EP1409199B1 - Verwendung einer vorrichtung zur abrasiven bearbeitung von flächen von elementen und insbesondere von optischen elementen bzw. werkstücken - Google Patents

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    • B24C1/00Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/08Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for polishing surfaces, e.g. smoothing a surface by making use of liquid-borne abrasives

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Vorrichtung zur abrasiven Bearbeitung von Flächen von Elementen und insbesondere von optischen Elementen bzw. Werkstücken gemäß Oberbegriff der Anspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Zur abrasiven Bearbeitung von Flächen, wie sie beispielsweise für die Herstellung von optischen Elementen, wie Linsen, Prismen, planparallelen Platten etc., aber auch von Formen für das Gießen oder das Pressen optischer Elemente erforderlich ist, sind die verschiedensten Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Bei vielen der bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen wird die zu bearbeitende Fläche mit kontaktierenden Werkzeugen, wie z.B. Teller-Schleifern, Kugelschleifern etc. zunächst einem Schleifvorgang sowie ggf. einem Feinschleifvorgang und anschließend mit einem Polierwerkzeug einem Poliervorgang unterzogen. An Stelle von Schleifvorgängen ist es auch bekannt, die Flächen auf einer Drehbank mit einem geeigneten Drehmeißel einem Drehvorgang zu unterziehen oder ein anderes spanabhebendes Verfahren anzuwenden. Die meisten Bearbeitungsvorgänge, bei denen vergleichsweise viel Material abgetragen wird, erfordern zumindest dann, wenn optische Flächen hergestellt werden sollen, abschließend ein Polieren der Fläche. Das Polieren erfolgt nach dem Stand der Technik bei sphärischen Flächen großflächig mit einem Polierteller.
  • Probleme ergeben sich bei den herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen immer dann, wenn asphärische Flächen hergestellt werden sollen. Die Herstellung asphärischer Flächen erfolgt nach dem Stand der Technik mit Werkzeugen wie Kugelschleifern, die einen mehr oder weniger punktförmigen Eingriff mit der zu bearbeitenden Fläche haben und die längs einer Bahn über die zu bearbeitende Fläche geführt werden. Je nach Ausbildung des Werkzeugs wird die Fläche dabei geschliffen oder poliert. Aus Zeit- bzw. Kostengründen werden allerdings asphärische Flächen häufig nur bahnförmig geschliffen; das Polieren erfolgt dann nicht bahnförmig, sondern großflächig. Insbesondere dann, wenn die Asphärizität vergleichsweise groß ist, wie dies beispielsweise bei progressiven Brillengläsern der Fall ist, ergibt sich durch das flächige Polieren ein mehr oder weniger großer Polierfehler, der durch entsprechende Fertigungsvorhalte bei den vorangehenden Bearbeitungsvorgängen kompensiert werden muss.
  • Weiterhin ist es bekannt, Flächen von Werkstücken und insbesondere von optischen Elementen mit Fluidstrahlen zu bearbeiten. Die hierfür vorgeschlagenen Vorrichtungen sind jedoch vergleichsweise aufwendig und erlauben auf Grund der mehr oder weniger punktförmigen Bearbeitung der Fläche dennoch keine schnelle Herstellung der Flächen.
  • In der Druckschrift US 5,700,181 ist ein Werkzeug zur abrasiven Bearbeitung von Glasoberflächen gezeigt, das einen Einlass und einen Auslass für ein abrasives Fluid aufweist, mit einer Positioniereinrichtung, die das Werkzeug über der zu bearbeitende Fläche hält. Der Fluidstrom wird von den Seitenwänden des Auslasses und der zu bearbeitenden Fläche begrenzt und das Fluid strömt somit radial aus dem Auslass und tangential zur Oberfläche. Innerhalb des Werkzeuges herrscht ein hoher Druck.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Verwendung der Vorrichtung zur abrasiven Bearbeitung von Flächen und insbesondere zum Schleifen und/oder Polieren von Flächen von optischen Elementen anzugeben, die eine schnelle Bearbeitung der Flächen unabhängig von der Form der jeweils bearbeiteten Fläche erlaubt.
  • Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 13.
  • Die Vorrichtung zur abrasiven Bearbeitung von Flächen und insbesondere zum Schleifen und/ oder Polieren von optischen Elementen weist ein Werkzeug auf, das einen Fluid-Einlass und einen Fluid-Auslass hat. Eine Zuführeinheit fördert zu dem Fluid-Einlass eine Flüssigkeit, in der abrasive Mittel gelöst sind. Diese Flüssigkeit strömt durch das Werkzeug zu einem Auslass, durch den sie aus dem Werkzeug austritt. Dieses Werkzeug wird durch eine Positioniereinrichtung derart relativ zu der zu bearbeitenden Fläche positioniert, dass der Auslass, aus dem die Flüssigkeit austritt, der zu bearbeitenden Fläche insbesondere mit einem geringen Abstand gegenüber liegt. Dabei ist entscheidend, dass die Fläche des durch die Begrenzungswände des Auslasses und durch die zu bearbeitende Fläche gebildeten Ringspaltes kleiner als die Querschnittsfläche des Einlasses ist. Hierdurch tritt die Flüssigkeit, in der abrasive Mittel gelöst sind, mit einem wesentlich höheren Druck als dem Druck, mit dem sie in den Einlass einströmt, durch den Ringspalt radial zum Werkzeug aus. Durch die radial ausströmende Flüssigkeit erfolgt die Bearbeitung der Fläche des Werkstücks. Je nach der Art der in der Flüssigkeit gelösten abrasiven Mittel wird die Fläche im Bereich des Ringspaltes und damit linienförmig schleifend oder polierend bearbeitet. Durch die linienförmige Bearbeitung wird die Bearbeitungszeit im Vergleich zu den bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen, bei denen ein im wesentlichen punktförmiger Eingriff zwischen Werkzeug und Werkstück besteht, um Größenordnungen verkürzt.
  • Das Verhältnis des Drucks, mit dem die Flüssigkeit in das Werkzeug einströmt, zu dem Druck, mit dem die Flüssigkeit aus dem Ringspalt austritt, ist dabei umgekehrt proportional zum Verhältnis der Querschnittsfläche des Einlasses zur Querschnittsfläche des gebildeten Ringspaltes. Dies bedeutet, dass der "Bearbeitungsdruck" durch die Positionierung des Werkzeugs relativ zum Werkstück - anders ausgedrückt durch die Einstellung der Höhe des Ringspaltes - eingestellt werden kann, ohne dass der Druck, mit dem die Zuführeinheit die Flüssigkeit fördert, geändert werden müsste.
  • Erfindungsgemäß wird einlassseitig mit vergleichsweise niedrigen Drücken gearbeitet : die Zuführeinheit fördert die Flüssigkeit mit einem Druck kleiner 20 bar, bevorzugt kleiner 5 bar, ggf. sogar nur mit Atmosphärendruck. Für eine für den Bearbeitungsvorgang und die Bearbeitungsgeschwindigkeit vorteilhafte Druckerhöhung ist es bevorzugt, wenn die Querschnittsfläche des Einlasses wenigstens um den Faktor fünf größer als die Querschnittsfläche des gebildeten Ringspaltes ist. Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Höhe des gebildeten Ringspaltes kleiner als 3 mm ist und insbesondere etwa 1 mm beträgt.
  • In jedem Falle ist es von Vorteil, wenn die Positioniereinrichtung eine Steuereinheit aufweist, die die Positionierung des Werkzeuges entsprechend den Flächendaten der herzustellenden Fläche steuert. Bevorzugt ist es, wenn die Positionierung des Werkzeugen dabei so erfolgt, dass die Höhe des Ringspaltes während der Verschiebung längs der jeweiligen Bahnen konstant bleibt.
  • Die Positioniereinrichtung kann das Werkzeug prinzipiell längs beliebiger Bahnen relativ zum Werkstück, d. h. zu der zu bearbeitenden Fläche verschieben. Beispielsweise kann die Bahn eine mäanderförmige Bahn sein, wobei entweder das Werkzeug oder das Werkstück oder beide bewegt werden.
  • Ferner kann eine gleichzeitige Verschiebung des Werkzeugs und des Elements, von dem eine Fläche bearbeitet werden soll, erfolgen. Im Falle rotationssymmetrischer Flächen oder nur geringfügig von der Rotationssymmetrie abweichender Flächen ist es bevorzugt, wenn das Werkzeug längs Bahnen bewegt wird, die durch den Flächenscheitel verlaufen und gleichzeitig das Werkstück bzw. das zu bearbeitende Element von einer Dreheinheit um eine Achse gedreht wird, die insbesondere die Rotationsachse der herzustellenden Fläche ist.
  • Um eine homogene Bearbeitung der Fläche längs des Ringspaltes zu erreichen, ist es ferner bevorzugt, wenn der Auslass einen kreisförmigen Querschnitt hat, und das Werkzeug zumindest im Bereich des Auslasses eine (kreis)-zylindrische Außenkontur aufweist.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch, dass die Querschnittsfläche des Einlasses kleiner als die des Auslasses ist, erreicht, dass eine Bearbeitung der Fläche nur linienförmig (bzw. kreisringförmig) im Bereich des Ringspaltes und nicht auch im Zentrum des Auslasses erfolgt.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Größe des Werkzeugs der Form der zu bearbeitenden Fläche angepasst ist:
  • Zur Bearbeitung von planen Flächen kann der Außendurchmesser des Werkzeugs im Bereich des Auslasses in der Größenordnung der halben Apertur des optischen Elements liegen, so dass eine sehr schnelle Bearbeitung der Fläche bei größtmöglicher Homogenität des Bearbeitungsvorganges erreicht wird. Bei der Bearbeitung von gekrümmten Flächen liegt bevorzugt der Außendurchmesser des Werkzeugs in der Größenordnung des kleinsten Radius (kleinster Hauptkrümmungsradius) der Fläche; hierdurch wird sichergestellt, dass die Höhe des Ringspaltes über den gesamten gebildeten Ringspalt praktisch konstant ist.
  • Die Vorrichtung kann zum Bearbeiten beliebiger Flächen von Elementen bzw. Werkstücken eingesetzt werden, die aus prinzipiell beliebigen Materialien bestehen können. Beispielsweise kann die Vorrichtung aufgrund der hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit zur Bearbeitung von Turbinenschaufeln aus Stahl eingesetzt werden.
  • Besonders bevorzugt ist jedoch die Verwendung einer Vorrichtung zum Schleifen und/oder Polieren optischer Flächen. Die jeweiligen Elemente können dabei im Falle von Linsen, Prismen, planparallelen Platten etc. - d.h. direkt hergestellter optischer Elemente - aus Quarz, einem optischen Glas oder einem Kunststoffmaterial bestehen; sollen Formen für das Gießen und/oder Pressen etc. von optischen Elementen hergestellt werden, können die Elemente auch aus einem Metall, wie Stahl, oder einem keramischen Material bestehen.
  • Da die Art des Abtrags im wesentlichen nicht von der Ausbildung des Werkzeugs, sondern von der Art der eingesetzten Flüssigkeit bzw. des (der) in der Flüssigkeit gelösten abrasiven Mittels (Mittel) abhängt, kann ein- und dieselbe Vorrichtung nacheinander zum Schleifen, gegebenenfalls Feinschleifen und abschließend zum Polieren eines Elements bzw. Werkstücks in ein- und derselben Aufspannung eingesetzt werden. Der Wechsel zwischen den einzelnen Bearbeitungsarten bedingt dann lediglich einen Austausch bzw. Wechsel des jeweils verwendeten Bearbeitungsfluids.
  • In jedem Falle ist es jedoch besonders bevorzugt, wenn die Vorrichtung zur Bearbeitung von asphärischen Flächen eingesetzt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1
    eine Vorrichtung bei der Bearbeitung einer planen Fläche,
    Fig. 2
    eine Vorrichtung bei der Bearbeitung einer gekrümmten und insbesondere asphärischen Fläche.
    Darstellung eines Ausführungsbeispiels
  • Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, von der lediglich das Werkzeug 1 dargestellt ist, bei der Bearbeitung einer planen Fläche 21 eines Werkstücks 2, das ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine planparallele Platte ist. Das Werkzeug 1 weist einen Einlass 11 und einen Auslass 12 auf, dessen Querschnittsfläche größer ist als die des Einlasses 11. Eine nicht dargestellte Zuführeinheit fördert eine Flüssigkeit, in der abrasive Mittel, wie Schleifmittel oder Poliermittel gelöst sind, in den Einlass 11 des Werkzeugs 1. Das Werkzeug 1 wird von einer nicht dargestellten Positioniereinheit derart relativ zum Werkstück 2 positioniert, dass zwischen den Begrenzungswänden 13 des Auslasses 12 und der Fläche 21 ein Ringspalt 3 gebildet wird, dessen Querschnittsfläche kleiner und bevorzugt wesentlich kleiner als die Querschnittsfläche des Einlasses 11 ist. Hierdurch wird der Druck, mit dem die Flüssigkeit aus dem Ringspalt 3 austritt, um das Verhältnis der Querschnittsflächen des Einlasses 11 und des Ringspaltes 3 erhöht. Der für die Bearbeitung der Werkstück-Oberfläche 21 wirksame Druck ist damit wesentlich größer als der Förderdruck.
  • Die nicht dargestellte Positioniereinrichtung verschiebt das Werkzeug 1 parallel zur Oberfläche des Werkstücks 2, während eine ebenfalls nicht dargestellte Dreheinheit das Werkstück 2 um eine Achse 22 dreht, so dass der linienförmige Eingriff längs des Ringspaltes 3 so über das Werkstück 2 verschoben wird, dass die gesamte Fläche 21 gleichmäßig bearbeitet, beispielsweise poliert wird.
  • Der Durchmesser des Werkzeugs 1 liegt in der Größenordnung des Radius des Werkstücks 2.
  • Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung bei der Bearbeitung einer gekrümmten und insbesondere asphärischen Fläche 21' eines Werkstücks 2. Gleiche Teile sind dabei mit den selben Bezugszeichen versehen, so dass auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird. Der Durchmesser des Werkzeugs 1 liegt in der Größenordnung des kleinsten Radius der asphärischen Fläche 21'. Die ebenfalls nicht dargestellte Positioniereinheit verschiebt das Werkzeug 1 längs Bahnen, die durch den Scheitel der Fläche 21' verlaufen. Gleichzeitig wird das Werkstück 2 um eine durch den Scheitel verlaufende Rotationsachse 22 gedreht.
  • Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert.

Claims (13)

  1. Verwendung einer Vorrichtung zur abrasiven Bearbeitung von Flächen von Elementen mit
    - einem Werkzeug (1), das einen Einlass (11) und einen Auslass (12) aufweist,
    - einer Zuführeinheit, die zu dem Einlass eine Flüssigkeit fördert, in der abrasive Mittel gelöst sind, und die aus dem Auslass austritt, und
    - einer Positioniereinrichtung, die das Werkzeug (1) über die zu bearbeitende Fläche (21) führt und dabei derart positioniert, dass der Auslass (12) der zu bearbeitenden Fläche (21) gegenüber liegt, wobei die Fläche (21) des durch die Begrenzungswände (13) des Auslasses (12) und die zu bearbeitende Fläche (21; 21') gebildeten Ringspaltes (3) kleiner als die Querschnittsfläche des Einlasses (11) ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zuführeinheit die Flüssigkeit mit einem Druck kleiner 20 bar, bevorzugt kleiner 5 bar fördert.
  2. Verwendung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Querschnittsfläche des Einlasses (11) wenigstens um den Faktor fünf größer als die Querschnittsfläche des gebildeten Ringspaltes (3) ist.
  3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Höhe des gebildeten Ringspaltes (3) kleiner als 3 mm ist und bevorzugt etwa 1 mm beträgt.
  4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Dreheinheit vorgesehen ist, die das zu bearbeitende Element um eine Achse (22) dreht.
  5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Auslass (12) einen kreisförmigen Querschnitt hat, und dass das Werkzeug zumindest im Bereich des Auslasses (12) eine zylindrische Außenkontur aufweist.
  6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Querschnittsfläche des Einlasses (11) kleiner als die des Auslasses (12) ist.
  7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Bearbeitung von planen Flächen (21) der Außendurchmesser des Werkzeugs im Bereich des Auslasses (12) in der Größenordnung der halben Apertur des optischen Elements liegt.
  8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    bei der Bearbeitung von gekrümmten Flächen (21') der Außendurchmesser des Werkzeugs in der Größenordnung des kleinsten Radius der Fläche (21) liegt.
  9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Positioniereinrichtung eine Steuereinheit aufweist, die die Positionierung des Werkzeuges entsprechend den Flächendaten der herzustellenden Fläche (21; 21') steuert.
  10. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Schleifen optischer Flächen (21; 21').
  11. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Polieren optischer Flächen (21; 21').
  12. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer einzigen Vorrichtung zunächst zum Schleifen und anschliessend zum Polieren einer optischen Fläche (21; 21').
  13. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Bearbeitung von asphärischen Flächen (21; 21').
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