DE10338819B3

DE10338819B3 - Verfahren zur Feinbearbeitung harter Oberflächen und Verwendung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE10338819B3
Application number: DE2003138819
Authority: DE
Inventors: Olaf Dipl.-Ing. Dambon; Fritz Prof. Klocke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2023-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbearbeitung harter Oberflächen, insbesondere solcher aus Metall, Hartmetall, Glas, Keramik und Glaskeramik, unter Verwendung eines in einem Trägerelement (2) eingebrachten Bearbeitungsmittels (8) und Wasser. DOLLAR A Es soll ein Verfahren bereitgestellt werden, mit dem die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können, insbesondere die Verfahrenskosten gesenkt werden und die Produktivität gesteigert wird. DOLLAR A Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verwendung für ein derartiges Verfahren aufzuzeigen. DOLLAR A Erreicht wird dies mit einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bearbeitungsmittel (8) durch chemische Reaktion oder durch elektrochemische Reaktion mit einer Flüssigkeit (7) am Ort der Bearbeitung in dem Trägerelement (8) gebildet wird. Vorteilhaft ist die Verwendung des Verfahrens für die Oberflächenbehandlung von Mikrostrukturen. Des Weiteren ist es vorteilhaft, das Verfahren zur Oberflächenbehandlung optischer Komponenten einzusetzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbearbeitung harter Oberflächen, insbesondere solcher aus Metall, Hartmetall, Glas, Keramik und Glaskeramik, unter Verwendung eines in einem Trägerelement eingebrachten Bearbeitungsmittels und Wasser sowie dessen Verwendung.

Beispiele für ein Verfahren für eine solche Feinbearbeitung sind das Schleifen und das Polieren. Die Verfahren Schleifen und Polieren können auch kombiniert werden und dann Bestandteile ein- und desselben Verfahrens sein. Insbesondere zum Herstellen von polierten Oberflächen für optische Komponenten wird sowohl das Schleifen als auch das Polieren verwendet. Dabei setzt sich die Oberflächenbehandlung aus einer Vielzahl einzelner Verfahrensschritte zusammen. Die zu bearbeitende Oberfläche wird zunächst vorgeschliffen, anschließend fein geschliffen und in einem letzten Verfahrensschritt durch Polieren in ihre endgültige Gestalt gebracht. Gegebenenfalls wird ein vierter Verfahrensschritt vorgesehen, der in einem Feinstschleifen der Oberfläche vor dem dann noch durchzuführenden Polierverfahren besteht.

Es kommen also bei der Oberflächenbehandlung zwei grundsätzlich voneinander verschiedene und voneinander zu unterscheidende Verfahren zum Einsatz, nämlich einerseits das Schleifen und andererseits das Polieren. Beiden Bearbeitungsverfahren liegen unterschiedliche Prinzipien zugrunde, die im Folgenden kurz erläutert werden. Als der der Erfindung zugrunde liegende Stand der Technik ist das herkömmliche Schleif- und Polierverfahren anzusehen, wobei im Rahmen der Beschreibung die sich aus diesem Stand der Technik ergebenden Nachteile aufgezeigt werden.

Nach dem Stand der Technik wird beim Schleifen mit Werkzeugen gearbeitet, die auf einer ihrer Oberflächen Schleifkörner als Bearbeitungsmittel enthalten. Dabei sind die Werkzeuge in der Regel als Schleifscheiben ausgebildet, welche die als Bearbeitungsmittel dienenden Schleifkörner in gebundener Form auf ihrer Oberfläche aufweisen. Diese Schleifscheiben sind als Verbrauchsmaterial ausgebildet und werden bei Bedarf ersetzt. Vor ihrem vollständigen Austausch wird eine Schleifscheibe, die in Folge von Verschleiß ihre Profilgenauigkeit und/oder Schneidfähigkeit verloren hat, im Rahmen von Hilfsprozessen aufgearbeitet, wobei dies die gängigen Hilfsprozesse wie Schärfen, Konditionieren und Profilieren sind. Während die Hilfsprozesse Konditionieren und Profilieren zur Wiederherstellung der Profilgenauigkeit dienen, kann die Schneidfähigkeit der Schleifwerkzeuge allein durch einen Schärfprozess wieder hergestellt werden. Das Schärfen der Schleifwerkzeuge kann dabei sowohl innerhalb als auch außerhalb der Maschine erfolgen.

Bei dem oben erwähnten Verfahren, welches das Polieren und Schleifen kombiniert, wird das zu behandelnde Werkstück, nachdem die Oberfläche des Werkstückes geschliffen, d. h. vorgeschliffen und feingeschliffen und gegebenenfalls feinstgeschliffen wurde, zur abschließenden Oberflächenbehandlung mittels eines Polierverfahrens auf einer dafür vorgesehenen Poliermaschine positioniert. Es ist also erforderlich innerhalb der Oberflächenbehandlung beim Übergang vom Schleif- zum Polierverfahren das Werkstück zu bewegen, d. h. der Schleifmaschine zu entnehmen und der Poliermaschine zuzuführen.

Nach dem Stand der Technik wird beim Polieren mit einem Polierbelag als Polierwerkzeug und einer Poliersuspension als Bearbeitungsmittel gearbeitet. Die Poliersuspension umfasst dabei eine Flüssigkeit und eine Vielzahl von in der Flüssigkeit enthaltenen und verteilten festen Polierkörnern, die als Bearbeitungsmittel dienen und für den Materialabtrag von der zu behandelnden Oberfläche verantwortlich sind.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff Suspension die Gesamtheit aus Flüssigkeit und in dieser Flüssigkeit verteilten Feststoffpartikeln beim Polieren verstanden.

Der wesentliche Unterschied des Polierens gegenüber dem Schleifen besteht darin, dass nicht wie beim Schleifen mit dem Werkzeug fest verbundene Körner als Bearbeitungsmittel zum Materialabtrag eingesetzt werden, sondern frei bewegliche, in der Flüssigkeit verteilte und mit dem als Werkzeug dienenden Polierbelag nicht verbundene Körner als Bearbeitungsmittel verwendet werden. Dabei wird die Poliersuspension se parat dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend vorbereitet und zwischen den Polierbelag, der aus Filz, Polyurethan und dergleichen aufgebaut sein kann, und der zu polierenden Oberfläche eingebracht. Während der Bearbeitung wird die Suspension in dem durch den Polierbelag und die zu polierende Oberfläche gebildeten Polierspalt geführt, wobei durch Rotation des Polierbelages ein Umwälzen der Polierkörner in der Polierflüssigkeit erzwungen wird, in Folge dessen ein Materialabtrag, d. h. eine Oberflächenbehandlung des Werkstückes erfolgt.

Es ist bereits ein Verfahren bekannt ( US 62 38 590 B1 ), nach dem zum Polieren von ausgewählten keramischen Stoffen und Metallen diese in Gegenwart eines nicht abrasiven flüssigen Mediums gegen eine feste Fläche gerieben werden, wobei das nicht abrasive flüssige Medium nur die ausgewählten keramischen Stoffe oder Metalle angreift. Der Materialabtrag erfolgt dabei durch einen tribochemischen Prozess.

Nach dem Stand der Technik ist es nicht möglich, mit ein und demselben Werkzeug sowohl zu schleifen als auch zu polieren, was grundsätzlich auf die den beiden Verfahren zugrunde liegenden, völlig unterschiedlichen Prinzipien zurückzuführen ist, nämlich einerseits dem Einsatz von gebundenen Körnern beim Schleifen und andererseits dem Einsatz von ungebundenen Körnern beim Polieren.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können, insbesondere die Verfahrenskosten gesenkt werden und die Produktivität gesteigert wird, sowie eine Verwendung für ein deartiges Verfahren aufzuzeigen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei das Bearbeitungsmittel durch chemische Reaktion oder durch elektrochemische Reaktion mit einer Flüssigkeit am Ort der Bearbeitung in dem Trägerelement gebildet wird, sowie dadurch, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Polieren von Mikrostrukturen eingesetzt wird.

Dadurch dass die Bearbeitungsmittel, d. h. die Schleifkörner und/oder Polierkörner vor Ort gebildet, d. h. generiert werden, werden die herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erheblich verbessert.

Insbesondere braucht die Poliersuspension nicht mehr in einem gesonderten Verfahrensschritt bereitgestellt und zwischen Polierbelag und zu behandelnder Oberfläche eingebracht werden. Zum anderen ist das Schärfen einer als Schleifwerkzeug dienen den und verschlissenen Schleifscheibe im Rahmen eines Schärfprozesses entbehrlich. Hierdurch können sowohl die Werkzeugkosten gesenkt, die Produktion gesteigert und die Durchlaufzeiten erheblich verkürzt werden, wodurch die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst wird.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Bearbeitungsmittel durch elektrochemische Reaktion mit einer Flüssigkeit gebildet wird. Vorteilhaft ist diese Ausführungsform des Verfahrens deshalb, weil die für die Bildung des Bearbeitungsmittels verwendete Flüssigkeit im Rahmen eines Polierverfahrens gleichzeitig als Trägermedium für die Polierkörner dienen kann und dient.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Bearbeitungsmittel Metalloxide, vorzugsweise Eisenoxid oder Ceroxid oder Aluminiumoxid oder Chromoxid einzeln oder in Kombination gebildet werden. Bei dieser Ausführungsform besteht das Trägerelement des Polierwerkzeuges vorzugsweise aus Metall, welches als Ausgangsstoff für die Bildung der genannten Metalloxide dient. Das als Bearbeitungsmittel bzw. Poliermittel dienende Metalloxid entsteht dabei durch eine chemische oder elektrochemische Reaktion der Flüssigkeit mit dem festen, den Belag des Polierwerkzeuges bildenden Trägerelementes.

Dabei sind der Belag, d. h. seine Zusammensetzung und die verwendete Flüssigkeit so aufeinander abzustimmen, dass die Polieroxide in der gewünschten Art und Weise entstehen. Insbesondere hat eine Abstimmung der beiden Reaktionspartner in der Art zu erfolgen, dass die Polierkörner in der erforderlichen Partikelgröße und der gewünschten Menge entstehen bzw. bereitgestellt werden.

Bei der Bildung der Bearbeitungsmittel durch elektrochemische Reaktion mit einer Flüssigkeit, die zu einer definierten Auflösung des Trägerelements an seiner Oberfläche führt und dadurch Bearbeitungsmittel bereitstellt, muss ebenfalls eine Steuerung des Prozesses hinsichtlich Partikelgröße und Menge erfolgen.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei dem die Bildung des Bearbeitungsmittels durch Spannung und Zeit gesteuert wird.

Ebenfalls vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei dem die Bildung des Bearbeitungsmittels durch Strom und Zeit gesteuert wird, wobei sowohl bei der Steuerung mittels Spannung und Zeit als auch bei der Steuerung mittels Strom und Zeit die Bildung des Bearbeitungsmittels bei alternierender Polung erfolgen kann.

Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Bearbeitungsmittel aus in dem Trägerelement enthaltenen Schleifpartikeln gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens wurden bei der Herstellung des Trägerelementes Schleifpartikel in das Trägerelement integriert, welche in Folge einer chemischen oder elektrochemischen Reaktion und die dadurch ausgelöste Auflösung des Trägerelementes an seiner Oberfläche in der Art freigelegt werden, dass sie als Bearbeitungsmittel für einen Materialabtrag auf der zu behandelnden Oberfläche des Werkstücks eingesetzt werden können.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen zum Bilden des Bearbeitungsmittels Polierkörner aus dem Trägerelement herausgelöst werden. Ähnlich wie bei der Bildung der Schleifpartikel werden Polierkörner mittels chemischer oder elektrochemischer Reaktion freigesetzt. Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Verfahrensvariante müssen hierbei die Polierkörner nicht in einer definierten Weise bei der Herstellung des Trägerelementes in das Trägerelement eingebracht werden. Vielmehr dient das beispielsweise aus Metall hergestellte Trägerelement selbst als Ausgangs- bzw. Rohstoff für die Generierung von Metalloxiden, welche dann als Polierkörner bzw. Poliermittel dienen. Dies erfolgt durch eine chemische oder elektrochemische Reaktion, welche zur Auflösung des Trägerelementes an seiner Oberfläche führt. Die vom Trägerelement abgelöste Oberflächenschicht dient als Poliermittel.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen gleichzeitig Schleifpartikel und Polierkörner gebildet werden.

Bei dieser Verfahrensvariante können sowohl der Polier- als auch der Schleifprozess auf derselben Werkzeugmaschine unter Einsatz desselben Trägerelementes durchgeführt werden. Dadurch werden die Durchlaufzeiten weiter gesteigert, die Werkzeugkos ten weiter gesenkt und die Produktivität nochmals gesteigert, weshalb diese Verfahrensvariante die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe in vorteilhafter Weise vorantreibt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß den 1 und 2 näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung einer ersten Ausführungsform des Verfahrens, und
2 die in 1 kenntlich gemachte Einzelheit Y in einer Vergrößerung.
Zur Bildung des Bearbeitungsmittels 8 durch elektrochemische Reaktion verfügt die in 1 dargestellte Vorrichtung über einen Generator 1. Der Generator 1 ist zum einen mit dem als Anode dienenden Trägerelement 2 und andererseits mit einer Kathode 3 verbunden. Das Trägerelement 2 wird mit seiner für die Bearbeitung vorgesehenen Belagfläche über die zu behandelnde Oberfläche 5 des Werkstückes 4 geführt.
Als Belag kommt z. B. Grauguss auf Eisenbasis in Betracht, wobei durch chemische und/oder elektrochemische Reaktionen Eisenoxidpartikel entstehen. Weitere Lösungen sind Lösungen auf Kupferbasis. Generell kann jedoch jedes Metall als Belag bzw. Polierstoff verwendet werden, welches mit dem Wasser der Flüssigkeit 7 zu einem Metalloxid reagiert. Die Flüssigkeiten 7 sind wasserbasierte Emulsionen oder Lösungen, die mit Schmierstoffen, z. B. Mineralölen oder Tensiden, versehen sind.
2 zeigt die in 1 kenntlich gemachte Einzelheit Y in einer Vergrößerung. Zwischen der für die Bearbeitung dienenden Oberfläche des Trägerelements 2 und der zu behandelnden Oberfläche 5 des Werkstückes 4 wird ein Polierspalt 6 ausgebildet, in den eine Flüssigkeit 7 zur Bildung des Bearbeitungsmittels 8 eingebracht wird.
Durch eine elektrochemische Reaktion der im Polierspalt 6 befindlichen Flüssigkeit 7 mit dem aus Metall aufgebauten Trägerelement 2, findet eine Metallauflösung statt, bei der aus der im Polierspalt 6 zugewandten Oberflächenseite des Trägerelements 2 Metallpartikel im Rahmen einer Auflösung der obersten Materialschicht des Trägerelements 2 herausgelöst werden. Diese Metallpartikel bilden die Grundlage des Bearbeitungsmittels 8 und zusammen mit der Flüssigkeit 7 eine Poliersuspension.

1: Generator
2: Trägerelement
3: Kathode
4: Werkstück
5: Oberfläche
6: Polierspalt
7: Flüssigkeit
8: Bearbeitungsmittel

Claims

Verfahren zur Feinbearbeitung harter Oberflächen, insbesondere solcher aus Metall, Hartmetall, Glas, Keramik und Glaskeramik, unter Verwendung eines in einem Trägerelement (2) eingebrachten Bearbeitungsmittels (8) und Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungsmittel (8) durch chemische Reaktion oder durch elektrochemische Reaktion mit einer Flüssigkeit (7) am Ort der Bearbeitung in dem Trägerelement (2) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungsmittel (8) Metalloxide gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungsmittel (8) Eisenoxid oder Ceroxid oder Aluminiumoxid oder Chromoxid einzeln oder in Kombination gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung des Bearbeitungsmittels (8) durch Spannung und Zeit gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung des Bearbeitungsmittels (8) durch Strom und Zeit gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung des Bearbeitungsmittels (8) bei alternierender Polung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungsmittel (8) in Form von in dem Trägerelement (2) gehaltenen Schleifpartikeln gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungsmittel (8) in Form von Polierkörnern aus dem Trägerelement (2) herausgelöst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig Schleifpartikel und Polierkörner gebildet werden.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Polieren von Mikrostrukturen eingesetzt wird.