EP1618992B1

EP1618992B1 - Vorrichtung und Verfahren zum Schleifen und/oder Polieren von Oberflächen

Info

Publication number: EP1618992B1
Application number: EP04017330A
Authority: EP
Inventors: Oliver Dr. Fähnle; Torsten Wons; Wilhelmus Messelink
Original assignee: Fisba Optik AG
Current assignee: Fisba Optik AG
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2024-07-22
Also published as: EP1618992A1; ATE411138T1; DE502004008269D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abtragen von Material beim Schleifen und/oder Polieren von Oberflächen von Werkstücken gemäss den unabhängigen Patentansprüchen.
Es ist bekannt, Oberflächen mit Abrasivmittel-Teilchen, die in einer Flüssigkeit gefördert werden, zu Schleifen oder zu Polieren. Das hat den Vorteil, dass auf ein Schleifwerkzeug verzichtet werden kann.
Die Abtragrate hängt einerseits von der Grösse der Abrasivmittel-Teilchen im Strahl ab, und andererseits von der Energie und dadurch von der Geschwindigkeit der Partikel zum Zeitpunkt, wenn sie auf die Oberfläche prallen. Als Abtragrate wird die Menge des abgetragenen Materials pro Zeit bezeichnet.
Aus US 5 700 181 sind beispielsweise ein Verfahren zum Schleifen und eine Düse zum Beschleunigen der Abrasiv-Flüssigkeit bekannt. Die Abrasiv-Flüssigkeit wird unter hohem Druck in die Düse gefördert und von dort auf die Oberfläche beschleunigt. Die Beschleunigung findet einerseits in der Düse, andererseits im Spalt zwischen der Düse und dem Werkstück statt.
Ein ähnliches Verfahren ist aus EP 1 409 199 bekannt. Statt einer Düse wird ein Werkzeug mit einem breiten Auslass verwendet. Die Beschleunigung der Abrasivmittel-Teilchen findet im Spalt zwischen dem Auslass und der Oberfläche statt.
Die bekannten Verfahren haben den Nachteil, dass die Oberflächenqualität nicht immer befriedigend ist. Die Oberflächenqualität hängt von der Rauheit und der Sauberkeit der Oberfläche ab (ISO Norm 10110). Als Rauheit wird die mittlere Abweichung der Oberflächenhöhe pro Fläche definiert. Die Sauberkeit ergibt sich aus der Anzahl der Fremdstoffe pro Fläche.
Besonders bei optischen Elementen, wo äusserste Genauigkeit gefordert wird, ist das Erreichen von guter Oberflächenqualität wichtig.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, also insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schleifen bzw. Polieren von Oberflächen mit homogenen Schleifbildern zu schaffen. Die Erfindung zielt insbesondere auf das Optimieren der Oberflächenqualität von optischen Bauteilen ab.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung und mit einem Verfahren zum Abtragen von Material beim Schleifen bzw. Polieren von Oberflächen gemäss den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Überraschend hat sich gezeigt, dass durch das Entziehen von Luft aus der Abrasiv-Flüssigkeit homogenere Schleifbilder erreicht werden können.
Die Vorrichtung zum Abtragen von Material einer Oberfläche eines Werkstücks beim Schleifen bzw. Polieren der Oberfläche mittels Abrasivmittel-Teilchen, die von einer Flüssigkeit gefördert werden, enthält eine Einrichtung zum Einstellen, insbesondere zum Entziehen, des Gasanteils aus der Flüssigkeit.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich durch Reduktion von Gaseinschlüssen in der Abrasiv-Flüssigkeit wesentlich homogenere Oberflächen mit höherer Qualität beim Schleifen oder Polieren erreichen lassen. Vor allem optische Oberflächen lassen sich auf diese Weise wesentlich verbessern.
Dieses Gas ist hauptsächlich Luft, weil Luft in natürlicher Weise in Flüssigkeiten enthalten ist. Die Erfindung bezieht sich aber auch auf andere Gase, z.B. CO₂ oder Sauerstoff, die in Flüssigkeiten gebunden, gelöst bzw. gemischt sein können.
Die Einrichtung zum Entziehen des Gases aus der Flüssigkeit kann unterschiedliche Ausführungen haben. Beispielsweise kann das Gas der Flüssigkeit entzogen werden, indem diese in Vibrationen versetzt wird. Dies kann durch eine mechanische Vibrationseinheit oder auch durch das Erzeugen von Ultraschallschwingungen in der Flüssigkeit erreicht werden.
Der Gasgehalt in der Flüssigkeit kann auch reduziert werden, indem die Flüssigkeit erwärmt wird oder indem Druck auf die Flüssigkeit ausgeübt wird. Auch eine Membranentgasung mit oder ohne Hilfe eines Unterdrucks kann eingesetzt werden. Bei einer Membranentgasung wird das Gas der Flüssigkeit durch eine Membran entzogen, welche gas- aber nicht flüssigkeitsdurchlässig ist. Membranentgasungen werden beispielsweise in der Turbinenindustrie oder beim Tintenstrahl-Druckverfahren eingesetzt.
Ebenfalls vorteilhaft kann chemisches Entgasen sein, z.B. durch Anregen einer chemischen Reaktion mit dem in der Flüssigkeit gebundenen Gas. Weitere Möglichkeiten zum Entziehen von Gas aus der Förderflüssigkeit sind dem Fachmann bekannt und ebenfalls im Rahmen der Erfindung anwendbar.
All diese Möglichkeiten können beliebig miteinander kombiniert werden. Es ist vorteilhaft, mehrere Einrichtungen zum Entziehen des Gases aus der Flüssigkeit zu verwenden, um einen möglichst vollständigen Entzug zu erreichen. Dadurch findet das Schleifen bzw. Polieren homogener statt und die Oberflächenqualität wird besser.
Die Einrichtungen zum Entziehen des Gases können an verschiedenen Orten der Vorrichtung eingesetzt werden. Bevorzugt findet das Entziehen des Gases in oder an einem Vorratstank für die Flüssigkeit statt. Die Einrichtung zum Entziehen von Gas kann aber auch in oder an einer Förderpumpe oder Förderleitung für das Fördern des Gases angeordnet oder damit verbunden und als separates Element angeordnet sein.
Das Gas wird vorzugsweise so weit entzogen, dass der Gasanteil in der Abrasiv-Flüssigkeit auf unter 5%, vorzugsweise unter 1% des Volumens reduziert wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist bevorzugt zum Erzeugen eines Förderdrucks von weniger als 100 bar, besonders bevorzugt von weniger als 50 bar oder sogar weniger als 20 bar ausgelegt. Im Vergleich zu Hochdruck-Anordnungen wird so beim Fördern Energie gespart, was sich sowohl ökonomisch als auch ökologisch günstig auswirkt. Eine Reduktion des Förderdrucks lässt sich durch entsprechende, geeignete Anordnungen zum Beschleunigen der Abrasiv-Flüssigkeit erzielen. So kann beispielsweise eine Anordnung zum Beschleunigen der Abrasiv-Flüssigkeit vorgesehen werden, in welcher die Abrasiv-Flüssigkeit vorteilhaft auf eine Geschwindigkeit von über 20 m/s beschleunigt wird. Dadurch erhalten die Abrasivmittel-Teilchen die notwendige Energie, damit Material abgetragen wird. Die Energie der Teilchen wächst quadratisch mit der Geschwindigkeit des Strahls an. Die Aufprallenergie der Abrasivmittel-Teilchen ist aufgrund des Gasentzugs homogener.
Die Beschleunigungsanordnung kann beispielsweise eine oder mehrere Düsen aufweisen.
Die Anordnung zum Beschleunigen der Abrasiv-Flüssigkeit kann auch eine Anordnung zum Einstellen des Abstands zwischen mindestens einer Austrittsöffnung der Flüssigkeit und der Oberfläche enthalten. Die Beschleunigung ist dann zwischen der mindestens einen Austrittsöffnung und der Oberfläche in Abhängigkeit des Querschnitts einer Flüssigkeitszufuhr-Öffnung und dem Querschnitt des Spalts zwischen der Oberfläche und der mindestens einen Austrittsöffnung einstellbar. Je kleiner der Spalt im Vergleich zum Querschnitt der Flüssigkeitszufuhr-Öffnung ist, desto stärker ist die Beschleunigung der Abrasiv-Flüssigkeit. Beispielsweise könnte die Anordnung gemäss EP 1 409 199 gestaltet sein.
Die Abrasivmittel-Teilchen haben vorzugsweise einen durchschnittlichen Korndurchmesser von unter 50 µm, vorzugsweise 1 bis 10 µm. Die Korngrösse variiert aber je nach Anwendung.
Die Förderflüssigkeit ist bevorzugt vorwiegend Wasser. Andere bekannte Flüssigkeiten liegen aber ebenfalls im Rahmen der Erfindung. Beispielsweise könnten Flüssigkeiten auf Öl- oder Alkoholbasis verwendet werden.
Weiter ist es denkbar, eine Anordnung zum Regeln des Gasentzugs vorzusehen. Beispielsweise könnte der Gasanteil in der Flüssigkeit laufend gemessen und die Intensität des Gasentzugs dementsprechend eingestellt werden. Der Gasanteil in der Flüssigkeit kann beispielsweise über die Viskosität der Flüssigkeit bestimmt werden.
Beim Verfahren zum Abtragen von Material einer Oberfläche eines Werkstücks zum Schleifen bzw. Polieren der Oberfläche mit Abrasivmittel-Teilchen, die von einer Flüssigkeit gefördert werden, wird die Oberflächenbeschaffenheit durch den Entzug von Gas aus der Abrasiv-Flüssigkeit verbessert. Üblicherweise ist das Gas Luft, aber auch andere Gase sind denkbar.
Es ist ein Vorteil des Verfahrens, dass die Oberflächenqualität eines Werkstücks auf einfache Weise deutlich verbessert werden kann. Insbesondere im Bereich der Optik sind äusserst glatte und saubere Oberflächen von grösster Wichtigkeit. Die Oberflächenqualität kann ausserdem ohne wesentlichen zusätzlichen Kostenaufwand verbessert werden.
Besonders vorteilhaft wird das Gas in der Flüssigkeit auf einen Anteil von unter 5%, vorzugsweise unter 1% des Volumens reduziert.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform, und
Figur 2: eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.

In einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung 1 wird das Werkstück 2 mit einer Halterung 8 in einem geschlossenen Behälter 11 gehalten. Die Halterung 8 ist entlang einer horizontalen Achse verschiebbar und um eine vertikale Achse drehbar. Dies ist mit den Pfeilen B angedeutet.
Die Oberfläche S, welche geschliffen und poliert werden soll, befindet sich auf der Oberseite des Werkstücks 2.
In einem Flüssigkeitstank 12 befindet sich die Flüssigkeit 3, in diesem Beispiel Wasser. Dem Wasser 3 sind Abrasivmittel-Teilchen 5 in einer Konzentration von 10 % des Gewichts zugegeben. Als Abrasivmittel-Teilchen 5 werden Teilchen aus Silizium-Karbid mit einer durchschnittlichen Korngrösse von 7 µm eingesetzt. Die Abrasiv-Flüssigkeit 3 wird mit einer Pumpe 7 in Richtung der Pfeile 6 durch die Förderleitung 10 gefördert. Der Förderdruck beträgt 12 bar.
Die Förderleitung 10 führt in den Innenraum des Behälters 11. Dort wird das Wasser 3 in einer mit einer Düse 9 auf ca. 40 m/s beschleunigt. Die Düse 9 ist auf die Oberfläche S gerichtet, die mit der Haltevorrichtung 8 darunter bewegt wird.
Das verwendete Wasser 3 wird über einen Abfluss 13 wieder in den Tank 12 geführt. Die Abrasivmittel-Teilchen 5 befinden sich also in einem geschlossenen Kreislauf, welcher mit den Pfeilen 6 angedeutet ist. Dadurch wird der Materialverbrauch wesentlich reduziert.
Damit das Wasser 3 möglichst wenig Gaseinschlüsse, insbesondere Luft, aufweist, wird es mit einer Heizung 4 erwärmt. Da die Löslichkeit von Luft im Wasser mit zunehmender Temperatur sinkt, bilden sich Luftbläschen, die aufsteigen und das Wasser verlassen. Geeignet ist eine Wassertemperatur von 70 °C. Wenn empfindliche Werkstücke, z.B. optische Werkstücke aus Glas, bearbeitet werden, wird das Wasser vorteilhaft vor der Düse 9 wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Dadurch werden Spannungen im Werkstück vermieden, die zu Verformungen oder Rissen führen könnten. Zum Abkühlen wird beispielsweise ein Kühlelement, das mit einer durchlaufenden Kühlflüssigkeit gekühlt wird, um die Leitung 10 gelegt.
Eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung 1 ist in Figur 2 dargestellt. Wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 befindet sich die Abrasiv-Flüssigkeit 3 auch bei dieser Ausführungsform in einem geschlossenen Kreislauf, der durch die Pfeile 6 angedeutet ist. Die verwendete Flüssigkeit 3 ist wiederum Wasser.
Zur Beschleunigung des Wassers 3 auf die Oberfläche S des Werkstücks 2 wird in diesem Beispiel keine Düse 9 (Figur 1) verwendet. Statt dessen tritt die Abrasiv-Flüssigkeit 3 durch einen Förderkopf 14 aus. Die Beschleunigung des Wassers 3 findet im Spalt 15 statt, der zwischen dem Kopf 14 und der Oberfläche S gebildet wird. Zur Regulierung des Spalts 15 ist die Haltevorrichtung 8 wie mit den Pfeilen B angedeutet auch in eine vertikale Richtung verschiebbar. Die Beschleunigung ist umso grösser, je kleiner die Fläche des Spalts im Vergleich zur Querschnittsfläche der Förderleitung 10 ist. Das Verhältnis der Querschnittsfläche der Förderleitung zur Fläche des Spalts beträgt in diesem Beispiel 10 : 1.
Zum Entziehen von Gas aus dem Wasser 3 werden im Tank 12 Ultraschall-Wellen 17 erzeugt. Die Ultraschall-Quellen 16 sind an den Innenwänden des Tanks 12 befestigt. Das Gas wird durch die Ultraschall-Wellen 17 aus dem Wasser 3 verdrängt. Je nach Bauart wäre es auch möglich, die Quellen 16 auf der Aussenseite des Tanks 12 zu befestigen. Dann würden der gesamte Tank 12 in Ultraschall-Schwingungen versetzt werden.
Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen der Erfindung realisierbar. Die hier erwähnten Beispiele dienen nur zur Erläuterung und haben keine einschränkende Wirkung.
Die Luft lässt sich auch entziehen, wenn z.B. Ultraschall-Sender 16 mit der Leitung 10 oder der Pumpe 7 verbunden sind. Dann muss in der Leitung 10 eine Öffnung zum Entzug der vom Wasser getrennten Luft vorgesehen sein.
Auch durch Beigabe von Chemikalien in den Tank 12 lässt sich das Wasser entgasen. Da viele chemische Reaktionen bevorzugt bei erhöhter Temperatur stattfinden, ist die Beigabe insbesondere in einer Anordnung nach Figur 1 sinnvoll. Mit der Heizung 4 wird das Wasser auf eine Temperatur von 70 °C gebracht. Der Gesamtgehalt an Luft im Wasser kann somit auf ca. l % des Gesamtvolumens reduziert werden.

Claims

Vorrichtung (1) zum Abtragen von Material einer Oberfläche (S) eines Werkstücks (2) beim Schleifen und/oder Polieren der Oberfläche (S) mittels Abrasivmittel-Teilchen (5), die von einer Flüssigkeit (3) gefördert werden,
mit einer Anordnung (9; 14, 15) zum Beschleunigen eines Abrasiv-Flüssigkeits-Strahls (3) auf die Oberfläche (s), gekennzeichnet durch eine Einrichtung (4; 16, 17) zum Einstellen des Gasanteils in der Flüssigkeit (3), insbesondere Entziehen von Gas (4), insbesondere Luft, aus der Flüssigkeit (3).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4; 16, 17) zum Entziehen des Gases (4) aus der Flüssigkeit (3) mit einem Tank (12) für die Flüssigkeit (3), mit einer Pumpe (7) zum Fördern der Flüssigkeit (3) und/oder mit einer Förderleitung (10) für die Flüssigkeit (3) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4; 16, 17) zum Entziehen von Gas (4) eine Vibrationseinrichtung (16, 17), eine Pumpanordnung, eine Erwärmungsanordnung (4) und/oder chemische Mittel umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zum Erzeugen eines Förderdrucks von weniger als 100 bar, vorzugsweise weniger als 50 bar, ausgelegt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrasiv-Flüssigkeit (3) auf eine Geschwindigkeit von über 20 m/s beschleunigbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (9; 14, 15) zum Beschleunigen mindestens eine Düse (9) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (9; 14, 16) zum Beschleunigen des Abrasiv-Flüssigkeits-Strahls (3) eine Anordnung (B) zum Einstellen des Abstands zwischen mindestens einer Austrittsöffnung (14) der Flüssigkeit (3) und der Oberfläche (S) enthält und die Beschleunigung zwischen der mindestens einen Austrittsöffnung (14) und der Oberfläche (S) in Abhängigkeit von Querschnitt einer Flüssigkeitszufuhr-Öffnung und dem Querschnitt des Spalts (15) zwischen der Oberfläche und der mindestens einen Austrittsöffnung (14) einstellbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Verwendung von Abrasivmittel-Teilchen (5) mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 5 bis 50 µm ausgelegt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (3) vorwiegend Wasser ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zum Entziehen des Gases (4) auf einen Gasgehalt von unter 5%, vorzugsweise unter 1% des Volumens ausgelegt ist.
Verfahren zum Abtragen von Material einer Oberfläche (S) eines Werkstücks (2) zum Schleifen und/oder Polieren der Oberfläche (S) mit Abrasivmittel-Teilchen (5), die von einem Flüssigkeitsstrahl (3) gefördert werden, welcher auf die Oberfläche (S) beschleunigt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gasanteil in der Flüssigkeit eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abrasiv-Flüssigkeit (3) Gas (4), insbesondere Luft, entzogen wird und/oder dass eine Flüssigkeit (3) mit einem reduzierten Gasanteil verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (4) auf einen Anteil von unter 5%, vorzugsweise unter 1% des Volumens reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit Abrasivmittel-Teilchen (5) mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 5 bis 50 µm die Oberfläche (S) geschliffen und/oder poliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderdruck der Abrasiv-Flüssigkeit (3) zum Schleifen und/oder Polieren bei unter 100 bar, vorzugsweise unter 50 bar, konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit (4) vorwiegend Wasser verwendet wird.
Verwendung einer Flüssigkeit (3) mit reduziertem Gasanteil, insbesondere mit einem Gasanteil von unter 5%, besonders vorteilhaft unter 1% des Volumens, als Abrasiv-Flüssigkeits-Strahl (3) mit Abrasivmittel-Teilchen (5), welcher auf eine Oberfläche (S) eines Werkstücks (2) beschleunigt wird,
zur Erhöhung der Oberflächenqualität des Werkstücks (2).