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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schleifwerkzeug nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1. Ein gattungsgemäßes Schleifwerkzeug weist eine starre Welle zur Aufnahme des Schleifwerkzeugs in einem Spannmittel einer Bearbeitungsmaschine (einschließlich Robotertechnik) und einen mit der Welle fest verbundenen flexiblen Träger auf, dessen Oberfläche mit einem Schleifbelag aus Schleifpartikeln versehen ist.
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Blechteile mit Freiformflächen werden bereits seit langem in Masse produziert. Die Blechteile erhalten ihre Form in einer Presse. Sie werden dort unter Verwendung spezieller Umformwerkzeuge tief gezogen. Typische Beispiele für derartige Blechteile finden sich im Karosseriebau. Man denke beispielsweise an Karosseriebauteile wie Türen, Kotflügel oder Motorhauben.
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Die hierfür verwendeten Umformwerkzeuge bestehen aus speziellen Metalllegierungen. Zur Herstellung der Umformwerkzeuge werden zunächst Gussrohteile hergestellt. Diese werden heutzutage in der Regel anschließend mittels computergesteuerter Fräsmaschinen bearbeitet. Um die geforderte hohe Qualität der Blechteile zu gewährleisten, sind hohe Formgenauigkeiten und Oberflächengüten erforderlich. Mit einem reinen Fräsverfahren sind diese Anforderungen nicht erreichbar. Besonders die Oberflächengüte ist ohne weitere Bearbeitung ungenügend, da sich die Fräsbahnen im Oberflächenprofil der Blechteile abzeichnen. Eine automatisierte computergestützte Nachbearbeitung durch Schleifen mit festen Schleifkörpern ist nicht möglich, da es sich bei den zu bearbeitenden Flächen nahezu ausschließlich um Freiformflächen handelt. Eine Verbesserung der Oberfläche durch einen reduzierten Bahnabstand beim Fräsen ist theoretisch möglich, führt aber zu einer deutlich erhöhten Bearbeitungszeit. Damit ist das Verfahren nicht wirtschaftlich. Außerdem sind dieser Vorgehensweise technologische Grenzen gesetzt.
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Derzeit werden nach dem Fräsvorgang daher in der Regel manuelle Schleif- und Poliervorgänge durchgeführt. Dies generiert hohe Kosten und sehr lange Durchlaufzeiten. Aufgrund der manuellen Prozessführung sind diese Vorgänge zudem nicht reproduzierbar. Das Ergebnis ist somit vom jeweiligen Bediener abhängig.
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Ein Schleifwerkzeug der gattungsgemäßen Art ist beispielsweise aus
DE 29806049 U1 bekannt. Dieses Dokument beschreibt einen Lamellen-Schleifstift. Lamellen-Schleifstifte weisen flexible blattförmige Lamellen auf, die radial von einer zentralen Welle des Schleifstifts abstehen. Die Lamellen bestehen in der Regel aus herkömmlichem Schleifpapier. Als Schleifpartikel werden meist Korund-Partikel eingesetzt. Aufgrund der flexiblen Lamellen ermöglichen derartige Schleifstifte im Gegensatz zu Schleifwerkzeugen mit starrem Grundkörper auch bei Freiformflächen eine große Berührungslänge. Aufgrund der hohen Nachgiebigkeit und der Verwendung von Korund als Schleifmittel sind damit jedoch keine wirtschaftlichen Standzeiten und Bearbeitungskosten erreichbar. Außerdem passen sich derartige Lamellenstifte auch an Formfehler an, die aus dem Fräsprozess resultieren, sodass diese Formfehler nicht vollständig egalisiert werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Schleifwerkzeug der gattungsgemäßen Art anzugeben, das eine wirtschaftliche, reproduzierbare und möglichst exakte Nachbearbeitung gefräster Freiformflächen durch automatisierte und insbesondere computergestützte Bearbeitungsverfahren ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Demnach liegt bei einem gattungsgemäßen Schleifwerkzeug dann eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe vor, wenn der Träger als Teller ausgeführt und an einem axialen Ende der Welle angeordnet ist, wobei eine der Welle abgewandte Unterseite des Tellers mit dem Schleifbelag versehen ist, und wobei die Schleifpartikel superharte Schleifpartikel mit einer Knopp-Härte von mindestens 40 GPa sind.
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Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, dass das Schleifwerkzeug zur automatisierten und insbesondere computergesteuerten Nachbearbeitung von gefrästen Freiformflächen eingesetzt werden kann. Hierzu wird die Bearbeitungsmaschine (einschließlich Robotertechnik) anstatt mit einem Fräswerkzeug mit dem erfindungsgemäßen Schleifwerkzeug bestückt. Die Nachbearbeitung kann dadurch computergestützt erfolgen, wodurch eine hohe Reproduzierbarkeit der erhaltenen Oberflächen gewährleistet wird. Im mittleren Bereich ist der Teller fest mit der starren Welle des Schleifwerkzeugs verbunden, sodass der Teller an dieser Stelle steif ist und eine wirtschaftliche Egalisierung der Frässpuren ermöglicht. Insbesondere im Randbereich legt sich der flexible Teller des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs bei entsprechender Ausrichtung relativ zur bearbeiteten Oberfläche elastisch an die Bauteilkontur an und ermöglicht damit große Berührungslängen bzw. -flächen. Der Randbereich des Tellers erfährt dabei bei entsprechender axialer Belastung des Schleifwerkzeugs eine axiale Auslenkung. Dadurch wird ein sichtbarer Übergang zwischen den Schleifbahnen verhindert. Der Einsatz superharter Schleifpartikel gewährleistet ferner eine hohe Standzeit des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs.
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Der Teller des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs ist vorzugsweise als einfache Scheibe ausgeführt, er kann jedoch auch leicht vorgebogen sein. Eine leicht konvexe Ausführung der Unterseite des Tellers kann zur Bearbeitung von Oberflächen mit einer relativ starken konkaven Wölbung von Vorteil sein. Bei vorgebogenen Tellern ist neben einer axialen Auslenkung auch eine radiale Biegung möglich.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Schleifpartikel eine Knoop-Härte von mindestens 45 GPa, vorzugsweise eine Knoop-Härte von mindestens 60 GPa auf. Dadurch wird die Standzeit des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs entsprechend optimiert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestehen die Schleifpartikel aus kubischem Bornitrid. Der Einsatz dieses Schleifmittels ermöglicht besonders hohe Standzeiten bei vergleichsweise günstigen Herstellungskosten. Alternativ können auch Diamant-Schleifpartikel verwendet werden. Diese ermöglichen eine nochmals gesteigerte Standzeit, führen jedoch auch zu erhöhten Herstellungskosten.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Teller des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs aus Metall. Bei dieser Ausführungsform kann der Teller aus vergleichsweise dünnem Metallblech hergestellt werden, um einen vorteilhaften Kompromiss zwischen der erforderlichen Flexibilität und einer gewissen Biegesteifigkeit des Tellers zu erreichen. Eine gewisse Biegesteifigkeit ist trotz der gewünschten Flexibilität erforderlich, damit sich der Teller an die Bauteilkontur anlegt und die Fräsbahnen zuverlässig und wirtschaftlich egalisiert werden können.
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Wenn der Teller des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs aus Metall besteht, können die Schleifpartikel zudem auf besonders einfache Weise galvanisch auf dem Teller gebunden werden.
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Um die Steifigkeit des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs im Randbereich des Tellers bei Bedarf zu erhöhen bzw. anzupassen, kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass sich der Teller mit dessen Oberseite an einem die Welle koaxial umschließenden elastischen Stützkörper des Schleifwerkzeugs abstützt. Der Stützkörper besteht vorzugsweise aus einem elastischen Kunststoff bzw. einem geeigneten Elastomerschaum. Er hat weiter vorzugsweise denselben Außendurchmesser wie der Teller. Weiter vorzugsweise ist der Stützkörper stoffschlüssig mit dem Teller verbunden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Durchmesser des Tellers weniger als 100 mm. Es hat sich gezeigt, dass zur Nachbearbeitung der meisten gefrästen Freiformflächen ein Durchmesser von weniger als 100 mm von Vorteil ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass eine maximal mögliche elastische axiale Auslenkung am Rand des Tellers bei bestimmungsgemäßem Einsatz des Schleifwerkzeugs zumindest das 0,02-fache des Durchmessers des Tellers beträgt. Die Elastizität des Tellers muss dazu derart abgestimmt sein, dass die gewünschte maximale axiale Auslenkung am Rand bei einem üblichen axialen Anpressdruck des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs erreicht werden kann. Nur so kann eine optimale Nachbearbeitung der gefrästen Oberfläche gewährleistet werden. Besonders bevorzugt beträgt die maximal mögliche elastische axiale Auslenkung am Rand des Tellers bei bestimmungsgemäßem Einsatz des Schleifwerkzeugs zumindest 2 mm. Weiter vorzugsweise beträgt sie maximal 3 mm.
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Das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug wird vorzugsweise mit einer computergesteuerten Bearbeitungsmaschine (einschließlich Robotertechnik) zur automatisierten Nachbearbeitung einer gefrästen Freiformfläche, insbesondere eines zur Herstellung von Karosseriebauteilen vorgesehenen Umformwerkzeugs, verwendet. Der Durchmesser der Welle liegt dazu an dem axialen Ende, an welchem der Teller an der Welle befestigt ist, vorzugsweise in der Größenordnung des Bahnabstands des vorangegangenen Fräsvorgangs. Dadurch ist der Teller in der Mitte in einem gewissen Bereich steif, sodass die Frässpuren zuverlässig egalisiert werden können. Der Durchmesser des steifen Bereichs in der Mitte des Tellers ist weiter vorzugsweise etwas größer als der Bahnabstand des Fräsvorgangs.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die starre Welle des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs auch mehrteilig aufgebaut sein kann.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Schleifwerkzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in Schrägansicht,
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2 das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug aus 1 im Längsschnitt,
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3 eine Detailansicht des Schleifbelags des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs aus den 1 und 2,
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4 das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel im bestimmungsgemäßen Einsatz bei der Nachbearbeitung einer gefrästen Freiformfläche,
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5 das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug aus 4 ohne Darstellung der gefrästen Freiformfläche,
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6 das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer weiteren Einsatzsituation,
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7 ein erfindungsgemäßes Schleifwerkzeug gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel im Längsschnitt,
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8 das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug aus 7 im Einsatz, und
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9 ein erfindungsgemäßes Schleifwerkzeug gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel im Längsschnitt.
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Für die folgenden Ausführungen gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden. Sofern in einer Figur Bezugszeichen enthalten sind, auf die in der zugehörigen Figurenbeschreibung nicht näher eingegangen wird, so wird auf vorangehende oder nachfolgende Figurenbeschreibungen Bezug genommen.
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Die 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs 1. Dieses besteht im Wesentlichen aus einer starren Welle 2 zur Aufnahme des Schleifwerkzeugs in einem Spannmittel einer Bearbeitungsmaschine (einschließlich Robotertechnik) und aus einem am axialen Ende 5 der Welle 2 angeordneten Teller 3, dessen Unterseite 6 mit einem Schleifbelag 4 versehen ist. Der Teller 3 ist fest mit dem axialen Ende 5 der starren Welle 2 verbunden. Zu diesem Zweck kann der Teller beispielsweise mit der Welle verspannt sein. Sowohl die Welle 2 als auch der Teller 3 sind in Bezug auf die Rotationsachse 10 des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs 1 rotationssymmetrisch.
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3 zeigt eine Detailansicht des Tellers 3 und des darauf aufgebrachten Schleifbelags 4. der Teller 3 besteht aus einem Metallblech. Der Schleifbelag wird durch eine Vielzahl superharter Schleifpartikel 7 gebildet, die mittels einer Bindeschicht 8 galvanisch auf dem metallenen Teller gebunden sind. Die Schleifpartikel können beispielsweise aus kubischem Bornitrid bestehen. Alternativ können auch Schleifpartikel aus Diamant eingesetzt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel aus den 1 bis 3 ist die Oberseite 11 des Tellers 3 weder beschichtet noch mit einem Stützkörper versehen. Ein entsprechender Stützkörper kann jedoch vorgesehen sein, wie weiter unten anhand der 7 und 8 noch näher erläutert wird.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 ist der Teller 3 als einfache Scheibe ausgeführt. Er weist eine gewisse Flexibilität auf, sodass insbesondere der Randbereich des Tellers bei entsprechender axialer Belastung des Schleifwerkzeugs eine axiale Auslenkung erfahren kann. Dadurch ist das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug in der Lage, sich an die Kontur einer Freiformfläche anzulegen. Dargestellt ist dies beispielsweise in 4. Gezeigt ist ein gefrästes Oberflächenprofil 13 eines Umformwerkzeugs, welches zur Herstellung von Karosseriebauteilen eingesetzt wird. Die Oberflächengüte der gefrästen Freiformfläche ist nach dem Fräsvorgang noch völlig unzureichend. Die Oberfläche weist eine Vielzahl von Unregelmäßigkeiten auf, die aus dem Fräsvorgang resultieren. Bei Verwendung eines üblichen Kugelfräsers ergibt sich nach dem Fräsvorgang eine gerillte Oberfläche mit gezackter Kontur. Gut zu erkennen ist der Bahnabstand B des Fräsvorgangs. Er entspricht dem Abstand zweier Frässpuren.
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Wie in der Abbildung ebenfalls gezeigt ist, legt sich der Teller 3 des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs im Randbereich bei entsprechender axialer Belastung an die Kontur der gefrästen Freiformfläche an, so dass sich eine relativ große Berührungsfläche zwischen dem Schleifwerkzeug und der zu bearbeitenden Oberfläche ergibt und die Frässpuren auf einfache Weise bis zur Sollkontur 12 der Freiformfläche egalisiert werden können. Wie 5 zeigt, erfährt der Rand des Tellers dabei die größte axiale Auslenkung A. Die Flexibilität des Tellers ist erfindungsgemäß derart bemessen, dass die maximal mögliche Auslenkung am Rand bei bestimmungsgemäßem Einsatz des Schleifwerkzeugs mindestens 2 mm betragen kann. Der Durchmesser des Schleifwerkzeugs bzw. des Tellers beträgt dabei weniger als 100 mm, sodass die maximal mögliche axiale Auslenkung etwa das 0,02-fache des Durchmessers des Tellers beträgt.
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Im mittleren Bereich ist der Teller aufgrund der festen Verbindung mit der Welle 2 steif, was bei entsprechender Ausrichtung des Schleifwerkzeugs eine schnelle und dadurch wirtschaftliche Egalisierung der Frässpuren in diesem Bereich begünstigt. Eine hierfür vorteilhafte Ausrichtung des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs in Bezug auf die zu bearbeitende Oberfläche ist in 6 gezeigt. Die Rotationsachse 10 des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs 1 steht dabei vorzugsweise mit einer geringfügigen definierten Winkelabweichung zur Flächennormale der Bauteilkontur.
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Die Bearbeitung der Oberfläche mit dem erfindungsgemäßen Schleifwerkzeug kann vollautomatisiert und insbesondere computergesteuert erfolgen. Das Schleifwerkzeug kann hierzu mit derselben Bearbeitungsmaschine (einschließlich Robotertechnik) verwendet werden, mit welcher die Freiformfläche zuvor gefräst wurde.
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Die 7 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs im Längsschnitt. Das Schleifwerkzeug 1 entspricht in seinem Aufbau im Wesentlichen dem erfindungsgemäßen Schleifwerkzeug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei zur Erhöhung der Biegesteifigkeit des Tellers 3 zusätzlich ein elastischer Stützkörper 9 aus einem Elastomer vorgesehen ist. Der Stützkörper 9 ist an der Oberseite 11 des Tellers konzentrisch zur Welle 2 angeordnet. Er umschließt diese ringförmig. Der Stützkörper 9 ist entweder derart an der Welle 2 befestigt, dass sich der Teller 3 bei axialer Belastung von unten gegen den Stützkörper 9 abstützt, und/oder er ist mit dem Teller 3 stoffschlüssig verbunden, insbesondere verklebt. In beiden Fällen bewirkt der Stützkörper 9 eine Erhöhung der Biegesteifigkeit des Tellers 3. Wie in 8 dargestellt ist, reduziert sich dadurch die maximal mögliche Auslenkung A am Rand des Tellers bei gleicher axialer Belastungssituation (vgl. 5).
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Durch die Verwendung unterschiedlicher Stützkörper kann die Flexibilität bzw. Biegesteifigkeit des Tellers bei Bedarf somit angepasst werden. Die erforderliche Biegesteifigkeit hängt von mehreren Faktoren ab, wie beispielsweise der Geometrie der zu bearbeitenden Freiformfläche oder der Form und Größe der zu egalisierenden Frässpuren.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs ist in 9 dargestellt. Das Schleifwerkzeug entspricht in seinem Aufbau im Wesentlichen dem Schleifwerkzeug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied dazu ist die Unterseite des Tellers 3 konvex vorgebogen, wodurch die Bearbeitung stark konkav gewölbter Oberflächen erheblich erleichtert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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