DE69908624T2

DE69908624T2 - Verfahren zum Abrasionspolieren

Info

Publication number: DE69908624T2
Application number: DE69908624T
Authority: DE
Inventors: James Randall Gilmore; J. Lawrence RHOADES
Original assignee: Extrude Hone LLC
Current assignee: Extrude Hone LLC
Priority date: 1998-08-26
Filing date: 1999-08-25
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2019-08-26
Also published as: US6918937B2; EP1117749A1; US20020007600A1; CA2341737C; AU5902899A; DE69908624D1; TW500794B; US6273787B1; CA2341737A1; PT1117749E; EP1117749B1; WO2000012648A1; US6544110B2; US20020009956A1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Durchführen von Schleifarbeiten an einem Werkstück mit Hilfe eines viskoelastischen Schleifmittels, und insbesondere Vorrichtungen und Verfahren, die eine zyklische Relativbewegung zwischen dem . Werkstück und dem Mittel erzeugen, um eine Trennung zwischen dem Mittel und dem Werkstück während jedes Zyklus zu erzeugen, wobei diese Trennung von einem Fluid mit einer Viskosität gefüllt wird, die geringer ist als die des viskoelastischen Mittels, und wobei die Verformung des Mediums zwischen 50% und 99% liegt.
HINTERGRUND
TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft den technischen Bereich der spanenden Bearbeitung und insbesondere den Bereich nicht traditioneller spanender Bearbeitungsprozesse und -geräte unter Anwendung der Techniken und Zusammensetzungen für spanende Bearbeitung mit Schleifmittelfluss, Entgraten, Runden, Planieren und Polieren von Werkstücken. Solche Prozesse werden typischerweise beim Bearbeiten von Gussteilen, Schmiedeteilen, spanend bearbeiteten Teilen und dergleichen, am häufigsten von Metallteilen und dergleichen eingesetzt. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere solche Vorgänge, bei denen der Fluss durch eine relative Bewegung, vorzugsweise eine Kreisbewegung, zwischen Werkstück und Schleifmittel erzielt wird.
STAND DER TECHNIK
Spanende Bearbeitung mit Schleifmittelfluss hat für eine Reihe von Anwendungen als bevorzugte Bearbeitungs- und Fertigungstechnik weithin Anwendung gefunden. Solche Techniken werden z. B. zum Bearbeiten von Innenkanälen in Werkstücken, zum leichten Schleifen, Entgraten, Runden, Planieren und Polieren komplexer Flächen und insbesondere dreidimensionaler Flächen angepasst, wo das Oberflächendetail eine Bearbeitung erfordert, und insbesondere zum repetitiven Bearbeiten mehrerer Werkstücke mit komplexen Formen und Gestalten.
In ihrer einfachsten Form erfordert die spanende Bearbeitung mit Schleifmittelfluss das Leiten eines ein Schleifmittel enthaltenden viskoelastischen Mediums über die zu bearbeitenden Flächen. Das viskoelastische Medium dient als Träger für das Schleifmittel und überträgt Arbeitskraft auf das Schleifmittel, während das Schleifmittel über die Fläche geführt wird, wobei sich das Medium bei seinem Fluss an die Oberfläche des Werkstücks anpasst.
In vielen Zusammenhängen wird der viskoelastische Charakter des Mediums genutzt, um das mit Schleifmittel gefüllte Medium durch Kanäle, über Oberflächen und zwischen einer Werkstückfläche und einem geeigneten Element zu pumpen, um den Fluss zu begrenzen und das Medium auf der Oberfläche des Werkstücks zu halten.
In vielen Zusammenhängen werden besondere Vorteile erzielt, wenn das viskoelastische Schleifmittel auch rheopektisch ist, d. h. wenn seine Scheinviskosität mit der beaufschlagten Belastung zunimmt. (Das Verhalten von rheopektischen Materialien ist im Wesentlichen umgekehrt zum thixotropen Verhalten.) Bei geeigneter Belastung, typischerweise Scher- oder Druckbelastung, des Mediums kann im Wesentlichen ein Propfstrom des Mediums über die Oberflächen des beim Betrieb zu bearbeitenden Werkstücks erzielt werden. Ein solcher Propfstrom bringt eine erheblich höhere Arbeitskraft im Vergleich zu einem viskosen Strom des Mediums auf die Oberfläche auf.
Eine ausführlichere Beschreibung des grundsätzlichen Standes der Technik im Bereich Polieren und Schleifen mit Schleifmittelorbitalfluss befindet sich in den US-Patenten Nr. 3,521,412, Nr. 3,634,973 von McCarty, und im US-Patent Nr. 3,819,343 von Rhoades.
Eine besonders attraktive Implementation der spanenden Bearbeitung mit Schleifmittelfluss war der Einsatz eines rheopektischen viskoelastischen Schleifmittels in Kombination mit einem Orbitalantriebsmechanismus, bei dem Medium und Werkstück gemeinsam in einer Druckkammer mit einem „Verdrängungselement" eingeschlossen sind, das allgemein der umgekehrten Form der zu bearbeitenden Werkstückflächen entspricht, und wobei die Kreisbewegung des Werkstücks relativ zum Kammerverdrängungselement und zu dem darin enthaltenen Medium bewirkt, dass das Werkstück effektiv bearbeitet wird. Solche Vorgänge nutzen die Fähigkeit des Mediums aus, sich den Oberflächen des Werkstückes anzupassen, und so können selbst komplexe, äußerst detaillierte Oberflächenformen mit erheblichem Erfolg und Wirkungsgrad bearbeitet werden (siehe US-Patent 5,125,191 von Rhoades).
Und besonders auf den Kontext einer solchen spanenden Schleifbearbeitung bezieht sich die vorliegende Erfindung, obwohl die hierin offenbarten und beschriebenen Überlegungen auch in spezialisierten Umständen breitere und allgemeinere Anwendung finden können.
PROBLEME IN DER TECHNIK
Die wirksame Anwendung spanender Bearbeitungstechniken mit Schleifmittelfluss, die mit kreisförmigen Bewegungen ablaufen, ist bekannt. Solche Vorgänge waren jedoch in einigen Zusammenhängen durch mehrere Faktoren begrenzt.
Zunächst basiert die Funktionsweise im Stand der Technik auf einem fluidischen oder plastischen Fließen des Mediums über die Oberflächen des Werkstücks. Die Aktion basiert auf „Extrusion" des Mediums durch einen engen Spalt zwischen dem Werkstück und dem dazu passenden Verdrängungskörper oder Dorn. Mit einem solchen Fluss werden hervorragende Ergebnisse beim Hochgeschwindigkeitspolieren von Oberflächen erzielt, aber für anspruchsvollere Vorgänge, bei denen erhebliche Materialmengen vom Werkstück entfernt werden sollen, ist der Vorgang gewöhnlich langsam. Es besteht in der Technik Bedarf an Methoden, mit denen ein ausreichendes Bearbeiten mit höheren und produktiveren Raten erzielt werden kann.
Zweitens muss die Kammer, in der die Orbitalbearbeitung stattfindet, geschlossen oder abgedichtet werden, um das Medium in der Kammer zu halten, damit ausreichende Belastungsraten erzielt und auf das Medium aufgebracht werden können, um die nötige Arbeit zu verrichten, was die Komplexität der Ausrüstung sowie den Aufwand erhöht, der zum Wechseln von Werkstücken erforderlich ist. Diese Anforderungen tragen auch erheblich zu den Kosten von Prozess und Ausrüstung bei und können in einigen Fällen ein begrenzender Faktor bei der Bestimmung der Produktionsrate sein.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine) verbesserte(s) Verfahren und Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung mit Schleifmittel bereitzustellen, in denen eine Trennung während der Verarbeitung zwischen dem viskoelastischen Medium und Abschnitten des Werkstücks beibehalten bleibt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine) verbesserte(s) Verfahren und Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung mit Schleifmittel bereitzustellen, wobei ein viskoelastisches Schleifmittel eingesetzt wird, das sich Form und Gestalt jedes Werkstücks anpasst.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine) verbesserte(s) Verfahren und Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung mit Schleifmittel unter Einsatz eines viskoelastischen Schleifmittels bereitzustellen, das Schleifarbeiten an jedem Werkstück vornehmlich durch elastische Verformung durchführt.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine) verbesserte(s) Verfahren und Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung mit Schleifmittel unter Einsatz eines viskoelastischen Schleifmittels ohne Notwendigkeit für eine versiegelte Arbeitskammer bereitzustellen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anforderungen für Dorne und Verdrängungselemente zu vereinfachen, die in dem System für eine spanende Bearbeitung mit Schleifmittel eingesetzt werden, und solche Anforderungen in einigen Fällen gänzlich zu eliminieren. Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine) verbesserte(s) Verfahren und Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung unter Verwendung eines viskoelastischen Schleifmediums zum leichten Schleifen, Entgraten, Runden, Planieren und Polieren von komplexen Oberflächen und insbesondere von dreidimensionalen Oberflächen, wo das Oberflächendetail eine Bearbeitung erfordert, und zum repetitiven Bearbeiten mehrerer Werkstücke mit komplexer Form und Gestalt bereitzustellen.
Diese und weitere Aufgaben, die aus der nachfolgenden Offenbarung und Beschreibung der Erfindung hervorgehen, werden mit der vorliegenden Erfindung gelöst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ermöglicht leichtes Schleifen, Entgraten, Runden, Planieren und Polieren komplexer Oberflächen und insbesondere dreidimensionaler Oberflächen, wo ein Oberflächendetail bearbeitet werden muss, und repetitives Bearbeiten mehrerer Werkstücke von komplexer Form und Gestalt. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst allgemein eine Kammer, die zum Montieren eines Werkstücks entweder geschlossen oder offen sein kann. Frisches Medium wird zu einem Spalt geführt, die Kammer beinhaltet vorzugsweise eine Mehrzahl von Einlässen zum Einleiten eines viskoelastischen Schleifmittels. Es ist ein Antrieb vorgesehen, um eine relative Bewegung zwischen dem Werkstück und dem viskoelastischen Mittel zu erzeugen, indem das viskoelastische Mittel kontaktiert wird, um eine Trennung zwischen dem Mittel und Abschnitten des Werkstücks zu erzeugen. Die Trennung wird mit einem Fluid gefüllt, dessen Viskosität geringerer ist als die des Mittels, wie z. B. mit Luft. Die Trennung wird vorzugsweise in den Bereichen neben den Einlässen gehalten. In der bevorzugten Ausgestaltung wird eine zyklische Bewegung durch den Antrieb erzeugt, die bewirkt, dass sich das Medium von 50% bis 99% und vorzugsweise von etwa 80% bis 95% verformt. Die Verformungsrückstellrate ist im Allgemeinen von der Geschwindigkeit der zyklischen Rotation, vorzugsweise einer kreisförmigen Rotation abhängig.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Praxis der spanenden Schleifbearbeitung ohne abgedichtete Arbeitskammer durch Einsatz eines viskoelastischen Schleifmittels, das sich mit der aufgebrachten Belastung der Arbeitsbewegung vornehmlich wie ein elastischer Feststoff verhält, und das eine Orbital- oder sonstige relative Arbeitsbewegung erzeugt, um Belastungsraten zu erzeugen, die das Mittel zu einer vornehmlich elastischen Verformung und häufig bis an die Kompressionsbelastungsgrenze bei der angewendeten Belastungsrate heran, aber nie darüber hinaus bringt. (Die Druckbelastungsgrenze entspricht allgemein dem „Stauchwert" für duktile Metalle gemäß Ermittlung mit ASTM E9-89a, und bezieht sich eng auf die Knickgrenze, die Wölbungsgrenze oder die Bruchgrenze des Materials.) Das bevorzugte viskoelastische Schleifmittel ist ein rheopektisches Poly(borsiloxan), gefüllt mit viskositätserhöhenden Versteifungsmitteln und hohen Belastungen des gewählten Schleifmittels, sowie relativ geringen Mengen an Plastiziermitteln. Das bevorzugte Poly(borsiloxan) hat eine statische Viskosität zwischen etwa η = 5 × 10³ Centipoise und etwa η = 5 × 10⁵ Centipoise. Die statische Viskosität des formulierten Mittels sollte im Bereich zwischen etwa η = 2 × 10⁴ Centipoise und etwa η = 8 × 10⁶ Centipoise liegen.
Bei hohen statischen Viskositäten und noch höheren Scheinviskositäten unter der in der vorliegenden Erfindung verwendeten aufgebrachten Belastung kann das System bei Niveaus eingesetzt werden, die sich der Druckbelastungsgrenze nähern, so dass eine schnell schneidende Schleifwirkung und eine Polierwirkung auf den geschliffenen Oberflächen entsteht. Die Wirkung ist auf eine Kombination aus elastischer Verformung des Mittels und einer Translation der Werkstückoberfläche über die halbstarre Oberfläche des Mittels zurückzuführen. Die elastische Verformung entsteht durch die hohen Niveaus an von der erzeugten Bewegung aufgebrachter Belastung, Druck- oder Scherbelastung. Das fluidische oder plastische Fließen reicht für eine Anpassung des Mittels an die Oberfläche des Werkstücks aus, um eine Abführung von Schleifabfall von der Oberfläche in das Mittel und von der Grenzfläche zwischen Mittel und Werkstück weg zu erzeugen und um das Schleifmittel in dem Medium in Beweung zu versetzen, um zu gewährleisten, dass abgenutztes Schleifmittel abgeführt und frisches Schleifmittel der Arbeitsgrenzfläche zugeführt wird. Es ist zu bemerken, dass die Strömungsrate relativ niedrig ist und dass die elastische Entspannung in dem verwendeten Mittel schnell genug sein muss, um eine Entspannung von etwa 1% bis 10% für jeden Zyklus zu erzielen, so dass sie für die Vorrichtung der bevorzugten Ausgestaltung zwischen etwa 10 Sekunden und etwa einem Zehntausendstel einer Sekunde liegt.
Der Relativbewegungsantrieb erzeugt wünschenswerterweise eine sich wiederholende relative Bewegung, typischerweise eine Orbitalbewegung, mit relativ kleiner Amplitude und relativ hoher Frequenz, so dass entsprechend hohe Spannungen auf dem Mittel entstehen. Typische Parameter sind eine Bewegungsamplitude (z. B. Orbitalradius) von etwa 0,25 bis etwa 12,5 mm (etwa 0,010 bis etwa 0,500 Zoll), vorzugsweise etwa 1 bis etwa 6,5 mm (etwa 0,040 bis 0,250 Zoll), und eine Frequenz von etwa 5 bis 100 Hz, vorzugsweise etwa 12 bis 25 Hz.
Das System arbeitet in einer offenen oder geschlossenen Kammer, vorzugsweise geschlossen, mit solchen angewandten Belastungen, dass wenigstens etwa 50%, besonders etwa 50 bis 99% und vorzugsweise etwa 80 bis 95% der Ablenkung des Mediums unter Betriebsbedingungen durch elastische Verformung erfolgt und sich elastisch zurückstellt, und weniger als 50%, insbesondere etwa 1 bis 50%, vorzugsweise etwa 5 bis 20% der Ablenkung des Mediums durch fluidisches oder plastisches Fließen erfolgt.
Es wird auch ein bevorzugtes Mittel wie z. B. Poly(borsiloxan)-Trägermatrix bereitgestellt, das eigens an die Anforderungen des Systems angepasst ist. Es erzeugt auch weitaus höhere Viskositäten und Belastungen des Schleifmittels, als dies bei spanender Bearbeitung mit Schleifmittelfluss im Stand der Technik in einer Poly(borsiloxan)-Trägermatrix der Fall ist.
Im Vergleich zum fluidischen oder plastischen Extrusionsfluss, der die Basis des US-Patentes Nr. 5,125,191 ist, sind die Arbeitsraten der elastischen Verformung der vorliegenden Erfindung sowohl recht hoch als auch recht fein, so dass erhebliche Materialmengen entfernt und eine hochpolierte Oberfläche erzielt werden kann, in vielen Fällen in einem einzigen Vorgang mit einem einzigen Medium. Wenn eine erhebliche Rauheitsreduzierung benötigt wird, dann ist es einfach, ein „Grob"-Bearbeitungsmittel, gefolgt von einem zweiten Vorgang mit einem „Fein"-Bearbeitungsmittel mit einer feineren Schleifkömung zu verwenden. Es wird selten vorkommen, dass mehr als zwei Medien eingesetzt werden, auch wenn feinste Oberflächen und Oberflächendetails und eine äußerst hohe Auflösung erzielt werden sollen. Es besteht keine Notwendigkeit, die „Kammer" abzudichten, in der der Vorgang durchgeführt wird, und ein Verdrängungskörper ist für eine große Zahl verschiedener Werkstückformen fakultativ und wird nur für komplexere Gestalten benötigt. Darüber hinaus sind aufgrund des elastischen Verhaltens des Mittels die Anpassungsanforderungen des Verdrängungskörpers, wenn überhaupt notwendig, weitaus weniger anspruchsvoll als im Stand der Technik.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus einem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung derzeit bevorzugter Ausgestaltungen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine stilisierte schematische Querschnittsansicht durch die Vorrichtung und ein zugehöriges Werkstück, die die Elemente und Anordnungen der vorliegenden Erfindung illustriert; 2 ist eine Darstellung der relativen Orbitalrotation zwischen Antrieb und Mittel, die den Spalt zwischen den gewählten Bereichen des Werkstücks erzeugt; und
3a–d zeigen einen Orbitalzyklus der in 1 gezeigten Vorrichtung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung dient zum Durchführen von Arbeiten an Oberflächen von Werkstücken, um leichtes Schleifen, Entgraten, Runden, Planieren und Polieren komplexer Oberflächen und insbesondere dreidimensionaler Oberflächen zu bewirken, wo Oberflächendetail eine solche Bearbeitung erfordert, und zum repetitiven Bearbeiten mehrerer Werkstücke von komplexer Form und Gestalt.
1 stellt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung schematisch in einem illustrativen Querschnitt dar. In 1 ist ein Werkstück (1) an einer Aufspannvonichtung (2) befestigt, die das Arbeitselement eines Relativbewegungsantriebsmechanismus ist, von dem keine Details dargestellt sind. Die Aufspannvorrichtung (2) wird, wie illustriert, in eine Orbitalbewegung (3a) versetzt, die mit einer linearen Hin- und Herbewegung (3b) überlagert wird. Die lineare Bewegung (3b) dient zum Vor- und Zurückbewegen der Aufspannvorrichtung und des Werkstücks in den und aus dem Wirkkontakt mit dem viskoelastischen Arbeitsmittel (4) und kann auch verwendet werden, um dem Werkstück (1) eine oszillierende Antriebskomponente zur relativen Bewegung zwischen Werkstück (1) und Medium (4) während der Bearbeitung des Werkstücks hinzuzufügen. Die Orbitalbewegung (3a) erzeugt die primäre relative Bewegung zwischen dem Werkstück (1) und dem Medium (4).
Ein Verdrängungskörper (5) ist vorzugsweise komplementär zur Gestalt des Werkstücks (1) in einem Abstand von etwa drei bis sechs Millimetern gestaltet, um einen Spalt (8) zwischen dem Verdrängungskörper (5) und Abschnitten des Werkstücks (1) zu definieren, in dem das Arbeitsinkrement des Mediums (4) aufgebracht wird. 2 zeigt eine Trennung (10), die durch einen Abschnitt des Werkstücks (1) und des Mediums (4) definiert wird, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. Werkstück (1), Medium (4) und Verdrängungskörper (5) befinden sich alle in einem Behälter (6). Der Verdrängungskörper (5) und der Spalt (8) zwischen dem Verdrängungskörper (5) und dem Werkstück (1) gewährleisten, dass die Reaktion des Mediums auf den Relativbewegungsantriebsmechanismus und somit auf die Arbeitsrate des Schleifmittels auf der Oberfläche des Werkstücks (1) über die gesamte Oberfläche des Werkstücks (1) im Wesentlichen gleichförmig ist, so dass wenigstens die gewählte Oberfläche des zu schleifenden Werkstücks mit dem genannten Schleifmittel unter einem Druck Kontakt erhält, der ausreicht, damit sich das genannte Schleifmittel an die Oberfläche des zu schleifenden Werkstücks anpasst, so dass eine Arbeitsgrenzfläche zwischen dem Werkstück und dem Medium entsteht.
Es sind Leitungen oder Einlässe (7) vorgesehen, die von einer Schleifmittelquelle (9) in die Kammer (6), durch den Verdrängungskörper (5) und in den Distanzspalt (8) zwischen dem Verdrängungskörper (5) und Abschnitten des Werkstücks (1) passieren.
In der in 1 illustrierten Ausgestaltung haben die Orbitalantriebskomponente (3a) und die vertikale Antriebskomponente (3b) die Aufgabe, am Werkstück (1) anzugreifen, während das Medium (4) in Arbeitsbewegung ist, und eine Trennung (10) zwischen dem Medium (4) und dem Werkstück (1) zu erzeugen [lacuna] eine repetitive relative Bewegung zwischen dem Verdrängungskörper (5) und seinem zugehörigen Werkstück (1) und dem Medium (4) in der Kammer (6) mit einer Spannungsrate erzeugt, die ausreicht, damit wenigstens 50% der Ablenkung des Mittels unter den Betriebsbedingungen durch elastische Verformung erfolgt und sich elastisch zurückstellt, und weniger als 50% der Ablenkung des Mittels durch fluidisches oder plastisches Fließen erfolgt, so dass dann, wenn das genannte Repetitivbewegungsantriebsstellglied arbeitet und die gewählte Oberfläche des Werkstücks sich in Konformkontakt mit dem genannten Schleifmittel befindet, die gewählte Oberfläche des Werkstücks von dem genannten Schleifmittel infolge der relativen Bewegung zwischen dem genannten Schleifmittel und der gewählten Oberfläche des Werkstücks abgeschliffen wird.
Das Repetitivbewegungsantriebsstellglied erzeugt eine relative Bewegung zwischen dem genannten Schleifmittel und der Kontaktfläche des Werkstücks. Die Bewegung kann eine Orbitalbewegung, eine Schwingbewegung, eine Hin- und Herbewegung, eine lineare Bewegung, eine Kreiselbewegung und eine Kombination aus zwei oder mehreren davon sein. Orbitalbewegung wird bevorzugt, ob alleine oder wenigstens als eine der Komponenten einer zusammengesetzten Bewegung.
In einigen Fällen wird kein Verdrängungskörper (5) oder Dorn benötigt. In anderen ist der Verdrängungskörper oder Dorn möglicherweise erforderlich, aber die Anforderungen sind im Vergleich zu dem sich stark anpassenden Verdrängungskörper oder Dorn erheblich geringer, der in unserem früheren Patent erforderlich ist, dem US-Patent Nr. 5,125,191 von Rhoades. In der vorliegenden Erfindung sollte der Dorn ggf. allgemein eine Gestalt erhalten, die zu der des Werkstücks komplementär ist, wobei ein Versatz einen Spalt (8) von etwa 3 bis etwa 6 Millimetern zwischen dem Verdrängungskörper und dem Werkstück bildet. Wie die durchschnittliche Fachperson leicht erkennen wird, lässt sich ein Verdrängungskörper, der einen Spalt (8) bildet, der zwischen etwa 3 und etwa 6 Millimetern variieren kann, leicht und kostengünstig durch wenig anspruchsvolle und übliche Techniken herstellen.
Der Verdrängungskörper wird ggf. vorzugsweise aus einem elastischen und verformbaren Material hergestellt, vorzugsweise einem, das sinnvollerweise gegenüber der Schleifwirkung des Mediums beständig ist. Es ist gewöhnlich wünschenswert, gegossene Polyurethanmaterialien für solche Verdrängungskörper zu verwenden.
Bei den hohen Viskositätsniveaus des Mediums und der hohen Arbeitsgeschwindigkeit des erfindungsgemäß bevorzugten Relativbewegungsantriebsmechanismus sind Kompression und Fluss des Mediums während des Betriebs so, dass die Trennung (10), die durch die relative Bewegung entsteht, in jedem Zyklus erhalten bleibt, und der Kontakt zwischen Werkstück (1) und Medium (4) ist im Wesentlichen tangential zum Pfad des angetriebenen Werkstücks (1), wenn sich das Werkstück (1) innerhalb des Spaltes (8) bewegt. Gemäß 1 ist der Spalt (8) über den Querschnitt gleichförmig, was für den Zustand illustrativ wäre, in dem der Kontakt der Orbitalbewegung (3a) einen Winkel von 90° zur Ebene von 1 bildet und die lineare Oszillation (3b) in der „Aufwärts"-Position erfolgt (siehe auch 3).
Ein Fließen des Mediums durch die Leitung (7) von einem Mediumvorrat (9) in den Spalt (8) erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen kontinuierlich in den Spalt (8), wo es einen Teil des Mediums in dem Spalt (8) durch fluidisches oder plastisches Fließen verdrängt, wobei das Arbeitsmedium an der Grenzfläche mit dem Werkstück (1) im Wesentlichen kontinuierlich aufgefrischt wird. Vom Distanzspalt (8) verdrängtes Medium führt Wärme sowie Bearbeitungs- und Polierrückstände ab, die von der Oberfläche des Werkstücks (1) entfernt wurden. Eine Verdrängung des Mediums gewährleistet auch, dass frische und unabgenutzte Schleifpartikel zur Grenzfläche geführt werden. Ein Repetitivbewegungsantriebsstellglied ist mit der Aufspannvorrichtung und/oder Aufnahme verbunden, um eine repetitive Relativbewegung zwischen der Aufspannvorrichtung und deren zugehörigem Werkstück und dem Medium in der Aufnahme mit einer Spannungsrate zu erzeugen, die ausreicht, damit wenigstens 50% der Ablenkung des Mediums unter Betriebsbedingungen durch elastische Verformung erfolgt und sich elastisch zurückstellt, und weniger als 50% der Ablenkung des Mittels durch fluidisches oder plastisches Fließen erfolgen. Wenn also der genannte Repetitivbewegungsstellantrieb in Betrieb ist und die gewählte Oberfläche des Werkstücks sich in Konformkontakt mit dem genannten Schleifmittel befindet, dann wird die gewählte Oberfläche des Werkstücks von dem genannten Schleifmittel infolge der relativen Bewegung zwischen dem genannten Schleifmittel und der gewählten Oberfläche des Werkstücks abgeschliffen. Die Aufspannvorrichtung hält das Werkstück lösbar auf eine Weise fest, die eine relative Bewegung zwischen der genannten Aufspannvorrichtung und dem Werkstück verhindert.
Die Einlässe in Fluidverbindung zwischen der genannten Kammer und einem externen Mediumvorrat sind vorzugsweise so, dass das Schleifmittel selektiv in die genannte Kammer injiziert und aus dieser extrahiert werden kann, während sich die Aufspannvorrichtung in der Kammer befindet. Noch mehr bevorzugt wird der Einbau eines zweiten Einlasses in Fluidverbindung zwischen der Kammer und dem externen Mediumvorrat, so dass das Schleifmittel kontinuierlich in die genannte Kammer injiziert und aus dieser extrahiert werden kann, während die Aufspannvorrichtung in der Kammer arbeitet, und zwar in einem kontinuierlichen Umlaufstrom.
Der Repetitivbewegungsstellantrieb erzeugt eine relative Bewegung zwischen dem genannten Schleifmittel und der Kontaktfläche des Werkstücks. Die Bewegung kann eine Orbitalbewegung, eine Oszillationsbewegung, eine Hin- und Herbewegung, eine lineare Bewegung, eine Kreiselbewegung und eine Kombination aus zwei oder mehr von diesen sein. Eine Orbitalbewegung wird bevorzugt, alleine oder wenigstens als eine der Komponenten einer zusammengesetzten Bewegung.
Da der Kontakt zwischen der Oberfläche des Werkstücks (1) und dem Medium (4) im Wesentlichen tangential zur Werkstückoberfläche ist, erfolgt die elastische Verformung des Mediums in derselben Richtung. So wird die Schleifarbeit auf den Oberflächen des Verdrängungskörpers relativ begrenzt. Darüber hinaus ergibt die tangentiale Ausrichtung der elastischen Verformung ein schleifendes „Schrubben" über die Oberfläche, was die Entstehung von tiefen Kratzern und Rillen in der Oberfläche des Werkstücks (1) begrenzt. In der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die tangentiale Komponente der elastischen Verformung etwa das Zehnfache von der der radialen Komponente.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Praxis der spanenden Schleifbearbeitung ohne versiegelte Arbeitskammer durch Einsatz eines viskoelastischen Schleifmittels, das sich vornehmlich als elastischer Feststoff mit der beaufschlagten Spannung der Arbeitsbewegung verhält und eine Orbital- oder andere relative Arbeitsbewegung aufbringt, um Spannungsraten zu erzeugen, die das Medium in eine vornehmlich elastische Verformung und bis an die Druckbelastungsgrenze bei der angewendeten Spannungsrate heran, aber niemals über sie hinaus bringt. (Die Druckbelastungsgrenze entspricht im Allgemeinen dem „Stauchwert" für duktile Metalle gemäß Ermittlung gemäß ASTM E9-89a und bezieht sich eng auf die Knickgrenze, die Wölbungsgrenze oder die Bruchgrenze des Materials.) Zum Vermitteln eines Verständnisses der vorliegenden Beschreibung des Betriebs der Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff leichtes Schleifen auf spanende Bearbeitungsvorgänge an einem Werkstück, um Formfehler zu korrigieren. Entgraten bedeutet Vorgänge, mit denen Mängel beseitigt werden. Runden ist der Begriff, der sich auf Vorgänge bezieht, die ein Weichmachen oder Abstumpfen von scharfen Kanten des Werkstücks durch „Ausrunden" der Kante bewirken. Planieren bezieht sich auf eine Reduzierung der Welligkeit einer Werkstückoberfläche durch die spanenden Bearbeitungsvorgänge und dient im Zusammenhang mit den spezifischen Vorgängen der vorliegenden Erfindung auch zum Reduzieren von Struktur in der Welligkeits-Domäne. Der Begriff Polieren betrifft die Reduzierung der Rauheit von Werkstückoberflächen; wenn sich in der Erörterung auf die vorliegende Endung bezogen wird, dann beinhaltet der Begriff Polieren auch eine Reduzierung von Struktur in der Rauheit-Domäne.
Die Begriffe Formfehler, Mängel, Welligkeit, Rauheit und Struktur entsprechen der Definition in ASME B46.1 (1995), SURFACE TEXTURE (SURFACE ROUGHNESS, WAVINESS AND LAY), 1996, American Society of Mechanical Engineers, New York.
Formfehler sind Abweichungen der echten Oberfläche eines Werkstücks von der Nennoberfläche des Werkstücks gemäß Design, und repräsentieren Maßfehler in geometrischer Form, die größer sind als die Merkmale in der Oberflächentextur. Solche Fehler sind diejenigen, die aus topografischen Fehlern oder Mängeln bei der Produktion des Werkstücks oder bei der Produktion von Werkzeugen und Geräten entstehen, die das Werkstück herstellen.
Mängel, Welligkeit, Rauheit und Struktur sind, kollektiv gesehen, die Eigenschaften, die Oberflächentextur ausmachen. Mängel sind versehentliche, unerwartete und unerwünschte Unterbrechungen der Topografie der Werkstückoberfläche. Mängel sind gewöhnlich isolierte Merkmale wie z. B. Grate, Rillen und Kratzer, Gießspritzer, gewälzte Kanten und ähnliche Merkmale.
Rauheit betrifft topografische Unregelmäßigkeiten in der Oberflächentextur von hoher Frequenz (oder kurzer Wellenlänge) bei der feinsten Auflösung, mit der die Oberfläche des Werkstücks beurteilt wird. Rauheit bezieht sich gewöhnlich auf die Werkzeuggrenzen und die Werkstückherstellungsmethoden und kann die Charakteristiken des Materials beinhalten, aus denen das Werkstück mit solchen Methoden erzeugt wird.
Welligkeit bedeutet topografische Unregelmäßigkeiten in der Oberflächentextur mit größeren Wellenlängen oder niedrigerer Frequenz als Rauheit der Oberfläche eines Werkstücks. Welligkeit ist gewöhnlich ein Attribut, das mit den Grenzen von Regelung und Stabilität einer bestimmten Methodik assoziiert ist, mit der das Werkstück hergestellt wird. Welligkeit kann beispielsweise aufgrund von Maschinen- oder Werkstückvibrationen oder -ablenkung bei der Herstellung, Werkzeugrattern und dergleichen entstehen.
Struktur is die Hauptrichtung eines Musters einer Oberflächentextur oder eine Komponente von Oberflächentexturrauheit, und Welligkeit kann verschiedene Muster und eine unterschiedliche Struktur auf einer bestimmten Werkstückoberfläche haben.
Oberflächentextur-Parameter sind relative Maße für Konformität mit einer bestimmten Spezifikation in Bezug auf die gewünschten Designeigenschaften und -charakteristiken des Designs des Werkstücks. Somit gibt es nicht unbedingt eine Grenze zwischen Rauheit und Welligkeit, und solche Parameter bilden ein Maßkontinuum in Bezug auf die Spezifikation für das Werkstück. Ebenso ist der Unterschied zwischen Oberflächentextur und Formfehler nur in Zusammenhang mit der geometrischen Spezifikation der Topografie des Werkstücks sowie Genauigkeit, Toleranzen und Präzision relevant, die vom Design des Werkstücks verlangt werden. Die Relativität dieser Parameter ist nicht allgemein relevant für die vorliegende Erfindung, da sich die Erfindung auf die Bearbeitung des Werkstücks bezieht, um die Charakteristiken der Oberfläche in dieser Parameter zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Schleifbearbeiten eines Werkstücks mit einem viskoelastischen, mit einem festen partikelförmigen Schleifmittel gefüllten Medium bereit, das ganz allgemein die folgenden Schritte umfasst:
Montieren eines Werkstücks auf einem Repetitivbewegungantriebsmechanismus mit der Aufgabe, eine relative Bewegung zwischen dem Werkstück und dem viskoelastischen Medium zu erzeugen, wobei die relative Bewegung eine lineare Hin- und Herbewegung, eine Orbitalbewegung, eine Kreiselbewegung, eine Drehbewegung oder die Resultierende einer Kombination aus zwei oder mehreren solcher Bewegungen sein kann. Die relative Bewegung kann im Hinblick auf Amplitude und/oder Frequenz im Laufe der Zeit variiert werden.
Das Werkstück wird in einen Konformkontakt mit einem fließfähigen viskoelastischen Schleifmittel gebracht. Es wird bevorzugt, dass das viskoelastische Schleifmittel eine statische Viskosität von etwa η = 2 × 10⁴ Centipoise bis etwa η = 8 × 10⁶ Centipoise hat. Es wird auch bevorzugt, dass das viskoelastische Schleifmedium ein rheopektisches Polymer mit einem partikelförmigen festen Schleifmittel ist, und es wird besonders bevorzugt, dass das rheopektische Polymer ein Poly(borsiloxan) ist.
Die relative Bewegung wird zwischen dem genannten Werkstück und dem genannten viskoelastischen Schleifmittel bei Spannungsraten erzeugt, die ausreichen, damit wenigstens 50% der Ablenkung des Mittels unter Betriebsbedingungen durch elastische Verformung erfolgt und sich elastisch zurückstellt, und weniger als 50% der Ablenkung des Mittels durch fluidisches oder plastisches Fließen erfolgt. Die relative Bewegung zwischen dem genannten Werkstück und dem genannten viskoelastischen Schleifmittel erzeugt vorzugsweise Spannungsraten, die ausreichen, damit 50% bis etwa 99% der Ablenkung des Mittels unter Betriebsbedingungen durch elastische Verformung erfolgt und sich elastisch zurückstellt, und 1 bis 50% der Ablenkung des Mittels durch fluidisches oder plastisches Fließen erfolgt. Am meisten bevorzugt wird, wenn die relative Bewegung zwischen dem genannten Werkstück und dem genannten viskoelastischen Schleifmittel bei Spannungsraten erfolgt, die ausreichen, damit 80 bis etwa 95% der Ablenkung des Mittels unter Betriebsbedingungen durch elastische Verformung erfolgt und sich elastisch zurückstellt, und 5 bis 20% der Ablenkung des Mittels durch fluidisches oder plastisches Fließen erfolgt.
Anders ausgedrückt, die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Schleifbearbeiten eines profilierten Werkstücks mit einem viskoelastischen, mit einem festen partikelförmigen Schleifmittel gefüllten Mittel bereit, umfassend die folgenden Schritte, die in Zusammenhang mit den 2 und 3a–d zu sehen sind.
Der Betrieb beginnt mit dem Montieren eines profilierten Werkstücks auf einem zyklischen Repetitivbewegungsantriebsmechanismus.
Das Werkstück wird in Konformkontakt mit dem viskoelastischen Schleifmittel eingespannt, wobei das Mittel eine statische Viskosität von wenigstens etwa η = 2 × l0⁴ Centipoise und eine elastische Entsparinungsrate von etwa 10 bis etwa 10.000 sec^–1 bei Betriebstemperatur und -spannungsrate hat. Wie alle Polymere, hat das viskoelastische Schleifmittel eine Entspannungsrate, die nichtlinear von der aufgebrachten Verformungsrate und -temperatur abhängig ist.
Die zyklische Repetitivrelativbewegung zwischen Werkstück und Medium erfolgt mit einer Amplitude und Frequenz, die ausreichen, damit sich das viskoelastische Medium als Reaktion auf die relative Bewegung teilweise durch fluidisches oder plastisches Fließen verformt, um eine intermittierende Trennung zwischen dem viskoelastischen Medium und Bereichen des Werkstücks zu definieren, die während eines Teils jedes Zyklus der relativen Bewegung nicht parallel zur Richtung der relativen Bewegung sind, wobei die Trennung mit einem Fluid gefüllt wird, das weniger viskos ist als das viskoelastische Medium, und das von der Trennung verdrängt wird, wenn sich die Trennung durch eine relative Annäherung des Werkstücks und des viskoelastischen Mittels schließt.
Das viskoelastische Medium verformt sich als Reaktion auf die relative Bewegung teilweise durch elastische Verformung und elastischen Rückprall bei jedem Zyklus der relativen Bewegung, so dass das viskoelastische Mittel und die Bereiche des Werkstücks, die nicht parallel zur Richtung der relativen Bewegung sind, bei jedem Zyklus in Schleifarbeitskontakt miteinander kommen.
Die translationale Geschwindigkeit der relativen Bewegung zwischen dem viskoelastischen Medium und den Bereichen des Werkstücks wenigstens im Wesentlichen parallel zur Richtung der relativen Bewegung ist höher als die Entspannungsrate des viskoelastischen Mediums, so dass das viskoelastische Medium und die Bereiche des Werkstücks, die wenigstens im Wesentlichen parallel zur Richtung der relativen Bewegung sind, während jedes Zyklus in Schleifarbeitskontakt sind.
Die auf das viskoelastische Medium aufgebrachte Spannungsrate ist geringer als die, die nötig ist, um die Druckbelastungsgrenze des Mediums zu erreichen.
Die relative Bewegung wird für eine Zeit fortgesetzt, die ausreicht, um das nötige Niveau an Schleifarbeit auf dem Werkstück durch die relative Bewegung zwischen dem viskoelastischen Medium und dem Werkstück durchzuführen.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Schleifbearbeitung eines Werkstücks mit einem viskoelastischen Medium, das mit einem festen partikelförmigen Schleifmittel gefüllt ist.
Die Vorrichtung beinhaltet Mittel zum Montieren eines Werkstücks an einem Repetitivbewegungsantriebsmechanismus. Es kann ein beliebiger aus der Vielzahl der in der Technik bekannten Mechanismen eingesetzt werden, unter der Voraussetzung, dass die vom erfindungsgemäßen Verfahren geforderte Leistung und Spannungsrate zuverlässig und gleichförmig erzeugt werden können. Die relative Bewegung kann eine lineare Hin- und Herbewegung, eine Orbitalbewegung, eine Kreiselbewegung, eine Rotationsbewegung oder die Resultierende einer Kombination aus diesen sein. Die relative Bewegung kann im Hinblick auf Amplitude und/oder Frequenz im Laufe der Zeit variabel sein.
In der Vorrichtung wird ein viskoelastisches Schleifmittel eingesetzt. Das viskoelastische Schleifmittel hat eine statische Viskosität von etwa η = 2 × 10⁴ Centipoise bis etwa η = 8 × 10⁶ Centipoise. Das bevorzugte viskoelastische Schleifmittel ist ein rheopektisches Polymer, das mit einem partikelförmigen festen Schleifmittel gefüllt ist, insbesondere Poly(borsiloxan).
Die Vorrichtung muss Mittel aufweisen, um das genannte Werkstück in Konformkontakt mit dem genannten viskoelastischen Schleifmittel zu bringen. Gewöhnlich wird ein offener Behälter für das Medium eingesetzt, in den das Werkstück in Kontakt mit dem Medium vorgeschoben wird. Das in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Mittel braucht nicht unter Druck gesetzt oder eingedämmt zu werden.
Der Repetitivbewegungsantriebsmechanismus muss eine relative Bewegung zwischen dem genannten Werkstück und dem genannten viskoelastischen Schleifmittel mit Spannungsraten erzeugen, die ausreichen, damit wenigstens 50% der Ablenkung des Mittels unter Betriebsbedingungen durch elastische Verformung erfolgt und sich elastisch zurückstellt, und weniger als 50% der Ablenkung des Mittels durch fluidisches oder plastisches Fließen erfolgt. Es wird bevorzugt, Spannungsraten zu verwenden, die ausreicher, damit 50% bis etwa 90% der Ablenkung des Mediums unter Betriebsbedingungen durch elastische Verformung erfolgt und sich elastisch zurückstellt, und 1 bis etwa 50% der Ablenkung des Mediums durch fluidisches oder plastisches Fließen erfolgt. In den meisten Fällen werden solche Spannungsraten verwendet, dass 80% bis etwa 95% der Ablenkung des Mittels unter Betriebsbedingungen durch elastische . Verformung erfolgt und sich elastisch zurückstellt, und 5 bis etwa 20% der Ablenkung des Mittels durch fluidisches oder plastisches Fließen erfolgt.
In der vorliegenden Erfindung erfolgt der Einsatz von mit Schleifmittelpartikeln beladenem viskoelastischem Medium bei Spannungsraten, die diejenigen übersteigen, die gewöhnlich im Bereich der spanenden Bearbeitung mit Schleifmittelfluss eingesetzt werden, mit dem Ergebnis, dass eine Reihe neuer und äußerst günstiger Eigenschaften erzielt werden. Durch das Arbeiten mit sehr hohen Spannungsraten werden äußerst feine Schleif-, Polier- und Entgratungseffekte auf Werkstücken erzielt, die denjenigen ebenbürtig sind oder sie übertreffen, die in typischen spanenden Arbeitungsprozessen mit Schleifmittelfluss beobachtet werden.
Diese Effekte werden mit einer Geschwindigkeit erzielt, die bei gewöhnlicheren Formen der spanenden Bearbeitung mit Schleifmittelfluss unüblich sind, die gewöhnlich eine erhebliche Bearbeitungszeit erfordern, um ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen. In vielen Fällen wird die benötigte Bearbeitung in der Hälfte oder weniger der Zeit erzielt, die für typische spanende Bearbeitungsvorgänge mit Schleifmittelfluss notwendig ist.
Die qualitativ hochwertige Bearbeitung von Werkstücken in der vorliegenden Erfindung kann häufig Ergebnisse mit einem einzigen Vorgang erzielen, wo bisher mehrere Vorgänge bei einer spanenden Bearbeitung mit Schleifmittelfluss erforderlich waren, wo beispielsweise mehrere Mittel mit verschiedenen Schleifmittelkorngrößen eingesetzt wurden. In anderen Fällen sind zwar möglicherweise mehrere Vorgänge erforderlich, aber der Vorgang ist im Hinblick auf Zeit, Arbeitsaufwand, Materialien und Geräte immer noch weitaus wirtschaftlicher.
Die An des Arbeitens in der vorliegenden Erfindung erlaubt den Einsatz von weitaus einfacheren Werkzeugen und Geräten, als sie typischerweise in der spanenden Bearbeitung mit Schleifmittelfluss eingesetzt werden. Der Betrieb mit hohen Spannungsraten ist für die verwendeten Geräte sehr belastend, und daher können durch die größere, bauliche Einfachheit solcher Systeme Kosteneinsparungen erzielt werden, die häufig recht erheblich sind.
Die vorliegende Erfindung kann an Werkstücken aus beliebigen Materialien angewendet werden, die mit Schleifmitteln bearbeitet werden können, um ein leichtes Schleifen, Entgraten, Runden, Planieren und Polieren von Werkstückoberflächen zu bewirken. Die Erfindung wird am üblichsten mit metallischen Werkstücken wie z. B. aus Stahl, einschließlich Flussstahl, Werkzeugstählen, Edelstählen und dergleichen, Aluminium, Alumnium-Magnesium-Legierungen, Beryllium-Kupfer-Legierungen, Titan und vielen anderen eingesetzt. Weniger häufig wird die Erfindung auch an Keramiken, Kerametallen und anderen spanend bearbeitungsfähigen Verbundstoffen, Glas, Halbleitermaterialien und dergleichen eingesetzt werden. Die Vorgänge der vorliegenden Erfindung können auch zum Polieren (und Formen) von Hartplastikmaterialien wie z. B. Polymeren eingesetzt werden, einschließlich Poly(methylmethacrylat) und Poly(carbonaten) und verstärkten Polymerverbundstoffen wie z. B. Glasfaserlaminaten und dergleichen. Eine interessante Anwendung entsteht beim Polieren (und Formen) von Poly(carbonat)-Linsen oder Glaslinsen für optische Systeme und dergleichen.
Die in der vorliegenden Erfindung bearbeiteten Werkstücke können Oberflächen haben, die gegossen, gestanzt, spanend bearbeitet oder gefräst, geschwabbelt, geschmiedet oder mit nicht traditionellen spanenden Bearbeitungstechniken geformt wurden, wie z. B. Bearbeitung durch elektrische Entladung, chemisches oder elektrochemisches Fräsen. Andere Werkstücke können mit Techniken wie Pulvermetallurgie geformt werden, einschließlich Techniken des dreidimensionalen Druckens und dergleichen.
Die erfindungsgemäße Schleifbearbeitung hat sich für eine Reihe von Anwendungen als bevorzugte Oberflächenbearbeitungstechnik als effektiv erwiesen. Solche Techniken wurden besonders beispielsweise zum leichten Schleifen, Entgraten, Runden, Planieren und Polieren von komplexen Oberflächen und insbesondere dreidimensionalen Oberflächen angepasst, wo Oberflächendetails bearbeitet werden müssen, und beim repetitiven Bearbeiten von mehreren Werkstücken von komplexer Form und Gestalt.
In den meisten Fällen haben die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zu bearbeitenden Werkstücke bereits (fast) die Nettogestalt und erfordern nur wenig oder gar keine Dimensionierung. Es wird im Allgemeinen nicht bevorzugt, die erfindungsgemäßen Vorgänge zu verwenden, um erhebliche Materialmengen vom Werkstück zu entfernen, um die benötigten Maßtoleranzen zu erzielen, obwohl solche Vorgänge durchgeführt werden können, wenn die zusätzliche Bearbeitungszeit akzeptabel ist. Das Ausmaß der Materialentfernung ist direkt proportional zur Bearbeitungszeit, und bei Bedarf können erhebliche Materialmengen spanend vom Werkstück entfernt werden, aber die Regelung von Maßtoleranzen bei umfangreicher spanender Bearbeitung kann die Verwendung von Werkzeugen, Masken und Dornen erfordern, um zu gewährleisten, dass die Arbeit in den richtigen Bereichen erfolgt und keine anderen Segmente der Werkstückoberfläche übermäßig beeinflusst. Solche Techniken sind im Bereich der spanenden Bearbeitung mit Schleifmittelfluss bekannt und können an die vorliegende Erfindung angepasst werden, wo sie auf bekannte Weise funktionieren, aber Zeit-, Arbeits- und Gerätekosten solcher Vorgänge nehmen erheblich zu, so dass solche Anforderungen vorzugsweise vermieden werden. Es wird demgemäß bevorzugt, mit einem Werkstück zu beginnen, das nahezu die gewünschte Nettogestalt hat, und die Verwendung von Dornen und Werkzeugen nach Möglichkeit zu vermeiden.
Es ist für den typischen Betrieb der vorliegenden Erfindung charakteristisch, dass Oberflächen mit den Medien stärker an vorstehenden Teilen als an nicht vorstehenden Merkmalen bearbeitet werden. Dies hat gewöhnlich den wünschenswerten Effekt, dass Unregelmäßigkeiten der vorstehenden Oberfläche auf gewöhnliche Weise reduziert und auf das Niveau des Umgebungsoberflächenbereichs gebracht werden. Wenn die Arbeit lang genug fortgesetzt wird, dann wird die gesamte Oberfläche auf das tiefste Niveau der Oberfläche gebracht. Der so erzielte Nivellierungseffekt ist in vielen Fällen äußest wünschenswert, in anderen nicht. Es ist demgemäß wichtig, das Ausmaß der Schleif- und Poliereffekte so zu regeln, dass das Ergebnis mit den spezifischen Zielen für das jeweilige Werkstück im Einklang steht.
Wenn in der vorliegenden Erfindung gekrümmte Teile bearbeitet werden, dann werden die Krümmungen gewöhnlich zu glatten, progressiven Gestalten gerundet, ohne abrupte Änderungen oder „harte" Stellen in den Krümmungen. Diese Aspekte der Erfindung sind dort von besonderem Interesse, wo das visuelle Aussehen des Werkstücks von erheblicher Bedeutung ist und wo scharfe Kanten, Ecken und harte Kurven für die Charakteristiken des Werkstücks nachteilig sind, wie beispielsweise bei der Vermeidung von Stellen für die Entwicklung von Belastungsreißen und dergleichen.
Die Flachheit von planaren Flächen des Werkstücks wird ebenfalls verbessert, wobei Welligkeit, Höcker, Hohlstellen und andere Unvollkommenheiten reduziert oder eliminiert werden. Das Nivellieren, Abflachen und Runden von Oberflächen wird sowohl bei der Makroreduzierung (Schleifen) von Formfehlern und bei der Mikroreduzierung (Polieren) von Oberflächenrauheit und Welligkeitsaspekten des Prozesses beobachtet. Oberflächenvorsprünge wie z. B. Welligkeit, Höcker und Hohlstellen im Werkstück werden auf ein paar hundert Mikrometer in Bezug auf die Umgebungsoberflächenbereiche reduziert, und gleichzeitig wird auch Oberflächenrauheit reduziert, die in wenigen Mikrometern, oder sogar weniger als einem Mikrometer gemessen wird. Somit werden sowohl Schleifen als auch Polieren im selben Vorgang erzielt.
Schleifen hat die Wirkung, Oberflächenmerkmale, Werkzeug- und Stanzmerkmale und Markierungen, Formfehler, Grate, Kratzer und ähnliche Unvollkommenheiten zu beseitigen. Durch Schleifen gemäß der vorliegenden Erfindung werden auch ggf. vorhandene Nachgussoberflächenlagen entfernt. Durch das Entfernen von Nachgussoberflächenlagen kann die Notwendigkeit für Nachbearbeitungs-Wärmebehandlungen in einigen, und in der Tat in vielen Fällen, eliminiert werden.
In typischen Fällen wird das Microfinish des Werkstücks um bis zu 15 : 1 Verringerung der Rauheit in einem einzigen Vorgang mit einer geeigneten Schleifmittelkörnung für den Anfangszustand verbessert. (Ein weiteres Polieren ergibt im Allgemeinen keine wesentliche Verbesserung der Oberfläche, wenn ein solches Verbesserungsniveau bereits erreicht wurde.) Wenn eine weniger feine Oberfläche akzeptabel ist, dann wird auch weniger Verarbeitungszeit benötigt, was Produktionsraten beim Gebrauch verbessert. Wenn weiteres Polieren, d. h. eine weitere Reduzierung der Oberflächenrauheit notwendig ist, dann kann ein weiterer Durchgang des Betriebs der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines feineren Schleifmittels eine zusätzliche Rauheitsreduzierung von 5 : 1 oder sogar von 15 : 1 ergeben. (Es ist zu bemerken, dass der Betrieb von vornherein mit dem feineren Schleifmittel begonnen werden könnte, aber die notwendige Bearbeitungszeit wäre im Allgemeinen zu hoch, und die Produktivität der Poliervorgänge wäre im Allgemeinen unzufriedenstellend. Es ist weitaus wirksamer und wirtschaftlicher, Reduzierungen der Oberflächenrauheit in Größenordnungen von mehr als 20 : 1 in zwei oder mehr separaten Vorgängen mit für die Bedingungen geeigneten Schleifpartikelgrößen zu erzielen.) Die endgültige Oberflächenrauheit kann nur 0,2 um (oder etwa 0,1 Mikrozoll) R gemäß Messung mit ASME B46.1 (1995), SURFACE TEXTURE (SURFACE ROUGHNESS, WAVINESS AND LAY), 1996, American Society of Mechanical Engineers, New York, betragen. Solche feinpolierten Oberflächen werden in vielen Anwendungen der vorliegenden Erfindung gewöhnlich nicht benötigt, und es genügt zu bemerken, dass sich eine gröbere Oberflächenpolitur im Einklang mit Werkstückanforderungen leichter und schneller erzielen lässt.
Bei spanenden Bearbeitungsvorgängen entstehen gewöhnlich Grate und Stauchkanten. Es ist im Allgemeinen ratsam, die vorliegende Erfindung zum Entfernen von Graten und Stauch- oder Wälzkanten einzusetzen. Narben werden als natürlicher Bestandteil des Betriebs der vorliegenden Erfindung entfernt. Aufgrund der Prominenz solcher vorstehender Merkmale werden diese gewöhnlich in den frühesten Phasen des Betriebs entfernt, so dass dann, wenn Entgraten Hauptziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, das Ergebnis sehr schnell erreicht werden kann.
Zusätzlich zum Entfernen von Graten und Stauch- oder Wälzkanten werden alle Kanten während des Betriebs der vorliegenden Erfindung allmählich gerundet. Das Ausmaß ist im Allgemeinen von der Bearbeitungszeit abhängig und erfolgt zunächst mit einer recht hohen Geschwindigkeit, die dann allmählich abnimmt, wenn die Oberfläche zunehmend runder wird. Wenn keine Kanten abgerundet werden sollen, dann wird zweckmäßigerweise eine Schutzmaske an der Kante und der Oberfläche unmittelbar neben der Kante mit im Bereich der spanenden Schleifbearbeitung mit Schleifmittelfluss bekannten Techniken verwendet.
Ein natürlicher Effekt der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines erheblichen Niveaus an Kalthärtung der Oberflächen von Werkstücken. Der Effekt ist gewöhnlich vergleichbar mit dem, der mit Kugelstrahlen und anderen vergleichbaren Techniken erzielt wird. In den meisten Kontexten ist ein solches Kalthärten ein wünschenswertes Merkmal, aber die durchschnittliche Fachperson wird leicht erkennen, dass mit Nachbearbeitungs-Wärmebehandlungen solche Oberflächeneffekte bei Bedarf eliminiert werden können.
Für die durchschnittliche Fachperson wird die zu verwendende Ausrüstung überraschend einfach und kostenarm im Vergleich zu den Anforderungen gewöhnlicherer Formen von spanender Bearbeitung mit Schleifmittelfluss sein.
Das bevorzugte viskoelastische Schleifmittel ist ein rheopektisches Poly(borsiloxan), gefüllt mit viskositätserhöhenden Versteifungsmitteln und hohen Konzentrationen des bevorzugten Schleifmittels sowie relativ geringen Mengen an Weichmachern. Die Mittel haben eine statische Viskosität von etwa η = 2 × 10⁴ Centipoise bis etwa η = 8 × 10⁶ Centipoise; das Poly(borsiloxan)-Polymer hat gewöhnlich eine statische Viskosität von etwa η = 5 × 10³ Centipoise bis etwa η = 5 × 10⁵ Centipoise.
Im Vergleich zum fluidischen oder plastischen Extrusionsfließen, das die Basis des US-Patentes Nr. 5,125, 191 ist, sind die Arbeitsgeschwindigkeiten der elastischen Verformung gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl recht hoch als auch recht fein, so dass erhebliche Materialmengen entfernt werden können und eine hochpolierte Oberfläche erzielt werden kann, in einigen Fällen in einem einzigen Vorgang mit einem einzigen Medium. Es besteht keine Notwendigkeit, die Kammer abzudichten, in der der Vorgang abläuft, und ein Verdrängungskörper ist für eine große Zahl von Werkstückformen fakultativ und nur für komplexere Gestalten erforderlich. Darüber hinaus sind die Konformitätsanforderungen an den Verdrängungskörper aufgrund des elastischen Verhaltens des Mediums weitaus weniger anspruchsvoll als im Stand der Technik oder ganz unnötig.
Die Kammer wird nicht abgedichtet, so dass die Ausrüstung und deren Gebrauch weitaus weniger anspruchsvoll und komplex sind. Außerdem erlaubt die offene Kammer, wenn das oben beschriebene, die Trennung füllende Fluid Luft ist, eine Kommunikation zwischen der Trennung und der Atmosphäre als Luftquelle. Wenn das die Trennung füllende Fluid ein anderer Stoff als Luft ist, dann wird praktischerweise eine Flüssigkeit verwendet, die die Trennung füllt und, wenn sie verdrängt wird, über den höchsten Stand des Mediums in der Kammer hinaus ansteigt, wobei die Offenheit zur Atmosphäre hin ein solches Fließen des Fluids ohne erheblichen Gegendruck zulässt.
Schleifmedium, Schleifstück oder beide werden einem Repetitivbewegungsmechanismus ausgesetzt, der eine relative Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Medium erzielt. Die relative Bewegung kann eine lineare Hin- und Herbewegung, eine Orbitalbewegung, eine Kreiselbewegung, eine Rotationsbewegung oder die Resultierende einer Kombination aus zwei oder mehreren solcher Bewegungen sein. Die relative Bewegung kann im Hinblick auf Amplitude und/oder Frequenz im Laufe der Zeit variiert werden.
Der Relativbewegungsantriebsmechanismus kann entweder den Medieneinschluss oder das Werkstück ansteuern; in bestimmten Umständen kann beides geschehen. Die Hauptanforderungen an den Antriebsmechanismus sind ausreichende Leistung zur Erzielung einer im Wesentlichen fortlaufenden Arbeit unter Betriebsbedingungen, geeignete Amplitude und Frequenz der relativen Bewegung sowie bei Bedarf die Kapazität, Amplitude und/oder Frequenz während des Betriebs dynamisch zu ändern.
Der Relativbewegungsantrieb erfolgt wünschenswerterweise bei einer relativen Bewegung, gewöhnlich einer Orbitalbewegung, mit relativ kleiner Amplitude und mit einer relativ hohen Frequenz, die entsprechend hohe Spannungsraten auf dem Mittel erzeugt. Typische Parameter sind eine Bewegungsamplitude (z. B. Orbitalradius) von etwa 0,25 bis etwa 12,5 mm (etwa 0,010 bis etwa 0,500 Zoll), vorzugsweise etwa 1 bis etwa 6,5 mm (etwa 0,040 bis 0,250 Zoll), und eine Frequenz von etwa 5 bis 100 Hz, vorzugsweise etwa 12 bis 25 Hz. Kleinere Amplituden und höhere Frequenzen sind vom funktionellen Standpunkt her wünschenswert, neigen aber dazu, die Kosten des Antriebsmechanismus zu erhöhen, und können die Druckbelastungsgrenze des Mediums übersteigen. Es wird besonders bevorzugt, eine Orbitalbewegung (gewöhnlich mit wenig oder vorzugsweise keiner Rotation des angetriebenen Elements) in einer Ebene mit einer kontinuierlichen oder intermittierenden linearen Oszillation in einer Achse normal (oder nahezu normal) zur Orbitalebene zu kombinieren. Die lineare Oszillation sollte in solchen Fällen gewöhnlich eine andere Frequenz haben als die orbitale Komponente.
In anderen Fällen wird bevorzugt, während des Arbeitszyklus ein kontinuierliches oder periodisches Vorschieben des Werkstücks in das Medium in einer Achse normal (oder nahezu normal) zur Orbitalebene zu bewirken.
Wenn es die Konfiguration des Werkstücks erfordert, können die verschiedenen nichtkreisförmigen Umlaufbahnen und komplexen Orbital- und/oder Kreiselbewegungen wie in der Literatur beschrieben und in der Fachwelt allgemein bekannt eingesetzt werden, und mit solchen zusätzlichen Bewegungskomponenten soll wenigstens gewährleistet werden, dass eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung der Mittel über die Oberfläche des Werkstücks während des Betriebszyklus erzielt und aufrechterhalten wird. In einigen Fällen tragen sie auch auf andere Weise zur Schleifarbeit bei und erzeugen beispielsweise einen komplexeren Pfad des Mittels über die Oberfläche des Werkstücks, was weiter zur Vermeidung von Oberflächenstrukturen beiträgt, und sie assistieren beim Entfernen von eventuellen Oberflächenstrukturen.
Mit den hohen statischen Viskositäten und noch höheren Scheinviskositäten unter der in der vorliegenden Erfindung angewandten Belastung kann das System mit Niveaus betrieben werden, die sich der Hochbelastungsgrenze nähern, was sowohl eine schnell schneidende Schleifwirkung als auch eine Polierwirkung auf den geschliffenen Oberflächen ergibt. Die Wirkung ist auf eine Kombination von elastischer Verformung des Mittels und eine Translationsbewegung der Werkstückoberfläche über die halbstarre Fläche des Mediums zurückzuführen; elastische Verformung wird durch die hohen Niveaus an durch die erzeugte Bewegung beaufschlagter Belastung, ob Druck- oder Scherbelastung, gewährleistet. Der fluidische oder plastische Fluss reicht aus, um Konformität des Mediums mit der Oberfläche des Werkstücks zu erzielen, um ein Abführen von Schleifrückständen von der Oberfläche in das Medium und von der Grenzfläche zwischen Medium und Werkstück weg zu erzielen und um die Bewegung des Schleifmittels in dem Medium zu erzeugen, damit abgenutztes Schleifmittel beseitigt und frisches Schleifmittel der Arbeitsgrenzfläche zugeführt wird.
Der Betrieb des Systems bewirkt ein Erhitzen des Mediums während des Betriebs. Wir bevorzugen, entsprechende Schritte zu unternehmen, um den Temperaturanstieg in dem Medium zu begrenzen, um Temperaturen über etwa 60°C (etwa 140°F) und vorzugsweise Medientemperaturen über etwa 54°C (etwa 130°F) zu vermeiden. In den meisten Fällen wird bevorzugt, das Medium in die und aus der Kammer zu rezirkulieren, so dass Inkremente von Medium in der Trennung verdrängt und durch frisches, kühleres Medium ersetzt werden. Der Nettofluss bietet die zusätzliche Gewährleistung einer im Wesentlichen gleichförmigen Verteilung des Mediums und eines kontinuierlichen Arbeitskontakts mit allen Oberflächen des zu bearbeitenden Werkstücks.
Das System wird in der Kammer unter solchen beaufschlagten Spannungsraten betrieben, dass wenigstens etwa 50%, besonders etwa 50 bis 99% und vorzugsweise etwa 80 bis 95% der Ablenkung des Mediums unter Betriebsbedingungen durch elastische Verformung erfolgt und sich elastisch zurückstellt, und weniger als 50%, besonders etwa 1 bis 50%, vorzugsweise etwa 5 bis 20% der Ablenkung des Mediums durch fluidisches oder plastisches Fließen erfolgt.
Das Werkstück muss in eine Aufspannvonichtung oder ein Werkstück eingespannt werden, um es zu platzieren und in Konformkontakt mit dem Schleifmittel zu halten. Wenn das Werkstück das angetriebene Element des Relativbewegungsantriebsmechanismus ist, dann ist häufig die praktischste und bevorzugte Anordnung die, dass die Aufspannvorrichtung oder das Werkzeug Teil des Antriebsmechanismus ist.
Obwohl keine Anforderung in der vorliegenden Erfindung, so ist es doch im Allgemeinen wirkungsvoll, einen Mechanismus bereitzustellen, mit dem das Werkstück in die Schleifmittelkammer und in Konformkontakt mit dem Mittel in der Kammer von einer externen Montagestation vorgeschoben wird, in der das Werkstück auf Aufspannvorrichtung oder Werkzeug montiert ist. Eine solche Anordnung kann die Anwendung der Erfindung dadurch erheblich vereinfachen, dass Montage und Einspannen des Werkstücks schneller, einfacher und weniger aufwändig für den Maschinenbediener sind oder in geeigneten Fällen eine Automation des Betriebs durch Mittel zulässt, die einen unbeaufsichtigten Betrieb erlauben (wenigstens für erhebliche Zeitperioden und für eine erhebliche Zahl von Teilen). In Kombination oder als Alternative kann die Kammer selbst so angepasst werden, dass sie sich auf die Grenzfläche mit dem Werkstück in seiner Betriebsposition zu oder von dieser weg bewegt.
Die Kammer ist wünschenswerterweise und vorzugsweise mit einem oder mehreren Öffnungen ausgestattet, die einen Fluss des Mediums in die und aus der Kammer zulassen. Wie oben erörtert, wird bevorzugt, dass wenigstens zwei Öffnungen vorhanden sind, eine Ein- und eine Auslassöffnung, die über ein Medienpumpmittel miteinander in Verbindung sind, um einen Umlauf des Mediums in die und aus der Kammer zu erzeugen. Es sind vorzugsweise mehrere Ein- und Auslassöffnungen vorgesehen.
Geeignete Anordnungen und Geräte zum Pumpen eines solchen Schleifmittels sind in der Technik an sich bekannt und bilden an sich keinen Teil der vorliegenden Erfindung. Es kann in der vorliegenden Erfindung jedes beliebige Mittel eingesetzt werden, das zum Erzeugen eines solchen Umlaufflusses geeignet ist.
In Vorgängen an Werkstücken mit komplexer Geometrie ist es möglicherweise wirksam, Dorne oder Verdrängungskörper bereitzustellen, die allgemein der Gestalt des Werkstücks entsprechen, mit einem geeigneten Abstand, so dass eine Trennung (8) entsteht, in der das Medium lose enthalten ist. Solche Teile sind in ihrer Konfiguration mit den im früheren US-Patent Nr. 5,125,191 eingesetzten Verdrängungskörpern vergleichbar, aber im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung arbeitet der Verdrängungskörper auf eine ganz andere Weise.
Aufgrund des Vorherrschens von elastischer Verformung im Betrieb des Verfahrens dient ein Verdrängungskörper vornehmlich zum Begrenzen von elastischer Verformung und zum Begrenzen der Masse des durch den Betrieb verformten Mediums und der Hystereseverzögerung von elastischem Rückprall der Masse. Darüber hinaus dient ein Verdrängungskörper in Regionen parallel zum Pfad der repetitiven Bewegung und in Bereichen, die durch tiefe Konkavitäten in der Werkstückform charakterisiert sind, zum Leiten von Fluss des Mediums in den und aus dem Kontakt mit der Werkstückoberfläche an der Grenzfläche, um eine einheitliche und gleichförmige Bearbeitung über die Werkstückoberfläche zu gewährleisten. Wie zuvor bemerkt, ist die Konformation von Verdrängungskörper oder Dorn weitaus weniger anspruchsvoll als in dem früheren Patent, und es reicht im Allgemeinen aus, dass sie der Form so entsprechen, dass ein Distanzspalt 8 von etwa 3 bis etwa 6 Millimetern entsteht.
Das Schleifmittel, das Werkstück oder beide werden von einem Repetitivbewegungsmechanismus betrieben, um eine relative Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Medium zu erzeugen. Die relative Bewegung kann eine lineare Hin- und Herbewegung, eine Orbitalbewegung, eine Kreiselbewegung, eine Rotationsbewegung oder die Resultierende einer Kombination aus zwei oder mehreren solcher Bewegungen sein. Die relative Bewegung kann im Hinblick auf Amplitude und/oder Frequenz im Laufe der Zeit variiert werden.
Die von der relativen Bewegung auf das Medium aufgebrachte Spannungsrate sollte innerhalb bestimmter Grenzen so hoch wie möglich sein.
Um die Hauptvorzüge der vorliegenden Erfindung zu erzielen, muss die Spannungsrate wenigstens so hoch sein, dass wenigstens etwa 50% der Materialverformung des Schleifmittels durch elastische Verformung erfolgt und Rückstellung und fluidisches oder plastisches Fließen des Mediums zu einem relativ geringen Anteil der Reaktion des Mediums auf die relative Bewegung werden.
Allgemein ausgedrückt, solange beim Betrieb die Druckbelastungsgrenze nicht erreicht oder überschritten wird, gilt, je höher die Spannungsrate, desto effizienter der Betrieb der vorliegenden Erfindung, sowohl im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit (und somit auf die nötige Bearbeitungszeit und den erzielten Produktdurchsatz) als auch im Hinblick auf die Energieanforderungen des Systems.
Es ist wichtig, dass die relative Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Medium die Druckbelastungsgrenze nicht überschreitet, da das Ergebnis gleichermaßen nachteilig für den Betrieb ist. Die Druckbelastungsgrenze kann vom jeweiligen Polymerträger für das Mittel, von der Eigen- oder Restviskosität des formulierten Mediums, der Viskositätsänderung mit beaufschlagter Spannung und zunehmender Temperatur während des Betriebs der Erfindung sowie von der Konzentration von Schleifmittel und Feststoffverdünnern abhängig sein. Einige der Effekte dieser Parameter können durch Weichmacher und/oder Schmiermittel ausgeglichen werden, die der Mittelformulierung zugegeben werden. Für eine spezifische Mittelformulierung muss die Druckbelastungsgrenze über der anzuwendenden nützlichen Spannungsrate liegen und soll vorzugsweise so bemessen werden, dass gewährleistet wird, dass die geeigneten Grenzen für den Betrieb nicht überschritten werden.
Bei einem Medium auf der Basis des bevorzugten Poly(borsiloxans) hat das Überschreiten der Druckbelastungsgrenzen einen drastischen Anstieg der dynamischen Scheinviskosität des Mediums zur Folge, so dass es zu Bruch und Granulation des Polymers kommt, so dass ein brüchiges Polymerpulver entsteht, das die Schleifpartikel nicht mitführen, sich nicht elastisch verformen und auch nicht fluidisch oder plastisch fließen kann, bis die Spannung abgebaut ist und das Material koalesziert. Es besteht ein erhebliches Risiko, dass das Polymerpulver durch den Betrieb der Ausrüstung verstreut und von der Vorrichtung verloren geht. Solche Effekte verursachen auch eine Minderung der Qualität des Polymers durch Kettenspaltung, was die Nutzungsdauer des Mediums reduziert. Bei anderen Mitteln können die Effekte weniger drastisch und auf Kettenspaltung und Minderung der Polymerqualität begrenzt sein, aber die Folgen sind für die Praxis der Erfindung gleichermaßen nachteilig.
Beim Arbeiten unterhalb der Druckbelastungsgrenze der Mittel und bei einer Spannungsrate, die eine erhebliche und vornehmlich elastische Verformung der Mittel erzeugt, ist die Wirkung der Schleifpartikel auf der Werkstückoberfläche anders als die in typischeren früheren Formen der spanenden Bearbeitung mit Schleifmittelfluss.
Insbesondere haben die Kompressionseffekte von Aufprall zwischen Werkstück und Mittel an der Grenzfläche die Wirkung, dass die Kraft der Schleifpartikel an der Werkstückoberfläche begrenzt und „gepuffert" oder „gedämpft" wird. In einem solchen Mechanismus kommt es zu keinen Schnitten, Rillen und Kratzern an der Oberfläche, und es können wesentlich größere Schleifpartikel verwendet werden, um sogar recht fein polierte Oberflächen zu erhalten.
Die Arbeitseinschränkung aufgrund des Kompressionseinflusses zwischen Werkstück und Mittel wird durch die Rückstellung und Rückführung der auf das Medium in der Kompression durch den elastischen Rückprall bewirkten Energie ausgeglichen, wo zusätzliche Arbeiten an der Werkstückoberfläche durchgeführt werden, typischerweise in einer Richtung, die sich von der der Kompressionskomponente der Wirkung unterscheidet.
In bevorzugten Fällen ist die relative Bewegung zwischen Werkstück und Mittel wenigstens teilweise orbital, so dass die Bewegungsrichtung sich kontinuierlich und konstant ändert. Die Folge ist, dass sich auch die Richtung des Pfades der Schleifkörner über die Oberfläche konstant ändert, sowohl im Hinblick auf Kompression als auch auf Rückprall. Und diese kontinuierliche Richtungsänderung dient dazu, Strukturbildung in der bearbeiteten Oberfläche sowie die teilweise oder gänzliche Entfernung von Strukturen von der Oberfläche in ihrem ursprünglichen Zustand zu verhindern.
Die Kombination dieser Merkmale führt zu einer Bearbeitung der Oberfläche auf eine Weise, die recht allmählich und doch recht schnell und mit einem Minimum an örtlichen Oberflächenmängeln erfolgt, die durch eine zu starke Wirkung des Schleifmittels entstehen, wie beispielsweise tiefe Kratzer oder Rillen in der Oberfläche.
Es ist zu bemerken, dass ein gewisses fluidisches oder plastisches Fließen des Schleifmittels in den Vorgängen der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Während dies nicht, wie im Fall der typischen spanenden Bearbeitung mit Schleifmittelfluss, der vorherrschende Mechanismus zum Durchführen von Arbeiten an dem Werkstück ist, so spielt es doch in einigen Aspekten der vorliegenden Erfindung eine wichtige Rolle.
Es ist an erster Stelle das fluidische oder plastische Fließen des Mittels, das die Konformität des Mittels mit den Oberflächen des Werkstücks gewährleistet.
Darüber hinaus gewährleistet fluidisches oder plastisches Fließen für Oberflächenbereiche, die parallel zur Richtung oder Ebene der repetitiven Bewegung zwischen Werkstück und Medium liegen, dass ein lokaler Druck vorliegt, der ausreicht, um das Medium gegen die zu bearbeitende Oberfläche zu drücken. Es ist möglicherweise keine Bewegungskomponente vorhanden, die in solchen Bereichen in das Medium gerichtet ist, und elastische Verformung allein kann möglicherweise keinen optimalen Arbeitskontakt zwischen Werkstück und Medium an der Grenzfläche aufrechterhalten. Ein solches Fließen der Mittel in die Kammer gewährleistet einen solchen lokalen Druck.
Ein Fluss des Mediums durch die Arbeitskammer gewährleistet auch, dass frische Schleifkörner zur Oberfläche des Mediums an der Grenzfläche mit dem Werkstück gebracht, abgenutzte Schleifpartikel und vom Werkstück abgeschliffene Bearbeitungsrückstände von der Grenzfläche weggeführt werden.
Das Fließen des Mediums ist auch ein wichtiger Teil der Temperaturregelung, wobei heißes Medium vom System weggeführt wird, so dass es abkühlen kann, und dann einem Umlaufstrom zugeführt wird.
Die in der vorliegenden Erfindung vorgesehene Bearbeitungszeit variiert vornehmlich mit der Natur des Werkstückmaterials, dem Maß an Veränderung der Oberflächentexttur, die gewünscht oder vorgegeben ist, und dem für den Betrieb gewählten Schleifmittel. Solange der Relatiebewegungsantriebsmechanismus für die Anforderungen des Betriebs ausreicht, ist die Bearbeitungszeit von Größe oder Oberflächenbereich des zu bearbeitenden Werkstücks weitgehend unabhängig.
In typischen Umständen kann gewöhnlich eine zehnfache Verringerung der Oberflächentextur erzielt werden, besonders von Oberflächenrauheit, was gewöhnlich die Hauptaufgabe des Betriebs ist, mit einer zweckmäßigen Auswahl von Bedingungen und Medien innerhalb von zwei bis etwa fünf Minuten Bearbeitungszeit bei weichen Werkstücken wie Aluminium und dessen Legierungen. Für schwierigere, d. h. härtere Materialien wie Stähle und dergleichen ist die Bearbeitungszeit entsprechend länger, zuweilen zehn oder sogar zwanzig Minuten oder mehr.
Wenn die Arbeitsspezifikationen keine zwanzigfache oder höhere Reduzierung der Oberflächentextur verlangen, dann können reduzierte Betriebszeiten zum Erhöhen der Produktivität der Erfindung verwendet werden.
Die Temperatur steigt in dem Medium an, da die im Betrieb durchgeführten Arbeiten natürlich erhebliche Wärmemengen erzeugen. Es müssen während der Vorgänge Maßnahmen zum Kühlen des Mediums getroffen werden. Es wird ein Umwälzen des Mediums wie nachfolgend erörtert bevorzugt, so dass eine Kühlung außerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt, aber es kann bei Bedarf auch eine anderweitige Kühlung in der Verarbeitungskammer vorgesehen werden. Es wird bevorzugt, dass die Temperatur des bevorzugten Mediums auf der Basis von Poly(borsiloxan) unter etwa 60°C (etwa 140°F), stärker bevorzugt unter etwa 54°C (etwa 130°F) gehalten wird.
Mit fortschreitender Verarbeitung nutzt das Schleifmittel in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks ab. Wenn die Arbeit fortschreitet, sammeln sich erhebliche Mengen an Bearbeitungsrückständen in dem Medium an, wenn Material von der Werkstückoberfläche entfernt wird, was die Schleifpartikel durchdringt und die lokale Viskosität des Mediums erhöht. Um zu verhindern, dass solche Effekte den Verarbeitungszyklus stören oder verändern, wird der Grenzfläche zwischen Werkstück und Medium frisches Medium zugeführt, um das alte Medium wegzuspülen und frisches Medium zuzuführen. Das alte Medium wird von der Vorrichtung entfernt und gekühlt und dem frischen Mittelvorrat dann wieder zugeführt. Es kann eine große Zahl von Zyklen wirksam durchgeführt werden, bevor das Medium verbraucht ist und ersetzt werden muss, wenn ein solches Recycling angewendet wird.
Es ist bemerkenswert, dass sich die Wirkung des Mediums auf der Werkstückoberfläche mit der Orientierung der Oberfläche relativ zur Richtung oder Ebene der relativen Bewegung unterscheidet.
Oberflächen, die lotrecht oder normal zur Richtung der relativen Bewegung ausgerichtet sind, werden ausschließlich durch die elastische Verformung und den Rückprall des Mediums bearbeitet. Oberflächen parallel zur Richtung der relativen Bewegung werden in einem erheblich geringeren Ausmaß durch elastische Verformung und Rückprall bearbeitet, weil die Bewegung keine erhebliche Druckkraft in der Richtung der Grenzfläche zwischen Medium und Werkstückoberfläche in solchen Regionen ausübt. Die Wirkung in solchen Bereichen ist in solchen Bereichen eher wie eine spanende Orbitalbearbeitung mit Schleifmittelfluss. Eigenschaften und Charakteristiken des Bearbeitens von Oberflächen mit anderen Winkeln zur relativen Bewegungsrichtung liegen zwischen diesen Extremen und zeigen die Charakteristiken von beiden.
Diese Attribute sind in vielen Fällen ohne Folgen für den Betrieb. In anderen Fällen können sie Medium unter Druck in die Grenzfläche von Teilen der Oberfläche zuführen, die keine Druckbelastung erfahren, um einen Strom von Medium zu gewährleisten, damit der lokalisierte Druck ausreicht, um Konformität des Mediums mit der Oberfläche aufrechtzuerhalten und um altes, abgenutztes Schleifmittel zu entfernen und es durch frische Portionen von neuem oder weniger abgenutztem Schleifmittel zu ersetzen.
Es ist auch möglich, und kann auch in einigen Fällen wünschenswert sein, das Werkstück ein oder mehrere Male „impulsweise" von der Grenzfläche weg und wieder in diese zurück zu bringen, typischerweise in einer Richtung normal zu oder wenigstens anders als die Richtungen) der relativen Bewegung, um zu gewährleisten, dass ein Konformkontakt mit dem Medium sichergestellt ist.
Eine weitere Variation besteht darin, Art, Richtung oder Ebene der relativen Bewegung durch den Prozesszyklus zu ändern, um die Ausrichtung des Teils und seiner Oberflächen relativ zur Richtung oder Ebene der relativen Bewegung zu ändern. Mit Hilfe verschiedener Bewegungen oder unterschiedlicher Werkstückausrichtungen zur Bewegung zu unterschiedlichen Zeiten während des Prozesszyklus kann die Arbeit an allen bearbeiteten Werkstücken gesteuert werden. In den üblichsten Fällen erfolgt die Steuerung mit dem Ziel zu gewährleisten, dass die Schleifarbeit auf allen Oberflächen des Werkstücks äquivalent ist, obwohl es auch Fälle gibt, in denen die Bewegung eingesetzt werden kann, um unterschiedliche Bearbeitungen an anderen Teilen des Werkstücks zu erzielen.
Wenn eine zusammengesetzte Bewegung eingesetzt wird, die die Resultierende von zwei oder mehr getrennten Formen von relativer Bewegung ist, dann ist es häufig möglich, die Ausrichtung der an dem Werkstück durchgeführten Arbeit vollkommen zu versetzen.
In einigen Fällen ist die Wirkung der elastischen Verformung so direktional, dass eine Umkehr der Richtung des relativen Bewegungsantriebs notwendig ist, um eine sinnvoll gleichförmige Bearbeitung der Oberflächen zu gewährleisten. Solche Gelegenheiten entstehen z. B. dann, wenn ein Orbitalantrieb an komplexen Formen eingesetzt wird, die vordere und hintere Flächenteile darbieten. Die Orbitalbewegung führt zu einem Kontakt zwischen Werkstück und Medium, der im Wesentlichen tangential ist, und die vorderen Teile der Werkstückoberfläche werden in einem solchen Fall stärker bearbeitet als hintere Teile. Um diese unterschiedliche Wirkung auszugleichen, reicht es gewöhnlich aus, den Antriebsmechanismus umzukehren, so dass das Werkstück in beiden Richtungen bearbeitet wird. Solche Richtungseffekte treten bei einfachen Formen gewöhnlich nicht auf.
Eine Reihe verschiedener viskoelastischer Materialien sind in der Technik der spanenden Bearbeitung mit Schleifmittelfluss bekannt. Es können praktisch alle an die Anforderungen der vorliegenden Erfindung angepasst werden. Die Hauptkategorien solcher gewöhnlich in der Technik eingesetzten Materialien sind Polymergele, besonders Hydrogele, und Poly(borsiloxane).
Ionische Bindungen werden häufig beim ionischen Vernetzen einer Reihe verschiedener Polymere eingesetzt. Solche Polymere sind häufig wasserlösliche Typen, die für den Einsatz in der vorliegenden Erfindung gut geeignet sind. Wenn solche Polymere ionisch vernetzt werden, dann bilden sie gewöhnlich in Wasser gequollene Hydrogele, die wirksame Viskositätsniveaus haben, um äußerst haltbare Suspensionen der hochdichten Schleifpartikel zu bilden, die im Verfahren der vorliegenden Erfindung zugegeben werden.
In ionisch vernetzten Hydrogelen sind die ionischen Bindungen schwächer als die kovalenten Bindungen des Polymergrundgerüsts, und diese ionischen Bindungen werden vorzugsweise unterbrochen oder zerbrochen, wenn sie allgemein hohen Scherbelastungen und hohen Spannungsraten ausgesetzt werden. Die ionischen Spezies, die entstehen, wenn die Bindungen gebrochen werden relativ stabil sind, und reagieren im Kontext der hierin eingesetzten Polymersysteme nur, um die zerbrochenen Vernetzungen und somit die hochviskose Hydrogelstruktur wiederherzustellen, wenn die hohe Scherbelastung wieder weggenommen wird.
In einer alternativen Ausgestaltung werden gelbildende wasserlösliche Polymere zu Hydrogelen gebildet, mit oder ohne Gelierungspromotoren wie wasserlösliche Metallsalze der Gruppen III bis VIII der periodischen Tabelle. Hydrogele basieren auf der Bildung von intermolekularen Bindungen zwischen den Polymermolekülen. Solche Bindungen sind schwächer als ionische Bindungen und erleichtern im Kontext der vorliegenden Erfindung das Verdünnen des Mediums unter den hohen Scherbelastungen, die bei der Bildung des Polierstrahls erzeugt werden, und erzeugen die Opferverbindungen, die die kovalenten Bindungen des Polymers schützen und eine Kettenspaltung minimal halten. Diese Hydrogele dienen auch zum Fördern einer hohen Viskosität im Ruhezustand, unabhängig davon, ob die intermolekularen Bindungen im Gel, beim Aufbau des Gels gebildet oder nach dem Gebrauch neu geformt werden, was zum Verhindern eines Absetzens der Schleifpartikel äußerst wünschenswert ist.
Auch nichtwässrige Polymerformulierungen sind möglich, wo das Polymer von anderen Typen von intermolekularen Bindungen vernetzt oder geliert wird. Solche Formulierungen sind besonders signifikant zum Polieren und spanenden Bearbeiten von Materialien, die gegenüber Wasser empfindlich sind, wie z. B. Eisenmetalle und dergleichen.
Ein bevorzugtes nichtwässriges Polymer, vernetzt und/oder durch intermolekulare Bindungen kettenverlängert, ist die Familie der Poly(borsiloxane). Diese Polymere werden durch gemeinsame Nutzung eines Elektronenpaares zwischen tertiären B-Atomen in der Polymerkette mit 0 Atomen in der Kette benachbarter Polymermoleküle vernetzt. Die für die vorliegende Erfindung signifikanten spezifischen Eigenschaften können sehr direkt und fein reguliert werden, einschließlich der relativen Molekülmasse des Poly(borsiloxan), der B-Atomkonzentration in der Polymerkette und dergleichen.
Die Formulierung von Poliermitteln auf der Basis der Verwendung von Poly(borsiloxanen) wird in der vorliegenden Erfindung aufgrund der nichtwässrigen Natur des Mediums, der Regulierbarkeit der Viskosität und der Fähigkeit besonders bevorzugt, Viskositäts- und elastische Verformungscharakteristiken je nach den Anforderungen der durchzuführenden Polier- und spanenden Verarbeitungsvorgänge auszugleichen. Diese Materialien werden auch aufgrund des rheopektischen Charakters des Systems besonders bevorzugt.
Intermolekulare Bindungen und Kettenverlängerungsbindungen, besonders mit B : O-Bindungen, sind schwächer als kovalente Bindungen, und es werden Polymere eingesetzt, die leicht intermolekulare Bindungen bilden, insbesondere bei der nichtwässrigen Verarbeitung in der vorliegenden Erfindung. Unter den hohen Scher- und elastischen Verformungsbedingungen, die unter den Aufprallkräften zwischen Medium und Werkstückoberflächen beteiligt sind, werden die intermolekularen Bindungen vorzugsweise gebrochen, ein Teil der auf das Polymer aufgebrachten Energie wird absorbiert, und die das Polymergrundgerüst bildenden kovalenten Bildungen bleiben erhalten.
Eine Wasserstoffbindung allein reicht nicht aus, um eine ausreichende Absorption der hohen Schervorgänge zu ergeben, und sollte vorzugsweise nur in Kombination mit anderen nicht kovalenten Opfergelbindungen beruhen. Intermolekulare Wasserstoffbindungen sind sehr schwache Bindungen.
Diese intermolekularen Bindungen reformieren sich leicht im Laufe der Zeit nach Wegnahme der hohen Scherbelastung und stellen die vernetzte Struktur und die gelartige hohe Viskosität wieder her, die von dem System verlangt wird.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung sind die vernetzten, d. h. intermolekularen Bindungen diejenigen, die unter den hohen Scher- und elastischen Verformungsbedingungen des Betriebs zuerst brechen und sich somit selbst opfern, um die kovalenten Bindungen vor einer Verschlechterung zu schützen, die sonst die Polymerketten auf die permanente und irreversibel Weise unterbrechen würde, die für die Polymerverschlechterung der Materialien und Prozeduren des Standes der Technik charakteristisch ist.
Das in der vorliegenden Erfindung eingesetzte bevorzugte Poly(borsiloxan) hat eine Viskosität (n) im Bereich von etwa η = 5 × 10³ Centipoise bis etwa η = 5 × 10⁵ Centipoise.
Das elastische Volumenmodul B des bevorzugten Poly(borsiloxans) variiert umgekehrt mit der Temperatur T und direkt mit der Verformungsrate y.
Die Partikelgröße des Schleifmittels sollte die geringste Größe sein, die mit der benötigten Arbeitsrate im Einklang steht, im Hinblick auf Härte und Rauheit der zu bearbeitenden Oberfläche und der zu erzielenden Oberflächengüte. Allgemein ausgedrückt, je kleiner die Partikel- oder „Korn"-Größe des Schleifimittels, desto glatter die erzielte Oberfläche. Das Schleifmittel hat häufig eine Partikelgröße von nur etwa 1 Mikrometer bis zu etwa 1400–1600 Mikrometer (etwa 16 Mesh) oder sogar 2000 Mikrometer. Üblicher ist eine Schleifkorngröße im Bereich zwischen etwa 2 und etwa 400 Mikrometer, am üblichsten zwischen etwa 20 und etwa 300 Mikrometer.
Die Härte des Schleifmittels sollte der höchste Wert sein, der mit den Kosten der Materialien und den Begrenzungen des Werkstücks im Hinblick auf die Härte des zu polierenden Werkstückmaterials im Einklang steht. Bei Schneidvorgängen wird ebenfalls typischerweise mit dem härtesten und am schnellsten schneidenden Schleifmittel gearbeitet, das innerhalb von Rentabilitätsgrenzen zur Verfügung steht. Als allgemeine Regel gilt, je härter das Schleifmittel, desto schneller und effizienter der Poliervorgang. Das Begrenzen der Härte des Schleifmittels kann in einigen Fällen rentabel sein, da typischerweise gilt, je härter das Material, desto teurer ist es. Darüber hinaus begrenzt der Einsatz weicherer Schleifmittel die Materialabhubrate, was in bestimmten Umständen wünschenswert sein kann, um den Vorgang besser regulieren zu können.
Die Wahl des Schleifmittels ist für die vorliegende Erfindung nicht kritisch, jedes beliebige übliche Material wird wirksam sein. Beispiele für geeignete Materialien sind unter anderem, beispielhaft, Aluminiumoxid, Silica, Granat, Siliciumcarbid, Borcarbid, Diamant und dergleichen. Bei höheren Viskositäten kann es möglich sein, Wolframcarbid zu verwenden, obwohl seine Dichte Probleme beim Aufrechterhalten einer effektiven Dispersion im Medium aufwerfen kann. Die Wiederverwendung des Poliermittels erlaubt eine wirtschaftliche Nutzung härterer, aber teurerer Schleifmittel, mit den resultierenden Verbesserungen der Effizienz von Polier- und spanenden Verarbeitungsvorgängen, um die Polierrate bei Bedarf zu erhöhen. So kann Siliciumcarbid beispielsweise in Poliervorgängen substituiert werden, wo Granat verwendet wurde.
Im Allgemeinen wird das Schleifmittel wünschenswerterweise mit Konzentrationen in der Formulierung auf Niveaus von etwa 30 bis etwa 90 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 65 bis etwa 85 Gewichtsprozent eingesetzt. Wir haben gefunden, dass ein Betrieb im bevorzugten Bereich, und in einigen Fällen niedriger, recht effektiv ist.
Eine de facto Obergrenze der Partikelkonzentration (Schleifmittel plus angesammelter Bearbeitungsrückstand vom Werkstück) tritt auf dem Niveau auf, bei dem eine „Überbrückung" oder ein Partikel-zu-Partikel-Kontakt erheblich wird. Eine Brückenbildung ist nicht erwünscht, weil sie zu zu starken Rillen- und Kratzerbildungen auf der Werkstückoberfläche durch das Schleifmittel führt.
Ein Brückenbildung nimmt dann stark zu, wenn die Konzentration des partikelförmigen Feststoffvolumens der Mittelformulierung überschritten wird. Wenn die kritische partikelförmige Feststoffvolumenkonzentration überschritten wird, ist das Ausmaß der Brückenbildung direkt proportional zum Ausmaß an überschüssigen Feststoffen.
Die kritische partikelförmige Feststoffvolumenkonzentration wird als die Konzentration von partikelförmigen Feststoffen definiert, bei der das Volumen des Trägers gerade ausreicht, um die Leerstellen und Lücken zwischen den partikelförmigen Feststoffpartikeln zu füllen. Wenn der Feststoffanteil höher wird, dann wird die Formulierung im Hinblick auf Träger verarmt (Polymerbasis und Weichmacher), und es kommt zu Leerstellen in der Masse des Mediums. In vielen Medien ist es häufig wünschenswert und sogar notwendig, die kritische partikelförmige Feststoffvolumenkonzentration zu überschreiten, um bestimmte beabsichtigte Eigenschaften zu erzielen. Am häufigsten werden solche Techniken eingesetzt, wenn Grobschleif- und spanende Bearbeitungsvorgänge durchgeführt werden und wo Ausrüstung und Methodik die entstehenden Brückenbildungseffekte tolerieren können, wie in Läppungsvorgängen. Solche Charakteristiken sind in der Technik bekannt. Solche Effekte sollen in der vorliegenden Erfindung vermieden werden. Das kritische partikelförmige Feststoffvolumen darf nicht überschritten werden. Wir verwenden gewöhnlich einen Schleifpartikelanteil von etwa 4 : 1 nach Gewicht auf der Basis des Gewichts des Polymers, was allgemein einem Volumenverhältnis von etwa 2 : 1 auf der Basis des Volumens des Polymers entspricht, um zu gewährleisten, dass eine ausreichende Kapazität für die Akkumulation erheblicher Rückstandsmengen im Medium von dem Werkstück entsteht.
Es gibt zwar keine buchstäbliche Untergrenze für die Schleifmittelkonzentration, aber man muss sich vor Augen halten, dass der Schleifmittelgehalt eine bedeutende Determinante der Viskosität des Mittels ist, und wenn die Viskosität zu niedrig ist, dann kommt es möglicherweise nicht zu der benötigten elastischen Verformung. Wenn niedrige Schleifmittelkonzentrationen eingesetzt werden, dann können andere Techniken zum Erzielen der benötigten Viskosität eingesetzt werden. Darüber hinaus bezieht sich die Rate, mit der Arbeit am Werkstück durchgeführt wird, auf die Konzentration des Schleifmittels, und es ist ratsam zu gewährleisten, dass die Konzentration ausreicht, um die Prozesszykluszeiten und die Produktivität für eine optimale Arbeitseffizienz der Werkstücke zu erzielen, die in dem Betrieb erforderlich sind.
Wie oben erwähnt, können die Schleifmittelpartikel im Bereich von 1 bis 2000 Mikrometern in ihrer größten Abmessung (Durchmesser) liegen und liegen vorzugsweise zwischen 20 und 300 Mikrometern. Für Oberflächen, bei denen eine feine Oberflächengüte gewünscht wird, sind Partikelgrößen von etwa 20 bis etwa 100 Mikrometer besonders vorteilhaft. Es ist im Allgemeinen angemessen, die größte Partikelgröße zu wählen, die mit der erforderlichen Polier- und Schleifrate sowie den beim Betrieb zu erzielenden vorgegebenen Oberflächencharakteristiken im Einklang steht.
Für eine bestimmte Schleifpartikelgröße haben wir auch beobachtet, dass die Oberflächengüte des Werkstücks rasch zum selben oder zu einem besseren Niveau gebracht wird, das mit Handpolitur- oder Läppungstechniken erzielbar ist, aber mit weitaus geringerem Arbeits- und Zeitaufwand. In Verbindung mit der Fähigkeit, geringere Partikelgrößen zu verwenden, ist es gewöhnlich möglich, Oberflächenguten zu erzeugen, die keine manuellen Oberflächenfeinbearbeitungsprozeduren erfordern, was die Zahl der Vorgänge sowie den in der Produktion erforderlichen Arbeits- und Geräteaufwand verringert. Für die Verwendung zum Brechen oder Abrunden scharfer Kanten und zum Entfernen von Graten ist die Technik rasch, wirksam und lässt sich leicht regulieren.
Unelastische Füllmittel, Verdicker, Weichmacher, Schmiermittel, Streckmittel, Verdünnungsmittel und dergleichen können im bevorzugten Medium der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, wie sie auch im Schleifmittelflussmedium des Standes der Technik verwendet werden, aber ihre Benutzung sollte begrenzt werden. Wir bevorzugen, die Menge solcher Zusätze auf nicht mehr als etwa 25 Gewichtsprozent der Mittelformulierung zu begrenzen.
In der vorliegenden Erfindung sollte die Viskosität des Schleifmittels höher sein, als dies für eine spanende Bearbeitung mit Schleifmittelfluss im Stand der Technik typisch ist. Das Ausmaß der elastischen Verformung bei einer bestimmten Scherrate nimmt mit der Viskosität zu, während das Ausmaß des fluidischen oder plastischen Fließens entsprechend abnimmt. In Zusammenhang mit Antriebsmechanismen, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, bevorzugen wir, Mittel mit Viskositäten von etwa η = 2 × 10⁴ Centipoise bis etwa η = 8 × 10⁶ Centipoise einzusetzen, was der Entwicklung von wenigstens etwa 50% elastischer Verformung bei Betriebsbedingungen des vorliegenden Systems bei Spannungsraten von mehr als etwa 2,5 sec^–1 entspricht. Bei Einsatz der bevorzugten Poly(borsiloxan) Polymere der vorliegenden Erfindung, die an sich eine Viskosität von η = 5 × 10³ Centipoise bis etwa η = 5 × 10⁵ Centipoise haben, wird die Zielviskosität für das Medium mit Schleifpartikelbelastungen von etwa 60 bis etwa 90, vorzugsweise etwa 75 bis 85 Gewichtsprozent des Mittels erreicht.
Es gibt eine Reihe von Attributen der vorliegenden Erfindung, die mit einer spanenden Bearbeitung mit Schleifmittelfluss vergleichbar oder identisch sind, wie die Fachperson erkennen wird. Die Unterschiede sind jedoch signifikant und wichtig.
Bei der spanenden Bearbeitung mit Schleifmittelfluss, einschließlich spanender Orbitalbearbeitung mit Schleifmittelfluss, ist es ein Hauptziel, einen festen oder quasi-festen Propfstrom des Mediums über die Werkstückoberfläche zu erzielen, und Fließen, ob plastisches oder Propfenfließen, ist die dominante Wirkungsart. Es wird keine oder im Wesentlichen keine elastische Verformung des Mediums gewünscht oder produziert. Die auf das Medium angewendeten Spannungsraten sind auf Niveaus begrenzt, die die gewünschten Fließeigenschaften erzeugen, im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung, wo die Spannungsraten ausreichen, um ein erhebliches und vorherrschendes Niveau an elastischer Verformung im Medium zu erzeugen, während Fließen absichtlich minimiert (aber nicht ausgeschlossen; ein gewisses Fließen wird benötigt, um Zirkulation und Umwälzen der Schleifpartikel an der Grenzfläche von Mittel und Werkstückoberfläche zu gewährleisten) wird. Infolge dieses Wirkungsmodusunterschieds werden die Poliereffekte auf der Oberfläche des Werkstücks in der vorliegenden Erfindung maximiert.
Eine spanende Bearbeitung mit Schleifmittelfluss und eine spanende Orbitalbearbeitung mit Schleifmittelfluss erzeugen eine Oberfläche mit einer bestimmten Struktur, die den Fließmustern des Mediums entspricht. In der vorliegenden Erfindung gibt es wenig oder keine Struktur auf der polierten Oberfläche des Werkstücks. Die Fließmuster, die in der vorliegenden Erfindung auftreten, sind gewöhnlich zufällig oder fast zufällig, weil das Mittel nicht begrenzt wird und sich frei in jeder beliebigen Richtung bewegen kann, die durch die Fluiddynamik des Systems bestimmt wird.
Wie die durchschnittliche Fachperson ferner erkennen wird, sind der vorliegenden Erfindung einige Charakteristiken gemein, die Läppvorgängen gemeinsam sind. Es gibt jedoch wichtige Unterschiede.
Zunächst ist die vorliegende Erfindung weitaus weniger von der Partikelgröße des Schleifmittels abhängig, um ein bestimmtes Güteniveau zu erzielen. Die Oberflächengüte beim Läppen ist direkt von Partikelgröße und Verarbeitungszeit abhängig. In der vorliegenden Erfindung wird die Oberflächengüte um etwa eine Größenordnung für eine bestimmte Schleifpartikelgröße reduziert. Die Verbesserung ist zwar nicht völlig charakterisiert und wir wollen uns auch in keiner Weise durch theoretische Hypothesen binden, aber es scheint, dass die höhere Oberflächengüte mit der hohen Geschwindigkeit und der Elastizität des Schleifmittels verbunden ist, die beide dazu dienen, die Schnitttiefe jedes Schleifpartikels in Kontakt mit der Werkstückoberfläche zu begrenzen. Beim Läppen dagegen werden die Schleifpartikel direkt und mechanisch über die Werkstückoberfläche getrieben, wodurch die Schnitttiefe für die jeweilige Partikelgröße maximiert wird.
Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung frei von Struktur im Arbeitsmuster auf der Werkstückoberfläche. Durch Läppen entsteht eine Oberflächenstruktur, die für das Bewegungsmuster des Werkzeugs repräsentativ ist, das die Schleifpartikel antreibt. In der Tat wird die beim Läppen erzeugte Struktur häufig eingesetzt, um dekorative Muster auf Werkstückoberflächen zu entwickeln. In der vorliegenden Erfindung sind wir der Ansicht, obwohl wir uns auch hier wieder nicht binden wollen, dass die Kombination von Elastizität im Schleifmittel, das plastische Fließen des Mittels und das Fehlen von Brückenbildung zwischen Werkstück und einem anderen Element im System zu zufälligen oder quasi-zufälligen Arbeitsbewegungen der Partikel über die Werkstückoberfläche führt, was die Entwicklung einer erheblichen Struktur oder Musterbildung auf der Oberfläche ausschließt und Muster oder Struktur in der Oberfläche, die durch frühere Vorgänge erzeugt wurden, entfernt. Brückenbildung ist natürlich ein Hauptmerkmal von Läppungsvorgängen.
1. Beispiel
Die in 1 illustrierte R_a-Vorrichtung wurde eingesetzt, um eine Mehrzahl von Prägungsmatrizen zu polieren, die aus Werkzeugstahl geschmiedet und mit einem Design graviert sind, und die eine gemessene Oberflächenrauheit von 635 nm (25 Mikrozoll) R_a haben. Das Design wurde durch Ausfüllen mit einem Epoxidharz maskiert, und die verbleibenden Flächen der Matrizen wurden zunächst zwölf Minuten lang mit einem Medium auf der Basis von Poly(borsiloxan) mit 25 mm Borcarbidschleifmittel poliert, gefolgt von einem sechzehnminütigen Poliervorgang mit einer zweiten Mittelformulierung des Poly(borsiloxan), gefüllt mit 2 μm Diamantschleifmittel. Es wurde kein Verdrängungskörper benutzt. Die Vorrichtung arbeitete mit einer Orbitalbewegung mit einer Exzentrizität von 5 mm (0,2 Zoll) mit einer Orbitrate von 25 Hz. Die unmaskierten Bereiche der Stanzen hatten gemäß Messung eine Endoberflächenrauheit von 5 nm (0,2 Mikrozoll) R_a.
2. Beispiel
Die in 1 illustrierte Vorrichtung wurde zum Polieren einer Mehrzahl von geschmiedeten Aluminiumkomponenten mit einer dreidimensionalen komplexen Form eingesetzt. Die erhaltenen Komponenten hatten eine Oberflächenrauheit von 2,5 bis 3,0 μm (100 bis 120 Mikrozoll) R_a. Die Vorrichtung wurde mit einem Verdrängungskörper bestückt, der ergänzend zur Form der Komponenten gestaltet war und einen Spalt von 6 mm bildete. Die Oberfläche der Scheiben wurde 3,5 Minuten lang mit einem Orbit von 6 mm (0,25 Zoll) bei einer Frequenz von 17 Hz unter Verwendung von Poly(borsiloxan)-Medium und einem Schleifmittel mit 80 Mesh poliert, gefolgt von einer zweiminütigen zweiten Politur mit einem Orbit von 6 mm (0,25 Zoll) bei einer Frequenz von 17 Hz unter Verwendung eines Poly(borsiloxan)-Mediums und eines Schleifmittels von 220 Mesh. Die Oberflächen der Scheiben wurden gemessen und hatten am Ende eine Oberflächenrauheit im Bereich von 508 bis 635 nm (20 bis 25 Mikrozoll) R_a.
3. Beispiel
Die in 1 illustrierte Vorrichtung wurde zum Polieren einer Mehrzahl von Gussaluminium- oder Kfz-Rädern mit einer komplexen Gestalt eingesetzt. Die erhaltenen Räder hatten eine Oberflächenrauheit von 3,6 bis 4,4 μm (140 bis 175 Mikrozoll) R_a. Die Vorrichtung wurde mit einem Verdrängungskörper bestückt, der ergänzend zur Form der Räder gestaltet war und einen Spalt von 6 mm bildete. Die Oberfläche der Räder wurde 3,5 Minuten lang mit einem Orbit von 6 mm (0,25 Zoll) bei einer Frequenz von 17 Hz unter Verwendung eines Poly(borsiloxan)-Mediums und eines Schleifmittels von 80 Mesh poliert, gefolgt von einer 1,5 minütigen zweiten Politur mit einem Orbit von 6 mm (0,25 Zoll) bei einer Frequenz von 17 Hz unter Verwendung eines Poly(borsiloxan)-Mediums und eines Schleifmittels von 220 Mesh. Die Oberflächen der Räder wurden gemessen und hatten eine Endoberflächenrauheit im Bereich von 508–635 nm (20 bis 25 Mikrozoll) R_a.
Die Erfindung wurde hierin mit Bezug auf besondere bevorzugte Betriebsumstände und – anforderungen und in einem bestimmten Kontext beschrieben. Die durchschnittliche Fachperson wird die Anwendung der Erfindung und ihren Einsatz in anderen diversen Umständen klar verstehen und wird, mit der hierin gegebenen Anleitung, in der Lage sein, die Erfindung an die jeweiligen Anforderungen in anderen Zusammenhängen der Praxis der Erfindung anzupassen. Die obige Beschreibung und Offenbarung der vorliegenden Erfindung soll lediglich zur Anleitung der durchschnittlichen Fachperson illustrativ sein, an die sich die Erfindung richtet, und soll den Umfang der Erfindung weder definieren noch begrenzen. Der Umfang der Erfindung wird nur in den nachfolgenden Ansprüchen definiert und begrenzt.

Claims

Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mithilfe eines viskoelastischen Schleifmittels mit einer Viskosität, umfassend die folgenden Schritte: A. Bringen des Werkstücks in Kontakt mit dem genannten viskoelastischen Schleifmittel; B. Erzeugen einer zyklischen relativen Bewegung zwischen dem genannten Werkstück und dem genannten viskoelastischen Schleifmittel, um das genannte Mittel zu verformen und eine Trennung zwischen dem genannten Mittel und dem genannten Werkstück während eines Teils des genannten Zyklus zu erzeugen, wobei die genannte Trennung Fluid enthält, dessen Viskosität geringer ist als die des genannten viskoelastischen Schleifmittels, und wobei das genannte Fluid von der genannten Trennung verdrängt wird, wenn die Trennung durch eine relative Verschiebung des genannten Werkstücks in Richtung auf das genannte viskoelastische Schleifmittel geschlossen wird, und C. Fortsetzung der Erzeugung der genannten zyklischen relativen Bewegung, bis die Bearbeitung des genannten Werkstücks abgeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Fluid in dem genannten Spalt Luft umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem fluidisches oder plastisches Fließen des genannten Mittels die genannte Trennung zwischen dem genannten viskoelastischen Schleifmittel und Bereichen des genannten Werkstücks definiert.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem sich das genannte viskoelastische Schleifmittel als Reaktion auf die genannte relative Bewegung teilweise durch elastische Verformung und elastischen Rückprall bei jedem Zyklus der genannten relativen Bewegung verformt, so das das genannte viskoelastische Schleifmittel und die genannten Bereiche des genannten Werkstücks, die nicht parallel zur Ebene der genannten relativen Bewegung liegen, bei jedem genannten Zyklus in Bearbeitungskontakt miteinander kommen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte viskoelastische Schleifmittel eine statische Viskosität von etwa η = 2 × 10⁴ Centipoise bis etwa η = 8 × 10⁶ Centipoise hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte viskoelastische Schleifmittel ein rheopektisches Polymer ist, das mit einem partikelförmigen Festschleifmittel gefüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das genannte rheopektische Polymer ein Poly(borsiloxan) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte zyklische relative Bewegung zwischen dem genannten Werkstück und dem genannten viskoelastischen Schleifmittel bei Spannungsraten, die ausreichen, damit von 50% bis etwa 99% der Ablenkung des Mittels unter Betriebsbedingungen durch elastische Verformung erfolgt und sich elastisch zurückstellt, und 1 bis 50% der Ablenkung des Mittels durch fluidisches oder plastisches Fließen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte viskoelastische Schleifmittel Schleifpartikel hat, wobei die größte Abmessung der Partikel etwa 1 bis etwa 2000 Mikrometer beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte zyklische relative Bewegung wenigstens eine Bewegung ist, die ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus linearer Hin- und Herbewegung, Orbitalbewegung, Kreiselbewegung, Rotationsbewegung oder der Resultierenden von Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend das selektive Injizieren eines zusätzlichen viskoelastischen Schleifmittels in den Grenzraum zwischen dem genannten Werkstück und dem genannten viskoelastischen Mittel, um ein Fließen des genannten viskoelastischen Schleifmittels über die Oberfläche des genannten Werkstücks zu bewirken.
Vorrichtung für die Schleifbearbeitung eines Werkstücks mithilfe eines viskoelastischen Schleifmittels mit einer Viskosität, das ein Schleifmittel enthält, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: A. eine Kammer zum Aufnehmen des genannten viskoelastischen Schleifmittels; B. einen Antrieb zum Eingreifen in das Werkstück und/oder in die genannte Kammer, um eine relative zyklische Bewegung zwischen dem genannten Werkstück und dem genannten elastischen Schleifmittel zu erzeugen, so dass: i. sich das viskoelastische Schleifmittel als Reaktion auf die genannte relative Bewegung verformt, um eine Trennung zwischen wenigstens einem Teil des genannten Werkstücks und dem genannten Mittel während eines Teils jedes Zyklus zu erzeugen, wobei die genannte Trennung aus einem Fluid besteht, dessen Viskosität niedriger ist als die des genannten Mittels; und ii. wobei die genannte Trennung während jedes Zyklus kontinuierlich geschlossen wird, wenn das genannte Mittel das genannte Werkstück kontaktiert.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der genannte Antrieb Mittel umfasst, um eine relative Bewegung zwischen dem genannten Werkstück und dem genannten viskoelastischen Schleifmittel bei einem Spannungsniveau zu erzeugen, das ausreicht, damit 50% bis etwa 99% der Ablenkung des Mittels unter Betriebsbedingungen durch elastische Verformung erfolgt und sich elastisch zurückstellt und 1 bis 50% der Ablenkung des Mittels durch fluidisches oder plastisches Fließen erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die genannte relative Bewegung wenigstens eine Bewegung ist, die ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus linearer Hin- und Herbewegung, Orbitalbewegung, Kreiselbewegung, Rotationsbewegung oder der Resultierenden einer Kombination davon.
Vorrichtung für die Schleifbearbeitung eines Werkstücks mithilfe eines viskoelastischen Schleifmittels mit einer Viskosität, das ein partikelförmiges Schleifmittel enthält, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: A. eine Fassung mit einem oberen Rand zum Definieren einer Öffnung in eine Kammer; B. ein Schleifmittel aus einem viskoelastischen Material, das Schleifpartikel enthält, wobei das genannte Schleifmittel in der genannten Kammer der genannten Fassung angeordnet ist; C. eine Befestigungsvorrichtung, um das Werkstück lösbar so zu halten, dass die genannte Befestigungsvorrichtung mit dem lösbar darin gehaltenen Werkstück durch die genannte Öffnung und in die Kammer aufgenommen werden kann, damit wenigstens die gewählte Oberfläche des zu schleifenden Werkstücks Kontakt mit dem genannten Schleifmittel unter einem Druck erhält, der ausreicht, damit sich das genannte Schleifmittel der Oberfläche des zu schleifenden Werkstücks anpasst; und D. ein Mittel zum Betätigen eines Wiederholungsbewegungsantriebs, das mit der genannten Befestigungsvorrichtung und/oder der genannten Fassung verbunden ist und die Aufgabe hat, eine relative Wiederholungsbewegung zwischen der genannten Befestigungsvorrichtung und der genannten Fassung mit einer Spannungsrate zu erzeugen, die ausreicht, damit wenigstens 50% der Ablenkung des Mittels unter Betriebsbedingungen durch elastische Verformung erfolgt und elastisch zurückgestellt wird und weniger als 50% der Ablenkung des Mittels durch fluidisches oder plastisches Fließen erfolgt, so dass während des Betriebs des genannten Wiederholungsbewegungsantrieb-Aktuators und während des Anpassungskontakts der gewählten Oberfläche des Werkstücks mit dem genannten Schleifmittel die gewählte Oberfläche des Werkstücks infolge der relativen Bewegung zwischen dem genannten Schleifmittel und der gewählten Oberfläche des Werkstücks von dem genannten Schleifmittel geschliffen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die genannte Befestigungsvorrichtung das Werkstück lösbar auf eine solche Weise festhält, dass eine relative Bewegung zwischen der genannten Befestigungsvorrichtung und dem Werkstück verhindert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die genannte Fassung ferner einen ersten Auslass in Fluidverbindung zwischen der genannten Kammer und dem Äußeren der genannten Fassung umfasst, so dass das genannte Schleifmittel selektiv in die genannte Kammer injiziert und aus dieser abgezogen werden kann, während die Befestigungsvorrichtung von der genannten Kammer aufgenommen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die genannte Fassung einen zweiten Auslass in Fluidverbindung zwischen der genannten Kammer und dem Äußeren der genannten Fassung umfasst, so dass das genannte Schleifmittel selektiv in die genannte Kammer injiziert und aus dieser abgezogen werden kann, während die Befestigungsvorrichtung von der genannten Kammer aufgenommen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der der genannte Wiederholungsbewegungsantrieb-Aktuator eine relative Bewegung zwischen dem genannten Schleifmittel und der gewählten Oberfläche des gewählten Werkstücks erzeugt.
Rheopektische viskoelastische Schleifmittelzusammensetzung für die Schleifbearbeitung eines Werkstücks, die Folgendes umfasst: A. einen viskoelastischen Poly(borsiloxan)-Polymerträger mit einer statischen Viskosität von etwa η = 5 × 10³ Centipoise bis etwa η = 5 × 10⁵ Centipoise, B. ein partikelförmiges Schleifmittel; C. einen fakultativen inerten Füllstoff in einer Menge von bis zu etwa 25 Gew-% des genannten Mittels; D. ein fakultatives Plastizierschmiermittel für das genannte viskoelastische Polymer in einer Menge von bis zu etwa 25 Gew.-% des genannten Mittels; E. wobei das genannte Mittel eine statische Viskosität von etwa η = 2 × 10⁴ Centipoise bis etwa η = 8 × 10⁶ Centipoise hat, wobei das genannte Mittel ein Gesamtvolumen des genannten partikelförmigen Schmiermaterials und des genannten inerten Füllstoffs hat, das geringer ist als das kritische partikelförmige Volumen des genannten Mittels; und F. wobei das genannte viskoelastische Schleifmittel 50% bis etwa 99% der Ablenkung durch elastische Verformung und 1 bis 50% der Ablenkung des Mittels durch fluidisches oder plastisches Fließen hat, wenn es beaufschlagten Spannungsraten von mehr als etwa 2,5 sec^–1 ausgesetzt wird.
Mittelzusammensetzung nach Anspruch 20, bei der das genannte viskoelastische Schleifmittel ein Material ist, das ausgewählt wurde aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Granat, Siliziumcarbid, Diamant, Wolframcarbid und Gemischen davon.
Mittelzusammensetzung nach Anspruch 20, bei der die größte Abmessung der genannten Schleifpartikel zwischen etwa 1 und etwa 2000 Mikrometer beträgt.