DE69928154T2

DE69928154T2 - Ultra-feine Nutenschneidspitze und ultra-feines Nutenwerkzeug

Info

Publication number: DE69928154T2
Application number: DE69928154T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hashimoto
Original assignee: Hashimoto Hiroshi Isehara
Current assignee: Hashimoto Hiroshi Isehara
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1999-03-22
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2019-03-23
Also published as: DE69928154D1; KR19990078121A; TW482708B; JPH11267902A; EP0945222A2; EP0945222B1; KR100609361B1; US6110030A; EP0945222A3

Description

1.Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine ultrafeine Nutenschneidspitze (oder Spitze) gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Beabsichtigt ist, dass die neue Schneidspitze der Arbeitsfläche weniger empfindlich ist gegenüber thermischen Beschädigungen während des Arbeitsvorgangs im Scher-Modus (im plastischen Bearbeitungsmodus), außerdem eine höhere Wirksamkeit bei der Abfuhr von Spänen aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein eine ultrafeine Nutenschneidspitze aufweisendes Nutenwerkzeug gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine Schneidspitze und ein Werkzeug des o.g. Typs sind aus der EP-A1-0 597 723 bekannt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Bei schwer zu schneidenden, brüchigen und harten Werkstoffen wie beispielsweise Metallen, Kristallen, Glas oder dergleichen ist es besonders wichtig, die Schärfe der Spitzen dadurch zu erhalten, dass man den Bearbeitungswiderstand auf einem geringen Niveau hält und die Qualität der Bearbeitungsoberfläche durch Steuern der Wärmeentwicklung konstant hält.
Brüchige, harte Werkstoffe sind besonders empfindlich für Rissbildungen in der Oberfläche während des Bearbeitungsvorgangs, was häufig Ursache für eine durch Sprödheit bedingte Bruchbeschädigung ist. Die Empfindlichkeit für Riss bildung des brüchigen harten Werkstoffs wird noch verstärkt, wenn bei jedem Schleif-, Schneid- oder Läppvorgang ein Werkzeug mit einer größeren Kante verwendet wird, so dass es zu einem Bruch des Werkstoffs in einem hier so genannten „Sprödheitszustand" kommt, der im Rahmen der vorliegenden Beschreibung einen Zustand bedeutet, bei dem die Oberfläche des brüchigen, harten Werkstoffs mit Rissen bedeckt ist, wie dies häufig dann zu sehen ist, wenn Glas mit einem groben Schleifpapier unter Entstehung von weißem Pulver bearbeitet wird, wobei das Glas aufgrund der in seiner Oberfläche ausbildenden Risse opak wird. Beim Schleifen eines spröden harten Werkstoffs ist der beim spröden Schleifen entstehende Schleifstaub eher grob, während der Schleifstaub, der bei der Bearbeitung im Scher-Modus anfällt, im Allgemeinen fein und gleichmäßig geformt ist. Der Begriff „Scher-Modus" (oder „Duktil-Modus" oder „plastischer Modus") soll hier durchwegs den im Folgenden beschriebenen Zustand bedeuten: Wenn beispielsweise das oben angesprochene Glas mit einem groben Schmirgelpapier bearbeitet wird, entsteht weißes Pulver, und das Glas wird aufgrund der in seiner Oberfläche entstehenden Risse opak. Wenn das Material andererseits mit einem feinen Schmirgelpapier bei geringem Druck bearbeitet wird, entsteht kein weißes Pulver, und es kommt zu keinen Rissbildungen. Ein solcher rissbildungsfreier Zustand der Glasoberfläche wird als Scher-Modus bezeichnet, bei dem die Anfangs-Durchsichtigkeit des Glases im Wesentlichen erhalten bleibt, nachdem das Glas mit sehr feinem Schmirgelpapier und bei geringem Druck geschliffen wurde.
Als ein Beispiel für ein bei solchen Bearbeitungen von Werkstücken verwendetes Werkzeug, beispielsweise ein beim Schleifen, Läppen, Polieren oder Schneiden verwendetes Werkzeug, sind Diamantschleifscheiben bekannt aufgrund ihrer hervorragenden Kennwerte in Bezug auf Leistung, Haltbarkeit, präzise Endbearbeitung und dergleichen.
1) Schleifen
Die folgenden Typen (1) bis (3) von Diamantschleifscheiben sind bekannt:

(1) eine galvanisierte Schleifscheibe, bei der Diamant-Schleifmittel auf einer Nickel-Galvanisierung fixiert sind (Diamantschleifscheibe vom Typ 1);
(2) eine Schleifscheibe, bei der Diamant-Schleifmittel zunächst auf einer Grundfläche durch Nickel-Plattierung angebracht und anschließend umgekehrt werden, um Abrieb-Oberseiten gleichmäßiger Höhe zu erhalten (Diamantschleifscheibe vom Typ 2);
(3) eine Schleifscheibe, die gebildet wird durch Sintern eines Gemisches aus feinen Diamant-Schleifmitteln und einem Bindematerial aus einer elastischen Kunstharzbindung oder Metall, welches sich besonders zum Schleifen von brüchigem, hartem Werkstoff im Scher-Modus eignet (Diamantschleifscheibe vom Typ 3).

Den oben angesprochenen Diamantschleifscheiben des Standes der Technik haften allerdings folgende Probleme an:
Bei der Diamantschleifscheibe vom Typ 1 gibt es folgende Probleme: (1) die Schleifscheibe ist bezüglich einer Reduzierung ihrer Oberflächenrauigkeit einer Beschränkung unterzogen, da die Größe der Diamant-Schleifmittel unregelmäßig ist, und (2) die Schleifscheibe hat eine begrenzte Möglichkeit, die Oberflächenrauigkeit zu verringern, da die Menge an Schleifmittel und der Brechzustand der Diamant-Schleifmittel voneinander abweichen aufgrund der Unregelmäßigkeit der Kristallorientierungen des jeweiligen Schleifmittels.
Die Diamantschleifscheibe vom Typ 2 hat folgende Probleme: (1) Der Fertigungsvorgang mit dem Ziel, die Oberseiten der Diamant-Schleifmittel zu vergleichmäßigen durch ihre Umkehrung, gestaltet sich kompliziert, (2) die Menge des Schleifmittels und der Brechzustand unter den Diamant-Schleifmitteln un terscheiden sich voneinander, da die Kristallorientierungen der einzelnen Schleifmittel unregelmäßig sind, außerdem ist es (3) schwierig, die Dichte des Diamant-Schleifmittels zu steuern.
Schließlich besitzt die Diamantschleifscheibe vom Typ 3 folgende Probleme: (1) Das Volumen des pro Zeiteinheit abgetragenen Materials ist gering, der Schleifwirkungsgrad ist niedrig aufgrund der Tatsache, dass die Diamant-Schleifmittel sehr fein sind, (2) in der Werkstückoberfläche wird aufgrund loser Schleifmittel die Bildung von Kratzern ermöglicht. (3) Die Schleifkraft verringert sich durch Beladung und Glättung der Schleifscheibe während des Schleifvorgangs, und es kommt zu einem Schleif-Brennen an der Werkstückoberfläche aufgrund der Schleifwärme, die während des Schleifvorgangs entsteht, und (4) die Schleifscheibe ist anfällig für Schwankungen in der Schleifleistung, Abrichtungs- und Endbearbeitungswirkungsgrad aufgrund des Umstands, dass es sich um ein gesintertes Produkt handelt.
2) Schneiden
Bisher wurde eine große Vielfalt von Werkstoffen und Formen für Schneidwerkzeuge entwickelt, was sich aus der Fertigungsgeschichte ergibt. Allerdings geht die Notwendigkeit der Verwendung großer Schneidspitzen beim Schneiden eines schwer zu bearbeitenden Werkstoffs unabhängig davon, ob es sich um Metall oder einen spröden harten Werkstoff handelt, mit der Entstehung von Wärme einher. Im Ergebnis lässt sich eine Verschlechterung der Formgenauigkeit durch nicht vermeidbaren Verschleiß nicht vermeiden.
3) Läppen
Läppen unterscheidet sich vom Schleifen dadurch, dass es ein Vorgang mit konstantem Druck ist, während letztere Bearbeitungsart ein Bearbeiten mit konstantem Vorschub ist. Das Fertigungsverfahren für ein Läppwerkzeug war deshalb bislang identisch mit dem Vorgang zum Herstellen eines Werkzeugs zum Schleifen.
Gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und des Anspruchs 10 zeigt die EP-A-0 597 723 eine Poliervorrichtung mit einem Träger und mehreren daran angebrachten Polierkissen. Jedes Polierkissen besitzt einen Schleifkörper, der mit einem thermoplastischen Polymer versehen ist, imprägniert mit ultraharten Schleifpartikeln. Insbesondere enthält die Schleifschicht ein regelmäßiges Feld aus Vertiefungen in Form schmaler Kapillar-Kanäle, die sich über die volle Dicke der Schleifschicht erstrecken. Die Kanäle besitzen einen kreisförmigen Querschnitt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine ultrafeine Nutenschneidspitze (oder -Schneidspitze) anzugeben, bei der das Kühlmittel (oder Arbeitsfluid), welches in den Nuten verbleibt, dazu dient, thermische Beschädigungen durch Hemmen der Wärmeerzeugung während des Bearbeitungsvorgangs zu verringern. Der Vorteil ist besonders deutlich zu spüren im Scher-Modus (oder duktilen Modus) beim Bearbeiten von brüchigen harten Werkstoffen.
Erreicht wird dieses Ziel durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die vorliegende Erfindung schafft eine ultrafeine Nutenschneidspitze, bei der von dem Werkstück entfernter Schleifstaub in Nuten auf der Oberfläche gehalten und daran gehindert wird, mit dem Werkstück in störenden gegenseitigen Einfluss zu treten, wodurch eine hohe Arbeitseffizienz erreicht wird.
Außerdem schafft die Erfindung eine ultrafeine Nutenschneidspitze, bei der der Bearbeitungswiderstand klein und konstant ist, wodurch sich ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erzielen lassen.
Der Erfinder hat herausgefunden, dass eine Spitze aus hartem Werkstoff diesem Zweck dienen kann, wenn der harte Werkstoff ausgewählt wird aus der Gruppe Diamant, kubisches Bornitrid, Wolframcarbid, Hartmetall, Schnellstahl oder Keramikmaterial, wenn in die Fläche der Schneidspitze eine Anzahl feiner Nuten eingraviert ist, um Arbeitsflächen zu bilden, wobei jede durch Nuten abgetrennte Arbeitsfläche eine ultrafeine Kante bildet. Die Erfindung basiert auf der oben geschilderten Erkenntnis. Außerdem benötigt das erfindungsgemäße Werkzeug keine auf das Werkzeug einwirkende Belastung zum Schleifen. Obwohl das herkömmliche Schleifverfahren als lastgebundenes Schleifen gehandhabt wird, wird das erfidungsgemäße Verfahren als in der Tiefe beschränktes Schneid-Schleifen betrieben.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine ultrafeine Nutenschneidspitze (oder -spitze) geschaffen, die aus einem harten Werkstoff gefertigt ist, ausgewählt aus der Gruppe Diamant, kubisches Bornitrid, Wolframcarbid, Hartmetall, Schnellstahl, Keramikmaterialien, wobei die Fläche der Spitze mit einer Anzahl feiner Nuten graviert ist, um Arbeitsflächen zu bilden, und wobei jede der Arbeitsflächen, die durch die Nuten voneinander getrennt sind, eine ultrafeine Kante bildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, der in Anspruch 10 angegeben ist, wird ein ultrafeines Nutenwerkzeug geschaffen, welches mit einer drehbaren Basisplatte und mindestens einer ultrafeinen Nutenschneidspitze ausgestattet ist, wobei die Platte als Halterung für die ultrafeine Nutenschneidspitze fungiert und die Schneidspitze aus einem harten Werkstoff gefertigt ist, ausgewählt aus der Gruppe Diamant, kubisches Bornitrid, Wolframcarbid, Hartmetall, Schnellstahl und Keramikwerkstoffe, wobei die Fläche der Schneidspitze eine Anzahl feiner Nuten als Gravur aufweist, um mehrere Arbeitsflächen zu bilden und eine Arbeitsfläche, die durch die Nuten abgetrennt ist, eine ultrafeine Schneidkante bildet.
Die Besonderheiten, das Grundprinzip und die Einsatzmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleiteten Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den begleiteten Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Perspektivansicht einer schiffsbugförmigen ultrafeinen Nutenschneidspitze (-Schneidspitze);
2 eine vergrößerte schematische Ansicht des Teils S, auf der Frontseite von ultrafeinen Kanten, die in 1 zu sehen sind;
3 eine Schnittansicht entlang der Linie X-X in 2;
4 eine schematische Perspektivansicht einer ultrafeinen Nutenschneidspitze gemäß 1, wobei die bugförmige Unterseite eine flache Ebene bildet, die eine geradlinige Kante aufweist;
5 eine vergrößerte schematische Ansicht des Teils S₂ auf einer Seite von ultrafeinen Kanten der ultrafeinen Nutenschneidspitze nach 4;
6A und 6B einen Vergleichstest unter Verwendung von zwei Einkristall-Diamtantspitzen exakt gleicher Form, wobei allerdings die eine ultrafeine Nutenschneidspitzen enthält und die andere nicht, wobei 6A eine Seitenansicht und 6B eine Draufsicht ist;
7A und 7B eine Ausgestaltung der ultrafeinen Nutenschneidspitze, wobei 7A eine Seitenansicht und 7B eine Draufsicht ist;
8A und 8B ein ultrafeines Nuten-Läppwerkzeug, wobei 8A eine rückseitige Draufsicht und 8B eine Frontansicht ist;
9 eine schematische Ansicht einer Konfiguration eines weiteren ultrafeinen Nuten-Läppwerkzeugs;
10 eine Schnittansicht eines weiteren ultrafeinen Nutenwerkzeugs;
11 eine rückseitige Draufsicht auf das ultrafeine Nutenwerkzeug nach 10;
12 eine grafische Darstellung der Änderung des Arbeitswiderstands in einem Silicium-Wafer, aufgetragen über der aufgelaufenen Schneidzeit;
13 eine grafische Darstellung der Änderung der Oberflächenrauigkeit eines Silicium Wafers, aufgetragen über der aufgelaufenen Schneidzeit;
14 eine rückseitige Draufsicht auf ein weiteres ultrafeines Nutenwerkzeug;
15 eine rückseitige Draufsicht auf ein weiteres ultrafeines Nutenwerkzeug.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine erfindungsgemäße ultrafeine Nutenschneidspitze (oder -Schneidspitze) hat eine mit Nuten ausgestattete Arbeitsfläche, wodurch eine Kante der Nut eine negativ hinterschnittene Kante bildet. Die Nuten der Arbeitsfläche bilden meh rere Schneidkanten und steigern damit die Anzahl von Kanten pro Oberflächenbereich und verringern die Arbeitsbelastung für jede Kante.
Thermische Schäden während des Arbeitsablaufs werden minimiert, weil das Arbeitsfluid, welches von den Nuten geleitet wird, in den Nuten verbleibt und die Wärmebildung unterbindet. Die Kollision von Spänen mit dem Werkzeug wird minimiert, da abgeführte Späne in den Nuten der Arbeitsfläche gehalten werden.
Ein kleiner und konstanter Arbeitswiderstand ermöglicht eine Verarbeitung im Scher-Modus und damit eine Realisierung hoher Genauigkeit der bearbeiteten Fläche. Vorzugsweise besitzt die Nute in der Arbeitsfläche eine Tiefe von 0,001μm oder mehr, so dass die Arbeitsfläche einer ultrafeinen Kante auf dem gleichen Wert gehalten werden kann, unabhängig vom Widerstand (Schleifwiderstand, Schneidwiderstand, Läppwiderstand). Außerdem ist es wichtig, dass die Tiefe mindestens 0,01 μm beträgt, so dass ein störungsfreier Strom des Kühlmittels (Schleiffluid, Schneidfluid, Polierfluid) und eine störungsfreie Abfuhr von Spänen möglich ist.
Die ultrafeine Fläche jeder die Arbeitsfläche bildenden Kante ermöglicht die Entstehung von Spänen, die klein genug sind, um die Bedingungen zum Erzielen einer Scher-Modus-Fläche zu erfüllen. Außerdem trägt die Größe der Fläche bei zur Erhaltung einer konstanten Arbeitskraft und der Überhitzung durch Reibung mit dem Werkstück. Wenn die Fläche einer Kante 0,000001 μm² oder weniger beträgt, nimmt die Arbeitsfläche der ultrafeinen Kante abrupt ab, und es ist keine passende Bearbeitungskraft mehr zu erhalten. Wenn andererseits die Fläche 100.000 μm² oder mehr beträgt, erfolgt innerhalb kurzer Zeit eine Beeinträchtigung der ultrafeinen Kante, und es kommt zu einer Überbeanspruchung der Arbeitsfläche (Arbeitsschicht), was zu einer unzulänglichen Oberflächengenauigkeit führt. Deshalb liegt die passende Größe jeder Kante im Bereich von 0,000001 bis 100.000 μm².
Nunmehr auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wird das ultrafeine Nutenschneidwerkzeug gemäß der Erfindung in Verbindung mit deren Ausführungsformen beschrieben.
Ausführungsform 1:
Als Erstes wird die erste Ausführungsform anhand der 1 bis 3 erläutert.
1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen, schiffsbugförmigen ultrafeinen Nutenschneidspitze, 2 ist eine vergrößerte schematische Ansicht des Teils S, auf einer Frontseite der ultrafeinen Nutenschneidspitze nach 1, und 3 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie X-X in 1.
In diesen Zeichnungen enthält eine ultrafeine Nutenschneidspitze 1 eine Spitze 10, in deren Fläche mehrere feine Nuten 11 in regelmäßigem Muster eingraviert sind durch Aufbringen von Laser- oder elektrischer Energie oder mittels chemischer Abscheidung aus der Dampfphase oder durch Zerspanen, um Arbeitsflächen 12 zu bilden, wobei all diese Arbeitsflächen durch Nuten voneinander abgetrennt ist, um eine ultrafeine Kante 13 zu bilden. Mit Hilfe der ultrafeinen Kante 13 lassen sich Werkstoffe bei geringem Widerstand bearbeiten, wobei dieser geringe und konstante Widerstand ebenso wie das garantierte Arbeiten im Scher-Modus zu einer hervorragenden Genauigkeit der bearbeiteten Fläche führt.
Thermische Beschädigungen während des Arbeitsvorgangs werden minimiert, da das Arbeitsfluid von den feinen Nuten 11 geführt und in ihnen gehalten wird, was die Wärmebildung unterbindet. Die Kollision von Spänen mit dem Werkstück lässt sich weitestgehend vermeiden, da abgeführte Späne in den feinen Nuten 11 in der Arbeitsfläche 12 gehalten werden. Vorzugsweise besitzen die feinen Nuten 11 in der Arbeitsfläche 12 eine Tiefe von 0,001 μm oder mehr, so dass die Arbeitskraft der ultrafeinen Kante 13 unabhängig von dem Widerstand (Schleifwiderstand, Schneidwiderstand, Läppwiderstand) auf gleichem Wert gehalten werden kann. Wichtig ist außerdem, dass die Tiefe „d" der Nut 11 mindestens 0,01 μm beträgt, um einen ungehinderten Strom des Kühlmittels (des Schleiffluids, des Schneidfluids, des Polierfluids) sowie ein ungehindertes Abführen von Spänen zu garantieren.
Flächen S₁, S₂, S₃, S₄, ... jeder ultrafeinen Kante 13, die an der Arbeitsfläche 12 gebildet sind, tragen bei zu einer Aufrechterhaltung einer konstanten Arbeitskraft und der Überhitzung durch Reibung mit dem Werkstück. Wenn die Fläche der ultrafeinen Kante 13 0,000001 μm² oder weniger beträgt, sinkt die Arbeitskraft abrupt, und es ist kein passender Wert mehr aufrechtzuerhalten. Wenn andererseits die Fläche der ultrafeinen Kante 13 100.000 μm² oder mehr beträgt, kommt es zu einer Beeinträchtigung der ultrafeinen Kante 13 innerhalb kurzer Zeit, was zu einer unzureichenden Bearbeitungsgenauigkeit führt. Die passende Fläche jeder Kante liegt daher im Bereich von 0,000001 bis 100.000 μm². Die in 1 gezeigte ultrafeine Nutenschneidspitze 1 besitzt Arbeitsflächen 12, die aus Seitenflächen 12₁ und 12₂ , einer Bodenfläche 12₃ und einer gekrümmten Bodenfläche 12₄ bestehen, von denen jede eine Ebene oder gekrümmte Fläche bildet. Die Arbeitsflächen 12 können auch aus ausschließlich gekrümmten Ebenen bestehen.
In 3 sind die feinen Nuten 11 so geformt, dass sie einen Mittenabstand „p" im Bereich von 0,001 μm bis 1 mm und eine Breite „w" von 0,01 μm oder mehr besitzen.
Wie oben erwähnt, ist zwar eine große Vielfalt von Werkstoffen und Formen für Schneidwerkzeuge entwickelt worden, allerdings geht die Notwendigkeit des Einsatzes groß bemessener Spitzen beim Schneiden von schwierig zu schnei dendem Werkstoff, sei es nun Metall oder ein spröder harter Werkstoff, mit der Entwicklung von Wärme einher. Im Ergebnis lässt sich eine Beeinträchtigung der Formgenauigkeit durch nicht zu vermeidenden Verschleiß nicht verhindern. Um die obigen Probleme zu lösen, eignet sich die erfindungsgemäße ultrafeine Nutenschneidspitze äußerst effektiv.
Ausführungsform 2:
Eine zweite Ausführungsform wird anhand der 4, 5; 6(A), 6(B), sowie 7(A) und 7(B) erläutert. 4 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer ultrafeinen Nutenschneidspitze gemäß 1, wobei eine gekrümmte Bodenfläche 12₄ als flache Ebene mit einer geradlinigen Kante ausgebildet ist. Die in 1 und 4 dargestellte ultrafeine Nutenschneidspitze kann verwendet werden als Kante zum Flächenschneiden, zylindrischen Schneiden oder zum Hobeln an einem Schlagmesser, einer Drehmaschine und dergleichen. Die ultrafeine Nutenschneidspitze kann auch verwendet werden als Schleifkante, nicht nur für Schleiftöpfe, wie sie in den 10, 11, 14 und 15 dargestellt sind (auf die weiter unten noch Bezug genommen wird), sondern auch bei anderen Scheiben, so z.B. flache Schleiftöpfe.
5 ist eine vergrößerte schematische Ansicht des Teils S₂ an der Front einer ultrafeinen Kante der in 4 gezeigten ultrafeinen Nutenschneidspitze. Während die Ausgestaltung der ultrafeinen Nutenschneidspitzen gemäß 2 regelmäßig ist, ist die Form nach 5 unregelmäßig. Abhängig von den Werkstoffen und den Arbeitsbedingungen zeigen die unregelmäßigen Ausgestaltungen in einigen Fällen hervorragende Wirkungsweisen beim Kühlen und bei der Abfuhr von Schneidspänen.
Nunmehr auf einen Vergleichstest Bezug nehmend (in Verbindung mit den 6(A) und 6(B)), wobei zwei Einkristall-Diamantspitzen exakt gleicher Form verwendet werden, von denen die eine allerdings ultrafeine Nutenschneidspitzen enthält, die andere hingegen nicht, werden im Folgenden die Testergebnisse vorgestellt. Das Werkstück ist BK7-Glas, die Vorschubgeschwindigkeit ist auf 25 mm/min eingestellt.
Beginnend mit dem einen Teil mit ultrafeinen Nutenschneidspitzen, befindet sich die Werkstückoberfläche in vollem spröden Zustand bei einer Arbeitsgeschwindigkeit von 1500 U/min. Bei 3000 U/min ist in gewisser Weise ein Scher-Modus erkennbar.
Wenn die Drehzahl allmählich von 4500 U/min auf 6000 U/min zunimmt, wird auch der Bereich mit Scher-Modus größer und erreicht ein Maximum bei 7500 U/min. Dies ist das Ergebnis des Umstands, dass die pro ultrafeiner Schneidkante abgeförderte Materialmenge minimiert wird. Der Kühlungseffekt wird durch den Umstand garantiert, dass das Kühlmittel innerhalb der Nuten transportiert wird und auch beiträgt zu normalen Arbeitsbedingungen, auch wenn die Drehzahlen höher liegen.
Bei dem anderen Test unter gleichen Arbeitsbedingungen unter Verwendung ebenso geformter Spitzen, allerdings ohne ultrafeine Nutenschneidspitzen, ist die gesamte Oberfläche des gleichen Materials dauernd spröde, ungeachtet einer Zunahme der Drehzahl. Das Ergebnis des obigen Tests hebt auch die besonderen Vorteile der ultrafeinen Nutenschneidspitze hervor.
Wie oben angegeben, ist das Fertigungsverfahren für ein Läppwerkzeug identisch mit demjenigen für ein Schleifwerkzeug, so dass auch die Nachteile und gelösten Probleme die gleichen sind. Durch Verwendung eines ultrafeinen Nutenwerkzeugs, welches mit ultrafeinen Nutenschneidspitzen ausgestattet ist, lassen sich also die folgenden Vorteile erreichen: (1) Eine verbesserte Verteilung der Abdichte oder deren Äquivalent lässt sich in wirksamer Weise erzielen, (2) es ist möglich, die Kristallorientierung der ultrafeinen Nutenschneidspitze gleichförmig zu gestalten, um eine reibungsoptimierte Richtung zu erhalten, und (3) es ist möglich, Größe und Höhe der ultrafeinen Nutenschneidspitzen gleichförmig einzustellen, und dies entspricht der Gleichförmigkeit von Größe und Abstand der Abriebmittel.
Mit der oben beschriebenen Ausgestaltung lässt sich ein Läppwerkzeug fertigen, beispielsweise durch Laser- oder elektrische Energie, durch chemisches Abscheiden aus der Dampfphase, durch Zerspanen oder dergleichen. Das Werkzeug bietet Vorteile wie verbesserten Läpp-Wirkungsgrad, verbesserte Oberflächenrauigkeit und eine Verringerung einer durch die Bearbeitung abträglich beeinflussten Schicht.
Ausführungsform 3:
8(A) ist eine hintere Draufsicht auf ein ultrafeines Nuten-Läppwerkzeug, und 8(B) ist eine Seitenansicht eines ultrafeinen Nuten-Läppwerkzeugs. Die ultrafeinen Nutenschneidspitzen sind auf einer Scheibe so angeordnet, dass ultrafeine Kanten S₃ auf den Unterseiten der Pellets ausgebildet sind. Eine vergrößerte Ansicht der ultrafeinen Kanten S₃ ist die gleiche Ansicht, wie sie in 2 und 5 dargestellt ist. Während die Form der in 8(A) und 8(B) dargestellten Pellets zylindrisch ist, sind auch andere Säulen-Formen möglich, beispielsweise vierseitige Säulen, ellipsenförmige oder polygonförmige Säulen, wobei die ultrafeinen Kanten an deren Unterseiten gebildet sind. Die Pellets lassen sich auch so anordnen, dass Krümmungen der schiffsbugförmigen ultrafeinen Nutenschneidspitzen erhalten werden, wie sie in den 1 und 4 dargestellt sind, wobei diese Kanten in Drehrichtung laufen.
9 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration eines weiteren ultrafeinen Nuten-Läppwerkzeugs. Diese Ausführungsform zeigt eine Anwendung, bei der ein paar ultrafeine Nuten-Läppwerkzeuge gleichzeitig jede Oberfläche eines Werkzeugs bearbeiten. Spezifikationen für die ultrafeinen Kanten und die ultrafeinen Nutenschneidspitzen gelten für das Schleifen.
Ausführungsform 4:
10 ist eine Schnittansicht eines weiteren ultrafeinen Nutenwerkzeugs, und 11 ist eine rückseitige Draufsicht auf das in 10 gezeigte ultrafeine Nutenwerkzeug. Diese Ausführungsform zeigt eine Anwendung des ultrafeinen Nutenwerkzeugs, bei der die aus Diamant gefertigten ultrafeinen Nutenschneidspitzen entlang konzentrischer Kreise angeordnet sind. Ein Ergebnis eines Vergleichstests mit einem herkömmlichen Diamantwerkzeug zeigt Differenzen zwischen den beiden hier vorgestellten Formen auf.
Der Test wurde an einem Einkristall-Silicium-Wafer vorgenommen, der als Testwerkstück mit dem gleichen Verfahren gefertigt wurde, wie dies anhand der 6(A) und 6(B) erläutert wurde. Allerdings wurde die Vorschubgeschwindigkeit auf 100 mm/min eingestellt. Das Werkzeug wurde mit 2000 U/min gedreht, wobei die Schneidtiefe auf 2 μm eingestellt wurde.
12 ist eine grafische Darstellung der Änderung des Arbeitswiderstands eines Silicium-Wafers, aufgetragen über der verstrichenen Schneidzeit. Die grafische Darstellung zeigt die Änderung des Arbeitswiderstands während des Arbeitsvorgangs. Das herkömmliche Werkzeug zeigte eine allmähliche Zunahme des Arbeitswiderstands, hervorgerufen durch die Verschlechterung der Diamant-Schleifmittel aufgrund von Wärmeerzeugung und Zusetzung mit Spänen. Allerdings zeigte das ultrafeine Nutenwerkzeug einen konstanten Arbeitswiderstand ohne jegliche Probleme dieser Art.
12 ist eine grafische Darstellung der Änderung der Oberflächenrauigkeit eines Silicium-Wafers, aufgetragen über der verstrichenen Schneidzeit. Der Graph zeigt die Rauigkeit entsprechend dem angesammelten Volumen des abgeführten Werkstoffs. Im Fall eines herkömmlichen Werkzeugs führten die nicht gleichförmigen Orientierungen der Diamant-Schleifmittel zu einem ungleichmäßigen Abrieb, was wiederum Ursache war für den nicht gleichmäßigen Überstand der Schleifmittel. Dementsprechend nahm die Rauigkeit zu, während das angesammelte Volumen des wegbeförderten Materials zunahm. Bei dem ultrafeinen Nutenwerkzeug besaßen die ultrafeinen Kanten sämtlich gleiche Orientierung und gleichmäßigen Anfangsabstand. Deshalb kommt es zu keiner Änderung in der Rauigkeit. Der Unterschied zwischen den beiden Werkzeugen ist also deutlich.
Ausführungsform 5:
14 und 15 sind rückseitige Ansichten von weiteren ultrafeinen Nutenwerkzeugen. Diese Zeichnungen zeigen die Anwendungen der ultrafeinen Nutenwerkzeuge, wobei die ultrafeinen Nutenschneidspitzen jeweils mit ultrafeinen Kanten in rechteckiger oder dreieckiger Form ausgestattet sind. Während letztere nahezu die gleichen Formen haben, wie sie in den 10 und 11 dargestellt sind, gibt es Unterschiede in den Formen der ultrafeinen Nutenschneidspitzen und deren mehreren konzentrischen Anordnungen. Außerdem können die ultrafeinen Kanten in kreisförmiger oder elliptischer Form ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung wurde oben beschrieben, wobei folgende Effekte bezüglich des zu verarbeitenden Werkstoffs und der Arbeitsbedingungen gegeben sind:
Es lässt sich eine optimale Dichteverteilung der Schneidkanten erreichen, und folglich lässt sich eine optimale Größe der Schneidkante sowie deren Verteilungsart festlegen. Eine ultrafeine Nutenschneidspitze oder ein ultrafeines Nu tenwerkzeug, dessen sämtliche Schneidkanten gleichmäßige Orientierung aufweisen, lässt sich dadurch erreichen, dass man eine Kristallorientierung wählt, die weniger empfindlich für Verschleiß ist, wobei die Anfangs-Erhebungen der Schneidkanten gleiche Höhe haben können. Da die Entstehung von Wärme beim Arbeitsvorgang unterbunden werden kann durch das Arbeitsfluid, welches in den Nuten gehalten wird, wird eine Verschlechterung der Schneidkanten verhindert. Außerdem ermöglichen die Nuten ein einfaches Abführen von Spänen, wobei die Gleichmäßigkeit des Abriebvolumens unter den Schneidkanten aufgrund der gleichförmigen Kristallorientierung zu einer hervorragenden Rauigkeit der bearbeiteten Fläche führt. Die unveränderte Schneidkapazität der Kanten erleichtert die Erhaltung der Tiefe der durch den Arbeitsvorgang betroffenen Schicht auf geringem Niveau, ungeachtet des Arbeitsvolumens. Außerdem ermöglicht das stabilisierte Schleifen eine hohe Arbeitsgenauigkeit, und da die Kristallorientierung in den ultrafeinen Kanten bei hoher Dichte gleichförmig gemacht werden kann, ist eine Scher-Modus-Verarbeitung bei ansonsten hierfür unmöglichen Werkstoffen möglich.

Claims

Ultrafeine Nutenschneidspitze (1) aus einem harten Werkstoff, welcher ausgewählt ist aus der Gruppe, welche Diamant, kubisches Bornitrid, Wolframcarbid, Hartmetall, Schnellstahl und Kermikmaterial beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass in die Fläche der Schneidspitze (1) eine Anzahl feiner Nuten (11) eingraviert ist, um mehrere Arbeitsflächen (12) im Scher-Modus zu bilden, wobei die Nuten miteinander in Verbindung stehen und jede der durch die Nuten (11) abgeteilten Arbeitsflächen (12) eine ultrafeine Kante (13) bildet.
Nutenschneidspitze nach Anspruch 1, bei der die Nuten (11) eine Tiefe von mindestens 0,001 μm aufweisen.
Nutenschneidspitze nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Arbeitsfläche eine Flächengröße im Bereich von 0,000001 bis 100 000 μm² besitzt.
Nutenschneidspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der eine Arbeitsfläche der Nutenschneidspitze eine flache Ebene, eine gekrümmte Ebene und/oder eine Kombination aus flachen und gekrümmten Ebenen ist.
Nutenschneidspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der eine Arbeitsfläche einer Säule der Startspitze gebildet ist durch eine vierseitige, eine dreiseitige, eine kreisförmige oder eine elliptische Form.
Nutenschneidspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Schneidspitze aus einem Einkristall-Diamanten hergestellt ist, auf dessen einer Seite sich eine Anzahl feiner Nuten befindet, die durch Laserbearbeitung, Zerspanung, Aufbringen elektrischer Energie oder durch chemisches Niederschlagen aus der Dampfphase eingraviert sind, um eine Anzahl von Arbeitsflächen zu bilden, wobei jede durch die Nuten so getrennte Arbeitsfläche eine ultrafeine Kante bildet.
Nutenschneidspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Schneidspitze aus kubischem Bornitrid, Wolframcarbid, Hartmetall, Schnellstahl oder Kermikmaterial gebildet ist, welches Material auf seiner Fläche einer Anzahl feiner Nuten enthält, die durch Laserbearbeitung, Zerspanung, Aufbringen elektrischer Energie oder durch chemisches Abscheiden aus der Dampfphase gebildet sind, um eine Anzahl von Arbeitsflächen zu bilden, wobei jede so durch die Nuten separierte Arbeitsfläche eine ultrafeine Kante bildet.
Nutenschneidspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Schneidspitze aus Diamant hergestellt ist, auf dessen Fläche eine Anzahl feiner Nuten vorhanden ist, die regelmäßig durch Laserbearbeitung, Zerspanung, Aufbringen elektrischer Energie oder durch chemisches Niederschlagen aus der Dampfphase gebildet sind, um Arbeitsflächen zu bilden, wobei mehrere derart durch die Nuten abgeteilten Arbeitsflächen in Form einer Matrix mehrere ultrafeine Kanten bilden.
Nutenschneidspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Schneidspitze aus kubischem Bornitrid, Wolframcarbid, Hartmetall, Schnellstahl oder Kermikmaterial hergestellt ist, wobei ihre Fläche eine Anzahl feiner Nuten enthält, die regelmäßig durch Laserbearbeitung, Zerspanung, Aufbringen elektrischer Energie oder durch chemisches Abscheiden aus der Dampfphase gebildet sind, um Arbeitsflächen zu bilden, wobei mehrere so durch die Nuten abgeteilte Arbeitsflächen in Form einer Matrix mehrere ultrafeine Kanten bilden.
Ultrafeines Nutenwerkzeug, umfassend eine drehbare Basisplatte und mindestens eine ultrafeine Nutenschneidspitze, wobei die drehbare Basisplatte als Halterung die ultrafeine Nutenschneidspitze hält und die Schneidspitze aus hartem Werkstoff gefertigt ist, ausgewählt aus der Gruppe, welche aus Diamant, kubischem Bornitrid, Wolframcarbid, Hartmetall, Schnellstahl und Kermikmaterial besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidspitze (1) in ihrer Fläche eine Anzahl eingravierter feiner Nuten zur Bildung mehrerer Arbeitsflächen (12) im Scher-Modus enthält, und jede der so durch die Nuten temperierten Arbeitsflächen eine ultrafeine Kante (13) bildet.
Werkzeug nach Anspruch 10, bei dem die Basisplatte kreisförmige Form hat und die ultrafeinen Nutenschneidspitzen aus Einkristall-Diamant mit einer gleichmäßigen kristallografischen Orientierung bestehen, angeordnet in einer Reihe und kreisförmig an der Platte gehaltert.
Werkzeug nach Anspruch 10 oder 9, wobei die Diamant-Schneidspitze an der Halteplatte durch Sintern, Niederschlagen oder Plattieren angebracht ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die Basisplatte eine Drehachsenlinie aufweist und so gehaltert ist, dass sie sich um die Achsenlinie dreht, und die Arbeitsflächen an der Platte in mehreren gekrümmten Streifen ausgebildet sind, die von der Drehachse durch mehrere koaxiale Kreisbögen verschiedener Radien getrennt sind.