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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur duktilen Schleifbearbeitung
sprödharter
Werkstoffe.
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In
vielerlei Anwendungsgebieten werden sprödharte Werkstoffe, wie z. B.
Hartmetall, Keramik, Glaskeramik oder Glas mit höchsten Oberflächenqualitäten benötigt. Dies
gilt insbesondere für
Glasoptiken, z. B. für
Kameraobjektive, Mikroskope, Ferngläser, Laseranwendungen, Medizinprodukte
oder die Unterhaltungselektronik.
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Für die Herstellung
von optischen Elementen wurde zur Erzeugung höchster Oberflächenqualitäten in der
Industrie bislang in der Regel eine klassische Prozesskette bestehend
aus Vorschleifen, Feinschleifen und Polieren genutzt. Diese Prozesskette ist
sehr zeit- und kostenintensiv, wobei zwischen 60% und 90% der Gesamtzeit
und Gesamtkosten auf den letzten Prozessschritt des Polierens entfallen.
Mit dem Polieren können
Oberflächenrauhigkeiten
im einstelligen Nanometerbereich erzeugt und Randzonenschädigungen
der vorhergehenden Prozessschritte beseitigt werden.
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Aus
der
DE 100 60 696
A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum ultraschallunterstützten Schleifen
einer Werkstückkante
bekannt. Hiermit soll eine wirtschaftliche Bearbeitung einer Kante
eines Werkstückes
aus einem sprödharten
Werkstoff ermöglicht
werden. Als Schleifwerkzeug kann dabei eine Schleifscheibe, ein
Schleifstift oder eine Topfschleifscheibe eingesetzt werden. Dabei
wird die Stirnfläche
des Schleifwerkzeugs während
des Schleifens zu ultraschallfrequenten Längsschwingungen angeregt.
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Ein
ultraschallunterstütztes
Schleifen zur Schleifbearbeitung von sprödharten Hochleistungswerkstoffen
wurde auch bereits durch das Institut für Produktionstechnologie der
Fraunhofer-Gesellschaft offenbart.
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Die Überlagerung
der konventionellen Schleifkinematik mit einer zusätzlichen,
hochfrequent oszillierenden Wirkbewegung bewirkt eine Reduzierung
der Bearbeitungskräfte,
wodurch höhere
Vorschubgeschwindigkeiten und damit größere Zeitspanvolumina ermöglicht werden.
Zudem können
im mikro- und makroskopischen Bereich bessere Oberflächengüten erreicht
werden. Nachteilig ist, dass bei Einsatz des Körperschalls ein duktiles Schleifverfahren
sprödharter
Werkstoffe nicht möglich
ist.
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Ein
duktiles Hochgeschwindigkeitsschleifverfahren für Glaswerkstoffe ist aus der
EP 1 173 306 B1 bekannt.
Bei diesem Verfahren wird ein flexibles Schleifwerkzeug mit der
Oberfläche
eines Glaswerkstückes
in Kontakt gebracht, wobei die das Schleifkorn aufweisende Bindematrix
an einem flexiblen Träger
angebracht ist. Werkstück
und Werkzeug werden an der Oberfläche des Glaswerkstückes relativ zueinander
mit einer Geschwindigkeit von mindestens etwa 16,5 m/s bewegt, wodurch
eine Endoberflächenrauhigkeit
von Ra < 0,03 μm erreichbar
sein soll.
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Es
ist des Weiteren bekannt (SINHOFF, V. R.: Feinbearbeitung optischer
Gläser
in der Kleinserie. Dissertation RWTH Aachen, 1996 und KOCH, E. N.:
Technologie zum Schleifen asphärischer
optischer Linsen. Dissertation RWTH Aachen, 1992), bei einem duktilen
Schleifverfahren den Betrag der auf die Werkstückoberfläche ausgeübten Schleifkraft derart zu
steuern, dass solche Brüche
nicht auftreten, die normalerweise während des Grobschleifens zu sehen
sind. Die Schleifscheiben bestehen dabei aus einem sehr feinen Schleifkorn
von etwa 3 μm
Korndurchmesser. Durch die duktile Schleifbearbeitung können Oberflächenrauheiten
von Ra < 8 nm im
Vergleich zu sprödbrüchig geschliffenen
Oberflächenrauheiten
von Ra < 500 nm
erreicht werden. Durch das beim duktilen Schleifbearbeiten eingesetzte
feinkörnige
Schleifwerkzeug wird eine kritische Einzelkornspanungsdicke unterschritten,
so dass eine rein duktile Spanabnahme ohne Sprödbruch möglich ist.
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Die
Umsetzung des duktilen Schleifverfahrens steht allerdings bisher
in der industriellen Produktion aus, da dieses Verfahren eine exakte
Einstellung von Prozessparametern verlangt. Bei nur geringen Abweichungen
kommt es bereits zu einer Schädigung
des Schleifwerkzeugs, die zeit- und kostenintensive Instandsetzungen
notwendig machen. Dies bringt den gesamten Schleifprozess zum Erliegen und
führt somit
zur Unwirtschaftlichkeit. Regelmäßig führt das
duktile Schleifen sprödbrüchigen Materials zum
Abstumpfen und Zusetzen des Schleifwerkzeugs, bis kein Materialabtrag
mehr möglich
ist, wodurch es zu thermischer und mechanischer Überlastung sowohl des Schleifwerkzeugs
als auch des Werkstücks
kommt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur duktilen Schleifbearbeitung sprödharter Werkstoffe zur Verfügung zu
stellen, die auch ohne abschließenden
Polierprozess mit einer gegenüber
dem Stand der Technik Zeit und Kosten sparenden Schleifbearbeitung höchste Oberflächenqualitäten erlauben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand
der rückbezogenen
Unteransprüche.
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Die
Körperschallbeaufschlagung
des Schleifwerkzeugs hat folgende Effekte: Zum einen brechen stumpfe
Körner
des Schleifwerkzeugs, z. B. Diamanten, schneller und einfacher aus.
Somit werden der schleifenden Werkzeugoberfläche neue, schneidfreudige Körner für den Zerspanungsprozess zur
Verfügung
gestellt. Zudem tritt als Hauptverschleißmechanismus der Körner des
Schleifwerkzeugs eine Mikrosplitterung anstelle der ungewünschten
Abrasion auf, so dass die Konturen der Körner durchgehend scharf und
schneidfreudig bleiben. Zum anderen führt der Körperschalleinsatz zu einer
Reinigung des Schleifbelags, was mit der Wirkungsweise eines Ultraschallreinigungsbads
verglichen werden kann. Somit können
die sehr kleinen Spanräume
des Schleifwerkzeugs von abgetragenen Werkstückpartikeln freigehalten werden,
was ebenfalls für
ein schneidfreudiges und scharfes Werkzeug sorgt.
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Während der
Körperschallbeaufschlagung ist
die Schleifbearbeitung allerdings nicht mehr duktil, d. h. die eigentlich
gewünschten
Oberflächenqualitäten können in
dieser Phase nicht erreicht werden. Deshalb wird die Körperschallbeaufschlagung
allein intermittierend, d. h. das duktile Schleifen kurzseitig unterbrechend,
eingesetzt.
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Das
duktile Schleifen mit intermittierender Körperschallunterstützung kann
das Feinschleifen und/oder den Poliervorgang vollständig ersetzen, wodurch
ein erheblicher Zeit- und damit Kostengewinn verbunden sein kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren
kann aber auch aus Vorschleifen, eventuellem Feinschleifen, duktilem
mit intermittierender Körperschallunterstützung versehenen
Feinstschleifen und eventuell aus einem kurzen Polierprozess bestehen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auch so ausgeführt
werden, dass als Körperschall
Ultraschall eingesetzt wird. Der Ultraschall mit Frequenzen oberhalb
20 kHz hat den Vorteil, dass hierdurch das menschliche Ohr, insbesondere
in der Umgebung der das Verfahren ausführenden Maschinen, weniger
belastet wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist besonders dann vorteilhaft, wenn als Werkstoff Glas eingesetzt
wird. Aufgrund der besseren optischen Eigenschaften wird bei anspruchsvollen
Optiken zumeist Glas anstelle von Kunststoff eingesetzt. Optische Elemente
werden für
viele Anwendungsbereiche, von der Kommunikationstechnik, über die
Lasertechnik, die Automobiltechnik und die Medizintechnik bis hin
zur Unterhaltungselektronik benötigt.
Beispielhafte Anwendungen sind optische Schaltmodule und Arrays
zur Faserkopplung, Strahlformoptiken für Systeme der Materialbearbeitung,
der Medizintechnik und der Displaytechnik sowie optische Sensoren, Head-Up-Displays
und IR-Nachsichtgeräte
sowie Digitalkameras und Beamer.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann aber vorteilhaft auch bei allen anderen sprödharten Werkstoffen, z. B.
Keramik und Hartmetall durchgeführt werden.
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Das
erfindungsgemäß Verfahren
kann auch so ausgeführt
werden, dass das Schleifwerkzeug rotierend ist und die Beaufschlagung
mit Körperschall in
Richtung der Drehachse des rotierenden Schleifwerkzeugs erfolgt.
Dies gilt insbesondere für
topfförmige
Schleifwerkzeuge oder andere Schleifwerkzeuge, deren Drehachse auf
das Werkstück
hin gerichtet ist.
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Alternativ
kann die Richtung des Körperschalls
auch beliebige Winkel zur Drehachse annehmen. Außerdem kann das Verfahren auch
bei solchen Schleifwerkzeugen angewendet werden, deren Drehachse
parallel zur Oberfläche
des zu bearbeitenden Werkstückes
verläuft.
In diesem Fall bietet sich eine Schallrichtung senkrecht zur Drehachse
an. Weiter alternativ kann das Verfahren auch bei nicht rotierenden
Schleifwerkzeugen, z. B. bei sich reziprozierend in der Schleifebene
bewegenden Werkzeugen, insbesondere vibrierenden Schleifwerkzeugen, durchgeführt werden.
Der Körperschall
kann in beliebiger Orientierung, bevorzugt aber senkrecht oder parallel
zur Ebene der Schleifbewegung auf das Schleifwerkzeug aufgegeben
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auch so ausgeführt
werden, dass die Beaufschlagung mit Körperschall in regelmäßigen zeitlichen
Abständen erfolgt.
Dies bedeutet die prozesstechnische einfachste Art und Weise, die
Körperschallbeaufschlagung
wirksam einzubringen. Das Intervall der Körperschallbeaufschlagung wird
dabei durch Art und Geometrie des Werkstückes sowie des Schleifwerkzeuges
und/oder durch weitere Prozessparameter, wie z. B. die Drehgeschwindigkeit
des Schleifwerkzeuges oder die Frequenz des eingesetzten Körperschalls oder
auch durch die Art des eingesetzten Kühlmittels, bestimmt. Bei sich
wiederholenden Schleifvorgängen und
vorgegebenen Parametern oder bei bestimmten Materialien können auf
empirische Weise geeignete Zeitintervalle ermittelt und für zukünftige Prozesse der
Steuerung des Verfahrens eingegeben werden.
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Es
ist auch denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren so durchzuführen, dass
die zwischen dem Schleifwerkzeug und dem Werkstück auftretende Prozesskraft überwacht
wird und bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes der Prozesskraft
die Beaufschlagung mit Körperschall
erfolgt.
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Die
Prozesskraft ist die zwischen dem Schleifwerkzeug und dem Werkstück auftretende Kraft
während
der Schleifbearbeitung. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung
der Prozesskraft sind z. B. aus der
DE 32 44 171 A1 bekannt. Da während des
duktilen Schleifens das Werkzeug kontinuierlich abstumpft und sich
mit abgetragenen Werkstückpartikeln
zusetzt, kommt es zu einem kontinuierlichen Anstieg der Prozesskraft.
Wird diese zu hoch, wird der Prozess instabil und es kann zu Werkzeug-,
Werkstück-
oder Maschinenschäden
kommen. Bei Überwachung
der Prozesskräfte
kann bei Überschreiten
eines zuvor festgelegten Grenzwertes die Körperschallbeaufschlagung ausgelöst werden, wodurch
es zu dem gewünschten
Schärfen
und Reinigen des Schleifwerkzeuges kommt und im Anschluss die Prozesskräfte wieder
signifikant niedriger werden. Gegenüber dem regelmäßigen Einsatz
der Körperschallbeaufschlagung
kann mittels der Prozesskraftüberwachung
der Einsatz des Körperschalls optimiert
werden.
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Aus
dem Stand der Technik bekannte Werkzeugmaschinen, die die Möglichkeit
der Ultraschallbeaufschlagung eines Schleifwerkzeuges vorsehen, können in
einer computergeführten
Steuerung derart angepasst werden, dass der Schleifvorgang stets duktil
endet.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird im Folgenden dargelegt.
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Die
einzige Figur zeigt in einem Diagramm die Prozesskraft aufgetragen über das
Zerspanungsvolumen VW bei einem Schleifprozess.
Zu Beginn wird das bekannte duktile Schleifverfahren, z. B. für eine Glasoptik,
genutzt. Dabei kann ein flächiges,
z. B. topfförmiges
Schleifwerkzeug derart eingesetzt werden, dass in jedem Moment die
gesamte zu behandelnde Werkstückoberfläche bearbeitet
wird. Aus dem Diagramm in 1 ist die
mit zunehmendem Zerspanungsvolumen VW wachsende
Prozesskraft ersichtlich. Dies kann mit dem kontinuierlich Abstumpfen
der Diamantkörner
des eingesetzten Schleifwerkzeuges und dem allmählichen Zusetzen der Spanräume mit
abgetragenen Werkstückpartikeln
erklärt
werden.
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Die
Quadrate 1 im Diagramm der 1 zeigen
Messpunkte für
die Prozesskraft in Abhängigkeit des
Zerspanungsvolumens. 100% Prozesskraft steht dabei für die maximal
ertragbare Prozesskraft des Gesamtsystems aus Werkstück, Werkzeug
und Maschine, wobei oberhalb dieses Maximalwertes die Beschädigung eines
der drei Partner, in der Regel des Werkstücks oder des Schleifwerkzeuges,
erwartet wird. Oberhalb des Wertes von 80% der maximalen Prozesskraft
ist ein kritischer Bereich 2 grau eingefärbt, um
zu verdeutlichen, dass in diesem Bereich der Prozess instabil wird.
Aufgrund zu hoher Kräfte kann
es auch dort bereits zu Schäden
an Werkzeug, Werkstück
oder der Maschine kommen. Des Weiteren kann aufgrund von zu hohen
Temperaturen Schleifbrand auftreten, der zur Beschädigung des Werkstückes und
des Werkzeuges führt.
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Im
vorliegenden Beispiel hat die Prozesskraft noch nicht den kritischen
Bereich 2 erreicht, wenn ein erstes kritisches Zerspanungsvolumen
VW1 vorliegt. Um ein weiteres Ansteigen
der Prozesskraft zu verhindern, wird zu diesem Zeitpunkt das Schleifwerkzeug
mit Ultraschall beaufschlagt, während
der Schleifprozess weitergeführt
wird. Die Amplitude des Ultraschalls betrug in den durchgeführten Versuchen zwischen
3 μm und
20 μm bei
einer Ultraschallfrequenz von ungefähr 20 kHz. Die Dauer des intermittierenden
Körperschalleinsatzes
liegt in der Regel zwischen 5 und 30 Sekunden.
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Während des
Ultraschalleinsatzes kommt es beim Schleifvorgang zu einer Mikrosplitterung
der Diamantkörner
anstelle der ungewollten Abrasion. Hierdurch wird das Werkzeug wieder
schärfer
und schneidfreudiger. Gleichzeitig wird der Schleifbelag aufgrund
des Ultraschalleinsatzes gereinigt, indem die Spanräume des
Schleifwerkzeugs von abgetragenen Werkstückpartikeln befreit werden.
Die Schärfung
und Reinigung des Schleifwerkzeuges bewirkt, dass die Prozesskraft
in etwa wieder auf den ursprünglichen
Wert zurückfällt.
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Während des
Ultraschalleinsatzes ist allerdings kein duktiles Schleifen mehr
gegeben, d. h. die geschliffene Oberfläche weist unmittelbar nach
dem Ultraschalleinsatz nicht die gewünschte hohe Qualität auf.
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Bei
geeignet niedriger Prozesskraft wird die Ultraschallbeaufschlagung
beendet und der Schleifvorgang wird duktil fortgeführt. Hierdurch
kommt es wiederum zu einem Anstieg der Prozesskraft, bis das Schleifwerkzeug
bei Erreichen eines weiteren kritischen Zerspanungsvolumens VW2 bzw. VW3 erneut mit
Ultraschall beaufschlagt wird. Mit jeder Periode des duktilen Schleifens
wird eine höhere
Oberflächenqualität erreicht.
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Der
letzte Verfahrensschritt bei der Schleifbearbeitung muss stets eine
Phase duktilen Schleifens sein, da ansonsten die gewünschte Oberflächenqualität nicht
erreicht werden kann.
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Mit
der intermittierenden Beaufschlagung des Schleifwerkzeuges mit Ultraschall
braucht ein wesentlich zeit- und kostenaufwändigeres Polieren nicht durchgeführt zu werden.