DE102006037490A1

DE102006037490A1 - Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE102006037490A1
Application number: DE102006037490A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl.-Ing. Boller
Original assignee: WOLTERS PETER FA; Peter Wolters AG
Current assignee: Lapmaster Wolters GmbH
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: JP5215613B2; US7367867B2; JP2008044098A; US20080038989A1; DE102006037490B4

Abstract

Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine, mit einer oberen und unteren Arbeitsscheibe, die an einer oberen bzw. unteren Trägerscheibe anliegt und daran befestigt sind und die koaxial zueinander angeordnet und relativ zueinander über eine Antriebswelle von einem Antriebsmotor drehend antreibbar sind, wobei zwischen den Arbeitsscheiben ein Arbeitsspalt gebildet ist, in dem flache Werkstücke beidseitig bearbeitet werden, und einer Abstandsmeßvorrichtung, die an mindestens zwei radial beabstandeten Punkten des Arbeitsspaltes den Abstand der Arbeitsscheiben mißt, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Trägerscheibe an einem Tragring aufgehängt ist, der drehfest mit der oberen Arbeitswelle verbunden ist, zwischen dem Tragring ein ringförmiger Abschnitt der Trägerscheibe, radial außen vom Tragring, steuerbare Mittel angeordnet sind, über die mit Hilfe eines Krafterzeugers eine radiale Kraft über den Umfang des Tragrings auf die Trägerscheibe aufgebracht wird, und eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von den von der Abstandsmeßvorrichtung gemessenen Abstandswerten oder von den von einer Kraftmeßvorrichtung gemessenen Druckwerten die Kraft am Krafterzeuger einstellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Unter einer Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine wird eine Maschine verstanden, die eine obere und eine untere Arbeitsscheibe aufweist, zwischen denen flache Werkstücke bearbeitet werden, die mit planparallelen Oberflächen versehen werden sollen. Derartige Maschinen dienen zum Polieren, Lappen oder auch Schleifen.
Aus DE 102 29 941 A1 ist z.B. eine Doppelseiten-Schleifmaschine bekannt geworden. Doppelseiten-Schleifmaschinen sind auch aus DE 199 37 784 A1 oder DE 690 24 681 T2 bekannt.
Aus US 2006/0040589 A1 ist bekannt geworden, mit Hilfe einer geeigneten Abstandsmeßvorrichtung bei einer Doppelseiten-Poliermaschine den Spaltabstand an mindestens zwei radial beabstandeten Punkten zu messen und in Abhängigkeit von den Meßwerten die Zufuhr des Kühlmittels zu den Arbeitsscheiben zu regeln.
Da die Werkstücke in dem Spalt zwischen oberer und unterer Arbeitsscheibe bewegt werden, wird ihre Geometrie maßgeblich durch die Geometrie der Arbeitsscheiben bestimmt. Die Temperaturstabilität während des Bearbeitungsprozesses ist ein wichtiges Kriterium, um qualitativ hochwertige Werkstücke zu fertigen. Daher wird beim Bearbeiten die benötigte Temperatur in einem Labyrinth eingestellt, das zwischen Trägerscheibe und Arbeitsscheibe angeordnet ist und in dem ein Kühlmittel zirkuliert. Durch das eingebaute Kanalsystem wird normalerweise temperiertes Wasser gepumpt.
Der übliche Aufbau derartiger Bearbeitungsmaschinen sieht vor, daß die eigentliche Arbeitsscheibe an einer Trägerscheibe anliegt, die ihrerseits mit einer Welle gekoppelt ist, die von einem geeigneten Antriebsmotor in Drehung versetzt wird. Aufgrund unterschiedlicher Temperaturverhältnisse an der Arbeitsscheibe verformt sich diese und verursacht einen ungleichmäßigen Arbeitsspalt. Durch die erwähnte Abstandsmessung kann zwar das Auftreten einer derartigen Verformung festgestellt werden, es ist jedoch nicht immer möglich, durch geeignete Temperaturbeeinflussung bzw. gezielte Kühlung derartige Verformungen zu kompensieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine zu schaffen, mit der eine gezielte Verformung der oberen Arbeitsscheibe erzielt wird, insbesondere zur Kompensation von unerwünschten Änderungen des Arbeitsspalts aufgrund einer Verformung der Arbeitsscheibe.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine ist die obere Trägerscheibe an einem Tragring aufgehängt, der drehfest mit der oberen Arbeitswelle verbunden ist. Bekanntlich wird die obere Arbeitsscheibe mit einem gewissen Druck in Richtung untere Arbeitsscheibe gedrückt, um bei der Bearbeitung eine gewünschte Kraft auf die Werkstücke auszuüben. Die Aufhängung der Trägerscheibe und damit auch der oberen Arbeitsscheibe muß sicherstellen, daß ein solcher Druck von der Welle aus auf die Arbeitsscheibe erzeugt werden kann.
Erfindungsgemäß ist ferner zwischen dem Tragring und einem ringförmigen Abschnitt der Trägerscheibe auf der radial äußeren Seite des Tragrings ein steuerbares Mittel angeordnet, über das mittels eines Krafterzeugers eine radiale Kraft über den Umfang des Tragrings auf die Trägerscheibe aufgebracht wird. Durch Aufbringen einer Kraft in der beschriebenen Art und Weise ist es möglich, eine zunächst ebene Arbeitsfläche der Arbeitsscheibe in eine leicht konkave Fläche zu verändern. Umgekehrt ist es möglich, eine zunächst leicht konvexe Arbeitsscheibe durch Aufbringen eines vorbestimmten Druckes in eine plane bzw. konkave Arbeitsscheibe umzuformen.
Bei der Erfindung ist schließlich eine Regelvorrichtung vorgesehen, die in Abhängigkeit von den von der Abstandsmeßvorrichtung gemessenen Abstandswerten die Kraft am Krafterzeuger einstellt.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung ist die Konvexität oder Konkavität der oberen Arbeitsscheibe stufenlos einstellbar. Außerdem ist es möglich, eine vorbereitete konvexe Form (z.B. durch Einlappen) der Arbeitsscheiben in eine konkave Form umzusteuern. Die Erfindung erlaubt mithin eine einstellbare Anpassung des Arbeitsspaltes vor jeder Polierfahrt und auch während der Polierfahrt unabhängig vom mechanisch vorbereiteten Spalt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ringabschnitt von der übrigen Trägerscheibe axial nach oben erstreckt ist. Der Ringabschnitt kann daher eine Art axialer ringförmiger Bund sein, an dem die Kraft des Krafterzeugers angreift, um die Arbeitsscheibe zu verformen. Die Kraft kann entweder in Umfangsabständen aufgebracht werden oder auch kontinuierlich über den Umfang.
Es sind verschiedene konstruktive Möglichkeiten denkbar, zwischen dem Tragring und dein Ringabschnitt der Trägerscheibe eine radial nach außen gerichtete Kraft aufzubringen. Hierfür sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß zwischen dem Tragring und dem Ringabschnitt der Trägerscheibe ein in Umfangsrichtung umlaufender Ringkanal geringer Breite gebildet ist und der Krafterzeuger ein Druckerzeuger ist, der mit dem Ringkanal verbunden ist und einen vorgegebenen Druck im Ringkanal erzeugt. Der Ringkanal ist vorzugsweise relativ schmal, vorzugsweise ein Ringschlitz, der jedoch zu allen Seiten, insbesondere nach unten und oben abgedichtet ist. Die Anordnung des Ringschlitzes bzw. der Fläche des Ringabschnitts, welche dem Ringkanal zugekehrt ist, ist vorzugsweise derart, daß diese Fläche annähernd auf der Mitte der radialen Breite der ringförmigen Arbeitsfläche der Trägerscheibe liegt.
Der im Ringkanal zu erzeugende Druck wird vorzugsweise hydraulisch erzeugt, wobei als Hydraulikmedium vorzugsweise Wasser verwendet wird. Die Zufuhr kann über einen Drehübertrager und die Welle für den Antrieb der oberen Scheibe übertragen werden, was jedoch ohne weiteres zu verwirklichen ist. Vorzugsweise wird jedoch auf dem Tragring ein Druckübersetzer (Verstärker) eingesetzt, der einen pneumatischen Druck in verstärkten hydraulischen Druck wandelt und mit einer Zylinderbohrung im Tragring zusammenwirkt. Die Zufuhr der geregelten Druckluft erfolgt über einen Drehverteiler. Die Zylinderbohrung ist über eine Querbohrung mit dem Ringkanal verbunden. In der Zylinderbohrung unterhalb des Kolbens und dem Ringkanal ist ein Hydraulikmedium, vorzugsweise Wasser, aufgenommen. Der Antrieb des Kolbens erfolgt über einen extern erzeugten Druck, der von irgendeiner pneumatischen Druckquelle kommen kann.
Wesentlich ist, daß der Druck steuerbar ist, damit auch die gewünschte Verformung präzise erreicht wird.
Zur Steuerung des Kraft- bzw. Druckerzeugers ist, wie erwähnt, die Ermittlung der Geometrie des Arbeitsspaltes notwendig. Hierfür können geeignete Sensoren eingesetzt werden, wie sie an sich bekannt sind, beispielsweise Wirbelstromsensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren usw..
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer herkömmlichen Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine.
2 zeigt äußerst schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine.
3 zeigt eine konvexe Verformung der oberen Arbeitsscheibe der Maschine nach 2.
4 zeigt schematisch die konkave Verformung der oberen Arbeitsscheibe der Bearbeitungsmaschine nach 2.
5 zeigt einen Teil der oberen Arbeitsscheibe einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine mit einer konstruktiven Verwirklichung zur Verformung der oberen Arbeitsscheibe.
In 1 ist eine obere Trägerscheibe 10 und eine untere Trägerscheibe 12 dargestellt, die jeweils mit einer Welle eines Drehantriebs verbunden sind, was nicht dargestellt ist. Mit der Trägerscheibe 10, 12 ist eine Arbeitsscheibe 14, 16 fest verbunden, wobei die Scheiben 10, 14 bzw. 12, 16 plan gegeneinander liegen. Die Arbeitsscheiben können zum Läppen, Schleifen oder Polieren dienen. Sie haben einen dementsprechenden Aufbau bzw. Arbeitsbelag, was jedoch an sich bekannt ist. Die Trägerscheiben 10, 12 können außerdem mit einem geeigneten Kanalsystem versehen werden, um eine Kühlung der Arbeitsscheiben 14, 16 herbeizuführen. Bekanntlich entsteht während des Arbeitsprozesses eine erhöhte Temperatur, die unter Umständen dazu führt, daß der Spalt s zwischen den Arbeitsscheiben 14, 16 über den Radius von innen nach außen unterschiedliche Werte annimmt. Um ein planparalleles Schleifen der Werkstücke zu garantieren, muß die Spaltbreite von innen nach außen stets gleich groß sein.
In 2 sind obere und untere Arbeitsscheibe 14, 16 mit einer speziellen Trägerscheibe 10a bzw. 12a verbunden. Die obere Trägerscheibe 10a weist annähernd in der Mitte der radialen Erstreckung ihrer Arbeitsfläche einen nach oben stehenden Ringabschnitt 18 auf. Innerhalb des Ringabschnitts 18 liegt ein Tragring 20, der über sternförmig angeordnete Arme 22 mit der oberen Welle 24 des Drehantriebs verbunden ist. Über in 2 nicht dargestellte Mittel ist die Trägerscheibe 10a am Tragring aufgehängt, so daß auf diese Weise eine Drehung der Welle 24 auch eine Drehung der Arbeitsscheibe 14 bewirkt.
Zwischen dem Tragring 20 und dem Ringabschnitt 18 ist ein Ringschlitz 26 gebildet. Der Ringschlitz ist abgedichtet und mit dem Kanal 28 verbunden. Der Kanal ist mit einem Druckübersetzer 30 in Verbindung, der von einem Proportionalventil 32 mit variablem Druck versorgt wird. Die Darstellung ist nur schematisch. Es soll angedeutet werden, daß es mit Hilfe des Druckübersetzers 30 und des Proportionalventils 32 möglich ist, im Ringschlitz 26 einen vorgegebenen Druck zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. Die Ansteuerung des Proportionalventils 32 erfolgt über einen Regler 34, der mit einem Soll-Ist-Wert-Vergleich verbunden ist. Vom Block 38 wird ein Sollwert für den Spaltabstand s vorgegeben und vom Block 40 wird der Istwert für den Spaltabstand eingegeben, der mit Hilfe von zwei in der Arbeitsscheibe 14 eingelassenen Sensoren 42 bzw. 44 gemessen wird. Es versteht sich, daß bei einer Verformung der Arbeitsscheibe 14 über den Radius kein einheitlicher Abstand gemessen werden kann, vielmehr können Abstandsunterschiede ermittelt werden, die dann gemäß 2 dazu führen, daß ein mehr oder weniger großer Druck im Ringschlitz 26 erzeugt wird.
In 3 ist gezeigt, wie die obere Arbeitsscheibe 14 eine konvexe Form einnimmt. Es versteht sich, daß die Darstellung äußerst übertrieben ist. Die Konvexität bewegt sich in bezug auf die untere Arbeitsscheibe 16 in Spaltbreitenunterschieden im μ-Bereich. In 4 ist gezeigt, wie durch die beschriebene Verformung der oberen Trägerscheibe 10a und damit der oberen Arbeitsscheibe 14 nunmehr diese eine konkave Form einnimmt. Die konvexe Form kann z.B. der oberen Scheibe von vorn herein vorgegeben werden. Sie wird durch entsprechende Druckbeaufschlagung im Ringschlitz 26 kompensiert bzw. überkompensiert je nach den gemessenen Spaltbreiten.
In 5 ist im Schnitt eine obere Trägerscheibe 50 für eine obere Arbeitsscheibe 52 dargestellt. Die Arbeitsscheibe 52 ist mittels Schraubenbolzen 54 an der Trägerscheibe 50 angebracht. Dies ist an sich bekannt. Trägerscheibe 50 und Arbeits scheibe 52 sind von zueinander ausgerichteten vertikalen Kanälen durchsetzt, die mit Leitungen 56 verbunden sind für die Zufuhr eines Läppmittels. Die Trägerscheibe 50 hat, wie auch die Trägerscheibe der Maschine nach den 2 bis 4, einen nach oben stehenden Ringabschnitt 58. Auf der radial innenliegenden Seite des Ringabschnitts 58 ist ein Tragring 60 angeordnet. Mit der Oberseite des Ringabschnitts 58 ist ein Haltering 62 verschraubt. Der Haltering 62 hält den Tragring 60 in der gezeigten Position in Anlage an die zugekehrte Seite des Ringabschnitts 58 und den Absatz 64, der durch den Ringabschnitt 58 gebildet ist. Der Tragring 60 ist durch einzelne nicht bezeichnete Dichtungen in seinen Anlageflächen abgedichtet. Zwischen der radial äußeren Fläche des Tragrings und der radial inneren Fläche des Ringabschnitts 58 ist ein Ringschlitz 66 gebildet. Dieser Ringschlitz 66 ist durch die beschriebenen Dichtungen abgedichtet. Er steht über einen querverlaufenen Kanal 68 im Tragring 60 mit einer achsparallelen Bohrung 70 in Verbindung.
Auf den Tragring 60 sitzt ein Druckverstärker 72, in dem ein Kolben 74 angeordnet ist. Eine Kolbenstange 76 des Kolbens greift in die Bohrung 70 ein. Im Ringschlitz 66 befindet sich ein hydraulisches Medium, z.B. Wasser. Wird der Kolben 76 unter Druck in die Bohrung 70 hineingedrückt, wird im Ringschlitz 66 ein vorgegebener Druck erzeugt. Dieser Druck führt dazu, daß über den Ringabschnitt 58 eine Verformungskraft auf die Trägerscheibe 50 und damit auch auf die Arbeitsscheibe 52 aufgebracht wird und zu einer Verformung führt, wie sie weiter oben bereits anhand der 2 bis 4 beschrieben wurde.
Der Kolben 74 kann hydraulisch oder vorzugsweise pneumatisch geregelt werden. Zu diesem Zweck ist eine Leitung 76 an den Zylinder 72 angeschlossen. Die Leitung 76 ist mit einem geeigneten Druckerzeuger bzw. einer geeigneten Druckquelle verbunden, um einen vorgegebenen Druck auf den Kolben 74 zu erzeugen und damit einen vorgegebenen Druck im Ringschlitz 66. Der Druck wird nach Maßgabe des vermessenen Spaltes s zwischen der oberen und unteren Arbeitsscheibe geregelt.
In 5 sind zwei unterschiedliche Sensoren angedeutet zur Messung der Spaltbreite s. Radial außen sitzt in der Arbeitsscheibe 52 ein Druckmesser 80. Er mißt den Druck, welcher von der Arbeitsscheibe auf die nicht gezeigten Werkstücke ausgeübt wird. Die Druckwerte werden über eine Leitung 82 mit der Regeleinrichtung verbunden, damit nach Maßgabe der Druckwerte die beschriebene Verformung der oberen Arbeitsscheibe 52 bewirkt werden kann.
Radial innen sitzt ebenfalls ein Kraftsensor 84, der den Druck auf die Werkstücke bestimmt und in Kombination mit dem Kraftsensor 80 somit indirekt über den Druck auf den jeweiligen Abstand der Scheiben schließen läßt. Die Meßwerte sind über eine Leitung 86 mit der bereits erwähnten Regeleinrichtung verbunden. Eine weitere Möglichkeit der indirekten Messung kann über Temperatursensoren erfolgen, die ähnlich wie die Kraftsensoren radial innen und außen angebracht sind. Der Abstand „S" kann natürlich auch direkt über Wirbelstromsensoren gemessen werden.
Wie in 5 weiter erkennbar ist, ist die bei 24 angedeutete Antriebswelle über mehrere sternförmig angeordnete Arme mit dem Tragring 60 fest verbunden. Ein Arm ist bei 88 angedeutet.

Claims

Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine, mit einer oberen und unteren Arbeitsscheibe, die an einer oberen bzw. unteren Trägerscheibe anliegt und daran befestigt ist und die koaxial zueinander angeordnet und relativ zueinander über eine Antriebswelle von einem Antriebsmotor drehend antreibbar sind, wobei zwischen den Arbeitsscheiben ein Arbeitsspalt gebildet ist, in dem flache Werkstücke beidseitig bearbeitet werden, und einer Abstandsmeßvorrichtung, die an mindestens zwei radial beabstandeten Punkten des Arbeitsspaltes den Abstand der Arbeitsscheiben mißt, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Trägerscheibe (10a, 50) an einem Tragring (20, 60) aufgehängt ist, der drehfest mit der oberen Arbeitswelle (24) verbunden ist, zwischen dem Tragring (20, 60) ein ringförmiger Abschnitt (18, 58) der Trägerscheibe radial außen vom Tragring (20, 60) steuerbare Mittel angeordnet sind, über die mit Hilfe eines Krafterzeugers eine radiale Kraft über den Umfang des Tragrings (20, 60) auf die Trägerscheibe (10, 10a, 50) aufgebracht wird und eine Regelvorrichtung (34) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von den von der Abstandsmeßvorrichtung gemessenen Abstandswerten oder von den von einer Kraftmeßvorrichtung gemessenen Druckwerten die Kraft am Krafterzeuger einstellt.
Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringabschnitt (18, 58) von der übrigen Trägerscheibe (10a, 50) axial nach oben erstreckt ist.
Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Kraft in Umfangsabständen oder kontinuierlich auf den Ringabschnitt (18, 58) aufgebracht wird.
Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Tragring (20, 60) und dem Ringabschnitt (18, 58) ein in Umfangsrichtung umlaufender Ringkanal (66) geringer Breite ausgebildet ist und der Krafterzeuger ein Druckerzeuger ist, der mit dem Ringkanal (66) verbunden ist und einen vorgegebenen Druck im Ringkanal (66) erzeugt.
Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (66) ein Ringschlitz ist.
Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Ringkanal (66) zugekehrte Ringfläche des Ringabschnitts (18, 58) annähernd in der Mitte der radialen Arbeitsbreite der ringförmigen Trägerscheibe (10a, 50) liegt.
Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Tragring (60) ein Zylinder (72) mit einem Kolben (74) angeordnet ist, der Kolben (74) mit einer Zylinderbohrung (70) im Tragring (60) zusammenwirkt, die über eine Querbohrung (68) mit dem Ringkanal (66) verbunden ist und im Ringkanal (66) und in der Zylinderbohrung ein Hydraulikmedium aufgenommen ist.
Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (74) von einem steuerbaren Druck einer Hydraulikquelle betätigbar ist.
Doppelseiten-Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmeßvorrichtung mit Wirbelstromsensoren für eine indirekte Messung mit Temperatur- und/oder Drucksensoren ausgerüstet ist.