）が浸されている場合、共通の電解液に対するAとBの電位が異なるため、これらの電極間に電位差が存在します。この電位差は、電極と電解液によって生成される電動勢（起電力）です。これは図6.27で説明されています。例えば、FeとCu電極を食塩水（水に溶かした食塩）に浸すと（図6.28a）、電極電位は——

電気分解プロセスの性質は使用電解液に依存。ECMがどのように実現されるか理解するため、水塩化ナトリウム水溶液を電解液として考えてみましょう。電極間に電圧差を印加すると（図6.28b）、陽極と陰極での反応は——

水が電極から2電子を受け取り、結果として水素ガスが発生し水酸化物イオンが生成。正の金属イオンは陰極に向かって移動し、負の水酸化物イオンは陽極に引き寄せられる。その後、正の金属イオンと負に帯電した水酸化物イオンが結合して水酸化鉄を形成——

この水酸化鉄は不溶性沈殿物を形成。この種の電極金属-電解液の組み合わせでは、陽極が溶解し、陰極でH₂が発生し、陰極形状は変化しません。これはECMプロセスの電気化学において最も重要な特性です。ECMでは、電極と電解液の選択が、いずれの電極でも析出が起こらないようにしなければならないことに注意してください。

金属のグラム当量はԑ = A/Zで与えられます。Aは原子量、Zは生成イオンの原子価。これを式(6.20)に用いると、質量除去率は——

陽極が純金属ではなく合金の場合、各元素の単位体積除去に必要な電荷を考慮して除去率を求められます。原子量と対応するイオンの原子価がそれぞれA₁, A₂, A₃,…とZ₁, Z₂, Z₃,…で、合金の組成（重量比）がx₁%の元素1、x₂%の元素2,…の場合、合金の体積v cm³にはvρx_i/100グラムのi番目の元素が含まれます。ρは合金の全体密度（g/cm³）。

体積v内のすべてのi番目の元素を除去するのに必要な電荷は——

3. ECMのキネマティクスとダイナミクス：

図6.31は平面平行な表面を持つ一組の電極を示します。ワーク（上側電極）が一定速度ƒで-y方向（電極表面に垂直）に送られています。

問題は一次元と見なされ、工具表面からワーク表面までの瞬時距離をyとします。ワークを純金属と見なすと、ワーク金属の除去率は式(6.23)で与えられます。過電圧がΔVの場合、電解液を通る電流密度は——

Kは電解液の電導率。ワーク材料の除去により、ワーク表面が元の表面に対してy方向に後退する速度はQ'で与えられます。Q'はワーク表面単位面積あたりのワーク金属体積除去率。したがって、ワークと工具表面間のギャップ変化率は——

いくつかの基本ケースを検討します：

ゼロ送り：

一定送り：

ギャップが無限に増大することはECMプロセスでは望ましくありません。したがって実際には、電極に適切な大きさの一定送り速度が与えられます。したがって式(6.28)でƒは一定。明らかに、送り速度ƒが金属除去による電極表面後退速度と等しいとき、ギャップは一定に保たれます。このギャップ（送り速度に依存）を平衡ギャップ（y_e）と呼びます。したがって平衡ギャップでは式(6.28)から——

図6.32bは、さまざまな初期ギャップ値に対するȳとt̅のプロット。初期条件に関わらず、ギャップは常に平衡値に近づくことがわかります。

表面に傾斜した送り運動：

送り速度ベクトルが表面に傾いている場合（図6.33）、表面に垂直な送り成分はƒ cos θ。この場合、平衡ギャップはλ/(ƒ cos θ)で与えられます。

不均一表面の加工：

不均一なワーク表面をECMにかけると、表面のすべての部分から金属が除去されます（他の加工操作とは異なり）。外側に突き出た部分（ヒル）は工具表面に近いため、内側にへこんだ部分（キャビティ）より速く加工されます。したがって、ECMプロセスには不均一性を平滑化する効果があります。

図6.34に示すように、平衡ワーク表面位置（ȳ=1）を望ましい最終ワーク表面と見なせます。この望ましい表面からの偏差は、欠陥が谷かヒルかに応じて、無次元深さまたは高さ（δ̅）で特徴付けられます。δ = y - y_eであるため——

理論的には欠陥を完全に除去するには無限の時間がかかりますが、実際にはδ̅が予め割り当てられた許容値を下回るとすぐにプロセスは終了します。図6.35はヒルとバレーがどのように平滑化されるかを示しています。

4. ECMにおける熱とH₂気泡生成の影響：

さまざまなパラメータと特性が電極面全体で均一であると仮定しました。しかし実際にはそうではありません。これらの特性の変動は加工プロセスに影響を与えます。また、電解液電導率は、電解液がギャップを通過する際に——(i) 電解液温度の上昇、(ii) 水素気泡の発生、(iii) 沈殿物の形成（最後の効果は小さい）——により変化します。

電気の流れにより電解液温度が徐々に上昇し電導率が変化し、電解液流れ方向に電流密度の不均一性が生じます。これに加え、加工中に水素が発生するため気泡が形成されます。これらの気泡は電解液によって流され、その濃度は電解液流れ方向に沿って増加傾向にあります。結果として、全体電導率と電流密度が同じ方向に変動します。これらの結果として、電極間の平衡ギャップが変動します。

5. ECMの表面仕上げへの影響：

一般的にECMで加工される部品には非常に良好な表面仕上げが望まれるため、不良仕上げをもたらす可能性の研究は重要です。

表面仕上げに悪影響を与える要因：

(i) 選択的溶解：

合金では、異なる成分が異なる電極電位を持ちます。純金属でも、粒界での溶解電位は粒内部とは異なります。図6.38aに示すワーク表面（2成分AとB）を考えます。この図ではギャップ間の電圧プロファイルも示されています。成分Bの溶解電位（V_dB）が成分Aの溶解電位（V_dA）より大きいとします。

したがって、表面上の一点と隣接電解液の間でECMを開始するために必要な電位差は、局所的な成分に応じてV_dAまたはV_dBのいずれかでなければなりません。陽極表面全体が等電位であり、電解液電位が図示のようにギャップ間で変化するため、成分Bの粒の表面は、より低い電位を持つ電解液に接するために（より大きな差V_dBを達成するために）成分Aの表面から突出する必要があります。したがって定常状態では、ワーク表面は不均一でそれほど滑らかではありません。

電位勾配が高い場合、不均一性は小さくなります。図6.38bは、他のパラメータを同じにした異なる電位勾配の2状況を示します。この図から明らかなように、電位勾配が高いとき、成分Bの粒の突出高さは小さくなります。突出高さの近似式も以下のように導出できます。図6.38bから——

(ii) 陽極皮膜の散発的破壊：

陽極皮膜の散発的破壊の主な理由は、加工領域から離れた領域でのワーク表面と電解液の電位差の漸進的低下です。図6.39はこの領域での陽極表面電位の変化を示します。点P₁まで電位はすべての相を溶解させるのに十分。P₁で利用可能電位が1つの相の溶解電位を下回り、陽極は溶解を停止。

P₁以降、陽極表面電位はさらに低下し、溶解を停止する相が増加し、不均一な表面に。最終的にわずかな相のみが活性で溶解し、それらが陽極表面の小さな割合を占めるため電界集中が生じ、これらの相が非常に速く溶解し深いピットを形成（図6.39）。点P₂以降、陽極表面電位は非常に低い値まで低下し、溶解は起こらなくなります。

(iii) 流れの剥離と渦の形成：

陽極表面のヒルとバレーは、電解液流れの剥離と渦形成を引き起こす可能性があります。これらの渦では、主流から分離されて金属イオンの高濃度が蓄積し、渦内で高濃度過電位が生じます。

これにより局所的な除去率の変動が生じ、結果として不均一な仕上げ表面に。ヒルとバレーの存在に加え、流れの剥離は工具と電解液流路の不適切な設計によっても引き起こされる可能性があります。したがって、工具内の電解液流路設計には細心の注意を払う必要があります。

(iv) H₂ガスの発生：

流れる電解液は陰極で発生する水素ガスを回収。電解液中のH₂存在は溶液の比電導率を低下させます。この効果はH₂濃度が下流で増加するにつれて増大し、全体的な効果として表面仕上げの悪化を招きます。

前述の4メカニズム以外にも表面劣化の原因がありますが、重要度が低いためここでは議論しません。

6. ECMの工具設計：

工具設計には2つの主要な側面があります。

これらは：

(i) 与えられた加工条件で、目的の工作物形状を達成するための工具形状の決定。
(ii) (i)以外の考慮事項、すなわち電解液流れ、絶縁、強度、固定配置のための工具設計。

工具形状の理論的決定：

加工後のワーク表面の望ましい形状がわかっている場合、与えられた加工条件セットに対して必要な工具表面形状を理論的に決定可能です。

印加電位、過電圧、送り速度をそれぞれV、ΔV、ƒとします。陽極と陰極表面間の平衡ギャップは——

電解液流れのための設計：

工具とワークの間に十分な電解液流れがあり、加工熱と生成物を運び去り、必要な送り速度で加工プロセスを助け、満足のいく表面仕上げを生み出す必要があります。キャビテーション、停滞、渦形成は避けるべきで、これらは不良表面仕上げを招きます。基本ルールの一つは、流路に鋭いコーナーを設けないこと。流路のすべてのコーナーは少なくとも0.7〜0.8mmの半径を持つべきです。

部品の初期形状は一般的に工具形状に準拠せず、最初はわずかな領域のみが工具表面に近接しています。このような領域への電解液供給問題は通常、流れ制限技術で解決されます。

多くの状況で、初期ワーク形状が工具形状に準拠している場合、

電解液供給スロット付き工具は製造がシンプルですが、このスロットはワークに小さなリッジを残します。しかし、スロットを十分に狭くすることでリッジを非常に小さくできます。もちろん、スロット幅は十分な流量を確保できるものでなければなりません。スロットからの流れはスロットに垂直な方向に起こり、末端では流れが悪くなります。したがって、スロットはワーク表面のコーナー付近で終了させるべきです（図6.43a参照）。

スロット先端とコーナーの距離は少なくとも1.5mm、スロット幅0.7〜0.8mmを推奨。ワークコーナーが丸い場合、スロット末端を大きくします（図6.43b参照）。スロットの形状と位置は、表面のすべての部分に電解液流れが供給され、受動領域が存在しないようにすべきです。図6.44はスロット設計が不適切なために受動領域が存在する2つの状況を示します。

図6.44aでは、スロットとこの領域の間の外部スペースの存在により受動領域が供給を受けられず、図6.44bではスロットに鋭い曲がりがあるため（流れがスロットに垂直であるという事実と合わせて）受動領域が生じます。正しい設計は図6.45に示す通り。場合によっては逆流工具を用いて精密に切削し優れた表面を生み出しますが、このプロセスはより複雑で高価であり、一般的には推奨されません。

初期ワーク表面が工具形状に準拠していない場合の電解液流れ制御技術は図6.46に図示。流れ制限器を設ける一般的ルールは以下の通り。流れ制限器は、工具とワーク表面の初期近接領域に隣接し、流れ経路を著しく増やさないこと。また、電解液の入口または出口位置にあること。

絶縁のための設計：

工具上で電気化学加工が望ましくない領域は絶縁する必要があります。ダイシンキングでも、工具は迷走加工を最小限に抑えるために適切に絶縁すべきです。図6.47は適切な絶縁なし/ありのECMプロセス。図6.48は適切な絶縁なし/ありのダイシンキングを示します。

絶縁はタフで工具表面に確実に結合されている必要があります。エポキシ樹脂セメントとプラスチックネジで補強固体プラスチック材料を工具に固定することで提供可能。人工的に酸化した銅工具表面に合成ゴムコーティングを施すことでも絶縁可能。これには熱化学酸化溶液を使用。絶縁層の境界が高速電解液流れにさらされないようにすべきで、これが接着層を剥がす原因となり得ます。

7. ECMで使用される電解液：

ECMにおける電解液は、基本的に以下の3機能を果たします：

(i) 電気回路を完成させ、大電流を通すこと、
(ii) 必要な電気化学反応を維持すること、
(iii) 発生熱と廃棄物を運び去ること。

最初の機能には、電解液が理想的に大きな電気伝導率を持つことが要求されます。2番目の機能には、陽極でワーク材料が連続的に溶解し、陰極で金属イオンの析出が起こらないような電解液が要求されます。一般的に、電解液の陽イオン成分は水素、アンモニア、アルカリ金属。陽極溶解は高い効率レベルで持続されるべきです。

また、電解液は良好な化学的安定性を持つ必要があります。これらすべてに加え、電解液は安価で安全、可能な限り非腐食性であるべきです。一般的に無機化合物の水溶液が使用されます。表6.4にさまざまな合金タイプに使用される電解液を示します。

8. 電気化学加工プラント：

電気化学機械を設計する際、いくつかの重要なポイントを念頭に置く必要があります。これには部品の剛性と材料が含まれます。一見すると、工具とワーク表面の間に物理的接触がないため加工力は無視できそうに見えますが、狭いギャップを通じて適切な流速を維持するために必要な電解液の高圧により、それらの間に非常に大きな力が発生する可能性があります。

したがって、加工部品の精度を損なうような工具の顕著なたわみを避けるため、機械は十分な剛性を持つ必要があります。温度変化も工具とワーク間の相対変位を引き起こす可能性があり、設計はこれを考慮すべきです。

腐食を避けるため、可能な限り非金属材料を使用。強度と剛性が必要な場合はプラスチックコーティング金属を使用。ワークを保持する材料は陽極攻撃にさらされ、チタンがその不働態性により最も適しています。異種金属が電解液存在下で接触している場合、特に機械がアイドル状態のときに腐食が起こる可能性があります。

これを最小限に抑えるため、接触する金属は電気化学的振る舞いがあまり異ならないものを選択すべきです。摺動面は永久的に保護できないため、厚くグリスを塗布。場合によっては、構造全体を電気化学的により貴重な方向に小さな電位を印加することで腐食保護を提供可能。これは一般に陰極保護として知られます。

ポンプは付帯プラントで最も重要な要素。一般的に、ステンレス鋼製のポジティブディスプレースメントポンプ（ギアポンプ類似）が使用されます。電解液タンク、パイプライン、バルブは通常PVC製。

9. ECMの材料への影響：

従来加工プロセスと対照的に、ECM中の材料除去は滑らかで穏やかです。結果として、ワーク表面の最大残留圧縮応力は非常に低くなります。また、加工硬化表面層の深さは無視できるレベルです。旋削とフライスで加工硬化層深さがそれぞれ約0.5mmと1.5mmであるのに対し、ECMでは約0.001mmのみ。同様に、従来プロセスで加工された表面の残留応力オーダーは約50kg/mm²であるのに対し、ECMではほぼゼロです。

これにより、ECMで製造された部品の疲労強度は10〜25%低下します。これはECMで生成される表面でマイクロクラック先端が露出し、またプロセスが応力フリーな表面を残すためです。疲労強度を向上させるためには、機械的プロセス（機械研磨、ガラスビーズブラスト、蒸気ブラストなど）を使用できます。