DE8214466U1 - Vorrichtung zum schleifen von planen oberflaechen - Google Patents

Description

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GMN Georg Müller Nürnberg GmbH Äußere Bayreuther Str. 230 8500 Nürnberg 13

Anmeldernummer: 1 816 586

/ Vorrichtung zum Schleifen von planen Oberflächen

Die Zerspanung von Metallen und nichtmetallischen Werkstoffen durch Schleifen findet mehr und mehr Eingang in die Fertigungstechnik, wobei zwei Entwicklungsziele angestrebt werden, nämlich einerseits die Erreichung höchster Genauigkeit und Oberflächengüte und andererseits eine Erhöhung der Zerspanungsleistung. Beide Ziele schließen sich bisher gegenseitig aus, da gemäß dem derzeitigen Stand der Technik der Aufbau der Maschinen und vor allem die Spezifikation der Schleifwerkzeuge speziell ausgelegt sein müssen, um das eine oder das andere Optimum zu erreichen.

Derzeit bekannte Schleifmaschinen machen Gebrauch von zwei verschiedenen Schleifverfahren, nämlich dem "Umfangsschleifen" und dem "Stirnschleifen". Das "Umfangsschleifen" ist dabei weiterentwickelt als das "Stirnschleifan" und teilweise bereits konkurrenzfähig hinsichtlich Zerspanungsleistung und Genauigkeit gegenüber Drehen, Fräsen und Hobeln. Die beiden unterschiedlichen Typen von Schleifmaschinen gemäß dem Stand der Technik sind eingehend in der technischen Literatur beschrieben, wobei die Leistungsgrenzen in wissenschaftlichen Arbeiten, Fachliteratur und Produktinformationen angegeben sind und den jeweils erreichten letzten Stand widerspiegeln. Beide oben erwähnte Schleifmaschinentypen haben ihre eigenen, sich teilweise überdeckenden Einsatzgebiete, in denen sie optimal arbeiten. Dabei sind für sehr harte, spröde und empfindliche Materialien und sehr ebene Planflächen den Stirnschleifmaschinen überlegen. Solche Materialien sind vor allem nichtmetallische Werkstoffe, die in großen Mengen in Scheiben- oder Ringform verwendet werden, beispielsweise als Substrat für Elektronikbauteile oder' Dichtungen. Ein Beispiel ist hier die Bearbeitung von sehr dünnen Scheiben aus

Silizium, Germanium, Quarzen, Saphiren und lll-V-Verbindung, wie sie in stark zunehmenden Maß als Substrat für die Herstellung elektronischer Bauteile weltweit verwendet werden. Das zu Beginn der Oberflächenbearbeitung ausschließlich angewendete Läppen wird mehr und mehr durch Schleifen mit diamantbelegten Schleifscheiben ersetzt. Diese Technologie wurde von der Anmelderin produktionsreif entwickelt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schleifmaschine zu finden,die den Planschliff von sehr empfindlichen Teilen aus spröden und oft extrem harten Materialien erlaubt. Die Hauptforderung war dabei eine weit über den derzeitigen Stand der Technik hinausgehende Zerspanungsleistung bei werkstoffschonendem Materialabtrag, wobei die bei einem Schneidprozess unvermeidlichen Veränderungen der obersten Materialschichten und die sich hieraus ergebende Zerstörungstiefe geringer sein sollen als bei derzeit bekannten und angewendeten Abtragsverfahren. Ein weiteres Ziel war die Verbesserung der Maßgenauigkeit und Oberflächengüte, um die Anzahl der bei solchen Materialien notwendigen aufeinanderfolgenden Arbeitsgänge, wie beispielsweise Schrupp-, Schlicht- und Feinschleifen, zu verringern.

Alle bisher eingesetzten Schleifmaschinen arbeiten nach der klassischen Methode, dem sogenannten Stirnschieifen, wobei drei Bewegungen erforderlich sind, um die notwendige Zerspanung und die erforderliche Oberflächengüte zu erzielen, nämlich (1) die Schnittgeschwindigkeit des Schleifkornes, die durch das Rotieren der Schleifscheibe erzeugt wird, (2) die Vorschubbewegung, das ist die Relativbewegung zwischen Werkstück und Schleifscheibe parallel zur Schleifbelagebene und (3) die Zustellbewegung, die in Richtung Schleifscheibenachse senkrecht zur abzuschleifenden Werkstückoberfläche erfolgt. Der Werkstoffabtrag erfolgt beim Stirnschleifen nahezu ausschließlich an der äußeren Schleifscheibenkante. Beim Oberfahren der Schleifscheibe über das Werkstück wandert mit der Vorschubgeschwindigkeit die als Stufe am Werkstück erkennbare Zerspanungszone über die gesamte Oberfläche.

Die im Vergleich zu allen an der Schleifscheibenoberfläche vorhandenen schneidfähigen Schleifkörnern recht geringe Anzahl Schleifkörner an der äußeren Schleifscheibenkante müssen den gesamten Werkstoffabtrag während der Einsatzdauer der Schleifscheibe übernehmen. Ein Spanraum, der zum Austrag des abgeschliffenen Werkstoffes um den Schleifkörnern vorhanden ist, ist ebenfalls sehr begrenzt, so daß damit zwei entscheidende Grenzen für die Steigerung der Zerspanungsleistung gezogen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Gegensatz zur Lehrmeinung und der allgemeinen praktischen Erfahrung die neue Schleifmaschine nur noch zwei Bewegungskomponenten aufweist. Erfindungsgemäß sind für den Betrieb der Schleifmaschine nur noch Schnittgeschwindigkeit des Schleifkornes , erzeugt durch die rotierende Schleifscheibe, und die Zustellbewegung, also die senkrecht zur zu schleifenden Werkstückoberfläche gerichtete Annäherung der Schleifscheibe, erforderlich. Die Vorschubbewegung, die beim klassischen Schleifen a!s ein dominierender Verfahrensparameter angesehen wird, weswegen auch alle bekannten hochwertigen Schleifmaschinen sehr aufwendige und anpassungsfähige Regeleinrichtungen aufweisen, entfällt.

Der Schleifablauf beim Betrieb der erfindungsgemäßen Schleifmaschine besteht aus einem Eintauchen der rotierenden Schleifscheibe in die Werkstückoberfläche, so daß für diese Arbeitsweise die Bezeichnung "Tauchschleifen" vorgeschlagen wird. Der Schleifbelag ist dabei vorzugsweise so bemessen, daß die gesamte zu schleifende Werkstückoberfläche überdeckt wird, es ist aber bei sehr ausgedehnten Werkstücken ein sich wiederholendes partielles Tauchschleifen möglich, wobei das Werkstück nach jedem Tauchschliff . um die Belagbreite zur Schleifscheibenachse verschoben wird.

Die erfindungsgemäße Schleifmaschine ermöglicht bei harten, spröden Materialien, die gegen Kristallgitterzerstörungen an der bearbeiteten Oberfläche anfällig sind, überraschenderweise ein außerordentlich gutes Zerspanungsverhalten. So ist die Zerspanungsleistung um ein

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Mehrfaches größer als die heute bekannten Werte. Begründen läßt sich dies aus der Tatsache, daß beim Betrieb der erfindungsgemäßen Schleifmaschine alie an der Schleifscheibenfläche vorhandenen Schleifkörner an der Zerspanung beteiligt sind. Die Spangröße und Schneidekraft des Einzelkorns kann trotz mehrfach größerer Gesamtzerspanung kleiner gehalten werden. Messungen bestätigen, daß nachteilige Veränderungen im Kristallgitter des Werkstoffes an der Schleifoberfläche vergleichsweise geringer sind als bisher.

Mit einer relativ feinkörnigen Schleifscheibe werden Zerspanungsleistungen erzielt, die bisher nur sehr grobkörnige Schruppscheiben erbrachten, wobei aber die der feineren Schleifscheibe eigene glattere Oberfläche am Werkstück erhalten bleibt oder sogar merklich verbessert wird. Die Ebenheit und Rauhtiefe kann noch wesentlich verbessert werden, wenn nach dem Ende der Zustellung des "Tauchschleifens" das Werkstück parallel zur Schleifscheibenfläche aus dem Eingriffsbereich gezogen wird. Die Spuren der etwas weiter aus dem Schleifscheibenbelag herausstehenden Kornspitzen werden dabei egalisiert. Man kann diesen zusätzlichen Arbeitsschritt mit dem sogenannten "Ausfeuern" in stark vereinfachter Form vergleichen.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind vielfältig. Daß während der Zerspanung keine Vorschubbewegung erfolgt, erlaubt den Bau einer einfacheren und sehr stabilen Maschine. Bekannte automatische Einzel- oder Mehrstationen-Schleifmaschinen arbeiten mit Rundtischen als Werkstückträger und -vorschubeinrichtung, bei denen bedingt unterschiedliche, nach außen hin zunehmende Vorschubgeschwindigkeiten auftreten. Dieser Nachteil, der sich negativ auf die Oberflächengüte und die Materialbeanspruchung während des Schleifkorneingriffes auswirkt, entfällt, da ein gegebenenfalls durchgeführtes abschließendes "Ausfeuern" als geradlinige Bewegung, beispielsweise des Schleifspindelstockes, durchgeführt werden kann, um eine sehr feine und gleichmäßige Oberfläche zu erhalten. Herkömmliche Rundtisch-Schleifautomaten mit mehreren Stationen haben an allen Schleifstationen eine gleiche Vorschubgeschwindigkeit, unabhängig davon, ob vor-, fein- oder feinstgeschliffen wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der während des Schleifvorganges keine Vorschubbewegung stattfindet.

kann die "Ausfeuerbewegung" jeweils individuell und optimal mit geringem maschinellen Aufwand angepaßt werden, wobei im allgemeinen eine lineare "Ausfeuerbewegung" nur an der letzten Schleifstation notwendig ist. Da beim Betrieb der Schleifmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung der Werkstückträger stillsteht, beispielsweise in Form eines getakteten Rundtisches, ist eine sehr präzise und von der Handhabung einfache Werkstückbe- und -entladung gegeben. Ein weiterer Vorteil ist, daß während dieser Periode eine völlige räumliche Abtrennung zwischen Schleif- und Be- und Entladebereich ermöglicht wird, was bei hochgenauen Werkstücken sehr bedeutend ist, weil die Werkstückspannstelle gereinigt und sauber gehalten werden kann, bis das nächste Werkstück aufgelegt ist.

Die vorliegende Erfindung bringt den außerordentlichen Vorteil einer um ein Mehrfaches höheren Zerspanungsleistung bei relativ geringer Werkstück- und Werkzeugbeanspruchung mit sich. Dies ermöglicht das Abschleifen spröder Materialien auf sehr geringe Dicken, da vorteilhafterweise das Kristallgitter des Werkstoffes nur geringfügig verändert wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß gemäß der vorliegenden Erfindung der Werkstückträgertisch fest blockiert direkt auf dem Maschinenständer aufliegt und damit sehr schwingungsstabil ist.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung sind geringe spezifische Werkzeugkosten, die aus der langen Standzeit der Schleifscheibe resultieren, wozu noch wesentlich beiträgt, daß die maximal mögliche Anzahl Schleifkörper am Schneidprozess beteiligt ist, was die Kornbelastung verringert und die Spanabfuhr erleichtert, wobei sich die auf das Einzelkorn wirkende konstante und vibrationsarme Schnittkraft hinsichtlich der Schleiffläche als raumfester Vektor darstellen läßt. Bedingt durch erfindungsgemäß nicht erforderliche Vorschubbewegung wird somit das Ausbrechen des Schleifkörpers aus der Bindnung verzögert.

Die für die erfindungsgemäße Schleifmaschine erforderlichen Schleifscheiben sind unkompliziert und leicht zu fertigen. Im allgemeinen wird man Schleifkörper, vorzugsweise mit Diamantkern als Schneidstoff, in Form von Scheiben, Platten oder Streifen auf einem Grundkörper be-

festigen. Die dabei freibleibenden Zwischenräume zwischen den einzelnen Schleifelementen verstärken den Kühleffekt und erleichtern den Späneaustrag. Der Abstand zwischen den einzelnen Schleifelementen beziehungsweise Schleifsegmenten ist dabei jeweils kleiner als die zu bearbeitende Oberfläche. Auf diese Weise wird vermieden, daß ein Werkstück zwischen zwei Schleif Segmente einrückt und beim Rotieren der Schleifscheibe dann ein herkömmlicher Stirnschleifvorgang abläuft, bei dem nur die Kante des Schleifsegments wirksam wird. Es sind jedoch auch Schleifscheiben mit durchgehendem Belag, dessen Abmessungen auf die Werkstückgröße abgestimmt sind, vorteilhaft einsetzbar.

Beim Schleifen mit der erfindungsgemäßen Schleifmaschine lassen sich wirtschaftlich feinere Körnungen einsetzen, was beim Schleifen von nichtmetallischen Werkstoffen glattere Oberflächen ergibt.

In den beigefügten Zeichnungen sind vorteilhafte Ausfführungsformen der vorliegenden Erfindung im einzelnen erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Schleifmaschine.

Figur 2 eine schematische Darstellung der Größenrelationen zwischen Schleiffläche der Schleifscheibe und Werkstück bei einer Vorrichtung gemäß Figur 1.

Figur 3 schematische Darstellungen 3a bis 3e von Beispielen von vorteilhaften Ausgestaltungen der Schleifflächen von Schleifscheiben für eine erfindungsgemäße Schleifmaschine.

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Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schleifmaschine besteht aus einem im wesentlichen quaderförmigen Maschinenständer 1, auf dessen horizontaler oberen Fläche ein taktweise drehbarer oder horizontal verschiebbarer Tisch 2, der während des Schleifprozesses festgespannt werden kann, zur Aufnahme und zum Weitertransport der Werkstucke 3 gelagert ist. Die Werkstückaufnahme wird von einem Support 4 überragt, an dem der Antriebsmotor und die Schleifspindel 5, die die Schleifscheibe 6 mit der den Werkstücken zugewandten Schleiffläche 7 trägt, befestigt sind, Der Support <t ist mit genauen und steifen Führungselementen 9 am Ständer 1 vertikal auf- und abbeweglich befestigt. Diese vertikale Auf- und Abbawegung kann beispielsweise von einer elektrisch angetriebenen Zustellspindel eingeleitet werden. Diese Zustellspindel 10 stellt die Schleifscheibe 6 gemäß der vorliegenden Erfindung im "Tauchschliff" bis auf das Endmaß des Werkstückes nach unten zu und hebt im Eilgang den gesamten Support nach oben ab. Während dieser Rückbewegung des Supports wird durch taktweises Drehen oder horizontales Verschieben des Tisches 2 das fertig bearbeitete Werkstück aus dem Bereich der Schleifscheibe entfernt, gleichzeitig ein neues zu bearbeitendes Werkstück unter die Schleifscheibe gebracht und in Arbeitsstellung positioniert. Diese gleichzeitige Ent- und Beladung erfolgt in Abstimmung mit der Rückbewegung des Supports, so daß keine Kollision zwischen dem neuen Werkstück und der Schleifscheibe stattfindet, solange die Tran«portbewegung nicht abgeschlossen und der Werkstückträger wieder festgeklemmt worden ist.

Figur 2 veranschaulicht eine Schleifscheibe für eine erfindungsgemäße Schleifmaschine. Die dargestellte Schleifscheibe 40 hat eine dem Werkstück 41 zugewandte Schleiffläche 42, die das während des Schleifvorganges fest positionierte und keiner Vorschubbewegung unterworfene Werkstück 41 flächenmäßig voll überdeckt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß während des Schleifens alle Schleifkörper der Schleiffläche 42 spanabhebend wirksam werden.

Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten von gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Schleifkörperflächen.

Figur 3a zeigt eine aus Schleifkörperpellets 43 gebildete Schleiffläche. Figur 3b und 3c zeigen Schleifscheiben, deren Schleifbeläge aus quadratischen beziehungsweise trapezförmigen Schleifbelagsegmenten 44, 45 gebildet sind. Bei Figur 3d und 3e sind die Schleifbelagselemente stäbchenförmig 46 beziehungsweise bogenförmig 47 ausgebildet. In allen Ausführungsformen 3a bis 3e sind jeweils kreisförmige Werkstücke 41 eingezeichnet, wobei ersichtlich ist, daß die Schleifbeläge die Werkstücke in Fläche wirkungsmäßig voll abdecken. Bei jeder dieser Ausführungsformen von Schleifscheiben ist sichergestellt, daß während des Schleifens alle Schleifkörper der dem Werkstück zugewandten Schleifbelagsegmenten spanabhebend wirksam werden. Dies steht in klarem Gegensatz zum herkömmlichen Stirnschliff, bei dem nur die Schleifkörper der Schleifscheiben kante spanabhebend wirken.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schleifmaschine ist die Tatsache, daß die Schleifbelastung und der Eingriffsbereich der Schleifscheibe am Werkstück während der gesamten Schleifzeit konstant sind. Dadurch wird ein sehr gleichmäßiges Schliffbild und ein sehr stabiler Schleifablauf erreicht.

Claims (3)

GMN Georg Müller Nürnberg GmBH*.' Äußere Bayreuther Str. 230 8500 Nürnberg 13 Anmeldernummer: 1 816 586 SCHUTZANSPROCHE

1. Vorrichtung zum Schleifen von planen Oberflächen mit einer Schleifscheibe, die mindestens eine der zu schleifenden planen Oberfläche zugewandte plane Schleiffläche aufweist und um eine zu dieser Schleiffläche senkrechte Achse rotiert, gekennzeichnet durch eine in Richtung der Drehachse beweglich angeordnete Schleifspindel (5) und eine Werkstückaufnahme-Vorrichtung (2) zur Fixierung des zu bearbeitenden Werkstückes im Arbeitsbereich der Schleifscheibe (6), so daß während des Schleifvorganges eine wirkungsmäßig vorzugsweise volle Oberdeckung der zu bearbeitenden Oberfläche durch die plane Schleiffläche der Schleifscheibe (6) gegeben ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifscheibe C6) als Topfscheibe ausgebildet ist, deren plane ringförmige Schleiffläche die zu bearbeitende Oberfläche voll überdeckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifscheibe (6) als Topfscheibe ausgebildet ist, deren plane Schleiffläche aus einer Vielzahl von Segmenten besteht, wobei der Abstand zwischen den Segmenten jeweils kleiner ist als die zu bearbeitende Oberfläche.