DE2906881C2 - Verfahren zur Erzeugung ebener glatter Oberflächen an massiven Gegenständen aus homogenem sprödbrechendem Material, wie z.B. Glas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung ebener, glatter Oberflächen an massiven Gegenständen aus homogenem, sprödbrechendem Material, wie z. B. Glas, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus der DE-OS 28 13 304 bekannt ist.

In der DE-OS 28 13 304 über das »Zerteilen von quaderförmigen Blöcken aus Glas« durch Halbieren parallel zu einem Paar von Grundflächen mit Hilfe von thermisch induzierten Spannungen wird darauf hingewiesen, daß es grundsätzlich unvermeidbar ist, daß nach einem Kühlen der angeritzten Blöcke ein Teil der vorgesehenen Trennfläche zunächst unzertrennt bleibt. Dies folgt aus dem Prinzip des Kräftegleichgewichts. In der unzertrennten Restfläche liegen nämlich während der Kühlung Druckspannungen vor, welche denjenigen Zugspannungen, die im übrigen Teil der vorgesehenen Trennfläche das Spalten bewirken, die Waage halten.

Das Zerteilen der Blöcke längs dieser Restfläche in der vorgesehenen Trennsbene wird nach DE-OS 28 13 304 durch einen weiteren thermischen Verfahrensschritt, nämlich dadurch erreicht, daß die Blöcke im Anschluß an den Kühlvorgang über ihre Oberflächen erwärmt werden. Für den Erfolg dieses Schrittes hat sich als günstig erwiesen, wenn beim Kühlvorgang dafür gesorgt wird, daß die hierbei unzertrennt bleibende Restfläche in einer Ecke der vorgesehenen Trennfläche liegt. Um dies zu erreichen, wird während der Kühlung eine äußere Druckkraft auf die zur Trennebene parallelen Grundflächen der Blöcke aufgebracht

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem massiven Gegenstand, der aus einem homogenen, sprödbrechenden Material, wie z. B. Glas, besteht und dessen Gestalt (mindestens)

eine Symmetrieebene hat, durch Zerteilen entlang der Symmetrieebene mit Hilfe von thermisch induzierten Spannungen zwei Teilstücke mit je einer hinreichend ebenen, glatten Trennfläche zu erzeugen, wobei die Nachteile der bisher bekannten thermischen Spaltungsverfahren vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach den Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst, weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Um das Werkstück, wie der zu bearbeitende massive Gegenstand mit den angegebenen Eigenschaften (Homogenität des sprödbrechenden Werkstoffs, Spiegelsymmetrie der Gestalt) im folgenden kurz genannt •verden soll, zu zerteilen, sieht das Verfahren als ersten

J5 Schritt die an sich bekannte Erzeugung einer künstlichen Schwachstelle vor, an der später der Trennvorgang eingeleitet wird. Im vorliegenden Fall soll hierfür die von der Symmetrieebene und der Oberfläche des Werkstücks gebildete Schnittlinie in voller Länge angeritzt werden, da eine umlaufende Kerblinie beim anschließenden Spalten des Werkstücks zugleich eine gewisse Führung ausübt. Die perspektivische Darstellung in dv-r Zeichnung zeigt ein Werkstück (1) mit einer solchen, in einer Symmetrieebene (2) des Werkstücks verlaufenden geschlossenen Kerblinie (3).

Im wesentlichen wird jedoch der Verlauf der Spaltung durch die induzierten Spannungen bestimmt. Um ebene, glatte Trennflächen in der Symmetrieebene (2) des Werkstücks (I) zu erhalten, müssen die das Material trennenden Spannungen notwendigerweise symmetrisch zur Ebene (2) gelegen sein. Dies wird durch Aufbringen von zur vorgesehenen Trennebene (2) symmetrischen Temperaturänderungen erreicht. (Eine Grundvoraussetzung dafür, daß sich dabei Wärmespannungen im Werkstück ausbilden können, — daß nämlich das Material bei Temperaturänderungen Wärmedehnungen zeigt —, ist normalerweise immer erfüllt.)

Im zweiten Verfahrensschritt (= erster thermischer Verfahrensschritt) wird das angeritzte Werkstück symmetrisch zur vorgesehenen Trennebene und außerdem so gekühlt, daß ein relativ kleiner, zur vorgesehenen Trennebene symmetrisch gelegener, zusammenhängender Oberflächenbereich hierbei ausgespart wird. Dieser Verfahrensschritt bewirkt eine Kontraktion der gekühlten oberflächennahen Bereiche, die jedoch durch den noch warmen Innenbereich und den nicht gekühlten Oberflächenbereich des Werkstücks behindert wird. Dabei geraten das gekühlte Äußere des Werkstücks bis

in eine gewisse Tiefe unter Zug, der nicht gekühlte Oberflächenbereich und zunächst auch das Innere hingegen unter Druck. Erfolgt die Kühlung mit geeignet bemessener Intensität und zeitlicher Daue.. so wird das Werkstück entlang der Symmetrieebene bis auf eine Restfläche getrennt Dies vollzieht sich in solcher Weise, daß ein Riß vom zugbeanspruchten TsA der Kerblinie auf der Werkstückoberfläche ausgeht und sich — vereinfacht ausgedrückt — über diejenigen Bereiche der vorgesehenen Trennfläche ausdehnt, in denen sich senkrecht txrti Riß Zugspannungen ausbilden. Daß das Werkstück dabei in der vorgesehenen Trennfläche zunächst nicht vollständig getrennt wird, ist grundsätzlich bedingt und geht darauf zurück, daß in der Restfläche gemäß dem Prinzip des Kräftegleichge- !5 wichts während der Kühlung Druckspannungen vorliegen.

Das Aussparen eines Oberflächenbereiches bei der direkten Kühlung des Werkstückes zielt darauf ab, die beim Kühlvorgang unzertrennt bleibende Restfläche im Randbereich — und nicht im inneren — der vorgesehenen Trennfläche entstehen zu lassen. Die Randlage der Restfläche ist nämlich für den folgenden Verfahrensschritt besonders vorteilhaft.

Um das Werkstück längs dieser Restfläche, die bei der beschriebenen Ausführung der Kühlung an das nicht gekühlte Teilstück der Kerblinie auf der Werkslückoberfläche grenzt, in der vorgesehenen Trennebene zu zerteilen, wird das Werkstück im Anschluß an den Kühlvorgang in einem dritten Schritt (= zweiter thermischer Verfahrensschritt) über seine Oberflächen symmetrisch zur vorgesehenen Trennebene erwärmt. Dabei hat sich als günstig erwiesen, wenn nur ungefähr derjenige Bereich des Werkstücks direkt erwärmt wird, der zuvor der direkten Kühlung ausgesetzt war. Die Umkehr der Richtung der Temperaturgradienten hat im wesentlichen ein Vertauschen der bisherigen Lage von Zug- und Druckspannungsbereichen im Werkstück zur Folge. Auf Grund der nunmehr an der Restfläche angreifenden Zugspannungen setzt sich die Rißausbreitung bei geeignet gewählter Temperaturerhöhung bis zur vollständigen Spaltung des Werkstücks in zwei gleiche Hälften mit hinreichend ebener, glatter Trennfläche fort.

Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform des Verfahrens werden die thermischen Einwirkungen auf das zu zerteilende Werkstück durch rasches, teilweises Eintauchen und zeitweiliges Belassen in der Flüssigkeit eines Kühl- bzw. Erwärmungsbades erreicht Dabei genügen bereits relativ niedrige Temperaturdifferenzen, um die zum Spalten des Werkstückes erforderlichen Spannungen zu erzeugen.

Als Vorteile der vorliegenden Erfindung sind vor allem die Einfachheit des Verfahrens und seiner Anwendung, der geringe Aufwand an technischen Mitteln und die relativ kurze Dauer des Bearbeitungsprozesses zu nennen.

Der Wirtschaftlichkeit der Erfindung kommt auch zugute, daß eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gleichzeitig mit mehreren Werkstücken besetzt werden kann; außerdem wird hier — im Gegensatz zu spanenden Verfahren der Erzeugung ebener, glatter ODerflächen — Werkzeugverschleiß weitgehend vermieden. Eine solche Vorrichtung vermeidet ferner Glasstaub, Splitter, Lärm usw. und bietet somit einen sauberen Arbeitsplatz mit nur geringer Umweltbelastung.

In einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wurden Massivzyiinder (Durchmesser 50 mm, Höhe 24 mm) aus Glas in halber Höhe mit einer umlaufenden Kerblinie versehen und in je zwei gleiche Hälften mit hinreichend ebenen, glatten Trennflächen zerteilt. Die bei der Kühlung aufgebrachte Temperaturdifferenz betrug 90 K, die Kühlung dauerte 30 s. Bei der anschließenden, ca. 15 s dauernden erwärmung der gekühlten, dabei bereits teilweise gespaltenen Glaszylinder wurde eine Te.mperaturdifferenz von 70 K aufgebracht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung hinreichend ebener, glatter Oberflächen an massiven Gegenständen (1) aus homogenem, sprödbrechendem Material, wie z. B. Glas, deren Gestalt (mindestens) eine Symmetrieebene (2) hat, durch Zerteilen entlang der Symmetrieebene (2) mit Hilfe von thermisch induzierten Spannungen, wobei zunächst eine Materialschwächung in Form einer umlaufenden Kerblinie (3) auf der Oberfläche der Gegenstände (1) an der vorgesehenen Trennebene (2) erzeugt wird und wobei dann die Gegenstände (1) gekühlt werden, so daß sie durch hierbei entstehende Wärmespannungen in der vorgesehenen Trennebene (2) bis auf eine Restfläche getrennt werden, und wobei die Gegenstände (1) im Anschluß an den Kühlvorgang über ihre Oberflächen erwärmt werden, so daß sie längs der vorher unzertrennten Restfläche in der vorgesehenen Trennebene (2) zerteilt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Gegenstände (1) symmetrisch zur vorgesehenen Trennebene (2) unter Aussparung eines relativ kleinen, zur vorgesehenen Trennebene (2) symmetrisch gelegenen, zusammenhängenden Oberflächenbereiches erfolgt, so daß die hierbei unzertrennt bleibende Restfläche in der vorgesehenen Trennebene (2) an das nicht gekühlte Teilstück der Kerblinie (3) auf der Oberfläche grenzt, und daß die Gegenstände (1) im Anschluß an den Kühlvorgang symmetrisch zur vorgesehenen Trennebene (2) erwärmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der zu zerteilenden Gegenstände durch teilweises Eintauchen und zeitweiliges Belassen in der Flüssigkeit eines Kühlbades erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der zuvor gekühlten, dabei teilweise gespaltenen Gegenstände durch teilweises Eintauchen und zeitweiliges Belassen in der Flüssigkeit eines Erwärmungsbades erfolgt, wobei nur der nach Anspruch 1 oder 2 direkt gekühlte Oberflächenbereich der Gegenstände oder ein Teil dieses Bereiches direkt erwärmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halterung der zu zerteilenden Gegenstände in dem beim Kühlvorgang nicht direkt gekühlten Oberflächenbereich angebracht wird.