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Die Erfindung bezieht sich auf ein Bearbeitungszentrum mit mindestens einer Einrichtung zur Herstellung eines Mikroschleifstiftes, insbesondere mit einem Maximaldurchmesser von 50 µm, aus einem Rohling.
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Von der Herstellung bis zur Verwendung eines Mikroschleifstifts muss dieser mehrmals prozess- bzw. maschinenbedingt umgespannt werden, wobei aus dem Umspannen Rundlauf- und Konzentrizitätsabweichungen resultieren. Diese Rundlaufabweichungen führen zu signifikanten Störungen im Schleifprozess bzw. führen bei Mikroschleifstiften mit einem Durchmesser unter 20 µm oft zu einem Bruch des Mikroschleifstifts.
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Die Herstellung von Mikroschleifstiften wird in unterschiedlichen, jeweils auf einen Fertigungsprozess spezialisierten Fertigungseinrichtungen durchgeführt. Dabei wird in einem ersten Herstellungsschritt z.B. durch Schleifen oder mikrofunkenerosive Bearbeitung ein Rohling strukturiert und in einem zweiten Schritt eine Schleifschicht, z. B. galvanisch oder durch CVD-Beschichtung, aufgebracht. Der fertige Mikroschleifstift kann anschließend in einer Bearbeitungsmaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks eingesetzt werden.
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Um die Anzahl der Umspannvorgänge zu reduzieren, ist es bekannt, die Bearbeitung der Rohlinge und deren Beschichtung in einer Einrichtung durchzuführen (z.B. Engmann, J.; Schüler, G. M.; Haberland, R.; Walk, M.; Aurich J. C.: Efficient Technique for 3rd Micro Structuring of Carbide and Brittle Materials with Diamond Microshaft Grinding Tools. In: Van Brussel, H.; Brinksmeier, E.; Spaan, H.; Burke, T.(Hrsg.): Proceedings of the 9th euspen International Conference {1), 2–5 Juni, 2009, San Sebastian, Spanien: S. 97–100 oder Engmann, J.: Galvanisch gebundene Mikroschleifstifte-Entwicklung, Herstellung und Einsatz. Dissertation, Technische Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern, 2011). Hierdurch kann ein Umspannvorgang vermieden werden, es bleibt jedoch ein Handhabungsschritt beim Wechsel von dem Fertigungssystem zu dem Bearbeitungssystem, da hier ein Maschinenwechsel stattfindet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bearbeitungszentrum der eingangs genannten Art zu schaffen, das hohe Rundlaufgenauigkeiten und damit einen Einsatz von Mikroschleifstiften mit einem Durchmesser unter 50 µm ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
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Ein Bearbeitungszentrum umfasst mindestens eine Einrichtung zur Herstellung eines Mikroschleifstiftes, insbesondere mit einem Maximaldurchmesser von 50 µm, aus einem Rohling. Eine Bearbeitungsvorrichtung für ein Werkstück ist angeordnet, das mit dem hergestellten Mikroschleifstift ohne dessen Umspannung zu bearbeiten ist.
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Das Bearbeitungszentrum vereinigt Einrichtungen zur Herstellung des Mikroschleifstiftes, der einen Durchmesser kleiner 50 µm, bevorzugt kleiner 30 µm, weiterhin bevorzugt kleiner 20 µm und besonders bevorzugt etwa 10 µm aufweist, und eine Bearbeitungsvorrichtung für das Werkstück mit dem Mikroschleifstift, so dass ein einmal eingespannter Rohling in mehreren Bearbeitungsschritten zunächst zu einem Mikroschleifstift verarbeitet wird, der in derselben Einspannung als Bearbeitungswerkzeug dient. Mit dem Bearbeitungszentrum werden Ungenauigkeiten im Rundlauf der Mikroschleifstifte vermieden, weshalb Mikroschleifstifte mit einem sehr kleinen Durchmesser zum Einsatz kommen können. Darüber hinaus wird ein Versagen der Mikroschleifstifte aufgrund von Bruch vermieden, da ein verhältnismäßig exakter Rundlauf des Werkzeuges zu erzielen ist. Im weiteren ist die Bearbeitungszeit aufgrund fehlender Umspannungen des Mikroschleifstiftes relativ gering.
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In Ausgestaltung ist ein Werkzeugspeicher zur Aufnahme von Mikroschleifstiften und/oder Rohlingen für die Mikroschleifstifte abgeordnet. Ein Werkzeugwechsel bzw. ein Wechsel von einem Werkzeug zu einem Rohling, aus dem ein Mikroschleifstift gefertigt wird, kann innerhalb des Bearbeitungszentrums vollautomatisch erfolgen.
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Zweckmäßigerweise sind eine Schleifeinrichtung zur mechanischen Bearbeitung des Rohlings und eine Galvanikeinrichtung zur Beschichtung des Mikroschleifstiftes mit einem Schleifmittel angeordnet. Bei der Schleifeinrichtung handelt es sich um ein Präzisionsschleifmodul, das im Wesentlichen zwei Hautkomponenten umfasst, nämlich einen Lineartisch zum Verfahren von Schleifspindeln und die Schleifspindeln selbst. Der Lineartisch wird durch einen Schrittmotor mit Mikroschrittbetrieb, einem Schwingungsdämpfer und einer Präzisionskugelumlaufspindel mit einer Steigung von 2 mm angetrieben. Die Führung des Lineartischs erfolgt durch Präzisionsprofilschienenführungen. Auf dem Lineartisch sind zwei luftgelagerte Schleifspindeln montiert, von denen eine Schleifspindel zum Vorschleifen und eine Schleifspindel zum Feinschleifen der Kontur des Mikroschleifstifts dient.
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Die Schleifspindeln sind axial und radial luftgelagert und für geringe Drehzahlen (4000 U/min) ausgelegt. Der Antrieb erfolgt über einen externen Elektromotor. Die Schleifspindeln sind derart konzipiert, dass konventionelle Schleifscheiben, mit oder ohne Aluminiumgrundkörper, gespannt werden können. Die Galvanikeinrichtung ist derart ausgelegt, dass Mikroschleifstifte sowohl mit Diamant-Schleifkörnern als auch mit CBN-Schleifkörnern (kubisch kristallines Bornitrid) galvanisch zu beschichten sind. Die Galvanikeinrichtung umfasst eine auf einer Linearachse montierte Bäderplatte mit zwei Reihen von Bädern zur wahlweisen Beschichtung der Mikroschleifstifte mit den Diamant- oder den CBN-Schleifkörnern Im weiteren ist mindestens ein Vibrationsbad zur Reinigung des zu beschichtenden Mikroschleifstifts, ein Galvanikbad zur Abscheidung einer reinen Nickelschicht und ein Galvanikbad zur Abscheidung einer Nickel-Diamant- bzw. Nickel-CBN-Dispersionsschicht vorgesehen. Des Weiteren ist auf der Bäderplatte ein Rührmechanismus zur Durchmischung der Galvanikbäder mit den Dispersionen angebracht, der das Absinken der Diamant- bzw. CBN-Körner im Dispersionsbad verhindert und eine gleichmäßige Durchmischung sicherstellt. Zusätzlich können die Galvanikbäder mit einem Deckel verschlossen werden, um eine Verdunstung des Elektrolyten zu verhindern. Zur Trocknung des Mikroschleifstifts nach der Reinigung sind in einem auf der Bäderplatte angeordneten Gehäuse Druckluftdüsen angebracht. Durch das Verfahren der Bäderplatte mit einen Schrittmotor kann das jeweils benötigte Galvanikbad unter einer Galvaniköffnung positioniert werden. Um Verunreinigungen der Galvanikbäder zu verhindern, ist das Gehäuse der Galvanikeinrichtung bis auf eine etwa 10 mm breite Öffnung komplett geschlossen. Durch diese Öffnung kann der vorgefertigte Mikroschleifstift in das jeweils bereitgestellte Galvanikbad eingetaucht werden. Die elektrische Kontaktierung des zu galvanisierenden Mikroschleifstift erfolgt über Kontaktdrähte, die über die Öffnung gespannt sind.
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Nach einer Weiterbildung ist eine Mikrofunkenerosionseinrichtung zur Bearbeitung des Rohlings angeordnet. Der geschliffene Rohling wird stirnseitig mittels der Mikrofunkenerosionseinrichtung mit einer gewünschten Kontur versehen, um nachfolgend in die Galvanikeinrichtung zur Weiterbearbeitung zu gelangen.
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Vorteilhafterweise umfasst die Bearbeitungsvorrichtung einen Kreuzschlitten mit einer Befestigungsvorrichtung für das Werkstück. Bei dem Kreuzschlitten kann es sich um einen auf dem Maschinenbett des Bearbeitungszentrums montierten Hochpräzisions-X-Y-Bearbeitungstisch handeln. Der Kreuzrollen gelagerte Bearbeitungstisch ermöglicht durch einen integrierten Linearmotorantrieb und vorhandene Glasmaßstäbe einen Verfahrweg von etwa 60 × 60 mm bei einer Genauigkeit von ±0,25 µm und einer Wiederholgenauigkeit von ±0,075 µm.
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In weiterer Ausgestaltung weist ein Maschinenbett die Form eines Portals mit zwei brückenförmigen Ständern auf, an denen eine Bearbeitungsspindel verfahrbar gelagert ist. Bevorzugt weist die Bearbeitungsspindel eine Spanneinrichtung mit einer Präzisionsspannzange zur klemmenden Aufnahme eines Schaftes des Mikroschleifstiftes bzw. des Rohlings auf. Zweckmäßigerweise ist die Bearbeitungsspindel luftgelagert und die Spanneinrichtung pneumatisch betätigbar. Das Bearbeitungszentrum ist als Desktopmaschine mit einer Größe von etwa 800 × 500 × 600 mm in Gantry-Bauweise konzipiert, aus Naturgranit gefertigt und durch Luftfedern von der Umgebung schwingungsentkoppelt. Auf seitlich angebrachten Portalständern aus Granit ist ein Portal als Träger einer Z-Achse mit innenliegender Bearbeitungsspindel auf Linearführungen verfahrbar montiert. Durch das Verfahren des Portals kann die Z-Achse über den Werkzeugspeicher, verschiedenen Einrichtungen zur Herstellung des Mikroschleifstifts und der Bearbeitungsvorrichtung mit dem Werkstück auf dem Maschinenbett positioniert werden. Das die Z-Achse tragende Portal bildet zusammen mit einer Präzisions-Profilschienenführung mit Kugelwagen und einem Präzisionsmodul mit Kugelgewindetrieb eine lineare U-Achse, die durch einen Schrittmotor mit Mikroschrittbetrieb angetrieben wird. Die Z-Achse besteht aus einem Innen- und einem Außenkäfig und ist im Zentrum des Portals montiert, wobei der Innenkäfig durch Kreuzrollenführungen in Kreuzanordnung im Außenkäfig gelagert ist. Der Antrieb ist durch einen Linearmotor realisiert und als Feedbacksystem ist ein Glasmaßstab mit einer theoretischen Auflösung (nach Interpolation) von unter 0,5 nm adaptiert. Um den Linearmotor nahezu kraftfrei zu betreiben und somit die höchste Präzision zu erreichen, wird durch ein Counter-Balance-System bestehend aus zwei luftgelagerten Pneumatik Zylindern die Gewichtskraft des Innenkäfigs der Z-Achse aufgehoben. Durch ein Präzisionsregelventil kann das Counter-Balance-System an unterschiedliche Gewichtskräfte stufenlos angepasst werden. Im Inneren des Innenkäfigs der Z-Achse befindet sich die als Präzisions-Werkzeugspindelmodul (PWSM) mit integrierter mechanischer Schnittstelle nach den Gestaltungsprinzipien einer kinematischen Kopplung ausgestaltete Bearbeitungsspindel, bei deren Konstruktion sowohl eine thermische Entkopplung der Bearbeitungsspindel vom gesamten System des Bearbeitungszentrums als auch eine Wechselbarkeil der Bearbeitungsspindel mit hoher Wechselgenauigkeit vorgesehen ist. Als Bearbeitungsspindel kommt eine Luftlagerspindel mit 160.000 U/min zum Einsatz. Vorzugsweise ist eine Rechnersteuerung für die Einrichtung zur Herstellung des Mikroschleifstiftes die Bearbeitungsvorrichtung, die Spanneinrichtung und die Bearbeitungsspindel vorgesehen. Alle Funktionen des Bearbeitungszentrums werden durch Regelungshardware und -software gesteuert.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Bearbeitungszentrums nach der Erfindung,
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2 eine Teildarstellung des Bearbeitungszentrums nach 1,
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3a bis 3e verschiede Fertigungsstadien bei der Bearbeitung ausgehend von einem Rohling bis zu einem fertigen Mikroschleifstift und
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4 eine vergrößerte Teildarstellung der Einzelheit IV nach 3e.
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Das Bearbeitungszentrum umfasst ein aus Granit gefertigtes Maschinenbett 1 in Form eines Portals mit zwei Brücken 2, an denen eine dem Mikroschleifstift 3 halternde Bearbeitungsspindel 4 kreuzweise verfahrbar gelagert ist. Um Ungenauigkeiten des Rundlaufs des Mikroschleifstifts 3 aufgrund von Umspannvorgängen während der Herstellung und dem nachfolgenden Einsatz des Mikroschleifstifts 3 zu vermeiden, sind auf dem Maschinenbett 1 ein Werkzeugspeicher 5 zur Aufnahme von Rohlingen 6 und Mikroschleifstiften 3, eine Schleifeinrichtung 7, eine Mikrofunkenerosionseinrichtung 8, eine Galvanikeinrichtung 9 und eine Bearbeitungsvorrichtung 10 für ein Werkstück angeordnet.
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Die Schleifeinrichtung 7 umfasst einen von einem Gehäuse 11 überdeckten, mit einem Schrittmotor angetriebenen Lineartisch zum Verfahren von Schleifspindeln 12 sowie die Schleifspindeln 12 selbst, die luftgelagert sind und zum Vor- und Fertigschleifen dienen. Die beiden Schleifspindeln 12 werden mittels einer Antriebsspindel 13 eines Elektromotors, mit dem sie über einen Riemen verbunden sind, angetrieben.
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Durch das Vorschleifen wird an dem eine Spitze aufweisenden Rohling zunächst ein Kegelstumpf geschliffen, der weiter in seinem Durchmesser reduziert und wiederum mit einem Kegelstumpf an seinem freien Ende versehen wird. Beim Feinschleifen wird der endseitige Kegelstumpf bis auf den Enddurchmesser, der kleiner als 50 µm ist, abgeschliffen. Anschließend wird der Rohling mit dem Enddurchmesser an seinem freien Ende in der Mikrofunkenerosionseinrichtung 8 in seiner Oberfläche und Geometrie optimiert, um schließlich in die mehrere unter einer Abdeckung 14 angeordnete Bäder umfassende Galvanikeinrichtung 9 zu gelangen. In der Galvanikeinrichtung wird neben vorbereitender Reinigung im Wesentlichen das Schleifmittel auf den Mikroschleifstift 3 aufgebracht, der in seiner Einspannung in der Bearbeitungsspindel 4 bleibt und mittels eines die brückenförmigen Ständer 2 überspannenden Linearschlittens 15 zu der Bearbeitungsvorrichtung 10 verfahrbar ist. Die Bearbeitungsvorrichtung 10 umfasst einen verfahrbaren Kreuzschlitten 16 mit einer Befestigungsvorrichtung 17 für das Werkstück.
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Sämtliche Antriebe und Messeinrichtungen sind mit einem Rechner verbunden, um mit einer entsprechenden Regelungssoftware gesteuert zu werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschinenbett
- 2
- Ständer
- 3
- Mikroschleifstift
- 4
- Bearbeitungsspindel
- 5
- Werkzeugspeicher
- 6
- Rohling
- 7
- Schleifeinrichtung
- 8
- Mikrofunkenerosionseinrichtung
- 9
- Galvanikeinrichtung
- 10
- Bearbeitungsvorrichtung
- 11
- Gehäuse
- 12
- Schleifspindel
- 13
- Antriebsspindel
- 14
- Abdeckung von 9
- 15
- Linearschlitten
- 16
- Kreuzschlitten
- 17
- Befestigungsvorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Engmann, J.; Schüler, G. M.; Haberland, R.; Walk, M.; Aurich J. C.: Efficient Technique for 3rd Micro Structuring of Carbide and Brittle Materials with Diamond Microshaft Grinding Tools [0004]
- Van Brussel, H.; Brinksmeier, E.; Spaan, H.; Burke, T.(Hrsg.): Proceedings of the 9th euspen International Conference {1), 2–5 Juni, 2009, San Sebastian, Spanien: S. 97–100 [0004]
- Engmann, J.: Galvanisch gebundene Mikroschleifstifte-Entwicklung, Herstellung und Einsatz. Dissertation, Technische Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern, 2011 [0004]
