DE19942866A1

DE19942866A1 - Polierverfahren für gleichmäßige oder Freiform-Metalloberflächen

Info

Publication number: DE19942866A1
Application number: DE19942866A
Authority: DE
Inventors: Furqan Zafar Shaikh; Joseph Carl Schim; Bryan Christopher Stoll; Marc A Walther; Paul Sasaki
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1999-09-08
Publication date: 2000-06-21
Also published as: US6171175B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Endbearbeiten einer konturierten Freiform-Metall- oder harten Formoberfläche mit den Schritten: Vorsehen einer rotierenden Bürste 10 mit einer Zentralnabe 14, die durch eine Antriebsspindel zur Rotation um die Nabenachse gestützt wird; Versehen der Nabe 14 mit mehreren eng aneinander stehenden elastischen und unabhängig flexiblen Bündeln 11 mit abrasiven Polierpartikeln, wobei jedes Bündel 11 mit einem Ende 15 in der Nabe 14 befestigt ist und dessen anderes Ende 16 sich radial davon hinweg erstreckt, um eine gebogen erscheinende Oberfläche nahe nebeneinander liegender Bündelenden 16 zu präsentieren (die einander berührenden oder mit geringem Abstand angeordneter Bündelenden 16 (bilden zumindest einen Teil einer sphärischen Oberfläche)); und rotierendes Antreiben der Nabe 14 und der Bündel 11 mit einem konstanten Drehmoment, während die Enden 16 der Bündel 11 über die Formoberfläche in Kontakt damit gezogen werden, um den erwünschten Poliergrad zu erzielen. Die abrasiven Polierpartikel im Überzug können ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumoxid, Siliciumoxid oder Siliciumcarbid. Die flexiblen Bündel 11 werden bevorzugt aus stabilisierten Nylonfilamenten gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Endbearbeiten einer konturierten Freiform-Metall oder harten Formoberfläche nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Sie bezieht sich also auf die Technologie der Endbearbeitung von Metalloberflächen, wie Freiform-Oberflächen, die durch Formen präsentiert werden, und insbesondere das Polieren derartiger Oberflächen für eine präzise Kontur ohne Überpolieren.

Eines der zeitaufwendigsten Programme bei der Herstellung eines neuen Kraft fahrzeugteils ist die Herstellung von Werkzeugen für das Teil. Ein derartiges Werk zeug kann bspw. eine Form für Körperabdeckungen, eine Gußform für Sandkern zur Formung von Motorkomponenten und ein Formwerkzeug für die Herstellung von spritzgegossenem Kunststoffkomponenten, wie sie im Inneren des Kraftfahrzeugs eingesetzt werden, sein. Die Grundform dieser Formen oder Werk-, zeuge wird üblicherweise durch Endbearbeitung ihrer Freiform-Form durch Fräsen oder andere Schneidwerkzeuge, die entlang paralleler Wege vor und zurück mit variierenden Schneidtiefen gemäß einer numerischen Steuerung (ein Computer programm, das den Weg eines Bearbeitungswerkzeuges zur Entfernung von Metall von einem rohen Teil vorgibt), erhalten. Das numerisch gesteuerte aufrechte Fräswerkzeug wird veranlaßt, sich entlang eines zweidimensionalen Weges zu be wegen und entlang seiner senkrechten Achse gehoben oder abgesenkt, um verschiedene Schneidtiefen zu erzielen. Eine derartige gefräste Oberfläche kann niemals eine exakte Kontur identisch der Computervorgabe haben, da das rotie renden Fräskopfwerkzeug stark gebogene Konturen nur annähern kann, wobei kleine Stufen verbleiben, die nachfolgend unter manueller Leitung wegpoliert wer den müssen. Bisher verwendete man beim manuellen Polieren abrasive Pulver und abrasive Steine, die allgemein als Läppmittel und Poliersteine bezeichnet werden. Die Nachteile des manuellen Polierens bestehen in der Tendenz, zu viel Material zu entfernen, wodurch die Integrität der Oberfläche verloren geht, oder der Tendenz, zu wenig Material zu entfernen (Unterpolieren), wodurch die Oberfläche ungenügend funktioniert. Sogar sehr erfahrene Handwerker können bestimmte Flächen von Hand überpolieren, wodurch die erwünschte mathematische Form nur unvollständig und üblicherweise nach erheblichen Zeiträumen (wie 20-30% der Gesamtbearbeitungszeit) erzielt wird, wodurch das Verfahren ineffizient wird.

Um die Schwierigkeiten des manuellen Polierens zu vermeiden, wurde im Stand der Technik versucht, aufwendige Steinstrahlfräsen einzusetzen, um den erwünschten Endbearbeitungszustand zu erreichen. Dies ist auf Grund der hohen Kapitalkosten und da Werkzeugmacher für den Betrieb und die Steuerung der Ma schinen notwendig sind, was zu Fehlern führen kann, unvorteilhaft.

Im Stand der Technik wurde auch versucht, programmierbare gewandte Roboter einzusetzen, die das Fräswerkzeug schwenken, um die erwünschten Konturen besser anzunähern, was dann von Roboter-Polieren unter Verwendung einer ähnlich schwenkbaren Achse gefolgt wird. Dieses Verfahren leidet unter erheblichen Kosten, obwohl es effektiver die erwünschte polierte Form annähert.

Schließlich ist im Stand der Technik versucht worden, das Polierwerkzeug zu ver ändern, um die Notwendigkeit teurer Maschinen zu vermeiden. Beispielsweise wird im US-Patent 4,945,678 eine Polierbürste durch mittels Schaum mit eingekap seltem abrasivem Grieß zusammengehaltene Filamente konstruiert (das Abrasiv befand sich nicht direkt auf den Filamenten). Der Schaum war grundsätzlich schwach und zersetzte sich schnell während des Einsatzes, obwohl die Filamente ursprünglich durch den Schaum verstärkt wurden. Die Bürste benötigte eine konti nuierliche Polierfläche, wie sie durch den kontinuierlichen Schaumkörper geschaf fen wird. Im US-A-5,355,639 wurde ein rotierendes Polierwerkzeug mit überzoge nen elastischen Platten verwendet, wobei die Platten als elastisch biegende Fe dern wirken. Derartige elastische Platten wurden mit einer konstanten Rotationsge schwindigkeit bewegt, um Kunststoff oder andere weiche Materialien zu bearbei ten, was den Einsatz des Werkzeuges begrenzt. Unglücklicherweise können der artige Werkzeuge die erfindungsgemäß zu erzielenden Resultate nicht bewirken.

Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges Verfahren zu schaffen, das Ungenauigkeiten beim Polieren ökonomisch vermeidet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Überraschender Weise wird so ein Verfahren geschaffen, das Kapitalkosten unter 15.000 US-$ besitzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum automatischen Endbearbeiten einer Frei form-Metallkontur oder einer harten Formoberfläche weist auf:
Vorsehen einer rotierenden Bürste mit einer Zentralnabe, die durch eine um die Nabenachse drehbare Antriebsspindel getragen wird; Versehen der Bürstennabe mit mehreren nahe aneinander angeordneten elastischen und unabhängig flexiblen Bündeln, die mit abrasiven Polierpartikeln imprägniert oder überzogen sind, wobei jedes Bündel an einem Ende in der Nabe befestigt ist und sein anderes Ende sich radial davon erstreckt, um eine gebogene Oberfläche nahe aneinanderstehender Bündelenden zu präsentieren (die einander berührenden oder eng aneinanderste henden Bündelenden bilden mindestens Teil einer sphärischen Oberfläche); und rotierender Antrieb von Nabe und Bündeln mit konstantem Drehmoment, wobei die Bündelenden über die Formoberfläche gezogen werden, wobei sie diese berühren, um den erwünschten Poliergrad zu erzielen. Der Überzug aus abrasiven Polierpartikeln kann Aluminiumoxid, Siliciumoxid oder Siliciumcarbid aufweisen. Die flexiblen Bündel sind bevorzugt aus stabilisierten Nylonfilamenten hergestellt.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie der begleitenden Zeichnung näher erläutert, auf die sie aber keinesfalls beschränkt ist. Dabei zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer für das erfindungsgemäße Verfahren ge eigneten Polierbürste;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Steuerung und Vorrich tung zur Durchführung und Steuerung der Bewegung der Bürste der Fig. 1 bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer durch das Bürstenwerkzeug der Fig. 1 polierten Metall-Formoberfläche (die Teil einer Form, für die Herstellung von Sand kernen zum Gießen von Aluminium-Motorköpfen bildet), die die Abrasivwirkung zeigt; und

Fig. 3a eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Teils der Fig. 3.

Das Verfahren benötigt eine Rotationsbürste 10, wie in Fig. 1 gezeigt, und eine Steuerung 30, wie in Fig. 2 gezeigt, um die Bürste zu bewegen und zu rotieren. Die Bürste 10 trägt eng gepackte, elastische und flexible Bündel 10, die mindestens an ihren äußeren Abschnitten 12 mit abrasiven Partikeln 13 imprägniert sind. Bevor zugt sind die Bündel durch Extrusion aus Epoxidharz, in das Aluminiumoxid und Siliciumcarbid gemischt sind, hergestellt. Die Steuerung 30 verwendet ein ge schlossenes Rückkopplungssystem 31, das das Drehmoment bestimmt, um die, Rotation der Bürste auf konstantes Drehmomentwerten zu regulieren, während sich die Bündel in Kontakt mit einer zu polierenden Oberfläche befinden. Gleich zeitig wird die Bürstennabe 14 durch ein durch Leitungen 32 aus einer Kühlanord nung 50 zirkulierendes Kühlmittel gekühlt, um die Integrität der Bündelau erhalten. Ein Luft/Öl-Nebel Generator 43 sendet einen Nebel 33 durch das Rohr 42 zur In jektion zwischen die Bündel, um beim abrasiven Polieren für gleichmäßigeres Reibungsverhalten zu schmieren.

Die Bürste 10 weist eine Zentralnabe 14, hergestellt aus einem festen Epoxidkom posit auf, wobei ein zentraler Metallkragen 19 an der Nabe angeschlossen ist. Die Nabe besitzt Öffnungen 20, die sich durch die Nabe erstrecken, um Luft/Ölnebel zuzulassen und innere Kanäle 21 zum Durchleiten von Kühlmittel.

Die Bündel 11 erstrecken sich von der Nabe 14, wobei ein Ende 15 jedes Bündels darin eingebettet und befestigt ist. Das andere Ende 16 jedes Filamentes ist frei, um sich elastisch zu biegen, wenn es die zu polierende Oberfläche kontaktiert. Die Bündel sind bevorzugt mit gleichmäßigem Durchmesser ausgebildet (0,02-0,04 Inches) und durch Nylonfilamente stabilisiert, die eine vorgeformte Wellenform ha ben können. Die Bündel stehen eng aneinander, wobei jedes Bündel sich unab hängig stark elastisch biegen kann, typischerweise etwa 1,27 cm (0,5 Inches) aus seiner Neutral-Position. Die äußeren Bündelspitzenabschnitte 17 werden abgeschert, um eine gebogen erscheinende Oberfläche 18 zu präsentieren, wie einen Kugelabschnitt (bspw. eine Halbkugel, wie gezeigt). Die Dichte der Bündelpackung beträgt etwa 85% in einer Bündelsäule und etwas weniger zwischen den Säulen, so daß die Bündel 18 sich im Bereich der sichtbaren Oberfläche 18 immer noch leicht berühren können, wenn sie nebeneinander stehen.

Mindestens der äußere Bündelabschnitt 12 (üblicherweise 0,3-5,08 cm (0,12-2,0 Inches)) jedes Bündels 11 enthält abrasive Partikel 13 aufgrund eines Verfahrens, das aus dem Imprägnieren der Zusammensetzung des Bündelabschnittes, gefolgt durch Erwärmen, um eine Bindung zu bewirken, besteht. Die abrasiven Teilchen können SiC, Al₂O₃ und SiO₂ sein. Silciumcarbid ist aufgrund seiner abrasiven Qualität bevorzugt (scharfkantige Partikel aufgrund der Kristallstruktur).

Die Steuerung 30 zum Rotieren der Bürste 10 beim Polieren, wie in Fig. 2 gezeigt, weist einen elektrischen Motor 34 mit einer Spindel 35 auf, die antriebsmäßig mit dem Kragenteil 19 der Bürste verbunden ist, um eine bewegbare Anordnung 36, die durch eine Positioniereinrichtung 37 einer NC Maschine getragen ist, zu bilden. Eine Leistungssteuerung 39 ist elektrisch mit dem Motor und der Positioniereinrichtung durch das geschlossene Rückkopplungssystem 31 mit einem Drehmomentsensor 40 am Motor verbunden. Luft/Ölnebel 33 aus einem Generator 34 wird durch die Leitung 42 zu Öffnungen 20 in der Bürstennabe geführt, um die Bündel während des Polierens zu befeuchten. Flüssiges Poliermittel wird durch die Leitung 32 zu den Kanälen 21 in der Nabe geleitet, um die Bündel bei oder unter einer erwünschten Temperatur, beispielsweise unter 66°C (150° F), zu halten.

Das Polieren einer Freiformoberfläche 41 ist in Fig. 3 dargestellt. Oberfläche 41 ist eine Aluminium-Formoberfläche, die in einer sehr komplexen Freiform-Konforma tion hergestellt ist, die dazu benötigt wird, um einen mehrerer Sandkerne für den Guß von Automobilmotorblöcken oder -köpfen zu formen. Passende Formoberflä chen auf anderen Trägem (nicht gezeigt) vervollständigen die Formanordnung zum Formen des Sandes, der üblicherweise in die Formanordnung eingeblasen wird.

Man beachte, wie die engstehenden Bündel sich biegen und über die Ober flächensegmente 45 gezogen werden, wenn die Anordnung 36 linear entlang des Weges 46 bewegt wird.

Bestimmte Merkmale der Erfindung sind wichtig. Zunächst werden die Bündel der Bürste rotierend angetrieben und über die Oberfläche 41 mit konstantem Dreh moment gezogen, was eine gleichmäßige Metallentfernung fördert. Konstantes Drehmoment wird aufrechterhalten, indem die Antriebskraft, mit der die flexiblen Bündel gegen die Oberfläche gedrückt werden, geändert wird. Dies kann durch Variieren der Stellung der Anordnung 36 relativ zur Oberfläche 41 (Nähern oder Entfernen) entsprechend einer gemessenen Abweichung im Drehmoment der Bür ste erreicht werden. Um das Drehmoment zu reduzieren, bewirkt das Entfernen der Anordnung, daß die Bündel sich weniger biegen und weniger stark gegen die Oberfläche 41 drücken, wodurch die Reibwirkung und so das gemessenen Dreh moment vermindert wird. Beispielsweise wird dann, falls die erwünschte Oberflä chen-Endbearbeitung 10-15 Mikrometer (Ra) ist, die Anordnung 36 bevorzugt mit einer linearen Geschwindigkeit von etwa 100-300 Millimeter pro Minute über die Oberfläche 41 gezogen und so angeordnet, daß ein Normaldruck von etwa 231,3 N (52 Pounds) ausgeübt wird, wodurch die Bündel mit einem (gemessenen) Drehmoment von etwa 47 Newton gebogen werden, wobei angenommen wird, daß die Bürste durch einen 50 Watt Motor mit Energie versorgt wird und die Bündel einen Durchschnittsradius von etwa 0,0645 cm (0,0254 Inches) und eine, Durchschnitts-Rotationsgeschwindigkeit von 400 UPM oder 42 rad/sec besitzen. Da die Freiform-Oberfläche 41 ihre Konturen ändert und so die Bürste dazu veranlaßt, eine Drehmoment-Änderung auf Grund des Anwachsens oder Abfallens der Reibwirkung hinzunehmen, veranlaßt der Sensor 40 die Anordnung 36 sofort, ihren Abstand gegenüber der Oberfläche zu vergrößern, wodurch der Zug vermindert und das erwünschte konstante Drehmoment wiederhergestellt wird.

Zusätzlich dient der Einsatz eines Luft/Ölnebels wie auch eines Kühlmittels dazu, die Temperatur der Bündel aufrechtzuerhalten und konstantes Drehmoment und Reibkontakt bei einer vorbestimmten Temperatur zu erleichtern, wobei eine derar tige Temperatur das Zersetzen der abrasiven Mittel erleichtert. Dies wird erleichtert, da eine Entfernung von geschnittenem Material und Grieß als Abfall von ver brauchtem abrasivem Mittel aus der Schneidzone erfolgt; die Nylon-Bündel erwei chen bei einer bestimmten Temperatur, können dann verbrauchte abrasive Partikel freisetzten und legen so frische abrasive Partikel für ein effektiveres Schneiden frei.

Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist dem Fachmann offensichtlich, daß verschiedenste Abwandlungen und Änderungen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche möglich sind, so daß die Erfindung keinesfalls auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist.

Bezugszeichenliste

10

Rotationsbürste

11

Bündel

12

äußere Abschnitte von

10

13

abrasive Partikel

14

Bürstennabe

15

in der Nabe

14

befestigtes Ende jedes Bündels

16

freies Ende jedes Filamentes

17

äußere Bündelspitzenabschnitte

18

sichtbare Oberfläche

19

Metallkragen

20

Öffnungen

21

Kanäle

30

Steuerung

31

Rückkopplungssystem

32

Leitungen

33

Nebel

34

elektrischer Motor

35

Spindel

36

bewegbare Anordnung

37

Positioniereinrichtung

39

Leistungssteuerung

40

Drehmomentsensor

41

Freiformoberfläche

42

Rohr

43

Luft/Öl-Nebel Generator

45

Oberflächensegmente von

41

46

Weg

Claims

1. Verfahren zum automatischen Endbearbeiten einer konturierten Freiform-Metall- oder harten Formoberfläche, mit den Schritten:

a) Vorsehen einer rotierenden Bürste mit einer Zentralnabe, die durch eine An triebsspindel für Rotation um die Nabenachse abgestützt wird;
b) Versehen der Bürstennabe mit mehreren nahe aneinanderliegenden, elasti schen und flexiblen Bündeln mit abrasiven Polierpartikeln, wobei jedes Bündel an einem Ende in der Nabe befestigt ist und dessen anderes Ende sich radial davon erstreckt, wobei eine gebogene Oberfläche nahe nebeneinanderstehender Bün delenden präsentiert wird; und
c) Rotierendes Antreiben von Nabe und Bündeln mit konstantem Drehmoment, während die Enden der Bündel über die Formoberfläche gezogen werden, wobei sie sich im Kontakt mit der Oberfläche zu Erzielung des erwünschten Poliergrades befinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abrasiven Polier partikel ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Siliciumcarbid, Alumi niumoxid und Siliciumoxid.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abrasiven Polier partikel in die Bündel imprägniert sind.

4. , Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bündel aus Ny lonfilamenten bestehen und zumindest an ihren äußeren Enden einander berüh rend eng gepackt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden der Bündel eine gebogene halbkugelförmige Oberfläche bilden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe festes Epoxidkomposit aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konstante Drehmomentwert ausgewählt wird aus dem Bereich von 40-60 Newton.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe durch einen Elektromotor, der auf einer durch Computer ausgerichteten Anordnung abgestützt ist, angetrieben wird, wobei eine geschlossene Rückkopplungssteuerung - gemeinsam mit dem Motor und der Anordnung - die Anordnung dazu veranlaßt, entsprechend dem gemessenen Drehmoment der Bürste das Drehmoments auf einen konstanten Wert zurückzuführen.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Bürste linear entlang der zu polierenden Oberfläche mit einer linearen Fortbewe gungsgeschwindigkeit von etwa 100-300 mm pro Sekunde bewegt wird, während die Bündel diese kontaktieren.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Bün delkörpers etwa 85% beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die abrasiven Parti kel etwa 10-15 Vol% des Bündelkörpers bilden und einen Trockenreibungskoeffizi ent mit der Oberfläche von etwa 0.2 haben.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (c) durch geführt wird, um eine durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit auf der zu polieren den Oberfläche von etwa 10-15 Mikrometern (Ra) zu erzielen.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (c) die Erzielung konstanten Drehmomentes sowohl durch Modulation des Ausgangs drehmoments der elektrischen Motorspindel, die die Bürste rotierend antreibt als auch durch Anheben oder Absenken der Bürste gegenüber der Oberfläche erzielt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die überzogenen abrasiven Polierpartikel in Korngrößenbereich von 70-100 Grit ausgewählt werden.