DE10060696A1

DE10060696A1 - Vorrichtung und Verfahren zum ultraschallunterstützten Schleifen einer Werkstückkante

Info

Publication number: DE10060696A1
Application number: DE2000160696
Authority: DE
Inventors: Ulrich Wiese; Jochen Greim; Bernhard Holzmueller
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2000-12-07
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2002-06-27

Abstract

Vorrichtung zur wirtschaftlichen Bearbeitung einer Kante eines Werkstücks aus einem sprödharten Werkstoff, umfassend eine Spannvorrichtung für das Werkstück mit einer Kante sowie ein Schleifwerkzeug, wobei sich Spannvorrichtung und Schleifwerkzeug in Richtung der Kante des Werkstücks translatorisch zueinander bewegen lassen, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug derart mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungen verbunden ist, daß das Schleifwerkzeug durch diese Vorrichtung in Schwingungen mit einer Ultraschall-Frequenz von größer 20 kHz angeregt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum ultraschallunterstützten Schleifen einer Kante eines Werk stückes aus einem sprödharten Werkstoff.

Zum Anfasen und Facettieren von Scheiben, welche aus einem spröden Werkstoff gefertigt sind, sind numerisch gesteuerte Konturschleifverfahren und Schleifverfahren bekannt, die mit einer profilierten Schleifscheibe arbeiten. Im abstract zu JP 9168948 und im abstract zu JP 6091503A werden Verfahren und Vorrichtungen zur Ultraschallunterstützung dieser Schleifprozesse beschrieben. Aufgrund der Linienberührung zwischen Werkstück und Schleifwerkzeug und der dadurch bedingten hohen tribologischen Beanspruchung sind sowohl die Standzeiten der Schleifscheiben als auch die Form- und Maßgenauigkeit der erzeugten Facetten gering, so daß diese Schleifverfahren sowohl in den Ausführungsformen ohne Ultraschallunterstützug als auch in den Ausführungsformen mit Ultraschallunterstützung zur Bearbeitung sprödharter Werkstoffe wie z. B. Siliciumcarbid ungeeignet sind.

Zum Stand der Technik zählen auch Schräg-Seiten-Profilschleif verfahren und kinematische Formschleifverfahren, die beide mit einem Topfwerkzeug arbeiten. Gegenüber den oben genannten Profil- und Konturschleifverfahren gewährleistet dieses Verfahren ausreichende Werkzeugstandzeiten. Allerdings sind die erzielbaren Trennleistungen für eine wirtschaftliche Bearbeitung von sprödharten Werkstoffen, insbesondere einer Nichtoxidkeramik wie Siliciumcarbid, zu gering.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Verfügung, die eine wirtschaftliche Bearbeitung einer Kante eines Werkstücks aus einem sprödharten Werkstoff ermöglicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine Spannvorrichtung für das Werkstück mit einer Kante sowie ein Schleifwerkzeug, wobei sich Spannvorrichtung und Schleifwerkzeug in Richtung der Kante des Werkstücks translatorisch zueinander bewegen lassen, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug derart mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungen verbunden ist, daß das Schleifwerkzeug durch diese Vorrichtung in Schwingungen mit einer Ultraschall-Frequenz von größer 20 kHz angeregt wird.

Bei dem Werkstück handelt es sich vorzugsweise um ein rotationssymmetrisches Werkstück, besonders bevorzugt um eine Scheibe.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Anfasen von Scheiben aus einem sprödharten Werkstoff, insbesondere Nichtoxidkeramik wie Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid oder aber auch Glas, Glaskeramik, Quarz, Silizium, Gas, die z. B. als Halbleitermaterialien, in der Sensorik oder als Speicherplatten-Substrate Anwendung finden.

Typische Facetten- bzw. Fasengeometrien, die mit Hilfe der erfindunggemäßen Vorrichtung gefertigt werden können, sind z. B. in den IDEMA Standards "Specifications for Substrates for Rigid Disks" dargestellt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist nicht die Nachteile der genannten konventionellen Schleifverfahren auf, da sie der konventionellen Schnittbewegung des Schräg-Seiten- (Außen/Innen)-Profilschleifverfahrens oder des kinematischen Formschleifens eine ultraschallfrequente Schwingung überlagert. Durch die so erzeugten Be- und Entlastungsvorgänge während des Schleifens der Werkstückkante wird die Reibung zwischen Schleifmittelkorn und Werkstück verringert. Aufgrund der geringeren Reibung und der geringeren Zerspankräfte wird die Trennleistung signifikant gesteigert und die Kanten qualität (Rauheit, edge chipping) verbessert.

Als Schleifwerkzeug wird bevorzugt eine Schleifscheibe, oder ein Schleifstift, besonders bevorzugt eine Diamant- Topfschleifscheibe eingesetzt. Die Diamanten auf der Topfschleifscheibe haben vorzugsweise eine Korngröße im Bereich von 1 bis 64 µm und eine Konzentration von 0,4 bis 5,5 ct/cm³ (Karatgewicht/cm³ Belagvolumen). Sie sind vorzugsweise mittles einer metallischen Bindung, einer galvanischen Bindung oder einer Kunstharzbindung auf der Schleifscheibe fixiert.

Der Durchmesser der Schleifscheibe und die Breite des Schleifbelags richtet sich nach der zu bearbeitenden Werkstückgröße und dem Werkstückstoff.

Die Stirnfläche der Topfschleifscheibe kann an die Bearbeitungsaufgabe angepaßt werden, wobei Radien, Winkel und konvexe oder konkave Flächen bevorzugt werden.

Die Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen besteht vorzugsweise aus einer Sonotrode einen Schallwandler und einem Ultraschallgenerator. Der Schallwandler arbeitet vorzugsweise nach dem piezoelektrischen oder magnetorestriktiven Prinzip.

Die vom Ultraschallgenerator erzeugten Schwingungen wirken mittels Schallwandler und Sonotrode derart auf das Schleifwerkzeug ein, daß die Stirnfläche des Schleifwerkzeugs während des Schleifens zu ultraschallfrequenten Längsschwingungen angeregt wird, welche der kreisförmigen Schnittbewegung des Schleifwerkzeugs überlagert sind.

Das Schleifwerkzeug ist der Sonotrode vorzugsweise über eine Löt- oder Kegelpreßverbindung verbunden.

Zum Spannen der Werkstücke dient vorzugsweise ein Vakuum- Spannsystem. Alternativ sind auch mechanische Spannsysteme einsetzbar.

Fig. 1 zeigt eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die das Anfasen einer Außenkante eines rotations symmetrischen Werkstückes ermöglicht. Anhand dieser Ausführungsform wird das Verfahren zum Schleifen einer Kante mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Schleifen einer Kante (1) eines Werkstückes (2) aus einem sprödharten Werk stoff, bei dem die Kante (1) des Werkstücks (2) in an sich bekannter Weise nach dem Schräg-Seiten-Profilschleifprinzip oder dem Prinzip des kinematischen Formschleifens mittels eines rotierenden Schleifwerkzeugs (3) geschliffen wird, während das Werkstück (2) auf einer Spannvorrichtung (4), die sich während des Schleifens dreht, fixiert ist, wobei sich das rotierende Schleifwerkzeug und das Werkstück mittels einer translatorischen Relativbewegung in Richtung der Kante (1) des Werkstücks (2) zueinander bewegen lassen, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifen mittels Ultraschallunter stützung durchgeführt wird.

Die Ultraschallunterstützung wird vorzugsweise dadurch bewirkt, daß das Schleifwerkzeug während des Schleifens über eine aus einer Sonotrode (5) einen Schallwandler (6) einem Ultraschallgenerator (7) gebildeten Einheit zu ultraschallfrequenten Längsschwingungen angeregt wird, welche der kreisförmigen Schnittbewegung des Schleifwerkzeugs überlagert ist.

Vorzugsweise überträgt die Sonotrode (5) die von einem Ultra schallgenerator (7) und dem Schallwandler (6) erzeugte ultra schallfrequente Schwingung an die Stirnfläche des Schleif werkzeuges, so daß dort eine harmonische Longitudinal schwingung mit einer Frequenz von 20 bis 100 kHz und einer Amplitude im bevorzugten Bereich von 1 bis 25 µm vorliegt.

Die für die Schnittbewegung verantwortliche Schleifscheiben rotation wird vorzugsweise mit Hilfe einer Werkzeug- Rotationsvorrichtung (8) erzeugt. Der Pfeil (9) kennzeichnet eine mögliche Drehrichtung. Die Drehzahl der Schleifscheibe ist abhängig vom Schleifscheibendurchmesser. Sie wird vorzugsweise so eingestellt, daß die Schnittgeschwindigkeit im Bereich von 5 bis zu 40 m/s liegt.

Vorzugsweise von einer Vorschubeinheit (10) angetrieben, bewegt sich das Schleifwerkzeug mit konstanter oder der nach einem Programm vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit in Richtung der anzufasenden Werkstückkante. Vorzugsweise liegt die Vorschubgeschwindigkeit im Bereich von 0,1 bis 50 mm/min.

Alternativ kann auch das Werkstück (2) die Vorschubbewegung ausführen. In diesem Fall ist die Spannvorrichtung (4) mit Hilfe einer entsprechenden Vorschubeinheit (10') ausgerüstet. Die Pfeile (12) und (12') kennzeichnen die jeweilige Vorschubrichtung.

Bevorzugt ist ferner der Einsatz eines adaptiven Kontroll systems (13), welches die Vorschubgeschwindigkeit während des Schleifens an die statische oder dynamische Vorschubkraft, an die Ultraschallfrequenz oder an die Schwingungsintensität anpaßt.

Die Drehzahl und Werkstück-Drehrichtung der Spannvorrichtung, in Fig. 1 durch den Pfeil (14) gekennzeichnet, kann an die Drehzahl und Werkzeug-Drehrichtung, in Fig. 1 durch den Pfeil (9) gekennzeichet, des Schleifwerkzeugs (3) angepaßt werden, so daß mit konstantem oder durch ein Programm vorgegebenes Geschwindigkeitsverhältnis und definierten Zeitspanvolumina sowie im Gleich- und Gegenlauf gearbeitet werden kann.

Vorzugsweise wird mit Hilfe eines Kühlschmierstoffes gearbeitet. Dieser kann frei von Außen über eine Druckspülung (15) oder aber auch durch eine Bohrung in Sonotrode (5) und Schleifwerkzeug (4) zugeführt werden.

Die Vorrichtung ist vorzugsweise mit einem integrierten Qualitätssicherungssystem (16) ausgerüstet, mit dem die Fasenbreite in vorgegebenen Zeitabständen am Werkstück vermessen und der Längenverschleiß am Werkstück direkt mit Hilfe der Vorschubeinheit kompensiert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit vertikaler, horizontaler und geneigter Werkstück-Rotationsachse (17) ausführen, wobei diese mit der Flächennormale des Werkstücks (2) zusammenfällt. Werkstück-Rotationsachse und die Rotations achse des Spannsystems fallen idealerweise zusammen. Vorschub- und Schwingungsrichtung sowie die Werkzeug-Rotationsachse (11) sind im Bezug auf die Werkstückrotationsachse vorzugsweise um einen definiert vorgegebenen Winkel geneigt. Dieser entspricht beim Schräg-Seiten-Profilsschleifen mit Ultraschall unterstützung dem Fasenwinkel. Beim kinematischen Form schleifen mit Ultraschallunterstüztung ist der Winkel abhängig vom Werkzeugdurchmesser und kleiner als der Fasenwinkel.

Erfindungsgemäße Vorrichtung sowie erfindungsgemäßes Verfahren eignen sich auch dazu, die Innenkanten eines rotations symmetrischen Werkstücks, welches mit einer Bohrung versehenden ist, zu bearbeiten.

Das Anfasen der äußeren und der inneren Kanten von Werkstücken mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von zwei Schleifwerkzeugen, die jeweils mittels einer oder zweier Vorrichtungen zur Erzeugung von Schwingungen im Ultraschall-Frequenzbereich in Schwingungen versetzt werden können. Die Bearbeitung der inneren und der äußeren Kante durch jeweils eines der Schleifwerkzeuge kann dabei gleichzeitg oder nacheinander sequentiell durchgeführt werden (Fig. 2). Eine weitere Ausführungsform zur sequentiellen Bearbeitung zeigt Fig. 3. Die Positionierung des Werkstücks zum Werkzeug erfolgt mit Hilfe der Vorschubeinheit 10 in vertikaler und horizontaler Richtung. Über eine Schwenkvorrichtung 19 wird eine Schwenkbewegung 20 ausgeführt, mit die Lage der Werkstückrotationsachse zur Werkzeug- Rotationsachse einstellbar ist. Derartige Anordnungen sind in der Ausführung ohne Ultraschallunterstützung Stand der Technik und werden kommerziell angeboten.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Vorder- und die Rückseite eines Werkstücks zu bearbeiten. Hierzu muß das Werkstück in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewendet werden. Dies kann manuell erfolgen. Für den automatisierten Betrieb eignet sich beispielsweise ein in Fig. 4 dargestelltes Handlingssystem bestehend aus einem Greifer (21), einem Roboter (22), einer Zentrierstation (23) und einer Wendestation (24).

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet auch Vorteile, wenn statt des gebundenen Schleifmittelkorns eine Läppmittelsuspen sion oder Polierpaste eingesetzt wird. In diesem Fall ist der (konventionellen) abrasiven Läpp- oder Polierbewegung eine, durch die Ultraschallschwingung des Werkzeuges bedingte Stoß bewegung überlagert, wodurch die Abtrennleistung signifikant gesteigert werden kann. Fig. 5 zeigt eine diesbezügliche Vor richtung. Diese unterscheidet sich zur Fig. 1 dadurch, dass das Schleifwerkzeug (3) durch ein Formwerkzeug (25) ersetzt ist, welches an der Stirnseite mit einem geeigneten Ver schleißschutz, (26) versehen ist. Das Läppmittel wird von außen frei über eine Düse (27) oder durch eine Bohrung im Werkzeug (28) zugeführt. Die Erfindung betrifft daher auch eine ent sprechend modifizierte erfindungsgemäße Vorrichtung und ein entsprechend modifiziertes Verfahren.

Bezugszeichenliste

In

Fig.

1

bis

Fig.

5

bedeuten:

1

Werkstückkante

2

Werkstück

3

Schleifwerkzeug

4

Spannvorrichtung

5

Sonotrode

6

Schallwandler

7

Ultraschallgenerator

8

Werkzeug-Rotationsvorrichtung

9

Werkzeug-Drehrichtung

10

,

10

' Vorschubeinheit

11

Werkzeug-Rotationsachse

12

,

12

' Vorschubrichtung

13

Adaptives Kontrollsystem

14

Werkstück-Drehrichtung

15

Druckspülung

16

Integriertes Qualitätssystem

17

Werkstück-Rotationsachse

18

Positionier-Vorschubrichtung

19

Schwenkvorrichtung

20

Schwenkrichtung

21

Greifer

22

Roboter

23

Zentrierstation

24

Wendestation

25

Formwerkzeug

26

Verschleißschutz

27

Düse zur Zufuhr eines Läppmittels

28

Bohrung

Claims

1. Vorrichtung zur wirtschaftlichen Bearbeitung einer Kante eines Werkstücks aus einem sprödharten Werkstoff, umfaßend eine Spannvorrichtung für das Werkstück mit einer Kante so wie ein Schleifwerkzeug, wobei sich Spannvorrichtung und Schleifwerkzeug in Richtung der Kante des Werkstücks translatorisch zueinander bewegen lassen, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug derart mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungen verbunden ist, daß das Schleifwerkzeug durch diese Vorrichtung in Schwingungen mit einer Ultraschall-Frequenz von größer 20 kHz angeregt werden kann.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schleifwerkzeug eine Schleifscheibe, oder ein Schleifstift, vorhanden ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schleifscheibe eine Diamant-Topfschleifscheibe vorhanden ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamant-Topfschleifscheibe mit Diamant einer Korngröße im Bereich von 1 bis 64 µm in eine Konzentration von 0,4 bis 5,5 ct/cm³ bedeckt ist.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungen aus einer Sonotrode einem Schallwandler und einem Ultraschallgenerator besteht.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandler nach dem piezoelektrischen oder magneto restriktiven Prinzip arbeitet.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug durch ein Formwerk zeug, welches an seiner Stirnseite mit einem Verschleiß schutz versehen ist und eine Läppmittelsuspension oder Po lierpaste auf der Kante des Werkstücks ersetzt ist.

8. Verfahren zum Schleifen einer Kante (1) eines Werkstückes (2) aus einem sprödharten Werkstoff, bei dem die Kante (1) des Werkstücks (2) in an sich bekannter Weise nach dem Schräg-Seiten-Profilschleifprinzip oder dem Prinzip des kinematischen Formschleifens mittels einer Stirnfläche eines rotierenden Schleifwerkzeugs (3) geschliffen wird, während das Werkstück (2) auf einer Spannvorrichtung (4), die sich während des Schleifens dreht, fixiert ist, wobei sich das rotierende Schleifwerkzeug und das Werkstück mittels einer translatorischen Relativbewegung in Richtung der Kante (1) des Werkstücks (2) zueinander bewegen lassen, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifen mittels Ultraschallunterstützung durchgeführt wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sonotrode (5) die von einem Ultraschallgenerator (7) und einem Schallwandler (6) erzeugte ultraschallfrequente Schwingung an die Stirnfläche des Schleifwerkzeuges so überträgt, daß dort eine harmonische Longitudinalschwingung mit einer Frequenz von 20 bis 100 kHz und einer Amplitude im Bereich von 1 bis 25 µm vorliegt.

10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifscheibe mit einer Drehzahl betrieben wird, daß ein Schnittgeschwindigkeit der Schleifscheibe im Bereich von 5 bis zu 40 m/s vorliegt.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug mit einer konstanten oder einer nach einem Programm vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit im Bereich von 0,1 bis 50 mm/min in Richtung der anzufasenden Werkstückkante bewegt.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Kühlschmierstoffes gearbeitet wird.

13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß statt des Schleifens mittels eines Schleifwerkzeug ein Läppen mittles eines Formwerkzeugs, und einer Läppmittelsuspension oder einer Polierpaste auf der Kante des Werkstücks durchgeführt wird.