EP1618993A1 - Vorrichtung zum Abtragen von Material, Verwendung von Gaseinschlüssen in einer Abrasiv-Flüssigkeit und Verfahren zum Schleifen und/oder Polieren von Oberflächen - Google Patents

Vorrichtung zum Abtragen von Material, Verwendung von Gaseinschlüssen in einer Abrasiv-Flüssigkeit und Verfahren zum Schleifen und/oder Polieren von Oberflächen Download PDF

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EP1618993A1
EP1618993A1 EP04017335A EP04017335A EP1618993A1 EP 1618993 A1 EP1618993 A1 EP 1618993A1 EP 04017335 A EP04017335 A EP 04017335A EP 04017335 A EP04017335 A EP 04017335A EP 1618993 A1 EP1618993 A1 EP 1618993A1
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EP
European Patent Office
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liquid
gas
abrasive
grinding
polishing
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EP04017335A
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English (en)
French (fr)
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EP1618993B1 (de
EP1618993B9 (de
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Oliver Dr. Fähnle
Torsten Wons
Wilhelmus Messelink
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Fisba Optik AG
Original Assignee
Fisba Optik AG
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Publication date
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Priority to US11/186,802 priority patent/US20060019580A1/en
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C7/00—Equipment for feeding abrasive material; Controlling the flowability, constitution, or other physical characteristics of abrasive blasts
    • B24C7/0084—Equipment for feeding abrasive material; Controlling the flowability, constitution, or other physical characteristics of abrasive blasts the abrasive material being fed in a mixture of liquid and gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/04—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for treating only selected parts of a surface, e.g. for carving stone or glass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
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    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/08—Methods 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B24C11/00—Selection of abrasive materials or additives for abrasive blasts
    • B24C11/005—Selection of abrasive materials or additives for abrasive blasts of additives, e.g. anti-corrosive or disinfecting agents in solid, liquid or gaseous form
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C7/00—Equipment for feeding abrasive material; Controlling the flowability, constitution, or other physical characteristics of abrasive blasts
    • B24C7/0007—Equipment for feeding abrasive material; Controlling the flowability, constitution, or other physical characteristics of abrasive blasts the abrasive material being fed in a liquid carrier

Definitions

  • the invention relates to a device for removing material, the use of gas inclusions in an abrasive liquid and a method for removing material during the grinding and / or polishing of surfaces of workpieces according to the features of the independent claims.
  • the removal rate of the surface depends on the size of the abrasive particles in the jet. On the other hand, it depends on the energy and thereby the speed of the particles at the time when they hit the surface.
  • the removal rate is considered to be the removal of material per time.
  • a method for grinding and a nozzle for accelerating the abrasive liquid are known.
  • the abrasive liquid is conveyed under high pressure into the nozzle and accelerated from there to the surface.
  • the acceleration takes place on the one hand in the nozzle, on the other hand in the gap between the nozzle and the workpiece to be machined.
  • the removal rate should be set individually as simply as possible.
  • This object is achieved with a device, with the use of gas inclusions in the abrasive liquid and with a method for removing material during grinding and / or polishing of surfaces according to the independent patent claims. It has surprisingly been found that with increasing proportion of gas with the same size of the abrasive grain and the same process parameters (for example delivery pressure), the removal rate is increased. Therefore, when the device is provided with means for adjusting the gas content in the liquid, the rate of removal can be easily controlled or changed. Thanks to the present invention, it is possible to achieve high removal rates with relatively small grain sizes. By setting a high proportion of gas, the removal rate is increased without the need to use larger abrasive grain.
  • the removal rate and also the transition from coarse grinding to fine grinding and polishing can be varied continuously.
  • the grain size of the abrasive grains and the delivery pressure of the abrasive liquid for coarse and fine grinding and for polishing can be the same.
  • the removal rate is easily controlled and changed as needed. It can be worked with the same delivery pressure and with the same abrasive grain. The change from one grain size to another and the associated cleaning of the machine is eliminated.
  • the device for removing material from a surface of a workpiece when grinding or polishing the surface by means of abrasive particles which are conveyed by a liquid preferably contains a device for adding gas to the liquid.
  • This gas is preferably air because air is inexpensive and does not pollute the environment.
  • gases or gas mixtures for example argon, helium, nitrogen, CO 2 or oxygen, but can also be used and are not excluded from the invention.
  • the gas can be contained either in the form of gas bubbles or in dissolved or bound form in the liquid.
  • the present invention has the advantage that with a device as needed a workpiece can be both ground and polished.
  • Expensive and procedurally delicate steps such as cleaning the workpiece or the device or the transport of the workpiece from one device to another thus eliminated.
  • the advantages of the present invention are particularly advantageous in the grinding and polishing of high precision parts, e.g. Parts of optics or medical technology. Due to the broad applicability of the device and the method, both spherical and aspherical shapes can be precisely ground and polished.
  • the device for adding the gas to the liquid comprises an arrangement for adjusting the amount of added gas. It is advantageous if the amount of gas supplied is continuously variable. This can be used e.g. increase the removal rate by increasing the amount of gas. Reducing the amount of gas leads to smaller removal. Preferably, finely polished surfaces can be achieved by complete removal of gas.
  • the device for adding the gas to the liquid can be arranged, for example, in a tank for the liquid be. It is also conceivable to install the device in a pump for conveying the liquid or in a conveying line for the liquid. Combinations thereof for more efficient and controlled addition of the gas are advantageous.
  • the gas can be added with a propeller in the tank, for example. Furthermore, a pressure connection to the line, the tank or the pump can be provided. Moreover, it is also possible to chemically oxidize the gas, e.g. to be enclosed with tablets. For example, in the form of effervescent tablets, a chemical substance pressed in tablet form can be added to the water, which reacts on contact with water and gives off gaseous reaction products. It is also conceivable to add gas to the water electrolytically or to generate gas electrolytically in the water. By applying a voltage in the abrasive liquid, e.g. Water molecules in the grinding fluid to be separated into hydrogen and oxygen. Combinations of the abovementioned possibilities as well as other possibilities known to the person skilled in the art are likewise encompassed by the invention.
  • a voltage in the abrasive liquid e.g. Water molecules in the grinding fluid to be separated into hydrogen and oxygen.
  • the gas content is controlled and adjusted according to the invention. Typically, the amount of gas (in volume percent) is adjusted to desired levels. In this case, the gas can either be dissolved or bound in the liquid or present in the form of bubbles therein.
  • the mixing ratio can be determined by the viscosity of the abrasive fluid. ever the greater the proportion of gas in the liquid, the lower the viscosity.
  • the bubble size may be e.g. be determined optically. In order to have a favorable influence on the removal rate, it is advantageous if the resulting gas bubbles are larger than the abrasive particles.
  • the measurement preferably takes place between a pump for the abrasive fluid and an outlet port for the fluid.
  • the gas content in the liquid controls the removal rate at the surface of the workpiece.
  • the removal rate depends on the impact energy of the abrasive particles.
  • the transition from grinding to polishing surfaces can be directly controlled by the gas content in the abrasive fluid.
  • the transition from grinding to polishing can at the same time correspond to a transition from brittle to ductile removal of material from the surface. (See, for example, Appl. Opt. 37, pp. 6771-6773 (1998))
  • the removal rate is increased by the gas content in the liquid, because the gas inclusions are more compressible on impact than the liquid itself.
  • the abrasive particles are thus braked faster than the impact of the liquid just before the impact.
  • particles that are in a gas bubble are less strongly cooled when hitting the surface than particles that are surrounded by liquid. It is believed that the increased temperature increases the likelihood of cracks forming. As a result, the removal rate is increased, because in the brittle removal of material the erosion is preceded by cracking on the surface.
  • the viscosity of the abrasive liquid decreases.
  • the abrasive fluid is thereby accelerated more. This acceleration increases the impact energy of the abrasive particles.
  • the device according to the invention is preferably designed to generate a delivery pressure of less than 100 bar, particularly preferably less than 50 or even less than 20 bar.
  • a gas when a gas is added to the liquid, the impact energy of the abrasive particles can be increased. This allows a reduction of the delivery pressure with the same removal rate. Compared to high-pressure arrangements, energy is thus saved during conveying, which has economic and ecological advantages.
  • a further reduction of the delivery pressure can also be achieved by appropriate, suitable arrangements for accelerating the abrasive fluid. So, for example an arrangement for accelerating the abrasive liquid are provided, in which the abrasive liquid is advantageously accelerated to a speed of about 20 m / s. As a result, the abrasive particles receive the necessary energy, so that material is removed. The energy of the particles grows quadratically with the speed of the beam.
  • the acceleration arrangement can have, for example, one or more nozzles.
  • the arrangement for accelerating the abrasive liquid may also include an arrangement for adjusting the distance between at least one exit opening of the liquid and the surface.
  • the acceleration is then adjustable between the at least one outlet opening and the surface as a function of the cross section of a liquid feed opening and the cross section of the gap between the surface and the at least one outlet opening.
  • the arrangement according to EP 1 409 199 could be designed.
  • the abrasive particles preferably have an average grain diameter of less than 50 microns, preferably 1 to 10 microns ..
  • the grain size varies but depending on the application. The finer the surface to be polished, the finer abrasive particles are used.
  • the delivery liquid is preferably predominantly water.
  • other known liquids are also within the scope of the invention.
  • Other liquids e.g. oil or alcohol based may also be suitable.
  • gas inclusions of a conveying fluid for abrasive particles for influencing the removal rate when removing material of a surface of a workpiece during grinding or polishing of the surface is also within the scope of the invention.
  • the gas is preferably air.
  • the rate of removal is influenced by the adjustment of the gas content in the conveying liquid, in particular by adding a gas to the abrasive liquid ,
  • the gas is air, but other gases are not excluded from the invention.
  • the abrasive liquid is added gas from 0 to 70% of the total volume.
  • the greater the amount of added gas the greater the removal rate.
  • To polish the surface little or no gas is added, since during polishing a low removal rate is desired.
  • the reduction of the gas supply is continuous.
  • the transition from grinding to polishing is not discrete.
  • the delivery pressure of the abrasive liquid for grinding and polishing at less than 100 bar, advantageously below 50 bar, particularly advantageously below 20 bar, kept constant. This simplifies the process because the delivery pressure of the liquid does not have to be changed if the removal rate is to be varied.
  • a workpiece 2 is located on a holder 10 in a closed container 11.
  • the surface S which is to be ground and polished, is located on the upper side of the workpiece 2.
  • the holder 10 is displaceable along a longitudinal axis and rotatable about a vertical axis. The movement of the holder 10 is indicated by the arrows B.
  • a liquid tank 12 In a liquid tank 12 is a liquid 3, in this example water. To the water 3 are added abrasive particles 5 in a concentration of 10% by weight. There are used abrasive particles 5 of silicon carbide with a particle size of 7 microns in diameter. The abrasive liquid 3 is conveyed by a pump 7 in the direction of the arrows 6 through the delivery line 14. The delivery pressure is 12 bar.
  • the removal of material takes place at room temperature, ie at about 21 ° C instead. Due to the mechanical stress, the abrasive fluid can heat up to approx. 25 ° C, which does not affect the removal rate negatively.
  • the delivery line 14 leads into the interior of the container 11. There, the water 3 is accelerated with a nozzle 9 to about 40 m / s. The nozzle 9 is directed to the surface S, which is moved with the holding device 10 below.
  • a pressure tank 13 In a pressure tank 13 is air 4, which can be introduced via a connecting line 16 in the water 3.
  • the air supply is varied via a valve 8. The greater the desired removal rate, the more air 4 is added to the water 3.
  • the maximum air content in the water 3 is 70% of the total volume.
  • the pressure in the tank 13 is 250 bar.
  • the air 4 is supplied at a pressure of 14 to 50 bar. It is essential here that the supply pressure of the air is greater than the delivery pressure of the water. For polishing, the air supply is prevented or at least reduced.
  • the used water 3 is fed via a drain 15 back into the tank 12.
  • the abrasive particles 5 are thus in a closed circuit, which is indicated by the arrows 6.
  • the material consumption is kept as low as possible.
  • the air supply is calibrated on a reference workpiece (not shown).
  • the removal rate can then be adjusted as needed on the workpiece 2 due to this calibration.
  • FIG. 1 An alternative embodiment of the device 1 according to the invention is shown in FIG.
  • the abrasive liquid 3 is also in this embodiment in a closed circuit, which is indicated by the arrows 6.
  • the liquid 3 used is again water.
  • the abrasive liquid 3 exits through a delivery head 17.
  • the acceleration of the water 3 takes place in the gap 18, which is formed between the head 17 and the surface S.
  • the holding device 8 as indicated by the arrows B also displaceable in a vertical direction. The acceleration is greater the smaller the area of the gap compared to the cross-sectional area of the delivery line 14.
  • the ratio of the cross-sectional area of the delivery line to the area of the gap is 10: 1 in this example.
  • the removal rate is controlled by the supply of air 4 in the water 3 in the tank itself.
  • Air 4 is located in the tank 12 above the water 3 and is stirred with a propeller 19 under the water 3.
  • the propeller 19 is driven by an electric motor M. The speed of the motor M determines the amount of air 4 supplied. Since the water 3 is used in a closed circuit, the level of the water 3 is relatively constant. The propeller 19 is large enough in comparison to the water tank 12 that fluctuations in the water level do not adversely affect the amount of air supplied.
  • FIG. 3 shows a device analogous to FIG. 1.
  • a device for reducing the air content in the water 3 in the tank 12 is provided.
  • the gas content of water may vary due to environmental parameters. In certain cases, it may be desirable or necessary to reduce the gas content to achieve the desired removal rate. This can be the case, for example, if the surface is to be polished particularly finely.
  • 3 ultrasound transmitters 20 are mounted in the tank 12 to reduce the air content in the water. These send out ultrasonic waves 21, which displace the air inclusions in the water 3.
  • ultrasonic waves 21 which displace the air inclusions in the water 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Abtragen von Material einer Oberfläche (S) eines Werkstücks beim Schleifen und/oder Polieren der Oberfläche mittels Abrasivmittel-Teilchen (5), die von einer Flüssigkeit (3) gefördert werden. Die Vorrichtung enthält eine Einrichtung (8,13,16,19,M) zum Einstellen des Gasgehalts in der Flüssigkeit, insbesondere zum Beifügen von Gas (4), insbesondere Luft, zur Flüssigkeit (3).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtragen von Material, die Verwendung von Gaseinschlüssen in einer Abrasiv-Flüssigkeit und ein Verfahren zum Abtragen von Material beim Schleifen und/oder Polieren von Oberflächen von Werkstücken gemäss den Merkmalen der 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 der Oberfläche hängt einerseits von der Grösse der Abrasivmittel-Teilchen im Strahl ab. Andererseits hängt sie von der Energie und dadurch von der Geschwindigkeit der Partikel zum Zeitpunkt ab, wenn sie auf die Oberfläche prallen. Als Abtragrate wird das der Materialabtrag pro Zeit betrachtet.
  • 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 zu bearbeitenden 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.
  • Diese bekannten Verfahren haben Nachteil, dass beim stark abtragenden Bearbeiten, insbesondere Schleifen, gröbere Abrasivmittel-Teilchen verwendet werden müssen als zum Feinschleifen und Polieren. Durch die gröberen Teilchen entstehen auch gröbere Schleifspuren, die anschliessend mit dem feineren Korn geglättet werden müssen. Der Übergang von Schleifen zu Polieren kann auch nicht kontinuierlich erfolgen. Zwischen Schleifen und Feinschleifen/Polieren muss das Schleifmittel gewechselt werden.
  • Die Verwendung von unterschiedlich groben Teilchen erfordert eine äusserst gründliche Reinigung des Geräts und des Werkstücks, wenn feiner geschliffen oder poliert werden soll. Falls beim Feinschleifen oder Polieren noch gröbere Teilchen vorhanden sind, führen diese zu tiefen Kratzspuren, die das gesamte Werkstück unbrauchbar machen können.
  • Oft werden für das Schleifen und für das Polieren unterschiedliche Geräte verwendet. Diese Geräte können beispielsweise mit unterschiedlichem Druck arbeiten. Dies erhöht die Beschaffungs- bzw. Herstellungskosten. Ausserdem muss das Werkstück während dem Bearbeitungsvorgang transportiert werden. Dies wiederum erhöht die Arbeitszeit und die Herstellungskosten. Dabei können ausserdem Verunreinigungen entstehen oder das Werkstück kann beschädigt werden,
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, also insbesondere eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Schleifen und/oder Polieren von Oberflächen zu schaffen bei dem ein Wechsel zwischen Schleifen und Polieren auf einfache Art und Weise erfolgen kann. Insbesondere soll die Abtragrate auf möglichst einfache Weise individuell eingestellt werden.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung, mit der Verwendung von Gaseinschlüssen in der Abrasiv-Flüssigkeit und mit einem Verfahren zum Abtragen von Material beim Schleifen und/oder Polieren von Oberflächen gemäss den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Es hat sich überraschend gezeigt, dass mit steigendem Gasanteil bei gleicher Grösse des Schleifkorns und gleichen Prozessparametern (z.B. Förderdruck) die Abtragrate erhöht wird. Wenn die Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Einstellen des Gasanteils in der Flüssigkeit versehen ist, lässt sich daher die Abtragrate auf einfache Weise kontrollieren oder ändern. Dank der vorliegenden Erfindung ist es möglich, mit relativ kleinen Korngrössen grosse Abtragraten zu erzielen. Durch das Einstellen eines hohen Gasanteils wird die Abtragrate erhöht, ohne dass grösseres Schleifkorn eingesetzt werden muss.
  • Vorteilhaft lässt sich dabei auch die Abtragrate und auch der Übergang von grobem Schleifen zum Feinschleifen und zum Polieren kontinuierlich variieren. Auch lässt sich die Korngrösse der Schleifkörner und der Förderdruck der Abrasiv-Flüssigkeit für grobes und feines Schleifen sowie für das Polieren gleich halten. Durch die Einstellung des Gasanteils in der Flüssigkeit wird die Abtragrate auf einfache Art und Weise kontrolliert und nach Bedarf geändert. Dabei kann mit gleichem Förderdruck und mit gleichem Schleifkorn gearbeitet werden. Der Wechsel von einer Korngrösse zur anderen und die damit verbundene Reinigung der Maschine entfällt.
  • 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 dazu bevorzugt eine Einrichtung zum Beimengen von Gas zur Flüssigkeit.
  • Dieses Gas ist vorzugsweise Luft, weil Luft kostengünstig ist und die Umwelt nicht belastet. Andere Gase bzw. Gasmischungen, z.B. Argon, Helium, Stickstoff, CO2 oder Sauerstoff, können aber ebenfalls verwendet werden und sind von der Erfindung nicht ausgenommen. Das Gas kann entweder in Form von Gasbläschen oder in gelöster bzw. gebundener Form in der Flüssigkeit enthalten sein.
  • Die vorliegende Erfindung bringt den Vorteil, dass mit einer Vorrichtung je nach Bedarf ein Werkstück sowohl geschliffen als auch poliert werden kann. Je mehr Gas die Abrasiv-Flüssigkeit enthält, desto grösser ist die Abtragrate. Teure und verfahrenstechnisch heikle Schritte wie das Reinigen des Werkstücks oder des Geräts oder der Transport des Werkstücks von einem Gerät zu einem anderen entfallen somit.
  • Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besonders vorteilhaft beim Schleifen und Polieren von Hochpräzisions-Teilen, wie z.B. Teilen aus der Optik oder Medizinaltechnik. Durch die breite Einsetzbarkeit der Vorrichtung und des Verfahrens können sowohl sphärische als auch asphärische Formen exakt geschliffen und poliert werden.
  • Es ist vorteilhaft wenn die Einrichtung zum Beimengen des Gases zur Flüssigkeit eine Anordnung zum Einstellen der Menge des zugefügten Gases umfasst. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Menge des zugeführten Gases kontinuierlich variierbar ist. Damit lässt sich z.B. die Abtragrate durch Erhöhen der Gasmenge erhöhen. Reduzieren der Gasmenge führt zu kleinerem Abtrag. Vorzugsweise lassen sich durch vollständigen Gasentzug fein polierte Oberflächen erreichen.
  • Die Einrichtung zum Beimengen des Gases zur Flüssigkeit kann beispielsweise in einem Tank für die Flüssigkeit angeordnet sein. Ebenfalls denkbar ist es, die Einrichtung in einer Pumpe zum Fördern der Flüssigkeit oder in einer Förderleitung für die Flüssigkeit anzubringen. Kombinationen davon zum effizienteren und kontrollierteren Beifügen des Gases sind vorteilhaft.
  • Das Gas kann zum Beispiel mit einem Propeller im Tank beigefügt werden. Weiter kann ein Druckanschluss an die Leitung, den Tank oder die Pumpe vorgesehen sein. Ausserdem ist es auch möglich, das Gas chemisch, z.B. mit Tabletten beizufügen. Beispielsweise kann in der Art von Brausetabletten ein in Tablettenform gepresster chemischer Stoff dem Wasser beigefügt werden, der bei Kontakt mit Wasser reagiert und gasförmige Reaktionsprodukte abgibt. Es ist auch denkbar, dem Wasser elektrolytisch Gas beizufügen bzw. Gas elektrolytisch im Wasser zu erzeugen. Durch Anlegen einer Spannung in der Abrasiv-Flüssigkeit können z.B. Wassermoleküle in der Schleifflüssigkeit zu Wasserstoff und Sauerstoff getrennt werden. Kombinationen der genannten Möglichkeiten sowie weitere, dem Fachmann bekannte Möglichkeiten sind von der Erfindung ebenfalls umfasst.
  • Der Gasgehalt wird erfindungsgemäss kontrolliert und eingestellt. Typischerweise wird die Gasmenge (in Volumenprozent) auf gewünschte Werte eingestellt. Dabei kann das Gas entweder in der Flüssigkeit gelöst bzw. gebunden sein oder in Form von Blasen darin vorliegen.
  • Es kann auch eine Regelanordnung zum Regeln des Gasgehalts eingesetzt werden. Dabei wird der Gasanteil in der Flüssigkeit laufend gemessen und abhängig von dieser Messung eingestellt.
  • Wenn das Gas gelöst bzw. gebunden ist, kann das Mischverhältnis über die Viskosität der Abrasiv-Flüssigkeit bestimmt werden. Je grösser der Gasanteil in der Flüssigkeit ist, desto geringer wird die Viskosität.
  • Wenn das Gas in Blasen vorliegt, kann die Blasengrösse z.B. optisch bestimmt werden. Damit die Abtragrate günstig beeinflusst wird, ist es vorteilhaft, wenn die entstehenden Gasblasen grösser sind als die Abrasivmittel-Teilchen.
  • In beiden Fällen findet die Messung vorzugsweise zwischen einer Pumpe für die Abrasiv-Flüssigkeit und einer Austritts-Öffnung für die Flüssigkeit statt.
  • Über den Gasgehalt in der Flüssigkeit wird die Abtragrate an der Oberfläche des Werkstücks kontrolliert. Je grösser der Gasanteil in der Abrasiv-Flüssigkeit ist, desto grösser ist auch die Abtragrate.
  • Die Abtragrate hängt von der Aufprallenergie der Abrasivmittel-Teilchen ab. Der Übergang vom Schleifen zum Polieren von Oberflächen kann über den Gasanteil in der Abrasiv-Flüssigkeit direkt kontrolliert werden. Je kleiner der Gasanteil in der Abrasiv-Flüssigkeiten, desto kleiner ist die Abtragrate, und desto eher wird die Oberfläche poliert. Bei spröden Oberflächen, z.B. bei Werkstücken aus Keramik oder Glas, kann der der Übergang vom Schleifen zum Polieren zugleich einem Übergang vom spröden zum duktilen Abtragen von Material von der Oberfläche entsprechen. (Siehe z.B. Appl. Opt. 37, pp. 6771-6773 (1998))
  • Es wird angenommen, dass sich die Abtragrate durch den Gasgehalt in der Flüssigkeit erhöht, weil die Gaseinschlüsse beim Aufprall besser kompressibel sind als die Flüssigkeit selbst. Die Schleifmittelteilchen werden kurz vor dem Aufprall durch die Flüssigkeit also stärker gebremst als durch das Gas. Je grösser der Gasanteil, desto grösser ist also auch die Aufprallenergie der Abrasivmittel-Teilchen.
  • Weiter werden Teilchen, die sich in einer Gasblase befinden, beim Auftreffen auf die Oberfläche weniger stark gekühlt als Teilchen, die von Flüssigkeit umgeben sind. Es wird davon ausgegangen, dass durch die erhöhte Temperatur die Wahrscheinlichkeit steigt, dass sich Risse bilden. Dadurch wird die Abtragrate erhöht, weil beim spröden Abtragen von Material dem Abtrag eine Rissbildung auf der Oberfläche vorangeht.
  • Wenn das Gas nicht in Bläschen vorliegt sondern in der Flüssigkeit gelöst ist, sinkt die Viskosität der Abrasiv-Flüssigkeit. Bei gleichem Förderdruck wird die Abrasiv-Flüssigkeit dadurch stärker beschleunigt. Über diese grössere Beschleunigung steigt die Aufprall-Energie der Abrasivmittel-Teilchen an.
  • Es ist ausserdem möglich, dass weitere Faktoren zur erhöhten Abtragrate beitragen.
  • Die erfindungsgemäss Vorrichtung ist bevorzugt zur Erzeugen eines Förderdrucks von weniger als 100 bar, besonders bevorzugt von weniger als 50 oder sogar weniger als 20 bar ausgelegt. Wenn gemäss einem der vorstehend bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung der Flüssigkeit ein Gas beigemengt wird, kann die Aufprallenergie der Schleifmittelteilchen erhöht werden. Dies erlaubt bei gleich bleibender Abtragrate eine Reduktion des Förderdrucks. Im Vergleich zu Hochdruckanordnungen wird so beim Fördern Energie eingespart, was sich ökonomisch als auch ökologisch günstig auswirkt. Eine weitere Reduktion des Förderdrucks lässt sich auch 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 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 Kombination von mechanischen Massnahmen zur Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit und dem Beifügen von Gas zum Erhöhen der Auftreffgeschwindigkeit der Partikel auf der zu bearbeitenden Oberfläche führt auf besonders effektive Weise zu einer Reduktion des notwendigen Förderdrucks. Gleichzeitig ist aufgrund der Regulierbarkeit des Gasanteils eine individuelle Einstellung der Abtragrate möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass bei gleichen Prozessparametern und gleicher Abrasiv-Flüssigkeit durch das zuführen von Gas eine bessere Abtragrate erzielt werden kann.
  • Die Abrasivmittel-Teilchen haben vorzugsweise einen durchschnittlichen Korndurchmesser unter 50 µm, vorzugsweise 1 bis 10 µm.. Die Korngrösse variiert aber je nach Anwendung. Je feiner die Oberfläche poliert werden soll, desto feinere Abrasivmittel-Teilchen werden verwendet.
  • Falls Gasblasen erzeugt werden, sollte ihre Durchmesser grösser sein als der Durchmesser der Abrasivmittel-Teilchen
  • Die Förderflüssigkeit ist bevorzugt vorwiegend Wasser. Andere bekannte Flüssigkeiten liegen aber ebenfalls im Rahmen der Erfindung. Andere Flüssigkeiten, z.B. auf Öl- oder Alkoholbasis können ebenfalls geeignet sein.
  • Die Verwendung von Gaseinschlüssen einer Förderflüssigkeit für Abrasivmittel-Teilchen zum Beeinflussen der Abtragrate beim Abtragen von Material einer Oberfläche eines Werkstücks beim Schleifen bzw. Polieren der Oberfläche liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung. Das Gas ist vorzugsweise Luft.
  • Beim Verfahren zum Abtragen von Material einer Oberfläche eines Werkstücks zum Schleifen bzw. Polieren der Oberfläche mit Schleifmittelteilchen, die von einer Flüssigkeit gefördert werden, wird die Abtragrate durch die Einstellung des Gasanteils in der Förderflüssigkeit beeinflusst, insbesondere durch das Beimengen eines Gases zur Abrasiv-Flüssigkeit. Vorzugsweise ist das Gas Luft, andere Gase sind von der Erfindung aber nicht ausgenommen.
  • Vorzugsweise wird der Abrasiv-Flüssigkeit Gas von 0 bis 70% des Gesamtvolumens beigemengt. Je grösser die Menge des beigemengten Gases, desto grösser ist die Abtragrate. Zum Polieren der Oberfläche wird kein oder nur wenig Gas beigemengt, da beim Polieren eine geringe Abtragrate erwünscht ist.
  • Es ist durchaus denkbar, während des Abtragverfahrens die Menge und/oder Art der erzeugten Gasblasen bzw. das Mischverhältnis des gelösten oder gebundenen Gases zur Flüssigkeit zu variieren. So ist es insbesondere denkbar, in einem ersten Schritt durch Zufuhr einer grossen Gasmenge hohe Abtragraten zu erzielen und in einem zweiten Schritt während des gleichen Bearbeitungsverfahrens die Menge der Gaszufuhr zu reduzieren und so die Abtragrate zu reduzieren. In diesem Fall erfolgt in einem zweiten Schritt bei Zugabe von weniger Gas oder ohne Gaszugabe ein Polieren.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verläuft die Reduktion der Gaszufuhr kontinuierlich. Der Übergang vom Schleifen zum Polieren ist dadurch nicht diskret.
  • Vorteilhaft wird der Förderdruck der Abrasiv-Flüssigkeit zum Schleifen sowie zum Polieren bei unter 100 bar, vorteilhaft unter 50 bar, besonders vorteilhaft unter 20 bar, konstant gehalten. Dadurch vereinfacht sich das Verfahren, weil der Förderdruck der Flüssigkeit nicht verändert werden muss, wenn die Abtragrate variiert werden soll.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung,
    Figur 2
    eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung und,
    Figur 3
    eine weitere alternative Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung.
  • In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Ein Werkstück 2 befindet sich auf einer Halterung 10 in einem abgeschlossenen Behälter 11. Die Oberfläche S, welche geschliffen und poliert werden soll, befindet sich auf der Oberseite des Werkstücks 2.
  • Die Halterung 10 ist entlang einer Längsachse verschiebbar und um eine vertikale Achse drehbar. Die Bewegung der Halterung 10 ist mit den Pfeilen B angedeutet.
  • In einem Flüssigkeitstank 12 befindet sich eine Flüssigkeit 3, in diesem Beispiel Wasser. Dem Wasser 3 sind Abrasivmittel-Teilchen 5 in einer Konzentration von 10 % des Gewichts zugegeben. Es werden Abrasivmittel-Teilchen 5 aus Silizium-Karbit mit einer Korngrösse von 7 µm Durchmesser verwendet. Die Abrasiv-Flüssigkeit 3 wird mit einer Pumpe 7 in Richtung der Pfeile 6 durch die Förderleitung 14 gefördert. Der Förderdruck beträgt 12 bar.
  • Das Abtragen von Material findet bei Zimmertemperatur, d.h. bei ca. 21°C statt. Durch die mechanische Belastung kann sich die Abrasiv-Flüssigkeit auf ca. 25°C erwärmen, was die Abtragrate jedoch nicht negativ beeinflusst.
  • Die Förderleitung 14 führt in den Innenraum des Behälters 11. Dort wird das Wasser 3 mit einer Düse 9 auf ca. 40 m/s beschleunigt. Die Düse 9 ist auf die Oberfläche S gerichtet, die mit der Haltevorrichtung 10 darunter bewegt wird.
  • In einem Drucktank 13 befindet sich Luft 4, die über eine Anschlussleitung 16 in das Wasser 3 eingebracht werden kann. Die Luftzufuhr wird über ein Ventil 8 variiert. Je grösser die erwünschte Abtragrate ist, desto mehr wird Luft 4 wird dem Wasser 3 beigefügt. Der maximale Luftgehalt im Wasser 3 beträgt 70% des Gesamtvolumens. Der Druck im Tank 13 beträgt 250 bar. Zugeführt wird die Luft 4 mit einem Druck von 14 bis 50 bar. Wesentlich ist hierbei, dass der Zufuhrdruck der Luft grösser ist als der Förderdruck des Wassers. Zum Polieren wird die Luftzufuhr unterbunden oder zumindest reduziert.
  • Das verwendete Wasser 3 wird über einen Abfluss 15 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 möglichst gering gehalten.
  • Die Luftzufuhr wird an einem Referenz-Werkstück (nicht dargestellt) geeicht. Die Abtragrate kann dann aufgrund dieser Eichung beim Werkstück 2 nach Bedarf eingestellt werden.
  • 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 im Gegensatz zum Beispiel gemäss Figur 1 keine Düse verwendet. Statt dessen tritt die Abrasiv-Flüssigkeit 3 durch einen Förderkopf 17 aus. Die Beschleunigung des Wassers 3 findet im Spalt 18 statt, der zwischen dem Kopf 17 und der Oberfläche S gebildet wird. Zur Regulierung der Breite des Spalts 18 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 14 ist. Das Verhältnis der Querschnittsfläche der Förderleitung zur Fläche des Spalts beträgt in diesem Beispiel 10 : 1.
  • Die Abtragrate wird durch die Zufuhr von Luft 4 in das Wasser 3 im Tank selbst kontrolliert. Luft 4 befindet sich im Tank 12 oberhalb des Wassers 3 und wird mit einem Propeller 19 unter das Wasser 3 gerührt. Angetrieben wird der Propeller 19 durch einen Elektromotor M. Die Drehzahl des Motors M bestimmt die Menge der zugeführten Luft 4. Da das Wasser 3 in einem geschlossenen Kreislauf verwendet wird, ist der Stand des Wassers 3 relativ konstant. Der Propeller 19 ist im Vergleich zum Wassertank 12 gross genug, dass sich Schwankungen des Wasserstands nicht negativ auf die zugeführte Luftmenge auswirken.
  • Figur 3 zeigt eine Vorrichtung analog Figur 1. Zusätzlich ist aber eine Vorrichtung zum Reduzieren des Luftgehalt im Wasser 3 im Tank 12 vorgesehen. Der Gasanteil von Wasser kann aufgrund von Umgebungsparametern variieren. In gewissen Fällen kann es gewünscht oder notwendig sein, den Gasgehalt zu reduzieren, um die gewünschte Abtragrate zu erzielen. Dies kann z.B. dann der Fall sein, wenn die Oberfläche besonders fein poliert werden soll.
  • Gemäss Figur 3 sind zur Reduktion des Luftgehalts im Wasser 3 Ultraschall-Sender 20 im Tank 12 angebracht. Diese senden Ultraschall-Wellen 21 aus, welche die Lufteinschlüsse im Wasser 3 verdrängen.
    Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen der Erfindung realisierbar. Die hier erwähnten Beispiele dienen nur zur Erläuterung und haben keine einschränkende Wirkung.

Claims (21)

  1. 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, enthaltend eine Einrichtung (8,13,16; 19,M) zum Einstellen des Gasanteils in der Flüssigkeit, insbesondere zum Beimengen von Gas (4), insbesondere Luft, zur Flüssigkeit (3).
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (8,13,16; 19,M) zum Beimengen von Gas (4) eine Einstellanordnung (8; M) zum Einstellen der Menge des beigefügten Gases (4) umfasst.
  3. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (8,13,16; 19,M) zum Beimengen von Gas (4) zur Flüssigkeit (3) in oder an einem Tank (12) für die Flüssigkeit (3), in oder an einer Pumpe (7) zum Fördern der Flüssigkeit (3) und/oder in einer Förderleitung (14) für die Flüssigkeit (3) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (8, 13, 16; 19,M) zum Beimengen von Gas mit einem Druck ausgebildet ist, der grösser ist als der Förderdruck der Flüssigkeit (3).
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (8, 13, 16; 19,M) zum Beimengen von Gas zur Flüssigkeit (3) mit einem Volumenanteil von bis zu 70% gemessen am Gesamtvolumen ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Erzeugen eines Förderdrucks von weniger als 100 bar, insbesondere weniger als 50 bar, ausgelegt ist.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung (9; 17,18) zum Beschleunigen der Abrasiv-Flüssigkeit (3) vorgesehen ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrasiv-Flüssigkeit (3) auf eine Geschwindigkeit von über 20 m/s beschleunigbar ist.
  9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (9; 17,18) zum Beschleunigen mindestens eine Düse (9) aufweist.
  10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (9; 17,18) zum Beschleunigen der Abrasiv-Flüssigkeit (3) eine Anordnung (B) zum Einstellen des Abstands zwischen mindestens einer Austrittsöffnung (17) der Flüssigkeit (3) und der Oberfläche (S) enthält und die Beschleunigung zwischen der mindestens einen Austrittsöffnung (17) und der Oberfläche (S) in Abhängigkeit von Querschnitt einer Flüssigkeitszufuhr-Öffnung und dem Querschnitt des Spalts (18) zwischen der Oberfläche (S) und der mindestens einen Austrittsöffnung (17) einstellbar ist.
  11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Verwendung von Abrasivmittel-Teilchen (5) mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von unter 50 µm, vorzugsweise 1 bis 10 µm, ausgelegt ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (8, 13, 16; 19,M) zum Beimengen von Gas zum Erzeugen von Gasblasen in der Flüssigkeit (3) mit einem durchschnittlichen Durchmesser ausgelegt ist, welcher grösser ist als der durchschnittliche Korndurchmesser der Abrasivmittel-Teilchen (5).
  13. Verwendung von Gaseinschlüssen, insbesondere Lufteinschlüssen, in einer Förderflüssigkeit (3) für Abrasivmittel-Teilchen (5) zum Kontrollieren der Abtragrate Abtragen von Material einer Oberfläche (S) eines Werkstücks beim Schleifen und/oder Polieren der Oberfläche (S).
  14. Verfahren zum Abtragen von Material, insbesondere Schleifen und/oder Polieren einer Oberfläche (S) eines Werkstücks mit Abrasivmittel-Teilchen (5), die von einer Flüssigkeit (3) gefördert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasanteil in der Flüssigkeit eingestellt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeit (3) Gas (4), insbesondere Luft beigefügt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Abrasiv-Flüssigkeit (3) Gas (4) von 0 bis 70% des Volumens zugeführt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass während einem ersten Schritt zum Schleifen der Oberfläche (S) der Abrasiv-Flüssigkeit (3) Gas (4) beigemengt wird und dass in einem zweiten Schritt zum Polieren der Oberfläche der Abrasiv-Flüssigkeit kein Gas (4) beigemengt wird.
  18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mit Abrasivmittel-Teilchen (5) mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von unter 50 µm, vorzugsweise von 1 bis 10 µm die Oberfläche (S) sowohl geschliffen als auch poliert wird.
  19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderdruck der Abrasiv-Flüssigkeit (3) zum Schleifen sowie zum Polieren bei unter 100 bar, insbesondere unter 50 bar, konstant gehalten wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit (3) vorwiegend Wasser verwendet wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der Flüssigkeit (3) Gasblasen erzeugt werden, welche grösser sind als die Abrasivmittel-Teilchen (5) .
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