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Die
Erfindung betrifft eine Maschine und ein Verfahren zur Herstellung
von Mikrostrukturen, insbesondere zur Herstellung von Mikrostrukturen
durch Schleifen in Glas, Keramiken oder Verbundsystemen.
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Es
besteht ein großer
Bedarf an präzisionsmikrosrukturierten
Werkstoffen. Gläser,
die Mikrostrukturen aufweisen, finden beispielsweise bei Wafer-Packaging-Verfahren oder bei
chemischen und biologischen Analyseverfahren Anwendung. Ebenso sind
derartige Werkstoffe für
mikrooptische Anwendungen, wie etwa für die Kopplung von Glasfaserenden.
Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet sind mikrostrukturierte
Flachgläser
von Flachbildschirmen. Derartige Gläser werden unter anderem in PDP-
und PALC-Anzeigen verwendet (PDP = "Plasma Display Panel", PALC = "Plasma Adressed Liquid Crystal Display"). Die für diese
Anwendungen verwendeten Gläser
weisen Mikrokanal-Strukturen
in Form parallel verlaufender Kanäle auf.
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Zum
Erzeugen derartiger Strukturen sind im Stand der Technik verschiedene
Verfahren bekannt. Unter anderem werden auf das Glassubstrat in
mehreren Schritten Stege im Siebdruckverfahren aufgebracht. Ebenso
ist es bekannt, mikrostrukturierte Werkstücke durch Sandstrahlen oder Ätzen herzustellen.
Mit diesen Verfahren lassen sich jedoch keine hochpräzisen Genauigkeiten
der Strukturen erzeugen. Die für
die Herstellung benötigten
Masken und Anlagen eignen sich weiterhin nur für große Stückzahlen.
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Eine
hohe Genauigkeit kann im Gegensatz zu den obengenannten Verfahren
jedoch mit einer auf Schleifen beruhenden Oberflächenabtragung des Materials
erreicht werden. Mit einer entsprechend geformten Schleifscheibe
können
so auch in harten Materialien Mikrostrukturierungen mit der erwünschten
Genauigkeit eingebracht werden. Nachteilig bei einer solchen mechanischen
Materialbearbeitung ist jedoch die verhältnismäßig lange Bearbeitungszeit, welche
den erzielbaren Durchsatz vermindert und die Produktionskosten in
die Höhe
treibt. Diese lange Bearbeitungszeit wird unter anderem dadurch
verursacht, daß der
Vorschub der Schleifwerkzeuge bei der mechanischen Bearbeitung begrenzt
ist. Diese Begrenzung wird unter anderem durch die beim Schleifprozeß entstehende
thermische Belastung verursacht. Ein zu großer Materialabtrag beim Zerspanen
des Werkstücks
führt ferner
in der Regel zu einer unzureichenden Zufuhr von Kühlschmiermittel an
der Zerspanstelle, da die Schleifscheibe und das abgetragenen Material
die Zufuhr des Kühlschmiermittels
behindern. Insbesondere tritt an den abrasiven Körnern der Schleifscheibe bei
großen
Zerspanleistungen einen unzureichende Kühlung auf. Dies führt zu einer
thermischen Zersetzung sowohl der abrasiven Schleifscheibenkörnung, die
zumeist aus Diamantkörnern
besteht, als auch des Bindungsmittels. Ein weiteres Problem, das
insbesondere bei dem Schleifen von Kunststoffmaterialien, wie beispielsweise
Werkstücken
aus Verbundwerkstoffen auftritt, umfaßt das Füllen der Schleifscheiben mit
dem zerspanten Kunststoffmaterial. Die Spankammern in der Schleifscheibe,
welche den Abrieb aufnehmen, werden durch das Kunststoffmaterial
zugesetzt. Dies führt
dazu, daß weiteres
Material nicht mehr aus der Zerspanzone abtransportiert werden kann.
An der Zerspanzone tritt thermische Belastung durch die Reibung
auf. Das Material des Werkstücks
wird, da es nicht abtransportiert werden kann, seitlich verdrängt, was
zu vergleichsweise hohen Bearbeitungskräften führt. Aufgrund dieser Kräfte kann
es beispielsweise bei der Mikrostrukturierung empfindlicher Materialien
zum Bruch der erzeugten Strukturen kommen.
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Aus
dem Artikel „Micro
ultrasonic Machining Method by Precise Tool Rotation And Workpiece
Vibration", K. Egashira
et al., ICPE '97,
International Conference an Precision Engineering, ist eine Vorrichtung
bekannt, mittels welcher Mikrolöcher
gebohrt werden können.
Dazu wird ein nadelförmiges Werkzeug
rotiert und das zu bearbeitende Werkstück mit Ultraschallschwingungen
beaufschlagt. Die Form des Werkzeugs wird vor dem Bohren mittels
einer Drahtelektrode durch elektrochemischen Abtrag hergestellt.
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Der
Artikel „Rotary
Ultrasonic Machining of Structural Ceramics", Z. J. Pei et al., Ceram. Eng. Sci.
Proc. 16(1) 259–278
(1995) beschreibt eine Vorrichtung zum Ultraschallunterstützen Bearbeiten,
bei welcher das Werkstück
mit einer rotierenden Spindel bearbeitet wird, auf welche die Ultraschallschwingungen übertragen
werden.
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Eine ähnliche
Vorrichtung mit longitudinal schwingendem Schaft ist auch aus, dem
Artikel „Review
an Ultrasonic Machining",
T. B. Thoe et al., Int. J. Mach. Tools Manufact. Vol. 38(4), pp.
239–255, 1998
bekannt.
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Weiterhin
ist aus dem Artikel „In-Process Dressing
of Fine Diamond Wheels for Tool Grinding", H. K. Tönshoff, Th. Friemuth, Precision
Engineering 24 (2000) 58–61
das In-Prozess-Abrichten von Diamant-Schleifscheiben mittels einer
Elektrode bekannt. Dabei werden elektrische Entladungen zwischen
den Körnern
erzeugt, indem mittels einer Doppelelektrode Ladungen auf die Körner übertragen werden.
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Eine
In-Prozess-Abrichtung einer Diamant-Schleifscheibe mittels Ultraschall
ist weiterhin aus dem Poster-Session Abstract „The grindability of Stainless
Steel Using ULID (Ultrasonic In-Process Dressing) Method", 2000 Annual Meeting
of American Society for Precision Engineering bekannt.
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Schließlich offenbart
die
JP 10-91951 A eine Vorrichtung,
bei welcher eine Schleifscheibe elektrolytisch abgerichtet wird,
wobei über
einen Kanal durch den Schleifstein zum Abrichten Wasser zugeführt wird.
In das Wasser werden zur Reinigung der Schleifscheibe Ultraschallwellen
eingekoppelt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schleifmaschine und
ein Schleifverfahren zur Verfügung
zu stellen, welche/s die obengenannten Probleme bei der mechanischen
Bearbeitung von Werkstücken
lösen oder
zumindest das Schleif- bzw. Zerspanverhalten verbessern.
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Diese
Aufgabe wird in überraschend
einfacher Weise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Um
das Schleif- bzw. Zerspanverhalten von Schleifwerkzeugen bei dem
Einbringen von Mikrostrukturen zu verbessern, sieht die vorliegende
Erfindung eine Verfahren zum Einbringen von Mikrostrukturen mit
Schleifwerkzeugen in ein Materialteil vor, wobei das Material mit
zumindest einem rotierenden Schleifwerkzeug zerspant oder abgeschliffen
wird und wobei das Schleifwerkzeug und/oder das Werkstück an deren
Berührungsstelle
durch Einkopplung von Schwingungsenergie zu einer schwingungsförmigen Bewegung
relativ zueinander angeregt werden. Die schwingende Relativbewegung
von Schleifwerkzeug, bzw. Schleifscheibe und Werkstück zueinander
führt zu
einem deutlich günstigeren
Zerspanverhalten. Die Zerspanleistung und somit die erreichbare
Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe können gegenüber bekannten schleifenden
Verfahren zur Mikrostrukturierung von Werkstücken gesteigert werden, was
die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den
bekannten Verfahren deutlich erhöht.
Die Schwingung der Schleifscheibe relativ zum Werkstück führt dazu,
daß durch pulsierende Änderungen
Kühlschmiermittel
in die Zerspanzone befördert
werden kann. Weiterhin wird ein Verklemmen oder Festfressen der
Schleifscheibe im Werkstück
durch die Schwingung vermieden. Dadurch ist es auch möglich, dünnere Schleifscheiben einzusetzen,
als es bisher möglich
war, ohne diese mechanisch zu überlasten.
Das Zusetzen der Spankammern des Schleifwerkzeugs wird durch die Schwingung
vermieden, durch welche sich in den Spankammern befindliches Material
wieder gelöst wird.
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Vorteilhaft
wird die Schwingung in den Wellenschaft eingekoppelt, auf welchem
die eine oder mehrere Schleifscheiben befestigt sind und durch den
die Schleifscheiben in Rotation versetzt werden. Zusätzlich dazu
kann die Schwingung auch auf das Werkstück gegeben werden.
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Insbesondere
wirkt sich die Einkopplung von Ultraschallschwingungsenergie günstig auf
das Zerspanverhalten aus, da bedingt durch die hohen Frequenzen
im Vergleich beispielsweise zu niederfrequenten Schwingungen höhere Energiemengen übertragen
werden können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auch dadurch optimiert werden, daß die Schwingungsenergie nicht
bei einer einzelnen Frequenz eingekoppelt wird, sondern daß die Schwingungen
der eingekoppelten Schwingungsenergie mehrere Frequenzen und/oder
Frequenzbereiche umfassen. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft,
wenn sich für
die Beförderung
von Kühlmittel
andere Frequenzen als günstig
erweisen, als für
die Entfernung von abgetragenem Material in den Zerspankammern.
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Das
Schleifwerkzeug unterliegt jedoch durch die Materialbearbeitung
einer gewissen Abnutzung. Insbesondere ändert sich bei einem kreisförmigen Schleifwerkzeug
der Umfang, bzw. der Radius. Damit verbunden ist eine Änderung
der Resonanzfrequenzen des Werkzeugs. Um die Resonanzfrequenz zu bestimmen
oder auch um allgemein die Zerspanleistung durch Maximierung der
Schwingungsamplitude auf dem äußeren Umkreis
des Werkzeugs zu maximieren, kann vorteilhaft ein Regelkreis oder
eine Regelungselektronik zur Steuerung der abgegebenen Frequenz
eingesetzt werden. Dazu wird die vom Schwingungserzeuger abgegebene
Leistung gemessen und die Frequenz einer oder mehrerer Schwingungen
so geregelt, daß die
Schleifscheibe in Resonanz schwingt.
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Für das Verfahren
ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Schwingungsamplituden an der
Zerspanstelle, bzw. auf dem äußeren Umfang
der Schleifscheibe maximal sind. Dies kann ebenfalls durch die Wahl
der Frequenzen der eingekoppelten Schwingungsenergie erreicht werden.
Insbesondere kann die Schwingung auf eine Resonanzfrequenz der Schleifscheibe
abgestimmt werden.
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Die
Schwingungsenergie kann dabei in einfacher Weise piezoelektrisch,
magnetostriktiv von einem oder mehreren Erregern erzeugt werden.
Auch die Verwendung von Galtonpfeifen ist möglich.
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Das
Verfahren wird weiterhin dadurch verbessert, indem die Schleifwerkzeuge
während
des Schleifvorganges abgerichtet werden. Ein solches Inprozeßabrichten
kann dabei bevorzugt elektrochemisch erfolgen. Das Inprozeßabrichten
während
des Schleifens ist insbesondere dadurch vorteilhaft, daß die Hüllkurve,
bzw. das Profil der schwingenden Schleifscheibe an das zu erzeugende
Profil angepaßt
werden kann und sich somit durch die durch das Schwingen bedingte
Auslenkung das Profil der eingeschliffenen Mikrostrukturen nicht
verändert.
Eine elektrochemische Abrichtung ist vorteilhaft, da die Hüllkurve
der Schleifscheibe weitgehend kraftfrei abgerichtet werden kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
Verfahrens wird der Prozeß dabei
durch eine zwischen einer Formelektrode und der Schleifscheibe angelegte
Spannung verursacht. Das negative Profil der Form- oder Abrichtelektrode
arbeitet sich dann durch das Anlegen der Spannung in das rotierende Schleifwerkzeug
ein und erzeugt ein positives Profil auf der Schleifscheibe.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist insbesondere für
die Bearbeitung von Glas- oder Keramikwerkstoffen geeignet. Ein
besonderer Vorteil bei der Mikrostrukturierung mit schwingenden
Schleifwerkzeugen liegt auch in der Möglichkeit Verbundmaterialien
oder Kunststoffe bearbeiten zu können.
Die Schwingung des Schleifwerkzeugs ermöglicht dazu die ausreichende
Zufuhr von Kühl-
und Schmiermittel und die Zerspankammern und die Oberfläche des Werkzeugs
werden von abgetragenem Material befreit.
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Die
Erfindung sieht auch eine Schleifmaschine vor, welche insbesondere
zur Durchführung
des oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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Die
Schleifmaschine umfaßt
zumindest einen Wellenschaft, auf der zumindest ein Schleifwerkzeug
befestigt ist, eine Antriebsvorrichtung, um den Wellenschaft in
rotierende Bewegung zu versetzen und eine Aufnahme für zumindest
ein Werkstück,
wobei die Schleifmaschine außerdem
eine Einrichtung zur Übertragung
von Schwingungen auf das zumindest eine Schleifwerkzeug und/oder
dem zumindest einen in der Aufnahme befestigten Werkstück aufweist.
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Dabei
werden die Schwingungen auf den Wellenschaft übertragen, auf welchem das
zumindest eine Schleifwerkzeug befestigt ist.
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Bevorzugt
werden die Schwingungen dabei mit einer in der Schleifmaschine integrierten
Einrichtung erzeugt.
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Um
die Schwingungsfrequenzen flexibel an das Schleifwerkzeug oder den
Werkstoff anpassen zu können,
kann die Einrichtung zum Erzeugen von Schwingungen Schwingungen
mehrerer Frequenzen und/oder Frequenzbereiche erzeugen. Damit läßt sich
das erzeugte Schwingungsspektrum beispielsweise an eine oder mehrere
Resonanzfrequenzen des Schleifwerkzeugs anpassen.
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Um
das oben beschriebene Regelungsverfahren zum Erreichen einer maximalen
Leistungseinkopplung durchzuführen,
kann die Schleifmaschine eine Einrichtung aufweisen, welche zumindest
eine Frequenz in Abhängigkeit
von der eingekoppelten Schwingungsleistung regelt.
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Die
Schwingungen können
in geeigneter Weise mittels piezoelektrischen, magnetostriktiven oder
mechanischen Schwingungserzeugern, wie etwa einer Galtonpfeife erzeugt
werden.
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Es
ist eine Einrichtung vorgesehen, mit welcher das Abrichten der Schleifwerkzeuge
während des
Mikrostrukturierens des Werkstücks
erfolgt. Die Einrichtung umfaßt
dabei bevorzugt eine Einrichtung zum elektrochemischen Abrichten
des zumindest einen Schleifwerkzeugs, so daß eine berührungs- und weitgehend kraftfreie
Bearbeitung des Schleifwerkzeugs ermöglicht wird.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden,
wobei sich in den einzelnen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen auf
gleiche oder ähnliche
Bestandteile beziehen.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines bearbeiteten Werkstücks,
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2 eine
schematische Ansicht einer Ausführungsform
der Erfindung,
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3 eine
schematische Ansicht einer Weiterbildung der Erfindung,
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1 zeigt
eine Ansicht eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten
Werkstücks 2.
Mit Hilfe des Verfahrens lassen sich so beispielsweise auf einer
Seite 4 des Werkstückes 2 v-förmige Nuten
("V-Grooves") 6 einarbeiten,
wobei die Form der Nuten durch das Profil des Schleifblatts bestimmt wird.
Derartige V-Grooves weisen typischerweise eine Breite von 200 μm bis 500 μm auf. Anwendung finden
derartige Mikrostrukturen bei der Miniaturisierung von elektrischen
Bauteilen. Insbesondere auf Boardebene werden immer häufiger in
Trägersubstrate
integrierte Schaltungen oder Bauelemente eingesetzt. Bei der mechanischen
Gehäusung
und/oder elektrischen Kontaktierung derartiger integrierter Schaltungen
(„Chips"), beispielsweise
auch von optischen Schaltungen oder Bauelementen, werden bei den
sogenannten „Electronic
Packaging"-Verfahren Materialien
wie beispielsweise Glas oder ein Kunststoff als Kontakt- oder Abdeckmaterial
verwendet.
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Um
die Gehäusung
eines Chips bzw. ein integriertes Bauelements noch im Waferverband durchzuführen und
mit dem Bauelement verbundene Kontakte auf einen äußeren Oberflächenbereich
zu führen,
so dass das integrierte Bauelement beispielsweise auf Leiterplatten
elektrisch verbunden werden kann, können Abdeckungen verwendet
werden, in die mikrostrukturierte V-Grooves eingeschliffen wurden.
Die Gräben
für diese
Anwendung durchschneiden das Werkstück entlang der Länge der
Gräben und
ermöglichen
so ein Durchführen
von Kontakten, bzw. Leiterbahnen durch die Abdeckung.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schleifmaschine 1 zum
Einbringen von wie in 1 dargestellten Mikrostrukturen.
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Die
Maschine 1 umfaßt
eine Schleifscheibe 8, welche auf einem Wellenschaft oder
einer Antriebswelle 10 befestigt ist und im Betrieb über den Wellenschaft 10 in
eine Rotationsbewegung versetzt wird. Ein Ultraschall-Schwingungserzeuger 12 ist
mit dem Wellenschaft 10 so verbunden, daß er die
Ultraschallschwingungen auf den Schaft und somit über die
Verbindung des Schafts 10 auf die Schleifscheibe 8 überträgt. Die
Frequenz des Ultraschallerzeugers 12 kann dabei so gewählt werden,
daß sie
eine Eigenfrequenz der Schleifscheibe trifft und damit eine Eigenschwingung
der Scheibe anregt. Die Schwingung ist anhand der Linie 14 dargestellt,
welche die Auslenkung der umfänglichen
Bereiche 16 der Scheibe nachzeichnet. Die Schwingung der
Schleifscheibe führt
neben der durch die Rotation verursachten Bewegung der Schleifkörner in
tangentialer Richtung zu einer im wesentlichen senkrecht dazu verlaufenden Schwingungsbewegung.
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Um
die Fertigungsgeschwindigkeit zu erhöhen, können auf dem Wellenschaft mehrere
parallel angeordnete Schleifscheiben befestigt sein, die sich in
einem Abstand voneinander befinden, der ein ganzzahliges Vielfaches
des Abstandes der Mikrostrukturen ist.
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3 zeigt
eine schematische Ansicht einer Weiterbildung der Erfindung. Bei
dieser Weiterbildung ist zusätzlich
zu der in 3 nicht abgebildeten Einrichtung 12 zur
Erzeugung und Einkopplung von Ultraschallschwingungen eine Einrichtung
zum Inprozeßabrichten
des Schleifwerkzeugs 16 aufweist. Die Einrichtung umfaßt eine
Abrichtelektrode 18, eine Spannungsquelle 20 und
einen Schleifkontakt 22.
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Die
Inprozeßabrichtung
geschieht mittels eines elektrochemischen Prozesses, welcher durch eine
Spannung zwischen der Schleifscheibe 8 und der Elektrode 18 angetrieben
wird.
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Ein
Pol der Spannungsquelle 20 wird über den Schleifkontakt 22 mit
dem Wellenschaft 10 verbunden, so daß das Potential dieses Kontakts über die
Befestigung der Schleifscheibe 8 auf dem Wellenschaft 10 auch
an der Schleifscheibe anliegt. Der andere Pol der Spannungsquelle
ist mit der Abrichtelektrode 18 verbunden, so daß eine Spannung
zwischen Schleifscheibe und Abrichtelektrode anliegt. Das Inprozeßabrichten
wird zweckmäßig nur
während
des Schleifens oder der Rotation des Wellenschafts vorgenommen, um
einen ungleichmäßigen Materialabtrag
von der Schleifscheibe zu verhindern.
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Bei
der ultraschallunterstützten
Schleifbearbeitung kann durch das elektrochemische Abrichten die
Hüllkurve,
bzw. das Profil weitgehend kraftfrei abgerichtet werden. Das negative
Profil 24 der Abrichtelektrode wird durch das Abrichten
in die Hüllkurve der
schwingenden Scheibe eingearbeitet, bzw. auf die Hüllkurve übertragen.