DE19817863A1

DE19817863A1 - Method for smoothing surface of workpiece, particularly optical functional surface

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Publication number: DE19817863A1
Application number: DE1998117863
Authority: DE
Inventors: Marcus Rinke; Christoph Graumann
Original assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Current assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Priority date: 1998-04-22
Filing date: 1998-04-22
Publication date: 1999-11-04

Abstract

The flow medium (12) is directed vertically to the surface (4) or at an angle to it and is a gas or a fluid, air, water or a mixture of various fluids. In the flow medium particles are used which have a size of less than 20 micrometres. They have no sharp edges and are particularly spherical. The workpiece (1) during processing is moved, and preferably rotated. The particles have a hardness equal to or less than that of the workpiece. They are of an organic material, particularly plastic or rubber.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Ober begriff des Anspruchs 1 genannten Art.The invention relates to a method in the upper Concept of claim 1 mentioned art.

Durch WO 89/08535 ist ein Verfahren der betreffen den Art bekannt, das dazu dienen soll, eine sehr dünne und gleichmäßige Schicht von Material von der Oberflä che eines Werkstückes zu entfernen. Dabei wird ein Werkzeug aus einem Material verwendet, das durch Ul traschall abtragbarer ist als das Werkstück. Das Werk stück wird in einer Ultraschall-Schwingbeziehung zu dem Werkstück gehalten, und es wird eine flüssige abrasive Schlemme zwischen Werkzeug und Werkstück gebracht. Da nach werden Schwingbewegungen zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück mit Ultraschallfrequenz und einer aus reichenden Amplitude erzeugt, wodurch das Werkzeug in seiner Form abgetragen und in relative Konformität zu dem Negativbild mit der Oberflächenform des Werkstückes gebracht. Die Schwingbewegung wird solange auf recht erhalten, wie das Werkzeug seine relative Konformität mit dem Negativbild der Oberflächenkonfiguration des Werkstückes aufrechterhält. Dabei soll ein Poliervor gang in bezug auf die Oberfläche des Werkstückes er reicht werden.WO 89/08535 relates to a method of the type known to serve a very thin and even layer of material from the surface to remove a workpiece. In doing so, a Tool made of a material used by Ul is easier to remove than the workpiece. The work piece is in an ultrasonic vibration relationship with the Workpiece is held and it becomes a liquid abrasive Brought between tool and workpiece. There after oscillating movements between the tool and the workpiece with ultrasonic frequency and one out sufficient amplitude, causing the tool in removed from its shape and in relative conformity the negative image with the surface shape of the workpiece brought. As long as the swinging motion is right get like the tool its relative conformity with the negative image of the surface configuration of the Workpiece is maintained. In doing so, a polishing device should be used gear in relation to the surface of the workpiece be enough.

Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß, im Gegensatz zu dem in der genannten Schrift geschilderten Stand der Technik, die Oberflä chengestalt des Werkzeuges erst durch einen Vorgang erzeugt wird, der dem gewünschten Poliervorgang gleich ist. Daraus folgt, daß während der Erzeugung der Nega tivform in der Oberfläche des Werkzeuges auch die Ober fläche des Werkstückes bereits abgetragen wird, und zwar dort am meisten, wo auch die Oberfläche des Werk zeuges am meisten abgetragen wird, um so die Negativ kontur in der Oberfläche des Werkzeuges zu bilden. So mit wird nicht nur die Oberfläche des Werkstückes po liert, sondern auch in unerwünschter Weise verformt. Dies ist beispielsweise beim Polieren von optischen Funktionsflächen von beträchtlichem Nachteil, weil es dort auf die Genauigkeit der Oberfläche in hohem Maße ankommt.A disadvantage of this known method is in that, in contrast to that in the mentioned Scripture described prior art, the surface shape of the tool only through an operation is generated, the same as the desired polishing process is. It follows that during the generation of the Nega tivform in the surface of the tool also the upper surface of the workpiece is already removed, and most of all where the surface of the work the most worn out, so the negative to form a contour in the surface of the tool. Like this not only is the surface of the workpiece po liert, but also deformed in an undesirable manner. This is for example when polishing optical ones Functional areas of considerable disadvantage because of it there to a high degree on the accuracy of the surface arrives.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, bei dem die Nachteile des Standes der Tech nik vermieden werden, bei dem also eine Oberfläche ei nes Werkstückes geglättet wird, ohne daß deren Kontur verändert wird.The invention has for its object a Ver drive the type mentioned in the preamble of claim 1 specify the disadvantages of the state of the art nik be avoided, ie with a surface egg nes workpiece is smoothed without the contour is changed.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.The object underlying the invention will by the specified in the characterizing part of claim 1 Doctrine solved.

Der Grundgedanke dieser Lehre besteht darin, einen Strom eines Strömungsmittels auf die zu glättende Ober fläche des Werkstückes zu richten und dabei ein Strö mungsmittel zu verwenden, dem feste Partikel solcher Größe zugesetzt sind, daß die Partikel bei Ablenkung des Stromes von diesem mitgenommen werden. Das bedeu tet, daß die das Glätten bewirkenden Partikel nicht oder nicht nur in der Richtung auf die zu glättende Oberfläche des Werkstückes auftreffen, in der das Strö mungsmittel auf die Oberfläche gerichtet wird, sondern auch eine Bewegung längs der Oberfläche ausführen, so daß dadurch durch die Partikel feine vorspringende Tei le der Oberfläche des Werkstückes abgetragen oder so verformt werden, daß sich insgesamt eine Glättung er gibt. Dieser Glättungsvorgang läßt die Grundform der zu glättenden Oberfläche unverändert, so daß sich das er findungsgemäße Verfahren insbesondere zum Glätten opti scher Oberflächen eignet, bei denen es auf eine hohe Formgenauigkeit ankommt.The basic idea of this teaching is one Flow of a fluid onto the surface to be smoothed surface of the workpiece and thereby a flow to use solid particles of such Size added that the particles when deflected of the current can be taken away from it. That means tet that the smoothing particles not or not just in the direction of the one to be smoothed Impact the surface of the workpiece in which the flow is directed towards the surface, but also make a movement along the surface, so that as a result of the particles projecting fine particles le removed from the surface of the workpiece or something be deformed that he overall a smoothing gives. This smoothing process allows the basic shape of the smoothing surface unchanged, so that he Process according to the invention, in particular for smoothing opti suitable surfaces, where there is a high Accuracy of shape arrives.

Ist die zu glättende Oberfläche sehr klein, han delt es sich z. B. um eine sehr kleine optische Linse, oder ist der Querschnitt des Stromes des Strömungsmit tels in Bezug zu der Ausdehnung der zu glättenden Ober fläche ausreichend groß, so erfaßt der Glättungsvorgang die gesamte Oberfläche des zu glättenden Werkstückes gleichzeitig, so daß eine gleichzeitige Glättung aller Oberflächenbereiche des Werkstückes erfolgt. Natürlich ist es auch möglich, den Strom nur auf einen Teilbe reich der zu glättenden Oberfläche zu richten und dann eine Relativbewegung zwischen Strom und Oberfläche zu erzeugen, derart, daß zum Schluß sämtliche Oberflächen bereiche überstrichen worden sind.If the surface to be smoothed is very small, han is it z. B. a very small optical lens, or is the cross section of the flow of the flow with means in relation to the expansion of the surface to be smoothed area is sufficiently large, so the smoothing process detects the entire surface of the workpiece to be smoothed at the same time, so that a simultaneous smoothing of all Surface areas of the workpiece takes place. Naturally it is also possible to use only part of the stream level of the surface to be smoothed and then a relative movement between current and surface generate such that in the end all surfaces areas have been covered.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Strom senkrecht auf die zu glättende Oberfläche gerich tet. Dies hat nicht zur Folge, daß auch die Partikel senkrecht auf die Oberfläche auftreffen, weil der Strom im Bereich der zu glättenden Oberfläche seitlich ent weicht und damit auch die Partikel mitnimmt, die da durch ihre polierende Wirkung entfalten. Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der Strom des Strömungsmittels schräg auf die zu glättende Oberfläche gerichtet wird. Dadurch wird erreicht, daß die Geschwindigkeitskomponenten der Partikel längs der zu glättenden Oberfläche groß sind, und zwar über sämt liche Bereiche der zu glättenden Oberfläche.According to one embodiment of the invention, the Apply the current perpendicular to the surface to be smoothed tet. This does not result in the particles hit perpendicular to the surface because of the current ent in the area of the surface to be smoothed gives way and also takes away the particles that are there unfold through their polishing effect. Another Embodiment of the invention is that the Flow of the fluid obliquely on the to be smoothed Surface is directed. This ensures that the velocity components of the particles along the surface to be smoothed are large, over all areas of the surface to be smoothed.

Als Strömungsmittel kann ein Gas oder eine Flüs sigkeit verwendet werden. Zweckmäßigerweise ist das Gas Luft, und als Strömungsmittel ist Wasser vorteilhaft, obwohl natürlich jede andere Form einer Flüssigkeit verwendet werden kann. Es ist auch möglich, eine Mi schung verschiedener Arten von Flüssigkeiten zu verwen den. A gas or a river can be used as the fluid liquid can be used. The gas is expedient Air, and water is beneficial as a fluid, although of course any other form of liquid can be used. It is also possible to get a Wed. different types of liquids the.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in dem Strömungsmittel Partikel ver wendet, die eine Größe von weniger als 20 µm haben. Zweckmäßig ist die Verwendung von scharfen Partikeln, die eine abrasive Wirkung haben. Es ist aber auch vor teilhaft, Partikel zu verwenden, die keine scharfen Kanten haben, z. B. kugelförmig sind. Auch dann erfolgt eine Glättung der Oberfläche. Derartige Partikel sind besonders geeignet zum Glätten von keramischen oder ähnlichen Oberflächen. Art und Größe der Partikel wer den zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von dem Material der zu glättenden Oberfläche und auch von der Ausgangs rauheit der Oberfläche gewählt.According to an embodiment of the invention Process particles are ver in the fluid uses that have a size of less than 20 microns. It is advisable to use sharp particles, that have an abrasive effect. But it is also before partial to use particles that are not sharp Have edges, e.g. B. are spherical. Then also takes place a smoothing of the surface. Such particles are particularly suitable for smoothing ceramic or similar surfaces. Type and size of the particle who expediently depending on the material the surface to be smoothed and also from the output surface roughness selected.

Bei Verwendung einer Flüssigkeit als Strömungs mittel können darin Partikel verwendet werden, die in dieser Strömungsflüssigkeit nicht, in einer anderen Flüssigkeit jedoch löslich sind. Dadurch ist es mög lich, nach dem Glättungsvorgang auf der Oberfläche ver bleibende Partikel durch Lösung zu entfernen.When using a liquid as a flow medium particles can be used in it, which in not this flow fluid, in another However, liquid are soluble. This makes it possible Lich, ver after the smoothing process on the surface remove permanent particles by solution.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Partikel verwendet, deren Härte gleich oder kleiner ist als die Härte des Werkstücks. Dabei ist es auch zweckmäßig, Partikel aus organischem Material, insbesondere aus Kunststoff oder Gummi, zu verwenden.According to an embodiment of the invention The process uses particles whose hardness is equal to or less than the hardness of the workpiece. It is also advisable to use organic particles Material, especially plastic or rubber, too use.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung an Aus führungsbeispielen näher erläutert werden.On the basis of the drawing, the invention is intended to management examples are explained in more detail.

Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung zur Erläute rung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 1 is a schematic diagram for explaining a first embodiment of the inventive method and

Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Erläu terung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 2 shows a schematic diagram for explanation of a second embodiment of the method according to the invention.

Fig. 1 zeigt ein plattenförmiges Werkstück 2, in dessen Oberfläche 4 sich eine kalottenförmige Ausneh mung 6 befindet, deren Oberfläche eine optisch wirksame Funktionsfläche darstellt und zur Verbesserung dieser optischen Eigenschaften geglättet, also poliert werden soll. Fig. 1 shows a plate-shaped workpiece 2 , in the surface 4 is a dome-shaped Ausneh extension 6 , the surface of which is an optically effective functional surface and to improve these optical properties smoothed, so to be polished.

Auf das Zentrum der Ausnehmung 6 ist eine Düse 8 gerichtet, aus deren Öffnung 10 ein Strom 12 von Luft mit hoher Geschwindigkeit austritt. In dem Strom einge lagert sind feine Partikel, beispielsweise in der Grö ßenordnung von 10 µm. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, fließt die Luft des Stromes 12 vor und beim Auftreffen auf die Oberfläche der Ausnehmung 6 seitlich ab, wie das durch Pfeile 14 angedeutet ist. Die Partikel werden aufgrund ihrer geringen Größe von dem in Richtung der Pfeile 14 seitlich abströmenden Luftstrom mitgenommen und erhalten dadurch eine Geschwindigkeitskomponente längs der Oberfläche der Ausnehmung 6, so daß dadurch die Partikel auf die Oberfläche einwirken können. Han delt es sich dabei um kantige Partikel, so besteht die se Einwirkung überwiegend aus einem Abt ragen von feinen Vorsprüngen der Oberfläche. Sind die Partikel weniger oder nicht scharfkantig, so ist die Wirkung eher eine Verformung von vorspringenden Teilen der Oberfläche der Ausnehmung 6 im Sinne einer Glättung.A nozzle 8 is directed towards the center of the recess 6 , from the opening 10 of which a stream 12 of air emerges at high speed. Fine particles are stored in the stream, for example in the order of magnitude of 10 μm. As can be seen from the drawing, the air of the stream 12 flows off laterally and when it hits the surface of the recess 6 , as indicated by arrows 14 . Because of their small size, the particles are entrained by the air flow flowing laterally in the direction of the arrows 14 and thereby receive a velocity component along the surface of the recess 6 , so that the particles can act on the surface. If the particles are angular, this action mainly consists of the protrusion of fine protrusions on the surface. If the particles are less or not sharp-edged, the effect is rather a deformation of projecting parts of the surface of the recess 6 in the sense of smoothing.

Fig. 2 entspricht weitgehend der Darstellung in Fig. 1. Gleiche oder sich entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Der Unterschied zu der Darstellung in Fig. 1 besteht darin, daß die Düse 8 schräg auf die Ausnehmung 6 gerichtet ist, so daß alle Teile des Stromes 12 von Luft schräg auf die zu glät tende Oberfläche der Ausnehmung 6 gerichtet sind. Dies ist durch Pfeile 16 angedeutet. Vor der Oberfläche der Ausnehmung 6 fließt die Luft seitlich, d. h. in der Zeichnung nach links, ab, mit der Folge, daß auch die von der Luft mitgeführten feinen Partikel eine große Geschwindigkeitskomponente in Abströmrichtung, also in der Zeichnung nach links, haben. Die Partikel entfalten dadurch die gleiche glättende Wirkung, wie das in Ver bindung mit Fig. 1 beschrieben ist. Fig. 2 largely corresponds to the representation in Fig. 1. The same or corresponding parts are provided with the same reference numerals. The difference from the illustration in Fig. 1 is that the nozzle 8 is directed obliquely to the recess 6 , so that all parts of the stream 12 of air are directed obliquely to the surface of the recess 6 to be smoothed. This is indicated by arrows 16 . In front of the surface of the recess 6 , the air flows laterally, ie to the left in the drawing, with the result that the fine particles carried by the air also have a large velocity component in the outflow direction, that is to say to the left in the drawing. The particles thereby develop the same smoothing effect as that described in connection with FIG. 1.

Claims

1. A method for smoothing a surface of a workpiece, in particular an optical functional surface, characterized in that

- that a flow ( 12 ) of a fluid is directed onto the surface,
- Where a fluid is used, the solid particles of such size are added that the particles are carried away by deflecting the stream ( 12 ), such that the particles move along the surface when they hit the surface.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the flow of a fluid is perpendicular to the surface to be smoothed.

3. The method according to claim 1, characterized in that the flow of a fluid obliquely towards the smoothing surface is directed.

4. The method according to claim 1, characterized in that as a fluid a gas or a liquid is used.

5. The method according to claim 4, characterized in that air is used as the fluid.

6. The method according to claim 4, characterized in that water is used as the fluid.

7. The method according to claim 4, characterized in that that as a fluid a mixture of different Types of liquids are used.

8. The method according to claim 1, characterized in that particles are used in the fluid, that are less than 20 µm in size.

9. The method according to claim 1, characterized in that a fluid is used in which Particles that have no sharp edges, are in particular spherical.

10. The method according to claim 4, characterized in that when using a liquid as a flow with tel particles in the fluid flow used the one that is not in this fluid, in a other liquid, however, are soluble.

11. The method according to claim 1, characterized in that the workpiece is relative to during machining the flow of the fluid moves, preferably is rotated.

12. The method according to claim 1, characterized in that particles are used whose hardness is equal to or is less than the hardness of the workpiece.

13. The method according to claim 2, characterized in that particles of organic material, especially from Plastic or rubber can be used.