DE2548748C3

DE2548748C3 - Verfahren, Werkzeug und Vorrichtung zum Einbringen von Bohrungen in Hohlkörper oder Platten aus Glas

Info

Publication number: DE2548748C3
Application number: DE19752548748
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz 5400 Mainz Juras
Original assignee: Jenaer Glaswerk Schott and Gen
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1975-10-31
Filing date: 1975-10-31
Publication date: 1978-05-18
Also published as: DE2548748A1; DE2548748B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Werkzeug und eine Vorrichtung zum Einbringen von

ss Bohrungen in Hohlkörper oder Platten aus Glas durch Kombinaticii von thermischer und mechanischer Wirkung.

Der Begriff Bohrungen soll im Sinne der Erfindung nicht nur kreisrunde Löcher, sondern auch Öffnungen

(κ) und Durchbrüche beliebiger Umfangsgestalt umfassen. Die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Hohlkörper und Platten soll ausdrücken, daß das Verfahren allgemein zum Einbringen von durchgehenden Öffnungen in Körper mit begrenzter Wandstarke,

"1 nicht jedoch zum Einsenken von nicht durchgehenden Bohrungen in massives Material geeignet ist. Außer für Glas läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft für alle Werkstoffe verwenden, die /war

schmelzbar, im kalten Zustand aber nur schwer mechanisch zu bearbeiten sind.

Unter besonderer Berücksichtigung der Bearbeitung von Gegenständen aus Glas sind im wesentlichen folgende Verfahren für das Einarbeiten von Bohrungen in Hohlkörper oder Platten bekannt: Das eigentliche Bohren mittels zerspanender Werkzeuge, das Stanzen von Löchern nach Anwärmen des Materials sowie das Locheinbrennen unter Flammdruck.

Das Zerspanungsbohren von Glas erfolg; notwendigerweise tnit Diamantwerkzeugen und hat folgende Nachteile verwendungsbedingter und fabrikationstechnischer Art:

Das Bohren kann grundsätzlich erst nach dem Kühlvorgang durch Entspannen des zu bearbeitenden Glasteils erfolgen, wenn Bruchgefahr sowie starke Randaussplitterungen vermieden werden sollen. Dennoch wird die Bohrfläche an ihrem gesamten Umfang verletzt und aufgerauht. An der Bohreraustrittsseite entstehen starke Kantenverletzungen. Wo es technisch durchführbar ist, begegnet man letzterem Mangel durch Bohren von zwei Seiten. Diese Möglichkeit beschränkt sich aber im wesentlichen auf die Bearbeitung von Glasplatten.

Durch die beim Zerspanen auftretenden Oberflächenverletzungen wird der gebohrte Gegenstand in seiner mechanischen Festigkeit stark herabgesetzt. Als weiterhin nachteilig erweist sich die Verwendung von Glasteilen mit rauhen Bohrflächen in Apparaten der medizinischen, pharmazeutischen sowie der Lebensmitteltechnik, da die rauhen Bohrflächen für das Ansetzen von Schmutz empfänglich sind und daher die Ausbildung von Bakteriennestern begünstigen.

Will man die beschädigten Oberflächen nachträglich durch Verschmelzvorgänge glätten, wird außer dem Verschmelzvorgang selbst ein zusätzlicher Entspannungsvorgang im Kühlband notwendig. Diese Arbeitsgänge erfordern zusätzlichen Kostenaufwand und erhöhen die Bruchgefahr der bearbeiteten Gegenstände.

Ganz allgemein stört eine zerspanende Nachbearbeitung von Glasartikeln den natürlichen Produktionsfluß und macht Zwischenlagerung und Zwischentransport erforderlich. Ferner müssen die Artikel nach dem zerspanenden Bohren durch Waschen von Bohrschlamm und Kühlflüssigkeit gereinigt werden. Die Disposition der ölhaltigen Kühlflüssigkeit schafft Abwasser- und somit Umweltprobleme.

Im Gegensatz zum rein mechanischen Zerspanen stellt das Locheinbrennen mittels Flammdruck ein thermisches Verfahren dar.

Bei diesem Verfahren wird die erwärmte Stelle durch die kinetische Energie der Flamme durchstoßen, und das verdrängte Glas sammelt sich in Form einer dicken, stark verrundeten Wulst rund um die Bohrung an. Die Nachteile dieses Verfahrens liegen im wesentlichen in der schlechten Reproduzierbarkeit der Bohrungsmaße, die hierbei zusätzlich von der Glaswanddicke beeinflußt werden, sowie in starker Glasausdampfung im Bereich der Bohrstelle, da diese auf hohe Temperaturen aufgeheizt werden muß.

Als kombiniertes thermisch-mechanisches Verfahren ist das Anwärmen der Bohrstelle und das anschließende Stanzen der Bohrung bekannt. Eine Ausgestaltung dieses Verfahrens ist beispielsweise in der DT-OS 2JJ0 467 für die Anwendung bei Glasrohren beschrieben. Eingeschränkt wird das Verfahren allein schon dadurch, daß es nur bei Glasteilen anwendbar ist. bei denen auf der Gegenseite der zu stanzenden Stelle eine entsprechende Matrize herangeführt werden kann.

Beim Stanzen wird die Bohrung an der Stempelaustrittsseite scharfkantig und zum Teil rissig, da das Glas S durch Berührung mit den relativ kalten Werkzeugen eine Abschreckung erfährt. An der Stempeleintrittsseite ist die Glaskante dagegen angeworfen und stark verrundet. In jedem Fall drückt sich die Matrize deutlich am Glas ab. Glaswanddicken von mehr als 5 mm müssen ίο beidseitig erwärmt werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Einbringen von durchgehenden Bohrungen in Hohlkörper oder Platten aus Glas, welches die in Verbindung mit den bekannten Verfahren genannten i> Nachteile im wesentlichen vermeidet und mit welchem im Rahmen des normalen Produktionsflusses für die Glasherstellung möglichst exakte und reproduzierbare sowie glattwandige Bohrungen unterschiedlicher Umfangsgestalt erzeugt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren geht, wie das Stanzen, von der Kombination thermischer und mechanischer Wirkungen aus. Insbesondere wird durch die vorliegende Erfindung die Aufgabe gelöst, die thermische und mechanische Wirkung so aufeinander is abzustimmen, daß die Bohrungen ohne mechanische Beschädigung des Glases dennoch exakt ausgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Stelle für die einzubringende Bohrung insbesondere im Bereich des Umfanges der Bohrung bis nahe auf die Schmelztemperatur des Glases vorgewärmt, und zum Ausschmelzen des Bohrungskerns ein auf einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Glases gehaltenes, schneidenar-.15 tiges Werkzeug, dessen Schneidengestalt im wesentlichen der Kontur der Bohrung entspricht, auf die Oberseite der Glaswand aufgesetzt und unter langsamem Vorschub, welcher dem Fortschreiten der Schmelzzone im Bereich des Bohrungsumianges entspricht, durch die Glaswand hindurchgeführt wird.

Das Anwärmen der Glaswand im Bereich der Bohrung erfolgt normalerweise von derjenigen Seite aus, von der aus auch das Werk7eug angesetzt wird. Hei größeren Glaswanddicken kann es aber auch zweckmäßig sein, das Vorwärmen von beiden Seiten aus vorzunehmen. Zum Durchiühren des Vorwärmvorganges sind beispielsweise Gasbrenner geeignet, die eine Mehrzahl von Brenndüsen aufweisen, welche entsprechend der Umfangsgestalt der einzubringenden Bohso rung angeordnet sind.

Das Vorwärmen der Bohrstelle soll bis nahe an die Schmelztemperatur des Glases erfolgen, damit die zum eigentlichen Ausschmelzen durch das erfindungsgemäße Werkzeug nachzutransportierende Wärmemenge SS möglichst gering gehalten werden kann. Andererseits darf das Vorwärmen aber nicht so weit fortschreiten, daß bereits Deformationen der Glaswand an der Bohrstelle eintreten.

Das eigentliche Einbringen der Bohrung bzw.

fm Ausschmelzen des Bohrungskernes erfolgt durch das erfindungsgemäß zu verwendende, schneidenartige Werkzeug. Dadurch, daß das Werkzeug und somit auch dessen Schneide auf einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Glases gehalten wird, wird die

'¹S Glaswand an der Berührungsste"⁰ mit der Schneide zum Schmelzen gebracht. Das '"erk/.eug ist nun so ausgebildet, daß es sich hinter der Schneide, welche den größten Umfane bildet, wieder venünut. Durch die

damit verbundene zwangsläufige Schrägstellung der Schneide gegenüber der Bohrungswand wird einmal erreicht, daß das in der Schmelzzonc erweichte Glas nicht gegen die Bohrungswand, sondern zur Bohrungsmitte hin gedrückt wird. Gleichzeitig wird durch die Verjüngung hinter der Schneide aber auch der Kontakt des Werkzeuges mit der Buhrungsaußenwand hinter der Schmelzzonc wieder unterbrochen, so daß eine weitere Erwärmung der Bohrungswand nicht stattfinden kann. Innerhalb des Schneidenuinfanges besitzt das Werkzeug eine grubenartige Vertiefung, die das aus der Schmelzzone zur Bohrungsmitte hin verdrängte, weiche Glas aufnehmen kann. Innerhalb dieser Vertiefung bleibt das Glas ständig im Kontakt mit der heißen Werkzeugoberfläche, wodurch der Bohrungskern zumindest in seinen Außenbereichen zunehmend zum Schmelzen gebracht und so in seinem Durchmesser verringert wird, daß er weiter in die Vertiefung eindringen und dem in Richtung der Bohrungsachse fortschreitenden Werkzeug Platz machen kann. Der Vorschub des Werkzeuges erfolgt vorzugsweise durch eine konstante Gewichtsbelastung.

Auf die beschriebene Art und Weise läßt sich die Bohrung exakt und sauber vortreiben, ohne daß die durch die Werkzeugschneide scharf begrenzte Bohrungswand durch den Druck des Werkzeuges selbst oder mittelbar durch den Druck geschmolzenes Glases in irgendeiner Weise verformt oder sonstwie beeinträchtigt wird. Lediglich an der Rückseite der Glaswand kann sich durch den Werkzeugaustritt am Bohrungsrand ein leichter Grat bilden. Um weitere Beschädigungen der Bohrung zu vermeiden, wird das Werkzeug erfindungsgemäß nicht durch die Bohrung zurückgeführt, sondern an der Rückseite der Glaswand aufgefangen. Zu diesem Zweck muß das Werkzeug lösbar mit seinem Halter verbunden sein. Der an der Werkzeugaustrittsseite sich eventuell bildende Grat am Bohrungsrand kann durch Verschmelzen geglättet werden. Falls der Bohrungsbereich auch von der Rückseite her vorgewärmt wurde, ist es zweckmäßig, für das Verschmelzen des Grates den gleichen Brenner zu verwenden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Bohrungen erzeugen, deren Trennränder glasklar sind und somit höhere Festigkeiten aufweisen und leichter sauber gehalten werden können als durch Zerspanung erzeugte Bohrungen. Die erzielbaren Toleranzen sind gering. Die Bohrungen sind an ihren Rändern definiert rechtwinklig eckig und weisen an den Kanten keine Aussplitterüngen auf. Kreisförmige Bohrungen werden genau zylindrisch.

In Verbindung mit dem Produktionsablauf gesehen, können Glasartikel auf die erfindungsgemäße Art und Weise vor dem Entspannungsglühen im Kühlbad bereits mit allen erforderlichen Bohrungen versehen werden, so daß ein zweiter Kühlvorgang entfällt Wasch- und Trockenvorgänge wie beim Zerspanungsbohren werden überflüssig.

Im folgenden wird eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Werkzeuges und der zugehörigen Vorrichtung unter Hinweis auf die Zeichnungen näher beschrieben. Auch die Verfahrensweise wird anhand der Zeichnungen noch näher erläutert

Es stellen dar:

F i g. 1 zu beiden Seiten einer Glaswand befindliche Brenner zum Vorwärmen der Bohrstelle,

Fig. 2 eine Vorrichtung mit erfindungsgemäßen Werkzeug in Position oberhalb einer Glaswand voi Einbringen einer Bohrung,

F i g. 3 die Anordnung nach Fig. 2 mit auf dit Glaswand aufgesetztem Werkzeug,

F i g. 4 die Anordnung nach Fig. 2 mit bereits in dk Glaswand eingedrungenem Werkzeug,

Fig. 5 den Zustand der Vorrichtung nach Fertigstel lung der Bohrung mit dem auf der Rückseite austretenden Werkzeug.

Die Fig. I zeigt im Schnitt eine Glaswand t, an di( koaxial von beiden Seiten zum Vorwärmen einet Bohrstelle zwei Gasbrenner 2, 2 herangeführt sind. Du Brenner 2 besitzen eine Anzahl von kreisförmig angeordneten Brennerdüsen 3, welche die Glaswand 1 entlang des Umfangcs einer einzubringenden zylindri sehen Bohrung vorwärmen.

Die für das eigentliche Einbringen der Bohrung vorgesehene Vorrichtung ist in F i g. 2 dargestellt. Ir einer (schwenkbaren) Führung 4 ist ein Werkzeughaltci 5 aus hitzebeständigem Material beweglich gelagert. At die Unterseite des Halters 5 ist mit einem zapfenartigei Fortsatz 7 das Ausschmelzwerkzeug 6 eingesetzt welches durch Vakuum innerhalb der Bohrung 8 de; Halters 5 in seiner Lage gehalten wird. Der Vakuuman Schluß befindet sich seitlich am Werkzeughalter 5 be dem mit V gekennzeichneten Pfeil. Durch eint Induktionsspule 9, die (auf nicht gezeigte Art und Weise mit dem Werkzeughalter verbunden sein kann, läßt siel das Ausschmelzwerkzeug 6 auf die erforderliche Temperatur aufheizen. Außer durch Induktionswärme kann das Werkzeug aber auch durch andere geeignet« Mittel auf die vorgesehene Temperatur erwärm werden. Am Kopf des Werkzeughalters 5 befindet sicr ein kleiner Arbeitszylinder 10, an dessen Kolben 11 siel ein Stößel 12 befindet, der sich durch die zentrale Bohrung im Halter 5 bis in die Bohrung 8 erstreckt unc bei Betätigung des Zylinders 10 zum Ausstoßen de; Werkzeuges 6 dient. Das Druckmedium für der Zylinder 10 wird beim Pfeil Pzugeführt (Haltestellung).

Das Ausschmelzwerkzeug 6 ist in Form eine kegelstumpfartigen Hohlkörpers ausgebildet, desser untere Seite größeren Durchmessers offen ist. Die Seitenwand ist am offenen Ende zu einer Schneide 1J verjüngt, welche gleichzeitig den größten Umfang de; Werkzeuges bildet. Hinter der Schneide nimmt dei Außendurchmesser des Werkzeuges 6 zum Werkzeug halter 5 hin ab. Durch diese Formgebung erfährt die Schneide 13 eine Schrägstellung gegenüber dei Vorrichtungsachse und somit gegenüber der Wand dei einzubringenden Bohrung. Der Hohlraum des kegel stumpfartigen Werkzeugkörpers wird durch ein« pfannenartige Vertiefung 14 gebildet, die vom offener Ende des Körpers innerhalb der Schneide 13 ausgeht und zur Aufnahme des ausgeschmolzenen Bohrungsker nes 15 dient Zur Gewährleistung eines ausreichender Wärmetransportes zur Schneide 13 nimmt die Wanddik ke des Werkzeuges 6 hinter der Schneide 13 stark zu Auf diese Weise entsteht ein größeres, wärmespeiche rungsfähiges Materialvolumen für die induktive Behei zung.

Nachdem die Glaswand, wie in Fi g. 1 dargestellt in Bereich der einzubringenden Bohrung nahe bis an die Schmelztemperatur vorgewärmt und währenddessei die Vorrichtung nach Fig.2 durch Einsetzen unc Aufheizen eines entsprechenden Ausschmelzwerkzeu ges vorbereitet worden ist, wird das Werkzeug 6, dessei Temperatur über der Schmelztemperatur des Glase

liegt, durch Verschieben des Halters 5 in der Führung 4 auf die Glasoberflüche aufgeset/.t (F i g. 3).

K i g. 4 zeigt einen Zustand, in dem sich das Werk/eng 6 infolge einer Gewichisbelastung Cl des Werkzeughalters 5 bereits zur Hälfte in die Glaswand I eingearbeitet hat. Eis ist deutlich erkennbar, wie der Bohrungskern 15 durch die Vorschubbewegung der Schneide 13 sauber aus der Glaswand 1 herausgesehmolzen wird. Durch die Verjüngung des Werkzeuges b hinler der Schneide 1 i bleibt die frisch geformte Mohrungswand 16 berührungsfrei. Das ausgeschmolzene Cilas des Bohmngskerns 15 sammelt sich innerhalb des Werkzeiighohlraiinies 14.

l-'ig. 5 zeigt die erfindungsgemaße Anordnung nach Vollendung der liohrung. Das Ausschnielzwerkzeiig 6 hat sich ganz, durch die Glaswand 1 hindiirchgeschmolzen. Durch Aulheben des Vakuums und Betätigen des Zylinders 10 wird das Werkzeug 6 mittels des Stößels 12 aus dem Halter 5 ausgestoßen und in einer Schale 17 unterhalb der Hohning aufgelangen. Durch Abkühlen ties Werkzeuges h wird der im Hohlraum 14 befindliche liohruiigvkern Ii infolge tier unterschiedlichen Warinedehiiuiigen aus dein Werkzeug b ausgestoßen und das Werkzeug kann anschließend wieder verwendet weiden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

I
Patentansprüche:

I. Verfahren zum Einbringen von Bohrungen in Hohlkörper oder Platten aus Glas, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle für die einzubringende Bohrung, insbesondere im Bereich des Umfanges der Bohrung, bis nahe an die Schmelztemperatur vorgewärmt und zum Ausschmelzen des Bohrungsfcerns ein auf einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Glases gehaltenes, schneidenariiges Werkzeug, dessen Schneidengestalt im wesentlichen der Kontur der Bohrung entspricht, auf die Oberseite der Glaswand aufgesetzt und unter langsamem Vorschub, welcher dem Fortschreiten der Schmelzzone im Bereich des Bohningsumfanges entspricht, durch die Glaswand hindurchgeführt wird.

?. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Glaswand nur von der Oberseite aus vorgewärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaswand im Bereich der einzubringenden Bohrung von der Vorder- und Rückseite aus vorgewärnil wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorwärmen Gasbrenner mit einer Anzahl von Düsen verwendet werden, welche entsprechend der Umfangsgestalt der einzubringenden Bohrung angeordnet sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausschmelzen des Bohrungskernes ein Werkzeug verwendet wird, dessen Schneide den größten Umfang des Werkzeuges bildet und dessen Querschnitt sich hinter der Schneide verjüngt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkzeug verwendet wird, welches innerhalb der Schneide auf der Vorderseite eine schalen;irlige Vertiefung aufweist, in welche der ausgeschmolzene Bohrungskern aufgenommen wird.

7. Verfahren nach einein der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug induktiv erwärmt und auf der erforderlichen Temperatur gehalten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkzeug verwendet wird, welches lösbar mit einem Halter verbunden ist und welches nach dem Ausschmelzen des Bohrungskernes von dem Halter gelöst und auf der Rückseite der Glaswand aufgefangen wird, um ein Beschädigen der Bohrungswände durch ein Rückführen des Werkzeuges zu vermeiden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorschub des Werkzeuges durch konstante Belastung erfolgt, die am Halter des Werkzeuges angreift.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Werkzeugaustritt an der rückseitigen Kante der Bohrung eventuell entstehende Grat verschmolzen wird.

II. Verfahren nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß /um '< erschmelzen des rückseitigen Grates der Brenner benutzt wird, der auch zum Vorwärmen der Bohrstcllc dient.

12. Werkzeug zur Verwendung beim Einbringen von Bohrungen in Hohlkörper oder Platten aus Glas

nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem kegelstumpfartigen Hohlkörper besteht, der am Ende seines großen Durchmessers offen ist, dessen Wanddicke am offenen Ende zu einer Schneide verjüngt ist, welche den größten Umfang des Werkzeuges bildet, und dessen Wanddicke in Richtung zum geschlossenen Ende kleinen Durchmessers, an dessen Außenseite Mittel für die Befestigung des Werkzeuges an einem Halter vorgesehen sind, stark zunimmt, um ein möglichst großes Materialvolumen zur Wärmespeicherung zu besitzen.

13. Vorrichtung zum Einbringen von Bohrungen in Hohlkörper oder Platten aus Glas nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 11, unter Verwendung eines Werkzeuges nach Anspruch 12, bestehend aus einem in einer senkrechten Führung auf- und abwärts bewegbaren zylindrischen Werkzeughalter, der Mittel besitzt, mit denen das Werkzeug an der Unterseite des Halters gehalten und von der Unterseite abgestoßen werden kann, Mittel, mit denen auf den Werkzeughalter eine senkrecht nach unten wirkende konstante Belastung ausgeübt werden kann und Mittel, mit denen das am Halter befindliche Werkzeug erwärmt werden kann.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Halten des Werkzeuges aus einer Bohrung im Werkzeughalter bestehen, welche in einer ebenen Anlagefläche für das Werkzeug an der Unterseite des Werkzeughalters mündet und an ihrem anderen Ende über ein Ventil mit einer Vakuumquelle verbunden ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Abstoßen des Werkzeuges aus einem auf die Anlagefläche des Werkzeuges wirkenden Stößel bestehen, welcher mit dem Kolben eines vorzugsweise auf dem Werkzeughalter angeordneten Stellzylinders verbunden ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erwärmen des Werkzeuges aus einer Induktionsspule bestehen, welche das Werkzeug umgibt, solange dieses vom Werkzeughalter gehalten ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erwärmen des Werkzeuges aus einem Brenner bestehen.