DE3339942C1

DE3339942C1 - Bearbeiten von scheibenfoermigen Werkstuecken aus sproedbruechigen Werkstoffen

Info

Publication number: DE3339942C1
Application number: DE3339942A
Authority: DE
Inventors: Georg 8520 Erlangen Brandt
Original assignee: Gmn Georg Mueller Nuernberg 8500 Nuernberg De GmbH; Gmn Georg Mueller Nuernberg 8500 Nuernberg GmbH
Current assignee: GMN GEORG MUELLER NUERNBERG AG 8500 NUERNBERG DE
Priority date: 1983-11-04
Filing date: 1983-11-04
Publication date: 1985-01-31
Also published as: JPS60114452A; GB8427904D0; IT1178619B; GB2149330B; FR2554376A1; CH664919A5; GB2149330A; IT8423436A0; NL8403157A; FR2554376B1; IT8423436A1; KR850003861A

Description

Die Erfindung betrifft das Bearbeiten von scheibenförmigen Werkstücken aus sprödbrüchigen, kristallinen Werkstoffen mit einer Vickershärte größer 7000 N/mm² auf eine Dicke zwischen 60 und 250 μπι.

Derzeit sind zwei Schleifverfahren bekannt, nämlich das Umfangsschleifen und das Seitenschleifen. Das Umfangsschleifen ist dabei weiter entwickelt 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. Beide vorher erwähnten Schleifverfahren haben ihre eigenen, sich teilweise überdekkenden Einsatzgebiete, in denen sie optimal arbeiten. Dabei ist für sehr harte, spröde und empfindliche Werkstoffe und sehr ebene Planflächen das Seitenschleifverfahren überlegen. Solche Werkstoffe sind beispielsweise nichtmetallische, kristalline Werkstoffe wie Silizium, Germanium, Saphir, Granat, Spinell, die in großen Mengen in Form von großflächigen und sehr dünnen Scheiben beispielsweise als Träger von elektronischen Schaltungen hergestellt und verwendet werden. Das dabei früher zur Oberflächenbearbeitung ausschließlich angewendete Läppen wird mehr und mehr durch Schleifen mit diamantbelegten Schleifscheiben ersetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, beim Bearbeiten von Werkstücken aus extrem sprödbrüchigen, kristallinen und oft extrem harten Materialien eine verbesserte Zerspanungsleistung bei werkstoffschonendem Materialabtrag zu ermöglichen, wobei die beim Zerspanungsvorgang unvermeidlichen Veränderungen der obersten Materialschichten und das sich hieraus ergebende sogenannte Damage (das ist die Zerstörungstiefe der oberflächennahen Kristallschicht) geringer sein sollen als bei derzeit bekannten und angewendeten Schleifverfahren 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.

Das Damage und deutlich sichtbare Bearbeitungsspuren an der geschliffenen Oberfläche erhöhen die Bruchempfindlichkeit und verändern die elektrischen Werte der Werkstücke, insbesondere den als Träger von elektronischen Schaltungen verwendeten Scheiben erheblich und haben einen sehr nachteiligen Einfluß auf nachfolgende Behandlungen und Diffusionsabläufe. Je geringer das Damage ist, um so dünner lassen sich die Werkstücke schleifen. Ebenso vereinfacht und verkürzt die werkstoffschonende Schleifbearbeitung die nachfolgenden Arbeitsgänge, weil die Beseitigung des unvermeidlichen Damages durch Ätzen weniger aufwendig ist.

Extrem sprödbrüchige, monokristalline oder polykristalline Werkstoffe, die erfindungsgemäß bearbeitet werden, haben eine Mindest-Vickers-Härte von 7000 N/ mm² bis zu maximal 25 000 N/mm². Die bekanntesten Beispiele für solche Werkstoffe sind Verbindungen zwischen Elementen der Gruppe A III und B V des periodischen Systems der Elemente mit einer Vickers-Härte bis 8500, ferner Germanium mit einer Vickers-Härte bis 7500, Silizium mit einer Vickers-Härte bis 11 500, Spinell mit einer Vickers-Härte bis 14 000 sowie Saphir- und Gallium-Gadolinium-Granat (GGG) mit einer Vickers-Härte von 19 000 bis 21 500. Derartige Werkstoffe finden bevorzugt Anwendung in der Elektronik. Darüber hinaus können auch superharte Sinterwerkstoffe wie Siliziumkarbid SiC mit einer Vickers-Härte von 15 000 bis 25 500, Siliziumnitrit S13N4 mit einer Vickers-Härte von 15 000 bis 20 000 (beziehungsweise 35 000 beim Einzelkristall) sowie Borkarbid B4C mit einer Vickers-Härte von 22 500 bis 31 000 vorteilhafter bearbeitet werden. Derartige Werkstoffe finden Anwendung im Maschinenbau, Motorenbau, sowie Anlagenbau. Eine weiter bevorzugte Gruppe von Werkstoffen umfaßt Schneidkeramik mit einer Vickers-Härte von 17 000 bis 28 500 sowie Korund AI2O3 mit einer Vickers-Härte von 21 500. Diese Werkstoffe dienen als nichtmetallische Schneidstoffe.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Anwendung des Verfahrens Plan-Seiten-Querschleifen zum Bearbeiten der eingangs angegebenen Werkstücke aus extrem sprödbrüchigen, kristallinen Werkstoffen.

Das Verfahren Plan-Seiten-Querschleifen umfaßt im Gegensatz zu den bisher zur Bearbeitung derartiger Werkstoffe verwendeten Schleifverfahren nur zwei Bewegungskomponenten, nämlich die Rotation der Schleifscheibe und die senkrecht zur zu schleifenden Werkstückoberfläche gerichtete Zustellbewegung der Schleifscheibe. Die Vorschubbewegung, die bei den bisher zur Bearbeitung derartiger Werkstoffe eingesetzten Schleifverfahren als ein dominierender Verfahrensparameter angesehen wurde, entfällt dagegen.

Der Arbeitsablauf beim Plan-Seiten-Querschleifen besteht sozusagen aus einem Eintauchen der rotierenden Schleifscheibe in die Werkstückoberfläche, weshalb im folgenden für diese Bearbeitung die Bezeichnung Tauchschleifen verwendet wird. Die Größe der Schleifscheibe ist dabei vorzugsweise so bemessen, daß die gesamte an einem Werkstück zu schleifende Oberfläche überdeckt wird. Insbesondere bei sehr ausgedehnten Werkstücken ist aber auch ein sich wiederholendes partielles Tauchschleifen möglich, wobei das Werkstück nach jedem Tauchschliff um ein von den Abmessungen der Schleifscheibe abhängiges Maß quer zur Schleifscheibenachse verschoben wird.

Das Plan-Seiten-Querschleifen, das bisher nur als relativ rauhe Grobzerspanung mit geringen Anforderungen an die Oberflächengüte eingesetzt wurde, ist bei harten und extrem spröden Werkstoffen, die gegen Kristallgitterzerstörungen an der bearbeiteten Oberfläche anfällig sind, völlig überraschend außerordentlich werkstoffschonend bei zudem gutem Zerspanungsverhalten dieser Werkstoffe. So ist die Zerspanungsleistung um

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ein Mehrfaches größer als bei den bisher üblichen nur an der letzten Schleifstation notwendig ist. Da wäh-Schleifverfahren, und zwar ohne Einbußen hinsichtlich rend des Schleifes der Werkstückträger stillsteht, beider erreichten Oberflächengüten und der schädlichen spielsweise in Form eines getakteten Rundtisches, ist Veränderungen der äußersten, mit der Schleifscheibe in eine sehr präzise und von der Handhabung her einfache Kontakt gekommenen Werkstoffschicht. 5 Werkstückbe- und -entladung gegeben.

So kann beispielsweise extrem sprödbrüchiges, mo- Ein weiterer Vorteil ist, daß während dieser Periode nokristallines Silizium auf eine Endstärke von um 80 μπι eine völlige räumliche Abtrennung zwischen Schleifgeschliffen werden, während bei den bekannten Schleif- und Be- und Entladebereich ermöglicht wird, was bei methoden im allgemeinen nur Werkstücke mit einer hochgenauen Werkstücken sehr wichtig ist, weil die Dicke > 160 μηι sicher beherrscht werden. io Werkstückspannstelle gereinigt und saubergehalten

Erfindungsgemäß ergibt sich weiterhin der Vorteil, werden kann, bis das nächste Werkstück aufgelegt ist.

daß die beim Rückseitenschleifen fertigbehandelte und Schon geringe Staubpartikel zwischen Werkstückaufla-

im allgemeinen mit relativ weichen Werkstoffen fertig- ge und Werkstück drücken nämlich auf deren Oberflä-

beschichtete Vorderseite der Siliziumscheibe, die wäh- ehe und führen bei sehr dünnen Werkstücken unweiger-

rend dieses Schleifvorganges die Auflageseite auf der 15 Hch zu den gefürchteten, örtlichen Rissen, die wegen

Werkstückspannstelle ist, weitaus geringer durch Ein- ihrer Ausbildung Krähenfüße genannt werden,

drücke und Quetschstellen gefährdet ist und damit Aus- Als weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist

schuß vermieden wird. eine lange Standzeit der Schleifscheibe zu nennen, aus

Die in der Praxis eingeführten Schleifverfahren, bei der sich entsprechend geringe spezifische Werkzeugkodenen die diamantbelegte Seitenschleifscheibe mit sehr 20 sten ergeben. Dies resultiert einerseits daraus, daß die langsamem Vorschub und geringer Spantiefe über die ' maximal mögliche Anzahl von Schleifkörnern am Werkstückoberfläche bewegt wird, setzen eine feinkör- Schneidprozeß beteiligt ist, was die Belastung des einnige Schleifscheibe mit elliptisch verlaufender Anrun- zelnen Korns verringert und die Spanabfuhr erleichtert, dung der Schneidkante voraus, um die geforderten Qua- wobei sich die auf das Einzelkorn wirkende konstante litätsparameter zu erreichen. Diese optimalen Schneid- 25 und vibrationsarme Schnittkraft hinsichtlich der Schleifverhältnisse sind in der Praxis aber nicht ohne weiteres fläche als raumfester Vektor darstellen läßt, und andeständig aufrecht zu erhalten und sicher reproduzierbar, rerseits aus dem Fehlen der Vorschubbewegung, was zu was erhebliche Qualitätsschwankungen nach sich zieht. einem weniger raschen Ausbrechen des Schleifkornes Bei erfindungsgemäßem Schleifprozeß ist dagegen nur aus der Bindung führt.

darauf zu achten, daß die Arbeitsfläche der Schleifschei- 30 In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungs-

be eben ist. formen der vorliegenden Erfindung im einzelnen erläu-

Es kann auch eine relativ feinkörnige Schleifscheibe tert.

verwendet werden, wobei trotzdem Zerspanungslei- Dabei zeigt

stungen erzielt werden, die bisher nur sehr grobkörnige F i g. 1 eine Maschine zur erfindungsgemäßen An-

Schruppscheiben erbrachten. Im übrigen kann die 35 wendung des Verfahrens Plan-Seiten-Querschleifen und

Ebenheit und Rauhtiefe der bearbeiteten Werkstücke F i g. 2 eine schematische Darstellung der Größenre-

dadurch noch wesentlich verbessert werden, daß nach lationen zwischen der Schleiffläche der Schleifscheibe

Beendigung der Zustellung der Schleifscheibe das und dem Werkstück bei der Maschine gemäß Fig. 1.

Werkstück parallel zur Arbeitsfläche der Schleifschei- Die in F i g. 1 dargestellte Schleifmaschine besteht aus

ben aus dem Eingriffsbereich gezogen wird. Die Spuren 40 einem im wesentlichen quaderförmigen Maschinenbett

der etwas weiter aus der Schleifscheibe herausstehen- 1, auf dessen horizontaler oberer Fläche ein taktweise

den Kornspitzen werden dabei egalisiert. Dieser zusatz- drehbar oder horizontal verschiebbarer Tisch 2, der

liehe Arbeitsschritt entspricht in etwa dem sonst übli- während des Schleifprozesses festgespannt werden

chen sogenannten Ausfeuern. kann, zur Aufnahme und zum Weitertransport der

Da während der Zerspanung keine Vorschubbewe- 45 Werkstücke 3 gelagert ist. Der Tisch 2 wird von einem gung erfolgt, ist ferner der Bau einer einfacheren und Ständer 4 überragt, an dem ein Antriebsmotor 8 und sehr stabilen Maschine möglich. Bekannte automatische eine Schleifspindel 5, die die Schleifscheibe 6 mit der den Einzel- oder Mehrstationen-Schleifmaschinen arbeiten Werkstücken 3 zugewandten Arbeitsfläche 7 trägt, bemit Rundtischen als Werkstückträger und -vorschubein- festigt beziehungsweise gelagert sind. Der Ständer 4 ist richtung, bei denen bedingt unterschiedliche, nach au- 50 mit genauen und steifen Führungselementen 9 am Bett 1 ßen hin zunehmende Vorschubgeschwindigkeiten auf- vertikal auf-und abbeweglich befestigt,
treten. Dieser Nachteil, der sich negativ auf die Materi- Die vertikale Auf- und Abbewegung des Ständers 4 albeanspruchung und die Oberflächengüte während des kann beispielsweise von einer elektrisch angetriebenen Schleifkorneingriffes auswirkt, entfällt, da gegebenen- Gewindespindel 10 eingeleitet werden. Die Spindel 10 falls wie oben beschrieben ein abschließendes Ausfeu- 55 stellt mit dem Ständer 4 die Schleifscheibe 6 bis auf das em als geradlinige Bewegung, beispielsweise des Sollmaß des Werkstückes 3 nach unten zu und hebt sie Schleifspindelstockes, durchgeführt werden kann, um danach im Eilgang wieder ab. Während dieser Rückbeeine sehr feine und gleichmäßige Oberfläche zu erhal- wegung des Ständers 4 wird durch taktweises Drehen ten. Herkömmliche Rundtisch-Schleifautomaten mit oder horizontales Verschieben des Tisches 2 das fertig mehreren Stationen haben an allen Schleifstationen eine 60 bearbeitete Werkstück 3 aus dem Bereich der Schleifgleiche Vorschubgeschwindigkeit, unabhängig davon, scheibe 6 entfernt und gleichzeitig ein neues zu bearbeiob vor-, fein- oder feinstgeschliffen wird. Beim erfin- tendes Werkstück 3 unter die Schleifscheibe 6 gebracht, dungsgemäß verwendeten Verfahren Plan-Seiten- Diese gleichzeitige Ent- und Beladung erfolgt in Ab-Querschleifen, bei dem während des Schleifvorganges Stimmung mit der Rückbewegung des Ständers 4, so daß keine Vorschubbewegung stattfindet, kann die Ausfeu- 65 keine Kollision zwischen neuem Werkstück 3 und der erbewegung dagegen jeweils individuell und optimal Schleifscheibe 6 stattfindet, solange die Transportbewemit geringem maschinellem Aufwand angepaßt werden, gung nicht abgeschlossen und der Tisch 2 wieder festgewobei im allgemeinen eine lineare Ausfeuerbewegung klemmt worden ist.

Fig.2 zeigt den Grundriß der Schleifscheibe 6 in Fig. 1. Danach überdeckt die Schleifscheibe 6 mit ihrer dem Werkstück 3 zugewandten Arbeitsfläche 7 das während des Schleifvorganges fest positionierte und keiner Vorschubbewegung unterworfene Werkstück 3 flächenmäßig voll. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß während des Schleifens alle Schleifkörner der Arbeitsfläche 7 spanabhebend wirksam werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Anwendung des Verfahrens Plan-Seiten-Querschleifen zum Bearbeiten von scheibenförmigen Werkstücken aus sehr harten, sprödbrüchigen, kristallinen Werkstoffen mit einer Vickers-Härte größer 7000 N/mm² auf eine Dicke zwischen 60 und 250 μπι.

2. Anwendung des Verfahrens Plan-Seiten-Querschleifen nach Anspruch 1 zum Bearbeiten von scheibenförmigen Werkstücken aus sehr harten, sprödbrüchigen, kristallinen Werkstoffen auf eine Dicke zwischen 80 und 120 μπι.