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Bearbeiten von Werkstücken aus spröd-brüchigen Werkstoffen Die Erfindung
betrifft das Bearbeiten von Werkstücken aus sprödbrüchigen Werkstoffen mit großer
Härte.
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Die Zerspanung von Metallen und nichtmetallischen Werkstoffen durch
Schleifen findet mehr und mehr Eingang in der Fertigungstechnik, wobei zwei Entwicklungsziele
angestrebt werden, nämlich einerseits die Erreichung höchster Genauigkeit und Oberflächengüte
und andererseits eine Erhöhung der Zerspanungsleistung. Beide Ziele schließen sich
bisher gegenseitig aus, da gemäß dem derzeitigen Stand der Technik der Aufbau der
Maschinen und vor allem die Spezifikation der Schleifwerkzeuge speziell ausgelegt
sein müssen, um das eine oder das andere Optimum zu erreichen.
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Derzeit sind zwei Schleifverfahren bekannt, nämlich das "Umfangsschleifen"
und "Seitenschleifen". Das "Umfangsschleifen" ist dabei weiterentwickelt als das
"Seitenschleifen" und teilweise bereits konkurrenzfähig hinsichtlich Zerspanungsleistung
und Genauigkeit gegenüber Drehen, Fräsen und Hobeln. Die beiden unterschiedlichen
Schleifverfahren gemäß dem Stand der Technik sind eingehend in der technischen Literatur
beschrieben, wobei die Leistungsgrenzen in wissenschaftlichen Arbeiten, Fachliteratur
und Produktinformationen angegeben sind und den jeweils erreichten letzten Stand
widerspiegeln.
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Beide oben erwähnte Schleifverfahren haben ihre eigenen, sich teilweise
überdeckenden Einsatzgebiete, in denen sie optimal arbeiten.
Dabei
ist für sehr harte, spröde ulid empfindlache:Materialien und sehr ebene Planflächen
das Seitenschleifverfahren überlegen. Solche Materialien sind vor allem nichtmetallische
Werkstoffe, die in großen Mengen in Scheiben- oder Ringform verwendet werden, beispielsweise
als Substrat für Elektronikbauteile oder Dichtungen. Ein Beispiel ist hier die Bearbeitung
von sehr dünnen Scheiben aus Silizium, Germanium, Quarzen, Saphiren und lll-V-Verbindung,
wie sie in stark zunehmendem Maß als Substrat für die Herstellung elektronischer
Bauteile weltweit verwendet worden. Das zu Beginn zur Oberflächenbearbeitung ausschließlich
angewendete Läppen wird mehr und mehr durch Schleifen mit diamantbelegten Schleifscheiben
ersetzt. Dieses Verfahren wurde von der Anmelderin produktionsreif entwickelt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Bearbeiten
von Werkstücken aus spröd-brüchigen und oft extrem harten Materialien eine gegenüber
dem derzeitigen Stand der Technik verbesserte Zerspanungsleistung bei werkstoffschonendem
Material abtrag zu ermöglichen, wobei die bei einem Schneidprozeß unvermeidlichen
Veränderungen der obersten Materialschichten und die sich hieraus ergebende Zerstörungstiefe
geringer sein sollen als bei derzeit bekannten und angewendeten Abtragsverfahren
und wobei gleichzeitig eine Verbesserung der Oberflächengüte erzielt wird, um die
Anzahl der bei solchen Materialien notwendigen aufeinanderfolgenden Arbeitsgänge,
wie beispielsweise Schrupp-, Schlicht- und Feinschleifen, zu verringern.
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Spröd-brüchige Werkstoffe, die erfindungsgemäß bearbeitet werden,
haben eine Mindest-Vickers-Härte von 5000 N/mm2, vorzugsweise von 7000 - 25000 N/mm2.
Bevorzugte Beispiele derartiger Werkstoffe sind Spezialglas und Glaskeramik mit
einer Vickers-Härte bis 7000 N/mm2 zur Anwendung in der Optik. Eine besonders bevorzugte
Gruppe von Werkstoffen sind Alll-BV-Verbindungen mit einer Vickers-Härte bis 8500,
Ferrite mit einer Vickers-Härte bis 7000, Germanium mit einer Vickers-Härte bis
7500, Silizium mit einer Vickers-Härte bis 11500, Spinell mit einer Vickers-Härte
bis 14000, sowie Saphir- und Gallium-Gadolinium-Granat (GGG) mit einer Vickers-Härte
von 19000 bis 21500. Derartige Werkstoffe finden bevorzugt Anwendung in der Elektronik.
Weitere in Frage kommende Werkstoffe sind Siliziumkarbid SiC mit einer Vickers-Härte
von 15000 bis 25500, Siliziumnitrit Si3N4 , mit einer Vickers-Härte von 15000 -
20000 (beziehungsweise
35000 beim Einzelkristall) sowie#Borkärbid
B mit einer Vickers-Härte von 22500 bis 31000. Derartige Werkstoffe finden Anwendung
im Maschinenbau, Motorenbau sowie Anlagenbau. Eine weitere bevorzugte Gruppe von
Werkstoffen umfaßt Schneidkeramik mit einer Vickers-Härte von 17000 bis 28500 sowie
Korund A12 °3 mit einer Vickers-Härte von 21500. Diese Werkstoffe dienen als nichtmetallische
Schneidstoffe. In Frage kommen weiterhin Frequenzkeramiken, Schwingquarze und Porzellan
jeweils mit einer Vickers-Härte# bis 8000 N/mm2.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung des Verfahrens
Plan-Seiten-Querschleifen zum Bearbeiten von Werkstücken aus spröd-brüchigen Werkstoffen
mit einer Mindest-Vickers-Härte von 5000 N/mm2.
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Das Verfahren Plan-Seiten-Querschleifen umfaßt im Gegensatz zu den
bisher zur Bearbeitung derartiger Materialien verwendeten Schleifverfahren nur zwei
Bewegungskomponenten, nämlich die Rotation der Schleifscheibe und die senkrecht
zur zu schleifenden Werkstückoberfläche gerichtete Annäherung der Schleifscheibe.
Die Vorschubbewegung, die bei den bisher zur Bearbeitung derartiger Werkstoffe eingesetzten
Schleifverfahren als ein dominierender Verfahrensparameter angesehen wurde, entfällt.
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Der Schleifablauf beim Plan-Seiten-Querschleifen besteht aus einem
Eintauchen der rotierenden Schleifscheibe in die Werkstückoberfläche, so daß für
diese Bearbeitung die Bezeichnung "Tauchschleifen" vorgeschlagen wird. Der Schleifbelag
ist dabei vorzugsweise so bemessen, daß die gesamte zu schleifende Werkstückoberfläche
überdeckt wird, es ist aber bei sehr ausgedehnten Werkstücken ein sich wiederholendes
partielles Tauchschleifen möglich, wobei das Werkstück nach jedem Tauchschliff um
die Belagbreite zur Schleifscheibenachse verschoben wird.
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Das Plan-Seiten-Q uerschleifen hat bei harten, spröden Materialien,
die gegen Kristallgitterzerstörungen an der bearbeiteten Oberfläche anfällig sind,
überraschenderweise ein außerordentlich gutes Zerspanungsverhalten zur Folge. So
ist die Zerspanungsleistung um ein Mehrfaches größer als die heute bekannten Werte.
Begründen läßt sich dies aus der Tatsache, daß alle an der Schleifscheibenfläche
vorhandenen Schleifkörner an der Zerspanung beteiligt sind. Die Spangröße und Schneidekraft
des Einzelkorns
kann trotz mehrfach größerer Gesamtzerspanung kléinel
gehalten werden.
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Messungen bestätigen, daß nachteilige Veränderungen im Kristallgitter
des Werkstoffes an der Schleifoberfläche vergleichsweise geringer sind als bei bisher
verwendeten Schleifverfahren.
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Mit einer relativ feinkörnigen Schleifscheibe werden Zerspanungsleistungen
erzielt, die bisher nur sehr grobkörnige Schruppscheiben erbrachten, wobei aber
die der feineren Schleifscheibe eigene glattere Oberfläche am Werkstück erhalten
bleibt und sogar merklich verbessert wird. Die Ebenheit und Rauhtiefe kann noch
wesentlich verbessert werden, wenn nach dem Ende der Zustellung des "Tauchschleifens"
das Werkstück parallel zur Schleifscheibenfläche aus dem Eingriffsbereich gezogen
wird.
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Die Spuren der etwas weiter aus dem Schleifscheibenbelag herausstehenden
Kornspitzen werden dabei egalisiert. Mann kann diesen zusätzlichen Arbeitsschritt
mit dem sogenannten "Ausfeuern" in stark vereinfachter Form vergleichen.
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Die erfindungsgemäße Verwendung des Verfahrens "Plan-Seiten-Querschleifen"
zum Bearbeiten von Werkstücken aus spröd-brüchigen Werkstoffen mit hoher Härte schafft
eine neue Schleiftechnologie mit vielfältigen Vorteilen.
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Da während der Zerspanung keine Vorschubbewegung erfolgt, ist der
Bau einer einfacheren und sehr stabilen Maschine möglich. Bekannte automatische
Einzel- oder Mehrstationen-Schleifmaschinen arbeiten mit Rundtischen als Werkstückträger
und -vorschubeinrichtung, bei denen bedingt unterschiedliche, nach außen hin zunehmende
Vorschubgeschwindigkeiten auftreten.
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Dieser Nachteil, der sich negativ auf die Oberflächengüte und die
Materialbeanspruchung während des Schleifkorneingriffes auswirkt, entfällt, da gegebenenfalls
wie oben beschrieben ein abschließendes "Ausfeuern" als geradlinige Bewegung, beispielsweise
des Schleifspindelstockes, durchgeführt werden kann, um eine sehr feine und gleichmäßige
Oberfläche zu erhalten. Herkömmliche Rundtisch-Schleifautomaten mit mehreren Stationen
haben an allen Schleifstationen eine gleiche Vorschubgeschwindigkeit, unabhängig
davon, ob vor-, fein- oder feinstgeschliffen wird. Beim erfindungsgemäß verwendeten
Verfahren Plan-Seiten-Q uerschleifen, bei dem während des Schleifvorganges keine
Vorschubbewegung stattfindet, kann die "Ausfeuerbewegung" jeweils individuell und
optimal mit geringem
maschinellen Aufwand angepaßt werden, wobei
im allgemeinen eine lineare "Ausfeuerbewegung" nur an der letzten Schleifstation
notwendig ist. Da während des Schleifens der Werkstückträger stillsteht, beispielsweise
in Form eines getakteten Rundtisches, ist eine sehr präzise und von der Handhabung
einfache Werkstückbe- und -entladung gegeben.
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Ein weiterer Vorteil ist, daß während dieser Periode eine völlige
räumliche Abtrennung zwischen Schleif- und Be- und Entladebereich ermöglicht wird,
was bei hochgenauen Werkstücken sehr bedeutend ist, weil die Werkstückspannstelle
gereinigt und sauber gehalten werden kann, bis das nächste Werkstück aufgelegt ist.
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Die vorliegende Erfindung bringt den außerordentlichen Vorteil einer
um ein Mehrfaches höheren Zerspanungsleistung bei relativ geringer Werkstück- und
Werkzeugbeanspruchung mit sich. Dies ermöglicht das Abschleifen spröder Materialien
auf sehr geringe Dicken, da vorteilhafterweise das Kristallgitter des Werkstoffes
nur geringfügig verändert wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß während des Schleifens
der Werkstückträgertisch fest blockiert direkt auf dem Maschinenständer aufliegt
und damit sehr schwingungsstabil ist.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung sind geringe spezifische
Werkzeugkosten, die aus der langen Standzeit der Schleifscheibe resultieren, wozu
noch wesentlich beiträgt, daß die maximal mögliche Anzahl Schleifkörper am Schneidprozeß
beteiligt ist, was die Kornbelastung verringert und die Spanabfuhr erleichtert,
wobei sich die auf das Einzelkorn wirkende konstante und vibrationsarme Schnittkraft
hinsichtlich der Schleiffläche als raumfester Vektor darstellen läßt. Bedingt durch
die nicht erforderliche Vorschubbewegung wird somit das Ausbrechen des Schleifkörpers
aus der Bindung verzögert.
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Die für das erfindungsgemäß verwendete Verfahren erforderlichen Schleifscheiben
sind unkompliziert und leicht zu fertigen. Im allgemeinen wird man Schleifkörper,
vorzugsweise mit Diamantkorn als Schneidstoff, in Form von Scheiben, Platten oder
Streifen auf einem Grundkörper befestigen. Die dabei freibleibenden Zwischenräume
zwischen den einzelnen Schleifelementen verstärken den Kühleffekt und erleichtern
den Späneaustrag. Der Abstand zwischen den einzelnen Schleifelementen beziehungsweise
Schleifsegmenten
ist dabei jeweils kleiner als die zu bearbeitende Oberfläche. Auf diese Weise wird
vermieden, daß ein Werkstück zwischen zwei Schleifsegmente einrückt und beim Rotieren
der Schleifscheibe dann ein herkömmlicher Seitenschleifvorgang abläuft,bei dem nur
die Kante des Schleifsegments wirksam wird. Es sind jedoch auch Schleifscheiben
mit durchgehendem Belag, dessen Abmessungen auf die Werkstückgröße abgestimmt ist,
vorteilhaft einsetzbar.
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Beim erfindungsgemäß verwendeten Verfahren lassen sich wirtschaftlich
feinere Körnungen einsetzen, was beim Schleifen von nichtmetallischen Werkstoffen
glattere Oberflächen ergibt.
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In den beigefügten Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung im einzelnen erläutert.
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Dabei zeigen: Figur 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur erfindungsgemäßen
Anwendung des Verfahrens Plan-Seiten-Querschleifen, Figur 2 eine schematische Darstellung
der Größenrelationen zwischen Schleiffläche der Schleifscheibe und Werkstück bei
einer Vorrichtung gemäß Figur 1, Figur 3 schematische Darstellungen 3a bis 3e von
Beispielen von vorteilhaften Ausgestaltungen der Schleifflächen von Schleifscheiben
für das erfindungsgemäß verwendete Verfahren.
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Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform einer Vorrichtung besteht
aus einem im wesentlichen quaderförmigen Maschinenständer 1, auf dessen horizontaler
oberen Fläche ein taktweise drehbarer oder horizontal verschiebbarer Tisch 2, der
während des Schleifprozesses festgespannt werden kann, zur Aufnahme und zum Weitertransport
der Werkstücke 3 gelagert ist. Die Werkstückaufnahme wird von einem Support 4 überragt,
an dem der Antriebsmotor 8 und die Schleifspindel 5, die die Schleifscheibe 6 mit
der den Werkstücken zugewandten Schleiffläche 7 trägt, befestigt sind. Der Support
4 ist mit genauen und steifen Führungselementen 9 am Ständer 1 vertikal auf- und
abbeweblich befestigt.
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Diese vertikale Auf- und Abbewegung kann beispielsweise von einer
elektrisch angetriebenen Zustellspindel 10 eingeleitet werden. Diese Zustellspindel
10 stellt die Schleifscheibe 6 gemäß der vorliegenden Erfindung im "Tauchschliff"
bis auf das Endmaß des Werkstückes nach unten zu und hebt im Eilgang den gesamten
Support nach oben ab. Während dieser Rückbewegung des Supports wird durch taktweises
Drehen oder horizontales Verschieben des Tisches 2 das fertig bearbeitete Werkstück
aus dem Bereich der Schleifscheibe entfernt, gleichzeitig ein neues zu bearbeitendes
Werkstück unter die Schleifscheibe gebracht und in Arbeitsstellung positioniert.
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Diese gleichzeitige Ent- und Beladung erfolgt in Abstimmung mit der
Rückbewegung des Supports, so daß keine Kollision zwischen neuem Werkstück und der
Schleifscheibe stattfindet, solange die Transportbewegung nicht abgeschlossen und
der Werkstückträger wieder festgeklemmt worden ist.
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Figur 2 veranschaulicht eine Schleifscheibe für das erfindungsgemäß
verwendete Verfahren. Die dargestellte Schleifscheibe 40 hat eine dem Werkstück
41 zugewandte Schleiffläche 42, die das während des Schleifvorganges fest positionierte
und keiner Vorschubbewegung unterworfene Werkstück 41 flächenmäßig voll überdeckt.
Auf diese Weise ist sichergestellt, daß während des Schleifens alle Schleifkörper
der Schleiffläche 42 spanabhebend wirksam werden.
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Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten
von für die vorliegende Erfindung einsetzbaren Schleifkörperflächen.
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Figur 3a zeigt eine aus Schleifkörperpellets 43 gebildete Schleiffläche.
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Figur 3b und 3c zeigen Schleifscheiben, deren Schleifbeläge aus quadratischen
beziehungsweise trapezförmigen Schleifbelagselementen 44, 45 gebildet sind. Bei
Figur 3d und 3e sind die Schleifbelagselemente stäbchenförmig 46 beziehungsweise
bogenförmig 47 ausgebildet. In allen Ausführungsformen 3a bis 3e sind jeweils kreisförmige
Werkstücke 41 eingezeichnet, wobei ersichtlich ist, daß die Schleifbeläge die Werkstücke
in Fläche wirkungsmäßig voll abdecken.
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Bei jeder dieser Ausführungsformen von Schleifscheiben ist sichergestellt,
daß während des Schleifens alle Schleifkörper der dem Werkstück zugewandten Schleifbelagsegmenten
spanabhebend wirksam werden. Dies steht in klarem Gegensatz zum herkömmlichen Seitenschliff,
bei dem nur die Schleifkörper der Schleifscheibenkante spanabhebend wirken.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Tatsache, daß die Schleifbelastung
und der Eingriffsbereich der Schleifscheibe am Werksrück während der gesamten Schleifzeit
konstant sind. Dadurch wird ein sehr gleichgemäßiges Schliffbild und ein sehr stabiler
Schleifablauf erreicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren Plan-Seiten-Q uerschleifen ist beispielsweise
in dem Entwurf zu DIN 8589, Teil 11, Seite 10, beschrieben.