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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Bürstvorrichtung gemäss dem unabhängigen Anspruch
1.
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Stand der
Technik
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Bürstmaschinen
zum Behandeln von technischen oder dekorativen Oberflächen, beispielsweise
zum Entgraten, Schleifen bzw. Feinschleifen und Polieren sind in
einer Ausführung
als einfacher Bürstbock
mit manueller Zustellung des Bürstguts
schon lange bekannt. In letzter Zeit wurden verschieden Bürstvorrichtungen entwickelt,
um einerseits einen höheren
Automatisierungsgrad und andererseits eine höhere Reproduzierbarkeit des
Bürstprozesses
zu gewährleisten.
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Beispielsweise
wird in
US 2002037689 ein
automatisches Fertigungszentrum zum Finishen unterschiedlicher Teile
beschrieben, bei dem ein in drei Achsen beweglicher und zusätzlich rotierbarer
Bearbeitungskopf die Oberflächen
von schwenkbar gelagerten Teilen bearbeiten kann. In WO 97/00757
wird ein Fertigungsautomat zum Behandeln von Sanitäreinrichtungen
beschrieben. Weitere Fertigungsautomaten, die auch für Bürstoperationen
eingesetzt werden können
sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die meisten derartigen Automaten
haben allerdings den Nachteil einer hohen Komplexität, die sich
aus der für
die Beherrschung von bis zu sechsachsig beweglichen Manipulatoren
bzw. der Beherrschung und Steuerung von komplexen Relativbewegungen
zwischen Bearbeitungsroboter und Werkstück ergeben.
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Beispielsweise
sind CNC gesteuerte Anlagen der Firma Sinjet Osborn bekannt die
zur Oberflächenmodifikation
verwendet werden. im Speziellen werden diese Anlagen zur Entgratung
von Werkzeugen verwendet. Diese Anlagen sind technisch aufwendig
und teuer, da auch hier eine CNC-Steuerung auf einem in mehreren
Achsen beweglichen Bürstarm
wirkt. Die Zustellung der Bürste
an die zu bearbeitenden Oberflächen kann
dabei beispielsweise durch Eingabe der geometrischen Werkzeugabmessungen,
aus denen die entsprechende Zustellung berechnet wird, erfolgen.
Dies erfordert einen zusätzlichen
Bedienungsaufwand.
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Ein
wesentlich einfacheres Prinzip ist von einer Bürstmaschine der René Gerber
AG bekannt. Diese Maschine arbeitet im Batchbetrieb, dabei wird
ein mit radial nach aussen gerichteten Halterungen bestückter Revolver
mit Schaftwerkzeugen beladen und anschliessend die Werkzeuge gemeinsam
durch eine umlaufende Scheibenbürste
bearbeitet. Nach Beendigung des Bürstvorgangs wird die Bürstscheibe
abgehoben und der Revolver neu beladen. Für eine Serienfertigung von
Werkzeugen kann ein derartiger Batchbetrieb mit entsprechenden Be-
und Entladezeiten von Nachteil sein. Weiters werden die Werkzeuge
auf Grund der unterschiedlichen Radialgeschwindigkeit des Bürstwerkzeugs über die
Schaftlänge
unterschiedlich bearbeitet, sodass die Bürstwirkung bei langen Werkzeugen
an der Spitze deutlich stärker
als an Flankenteilen in der Nähe
des Schafts ausfallen kann. Neben der jeweils gegebenen Bürst-/Beladegeometrie
ist dies ein weiterer Grund, weshalb mit derartigen Maschinen nur
Werkzeuge mit einer begrenzten Länge
bearbeitet werden können.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Bürstvorrichtung für im Wesentlichen
rotationssymmetrische Werkstücke
zur Verfügung
zu stellen, die oben beschriebene Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Insbesondere soll damit ein kontinuierliches gleichmässiges Bürsten von
Werkstücken
mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen ohne zusätzlichen
Bedienungsaufwand ermöglicht
werden.
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Eine
derartige Bürstvorrichtung
wird durch eine Vorrichtung gemäss
den Merkmalen des Anspruches 1 verwirklicht, wobei die Unteransprüche unterschiedliche
Ausführungsformen
der Erfindung beschreiben.
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Die
Vorrichtung zum Bearbeiten von technischen Oberflächen eignet
sich besondes zur Behandlung von im wesentlichen rotationssymmetrischen
Werkstücken
und umfasst zumindest eine Bearbeitungseinheit, einen Werkstückträger mit
Antrieb und zumindest zwei oder mehreren drehbeweglich darauf befestigten
Halterungen zur Zustellung von Werkstücken an die Bearbeitungseinheit.
Dabei umfasst die Bearbeitungseinheit Mittel zum Herstellen eines
im Wesentlichen konstanten Anpressdrucks auf der Oberfläche der
Werkstücke und
der Antrieb ist so ausgelegt, dass er die zeitliche Abfolge der
Zustellung und Behandlungsdauer der Werkstücke an die Bearbeitungseinheit
bestimmt.
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Zumindest
eine Bearbeitungseinheit umfasst eine Bürst- oder Schleiffeinheit,
insbesondere bevorzugt eine Rund- oder Riemenbürste. Zum Herstellen des konstanten
Anpressdruckes können
Gasdruckdämpfer, Federmittel,
elastische Mittel oder Gewichtsmittel und bei Bedarf Hebelmittel
verwendet werden. Der Werkstückträger kann
teller- oder bandförmig
ausgeführt
und mit einem kontinuierlich, zyklisch oder schrittweise zustellenden
Antrieb versehen sein. Die Halterungen können durch gesonderte Antriebsmittel,
die beispielsweise zumindest ein Zahnrad, einen Zahnkranz, ein Reibrad,
einen Reibkranz oder ähnliches
umfassen oder bevorzugt durch die am Umfang der Werkstücke einwirkenden
Tangentialkräfte
der Bearbeitungseinheit rotierbar sein.
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Mit
einer solchen Vorrichtung können
unterschiedliche Verfahren zum Bearbeiten der Oberflächen eines
im Wesentlichen zylindrischen Werkstücks verwirklicht werden, wie
sie beispielsweise in den Versuchen der Tabelle 1) ausgeführt sind.
Die Behandlung von Werkstücken
mit verschiedenen Beschichtungen, darunter PVD (physical vapor deposition)
oder CVD (chemical vapor deposition), wird damit möglich.
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Durch
eine derartige Bürstvorrichtung
ist eine kontinuierliche, schrittweise und/oder zyklische Führung der
um die eigene Achse drehbaren Werkstücke, vorbei an den Bürststationen
und eine einfache Bestückung und
Entnahme der zu behandelnden Werkstücke möglich, ohne den Bürstprozess
zu unterbrechen. Bürstparameter
wie Zeit, Anpressdruck, Bürstwinkel
und Rotationsgeschwindigkeit der Bürsten werden nach erfolgter Wahl
der Bürstmittel,
und bei Bedarf Einstellen des Bürstwinkels,
automatisch ohne weiteren Aufwand an unterschiedliche Durchmesser
und Längen
der Werkstücke
angepasst und damit ein definierter Endzustand der bearbeiteten
Oberflächen
sichergestellt. Sollen die Werkzeuge nicht allein durch die Umdrehung
der Bürstwerkzeuge
in Rotation versetzt werden, können
die einzelnen Halterungssatelliten, beispielsweise durch Abwälzen auf
einem feststehenden Zahnkranz, in Rotation-gebracht werden, wobei
die Rotationsgeschwindigkeit, wie dem Fachmann bekannt, variiert
werden kann.
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Mit
einer erfindungsgemässen
Bürstvorrichtung
können
somit auf im wesentlichen rotationssymmetrischen Teilen alle gängigen Bürstoperationen
wie z.B. Glätten,
Entgraten, Kantenverunden, Entzundern usw. vorteilhaft ausgeführt werden.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der beispielhaften Zeichnungen werden verschiedene vorteilhafte
Ausführungen
der Erfindung erläutert.
Dabei zeigen
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1 Eine
Riemenbürstvorrichtung
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2 Eine
Rundbürstvorrichtung
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3 Eine
Linearzuführung
mit Riemenbürste
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4 Eine
Linearzuführung
mit Rundbürste
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5a,
b Drehmomentmessungen
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1 zeigt
eine Riemenbürstvorrichtung.
Dabei können
die Werkstücke
ohne Unterbrechung des Umlaufs oder getaktet bewegt werden. Die
Anzahl und Position der Bürsten 4 kann
variieren. Weiters kann die Bürstlänge, wie
bekannt angepasst werden (Verlängerung
des Rollenabstands bzw. Abstände
und/oder Verlängerung
des Riemens).
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Dass
Modifizieren (z.B: Glätten,
Aufrauhen; Kantenpräperation,
-verrunden; Entgraten) der Oberfläche von rotationssymetrischen
Werkstücken
erfolgt im Durchlaufverfahren. Dazu werden die Werkzeuge 3 in Halterungen 5,
die ihrerseits auf drehbaren Satelliten 2 befestigt sind,
gestellt und auf einem wie in 1 und 2 dargestellten
Teller 1 oder einem wie in 3 und 4 gezeigten
umlaufenden Band 1' an
der Bürste oder
den Bürsten 4 vorbeibewegt.
Die Halterung 5 mit dem Werkzeug 3 dreht sich
dabei um die Achse des Satelliten 2. Drehrichtung und Geschwindigkeiten
können
für Teller 1 bzw.
Band 1',
Satellit 2 bzw. Bürste 4 bei Bedarf
variiert werden (Links- und Rechtslauf, unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten).
In einer einfachen aber für
viele Anwendungen ausreichenden Ausführung wird die Satellitendrehung
durch die von den Bürsten 4 auf
die Werkzeuge 3 übertragene
Kraft bewirkt.
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Die
Bürste 4 kann
je nach Anforderung im Winkel an das Werkstück angepasst werden um beispielsweise
parallel zum Spannutwinkel zu bürsten.
Um eine gleichmässige
Behandlung über
die ganze Werkzeuglänge
gewährleisten
zu können.
Bürsten 4,
speziell Rundbürsten
wie in 2 und 4 dargestellt, können sich
in der Höhe überschneidend
angeordnet werden. Alternativ kann eine oder mehrere Bürsten 4 während der
Behandlung bevorzugt parallel zu den Werkzeugen auf- und abgeführt werden.
Zusätzlich
kann die Bürste 4 beispielsweise über einen
Gasdruckdämpfer 6 mit
einem definierten Druck mit der Kraft von 1–100N an das Werkzeug zugestellt
werden. Analoge Vorrichtungen die durch Federmittel, elastische
Mittel oder Gewichtsmittel, bei Bedarf mit Hebelverstärkung entsprechende
Zustellkräfte
auf die Bürste
ausüben,
sind dem Fachmann bekannt. Damit kann ein definierter im Wesentlichen
konstanter Anpressdruck der Bürste
bzw. Bürsten über die
gesamte zu bearbeitende Länge
des Werkzeugs sichergestellt werden. Der Ausgleich an verschiedenartige
in Durchmesser und Länge
variierende Werkzeuge erfolgt dabei einfach und vorteilhafterweise rein
mechanisch, ohne zusätzliche
Steuerung, da die Angleichung durch Selbstjustierung erfolgt. Folgt
ein Werkzeug mit grösserem
Durchmesser einem kleineren Werkzeug, schwenkt somit die Bürste automatisch
um den erforderlichen Betrag zur Seite und vice versa, wobei der
Anpressdruck für
beide Durchmesser gleich bleibt. Beispielsweise kann die Bürsteneinheit 4 inklusive
Antriebsmotoren auf einem hier nicht näher gezeigten Schwenkarm angebracht
sein. Die Verschwenkung kann zur Seite oder in der Höhe erfolgen.
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Die
Halterungen 5 können
in einfacher Weise auf den Drehteller bzw. das Band steckbar ausgeführt werden.
Zur Vermeidung eines Drehens der Werkzeuge in den Halterungen, kann
weiters eine Klemm- oder eine anders wirkende Befestigungsvorrichtung
vorgesehen werden. Beispielweise kann eine bekannte Klemmfeder in
bzw. an der Halterung angebracht werden, die das Werkzeug 3 ausreichend
fest in der Halterung 5 hält.
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Besonders
vorteilhaft lassen sich mit einer derartigen Bürstvorrichtung Schaftwerkzeuge
und rotationssymmetrische Bauteile, beispielsweise auch mit mehrstufigen
Durchmessern bearbeiten. Rotationssymmetrische Werkzeuge ohne Schaft,
wie beispielsweise Abwälzfräser können aber
ohne weiteres mittels angepasster Halterung, wie beispielsweise
einer Halterung mit Aufsteckdorn, bearbeitet werden.
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Weitere vorteilhafte
Wirkungen der Erfindung
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Mit
einer erfindungsgemässen
Bürsteinrichtung
wurde erstmals versucht CVD- und PVD-beschichtete Werkzeuge zu bürsten und
damit das Einlaufverhaiten zu verbessern. Im Folgenden werden verschieden
Beispiele angeführt,
die weitere Vorteile einer solchen Bürstbehandlung für PVD beschichtete
Werkzeuge aufzeigen.
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Dabei
wurden auf einer erfindungsgemässen
Bürsteinrichtung
bestehend aus einem Teller mit 20 Halterungssatelliten und drei
feststehenden in der Höhe
um jeweils 50 mm versetzten Bürsten
entsprechend 2, die Oberflächen von
unterschiedlich beschichteten oder unbeschichteten Werkzeugen mit
einem Anstellwinkel von ca. 60 Grad aus der Senkrechten, bzw. gegenüber der
Werkzeugachse gebürstet.
Die Abmessungen der Bürsten
wurden wie folgt gewählt:
Durchmesser = 150mm, Bürstbreite
der Einzelbürste
je nach Hersteller von ca. 17mm, wobei 4–6 Einzelbürsten mit Distanzstücken als
Bürstenwalze
mit einer Gesammtbreite von ca. 80–100mm aufgebaut werden. Die
Behandlungsdauer an einer Bürste
auf einer der 3 definierten Höhen
wurde zwischen 5 und 30 s eingestellt, wobei bei einer Behandlungsdauer
von 8 bis 10 s bei den gewählten
Bürstparametern
ein in Bezug auf Oberflächenzustand
und Produktivität
besonders gutes Ergebnis erzielt wurde. Dabei wurden Werkzeuge mit
einer Funktionslänge
zwischen 1 und 150 mm behandelt. Eine 360 Grad Rotation des Drehtellers
dauert in diesem Fall ca. 3 Minuten. Da mehrere Werkzeuge gleichzeitig
behandelt werden, kann alle 10 Sekunden ein fertigbehandeltes Werkzeug
an der Austrittsöffnung
entladen und ein unbehandeltes neu aufgesteckt werden.
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Bei
einer 40 Satellitenausführung
können
bei Bürsten
des gewählten
Durchmessers je zwei Werkzeuge pro Bürststation gleichzeitig behandelt
werden, womit auch bei gleichbleibender Behandlungzeit von 45 Sekunden,
der doppelte Durchsatz pro Zeiteinheit erreicht werden kann.
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Auf
einer wie oben beschreibenen 20-Satellitenausführung einer erfindungsgemässen Bürstvorrichtung
wurden Prüfkörper und
Werkzeuge mit unterschiedlichen Parametern, wie sie auszugsweise
in Tabelle 1 dargestellt sind gebürstet. Spalte zwei bezeichnet
entweder das Abrasivmaterial (Al
2O
3, SiC) mit dem Nylonbürsten versetzt wurden oder
das Borstenmaterial des Bürstkörpers selbst
(Messing, Fibre = saugfähige
Naturfaser.)
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Die
Kantenverrundung von Werkzeugschneiden wurde auf den unterschiedlichen
mit oder ohne Abrasiva bestückten
Bürstkörpern auch
unter Zusatz von Diamantpaste und Schmiermittel getestet. Dabei
betrug die Korngrösse
der Diamantpartikel 0.25μm–15μm. Unter
diesen Bedingungen konnte bei Versuchen 1 bis 8 eine Kantenverrundung
zwischen 3μ–30μ eingestellt
werden, d.h. bei sehr feinem Korn kann die Kante nahezu perfekt
erhalten werden, während
bei etwas gröberem
Korn eine definierte Verrundung eingestellt werden kann.
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Mit
vorliegender Bürstvorrichtung
kann die Kantenverrundung abhängig
von Werkzeug und Anwendung eingestellt werden. Für eine Massenproduktion empfiehlt
es sich aber einmalig die Parameter für eine maximal zulässige Kantenverrundung
an besonders empfindlichen Werkzeugen zu bestimmen und die entsprechenden
Bürstparameter
für alle
Bürstvorgänge beizubehalten.
Ziel ist eine Stabilisierung der Schnittkante und ein Egalisieren
von Schleifausbrüchen
zu erreichen.
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Eine
Behandlung gemäss
Versuch No. 1 mit einer Rotationsgeschwindigkeit des Tellers von
0.3U/min entspricht ca. 15 s Behandlungszeit pro Bürste bzw.
Höhe, erwies
sich dabei als geeignet und wirtschaftlich um eine Glättung zu
erzeugen ohne die PVD-Schicht an den Schneidkanten zu beschädigen.
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Dabei
konnte auf einer mehrlagigen Schicht aus AlCrN und TiSiN Einzellagen
(Balinit® Helica)
eine Verbesserung der Rauheitswerte wie folgt erzielt werden:
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Auffallend
ist dabei, dass der Mittenrauhwert Ra zwar
gleich bleibt, aber die gemittelte Rauhtiefe Rz sowie
die Glättungstiefe
Rp um ca. 50% verbessert werden konnten.
Diese Änderung
der Kennzahlen deutet auf ein Beibehalten der Grundrauhigkeit bei
gleichzeitiger Eliminierung der Rauhigkeitsspitzen.
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Für empfindlichere
Werkzeuge sind Parameter gemäss
Versuch No 3 mit einer Körnung
von F800 zu empfehlen. Bei demselben Ausgangszustand der Oberflächen ergaben
Rauhigkeitsmessungen für
eine solche Behandlung die in Tabelle 2 zusammengefassten Ergebnisse:
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Durch
eine entsprechende Behandlung können
die beim Einsatz eines neuen Werkzeugs auftretenden Wirkkräfte um 20
bis 50% reduziert werden, wodurch das Einlaufverhalten der Werkzeuge
wesentlich verbessert und beispielsweise die Gefahr eines Kantenausbruchs
bzw. Schichtabrisses und ähnliche
unerwünschte
Erscheinungen während
des Einlaufens verringert wird.
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5a,
b zeigen Drehmoment- und Axialkraftverlauf zweier mit einer Hartschicht
versehenen Hartmetallbohrer Modell Alpha A3365 der Firma Titex,
d = 6.8mm, beim Bohren in CK45. Bearbeitungsparameter: Schnittgeschwindigkeit
Vc = 120m/min, Vorschub f = 0.2mm/U. Beide Werkzeuge wurden in einer
kathodischen Funkenverdampferanlage Typ RCS der Firma Balzers mit
einer mehrlagigen Schicht aus AlCrN und TiSiN Einzellagen (Balinit® Helica)
mit einer Gesamtschichtdicke von ca. 4 μm beschichtet. Anschliessend
wurde ein Werkzeug ohne weitere Nachbehandlung getestet und der
Verlauf des Drehmoments Mz (linke Hochachse) und
der Axialkraft Fz (rechte Hochachse) über der
Eindringtiefe des Bohrers wie in 5a dargestellt.
Axialkraft und Drehmoment verhalten sich dabei gegenläufig. Während die
Axialkraft von anfänglich
sehr hohen Werten zwischen 1.700 und 2.000 Nm allmählich auf
einen Wert von ca. 1.500 Nm fällt,
steigt das Drehmoment des Werkzeugs zwischen 16 und 18 mm von 3
auf bis zu 9 Nm an um anschliessend unter starken Schwankungen wieder
abzufallen. Demgenüber
zeigt ein, wie in 5b dargestellter, nach dem Beschichten
mit einem gemäss
Versuch Nr.1 mit 30 N Anpressdruck, bei 650 Umdrehungen gebürsteter
Bohrer einen völlig gleichmässigen,
niedrigen Verlauf der Wirkkräfte.
Ein analoges Verhalten wurde bei allen Vergleichen von beschichteten
bzw. beschichtet und gebürsteten
Bohrern gefunden.
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- 1
- Drehteller/Band
- 2
- Satellit
- 3
- Werkzeug
- 4
- Bürsteinheit
- 5
- Halterung
- 6
- Gasdruckdämpfer