EP1935563A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Werkstoffbearbeitung - Google Patents

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EP1935563A1
EP1935563A1 EP07450220A EP07450220A EP1935563A1 EP 1935563 A1 EP1935563 A1 EP 1935563A1 EP 07450220 A EP07450220 A EP 07450220A EP 07450220 A EP07450220 A EP 07450220A EP 1935563 A1 EP1935563 A1 EP 1935563A1
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grinding wheel
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grinding
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes

Definitions

  • the invention relates to a device for processing solids, in particular for grinding and separating workpieces, as well as a method for operating such a device.
  • Such devices and methods are useful in many areas of material processing such as e.g. during grinding, polishing, milling etc. known.
  • a disadvantage of the known devices is in particular that the current materials, both the workpieces to be machined as well as the tools, make high demands on the environmental parameters such as temperature and cooling, otherwise threatened damage and thus economic losses and unprofitability by high reject rates. This is especially true for high speed grinding techniques.
  • such a device comprises a housing, a working space which can be covered by a cover, and a grinding wheel arranged in the working space, wherein the working space is sealed off from the surroundings by means of the cover and can be evacuated.
  • the inventive method is provided to introduce a workpiece and a grinding wheel in the open working space of the device to close the working space by means of the cover to evacuate the working space by means of at least one vacuum pump to edit the workpiece, after completion of processing in the working space back pressure and remove the workpiece after opening the cover.
  • An advantageous embodiment of the device comprises a lock, which allows the introduction and removal of workpieces and tools in or out of the work space, without having to be evacuated each time.
  • the grinding wheel is advantageously at least partially made of a CFRP material, since the lower weight achieved thereby allows higher speeds.
  • the grinding wheel is preferably rotatably mounted on a shaft.
  • the shaft is driven by a suitable drive device so that the peripheral speed of the grinding wheel over 330 m / s, ie in the supersonic range, is located.
  • cooling can be eliminated by supplied coolant in the best case.
  • An advantageous embodiment variant provides that the evacuation of the working space begins only when the grinding wheel has exceeded a peripheral speed of about 200m / s. The higher the peripheral speed, the more evacuated. This has the advantage that in the lower speed range, the vacuum pump does not yet go into operation and the available energy can be used to accelerate the grinding wheel faster to working speed.
  • New materials such as CFRP (carbon fiber reinforced plastic) offer e.g.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the speeds can be so high that circumferential speeds of the grinding wheels can reach into the supersonic range.
  • due to the higher speeds also thermal problems that require a high cooling capacity of the system and the tool, as well as the noise when driving over the sound barrier.
  • Cooling and the entire cooling periphery cause an immense share of process costs.
  • the plant concept of an abrasive center becomes more expensive due to the cooling by approx. 20-30%.
  • the cooling unit consumes up to 30% of the electrical connection power.
  • the handling of the cooling media whether it be coolants or oils, constantly high process costs for purchase, cleaning, filter disposal and disposal of the respective coolant.
  • the grinding wheels heat up very much from peripheral speeds over 200m / s due to air friction.
  • the main problem of the cooling lies in the fact that at high peripheral speeds on the outer surface of a few microns thick air cushion forms, which can hardly be pierced by a liquid jet intended for cooling even at high pressures.
  • the cooling water jet directed from the inside outwards does not escape into the atmosphere due to the air film, but oscillates back and forth between the abrasive coating and the air film at least in the lower speed range up to approx. 100 m / s.
  • encapsulated grinding machines and closed grinding centers for high-speed grinding with at least one Vacuum pump are equipped, the grinding process is thus carried out at least partially or almost completely in a vacuum.
  • the vacuum is preferably only generated when the peripheral speed of the grinding wheel 5 is already above a threshold value of, for example, 200 m / s. With increasing peripheral speed of the pressure is then further reduced or the working space 4 further evacuated. As a result, the energy available for the device 1 can be used to accelerate the grinding wheel 5. The evacuation begins only when the grinding wheel 5 rotates in the working speed range.
  • FIG. 1 An embodiment of the invention is in Fig. 1 is shown in a highly schematic view and will be explained below.
  • the device 1 comprises a per se known, single or multi-part housing 2, in which drive units and other necessary for the operation of the device elements can be accommodated. Furthermore, the device 1 has a tight-closing cover 3 of a working area 4.
  • the cover 3 can be made of Plexiglas, for example, to give the person using the system the opportunity to monitor the machining process.
  • a CFRP grinding wheel 5 can be rotatably mounted on a shaft 6. With the grinding wheel, a likewise arranged in the work area 4 workpiece 7 is machined.
  • the machining is preferably carried out as follows: a workpiece 7 to be machined and a grinding wheel 5 are introduced into the still open working space 4 of the device 1. Then, the working space 4 is closed by means of the cover 3 and by means of the at least one vacuum pump 8, a negative pressure to the vacuum produced. Now, the workpiece 7 can be processed in the desired manner. After completion of the processing, the ambient pressure is restored in the working space 4 and, after opening the cover, the workpiece 7 is removed.
  • the device 1 may also include an additional lock 9, which is accessible from the outside and connected to the working space 4 so that workpieces 7 can be introduced and removed from the working space 4 without releasing the vacuum and re-establishing a vacuum.
  • an additional lock 9 which is accessible from the outside and connected to the working space 4 so that workpieces 7 can be introduced and removed from the working space 4 without releasing the vacuum and re-establishing a vacuum.
  • the workpiece 7 is introduced into the lock 9 and this sealed against the environment. After opening a connection to the working space 4, the workpiece 7 is converted into this. The removal of a workpiece 7 from the working space 4 through the lock 9 takes place in the reverse order.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Grinding Of Cylindrical And Plane Surfaces (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Bearbeitung von Werkstoffen, insbesondere zum Schleifen, umfasst ein Gehäuse (2), einen Arbeitsraum (4), welcher durch eine Abdeckung (3) abdeckbar ist, und eine in dem Arbeitsraum (4) angeordnete Schleifscheibe (5), wobei der Arbeitsraum (4) durch die Abdeckung (3) gegenüber einer Umgebung abgedichtet und mittels zumindest einer Vakuumpumpe (8) evakuierbar ist.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Bearbeitung von Festkörpern, insbesondere zum Schleifen und Trennen von Werkstücken, sowie von einem Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung.
  • Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind aus vielen Bereichen der Werkstoffbearbeitung wie z.B. beim Schleifen, Polieren, Fräsen etc. bekannt.
  • Nachteilig an den bekannten Vorrichtungen ist dabei insbesondere, dass die heutigen Materialien, sowohl der zu bearbeitenden Werkstücke als auch der Werkzeuge, hohe Anforderungen an die Umgebungsparameter wie Temperatur und Kühlung stellen, da sonst Beschädigungen und damit wirtschaftliche Verluste und Unrentabilität durch hohe Ausschussraten drohen. Dies trifft insbesondere für Hochgeschwindigkeits-Schleiftechniken zu.
  • Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Werkstoffbearbeitung anzugeben, welche werkstoffschonend sowohl für das Werkzeug als auch für das Werkstück betrieben werden kann.
  • Eine derartige Vorrichtung umfasst erfindungsgemäß ein Gehäuse, einen Arbeitsraum, welcher durch eine Abdeckung abdeckbar ist, und eine in dem Arbeitsraum angeordnete Schleifscheibe, wobei der Arbeitsraum durch die Abdeckung gegenüber einer Umgebung abgedichtet und evakuierbar ist.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, ein Werkstück und eine Schleifscheibe in den offenen Arbeitsraum der Vorrichtung einzubringen, den Arbeitsraum mittels der Abdeckung zu schließen, den Arbeitsraum mittels zumindest einer Vakuumpumpe zu evakuieren, das Werkstück zu bearbeiten, nach Beendigung der Bearbeitung im Arbeitsraum wieder Umgebungsdruck herzustellen und nach Öffnen der Abdeckung das Werkstück zu entnehmen.
  • Vorteilhaft ist dabei, dass sich ein höherer Wirkungsrad des gesamten Kühlprozesses ergibt, da die Erwärmung der Schleifscheibe durch Reibung mit der Umgebungsluft entfällt.
  • Weiterhin ist von Vorteil, dass dadurch die Betriebskosten gesenkt werden können, da der Betrieb und die Wartung eines Kühlsystems deutlich reduziert werden oder sogar entfallen können.
  • Weitere Vorteile der erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst eine Schleuse, welche die Einbringung und Entnahme von Werkstücken und Werkzeugen in bzw. aus dem Arbeitsraum ermöglicht, ohne dass dieser jedes Mal evakuiert werden muss.
  • Die Schleifscheibe besteht vorteilhafterweise zumindest teilweise aus einem CFK-Werkstoff, da das dadurch erzielte geringere Gewicht höhere Drehzahlen erlaubt.
  • Die Schleifscheibe ist dabei vorzugsweise drehbar auf einer Welle gelagert.
  • Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Welle durch eine geeignete Antriebsvorrichtung so antreibbar ist, dass die Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe über 330 m/s, also im Überschallbereich, liegt. Dadurch kann eine Kühlung durch zugeführtes Kühlmittel im günstigsten Fall entfallen.
  • Weiterhin kann durch die Bearbeitung im Vakuum bei Überschallgeschwindigkeit der Schleifscheibe vorteilhafterweise die Geräuschentwicklung beim Überfahren des Schallgrenze vermieden werden.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante sieht vor, dass die Evakuierung des Arbeitsraumes erst dann beginnt, wenn die Schleifscheibe eine Umfangsgeschwindigkeit von ca. 200m/s überschritten hat. Je höher die Umfangsgeschwindigkeit, desto stärker wird evakuiert. Dies hat den Vorteil, dass im unteren Drehzahlbereich die Vakuumpumpe noch nicht in Betrieb gehen muss und die zur Verfügung stehende Energie genutzt werden kann, die Schleifscheibe schneller auf Arbeitsdrehzahl zu beschleunigen.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung ist im Folgenden dargestellt und in der zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine stark schematisierte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung zur Werkstoffbearbeitung.
  • Vorrichtungen zur Bearbeitung von Werkstücken durch Schleifen, Fräsen, Bohren und andere Bearbeitungsverfahren sind seit langem in vielen Bereichen der Industrie und des Handwerks etabliert. Die zunehmende Diversifizierung von Werkstoffen und die daraus resultierenden breit streuenden Materialeigenschaften von Werkstücken und Werkzeugen macht teilweise eine Umgestaltung, Anpassung und/oder vollkommene Neukonzeptionierung von Prüfständen, Werkzeugmaschinen und Anlagen zur Bearbeitung von Werkstücken notwendig.
  • Neue Werkstoffe wie beispielsweise CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) bieten z.B. bei der Herstellung von Schleif- und Trennscheiben durch ihre leichtere Ausführung und die dadurch ermöglichten höheren Drehzahlen die Möglichkeit, auch spröde Werkstoffe präzise zu bearbeiten. Die Drehzahlen können dabei so hoch sein, dass Umfangsgeschwindigkeiten der Schleifscheiben bis in den Überschallbereich reichen können. Jedoch ergeben sich durch die höheren Drehzahlen auch thermische Probleme, die eine hohe Kühlleistung des Systems und des Werkzeugs erfordern, sowie die Geräuschentwicklung beim Überfahren der Schallgrenze.
  • Das Kühlen sowie die gesamte Kühlperipherie verursacht dabei einen immens hohen Prozesskostenanteil. Das Anlagenkonzept eines Schleifcenters beispielsweise verteuert sich durch die Kühlung um ca. 20-30%. Im laufenden Prozess verschlingt das Kühlaggregat bis zu 30% der elektrischen Anschlussleistung. Weiters verursacht das Handling der Kühlmedien, seien es Kühlschmierstoffe oder auch Öle, laufend hohe Prozesskosten für Anschaffung, Reinigung, Filterentsorgung und Entsorgung des jeweiligen Kühlschmierstoffes. Zudem erwärmen sich die Schleifscheiben ab Umfangsgeschwindigkeiten über 200m/s aufgrund der Luftreibung sehr stark.
  • Das Hauptproblem der Kühlung liegt dabei darin, dass sich bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten an der Außen-Oberfläche ein wenige Mikrometer dicker Luftpolster bildet, der von einem zur Kühlung vorgesehenen Flüssigkeitsstrahl selbst bei hohen Drücken kaum mehr durchstoßen werden kann. Selbst bei bereits bekannten innen gekühlten Schleifscheiben tritt der von innen nach außen geleitete Kühlwasserstrahl aufgrund des Luftfilms nicht in die Atmosphäre, sondern pendelt zumindest im unteren Geschwindigkeitsbereich bis ca. 100 m/s zwischen Schleifbelag und Luftfilm hin und her.
  • Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass gekapselte Schleifmaschinen sowie geschlossene Schleifcenter zum Hochgeschwindigkeitsschleifen mit zumindest einer Vakuumpumpe ausgestattet werden, der Schleifvorgang somit zumindest teilweise oder nahezu vollständig im Vakuum durchzuführen ist.
  • Das Vakuum wird vorzugsweise erst dann erzeugt, wenn die Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe 5 bereits über einem Schwellenwert von beispielsweise 200 m/s liegt. Mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit wird dann der Druck weiter gesenkt bzw. der Arbeitsraum 4 weiter evakuiert. Dadurch kann die für die Vorrichtung 1 zur Verfügung stehende Energie zur Beschleunigung der Schleifscheibe 5 genutzt werden. Die Evakuierung beginnt erst dann, wenn sich die Schleifscheibe 5 im Arbeitsdrehzahlbereich dreht.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 in einer stark schematisierten Ansicht dargestellt und wird im Folgenden erläutert.
  • Die Vorrichtung 1 umfasst ein an sich bekanntes, ein- oder mehrteiliges Gehäuse 2, in welchem Antriebsaggregate und andere für den Betrieb der Vorrichtung notwendige Elemente untergebracht sein können. Weiterhin weist die Vorrichtung 1 eine dichtschließende Abdeckung 3 eines Arbeitsbereichs 4 auf. Die Abdeckung 3 kann dabei beispielsweise aus Plexiglas gefertigt sein, um der die Anlage bedienenden Person die Möglichkeit zu geben, den Bearbeitungsprozess zu überwachen.
  • Im Arbeitsbereich 4 kann beispielsweise eine CFK-Schleifscheibe 5 auf einer Welle 6 drehbar gelagert sein. Mit der Schleifscheibe ist ein ebenfalls im Arbeitsbereich 4 angeordnetes Werkstück 7 bearbeitbar.
  • Durch das Dichtschließen der Abdeckung 3 ist es möglich, im Arbeitsbereich 4 beispielsweise durch entsprechende Anordnung zumindest einer Vakuumpumpe 8 einen Unterdruck unterhalb von 1 bar bzw. annähernd ein Vakuum zu erzeugen, welches mehrere Vorteile bietet: einerseits entfällt bei Außen-Kühlung das Problem des Luftfilms, wodurch sich ein höherer Wirkungsrad des gesamten Kühlprozesses ergibt. Weiterhin werden Staubexplosion beim Bersten des CFK-Grundkörpers verhindert. Die Erwärmung von Werkstück und Schleifscheibe aufgrund der Luftreibung wird wesentlich reduziert. Die Geräuschentwicklung beim Überfahren der Schallgrenze bei einer entsprechenden Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe 5 entfällt ebenfalls. Insgesamt kann sogar der gesamte Kühlvorgang bis hin zum Entfall der Kühlung bei extrem hohen Umfangsgeschwindigkeiten (≈ 500m/s) reduziert werden.
  • Die Bearbeitung erfolgt dabei vorzugsweise folgendermaßen: ein zu bearbeitendes Werkstück 7 und eine Schleifscheibe 5 werden in den noch offenen Arbeitsraum 4 der Vorrichtung 1 eingebracht. Dann wird der Arbeitsraum 4 mittels der Abdeckung 3 geschlossen und mittels der zumindest einen Vakuumpumpe 8 ein Unterdruck bis zum Vakuum hergestellt. Nun kann das Werkstück 7 in gewünschter Weise bearbeitet werden. Nach Beendigung der Bearbeitung wird im Arbeitsraum 4 wieder der Umgebungsdruck hergestellt und nach Öffnen der Abdeckung das Werkstück 7 entnommen.
  • Alternativ kann die Vorrichtung 1 auch eine zusätzliche Schleuse 9 umfassen, welche von außen zugänglich und mit dem Arbeitsraum 4 so verbunden ist, dass Werkstücke 7 ohne Aufhebung des Vakuums und erneutes Herstellen eines Vakuums im Arbeitsraum 4 in diesen eingebracht und aus diesem entnommen werden können.
  • Dies bietet sich vor allem für kleinere Werkstücke 7 in hohen Stückzahlen an. Das Werkstück 7 wird dabei in die Schleuse 9 eingebracht und diese gegenüber der Umgebung dicht verschlossen. Nach Öffnen einer Verbindung zum Arbeitsraum 4 wird das Werkstück 7 in diesen umgesetzt. Die Entnahme eines Werkstücks 7 aus dem Arbeitsraum 4 durch die Schleuse 9 erfolgt in umgekehrter Reihenfolge.

Claims (10)

  1. Vorrichtung (1) zur Bearbeitung von Werkstoffen, insbesondere zum Schleifen, umfassend ein Gehäuse (2), einen Arbeitsraum (4), welcher durch eine Abdeckung (3) abdeckbar ist, und eine in dem Arbeitsraum (4) angeordnete Schleifscheibe (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (4) durch die Abdeckung (3) gegenüber einer Umgebung abgedichtet und durch zumindest eine Vakuumpumpe (8) evakuierbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Arbeitsraum (4) verbindbare von außen zugängliche, dicht verschließbare Schleuse (9) vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifscheibe (5) zumindest teilweise aus einem CFK-Werkstoff besteht.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifscheibe (5) drehbar auf einer Welle (6) gelagert ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (6) durch eine geeignete Antriebsvorrichtung so antreibbar ist, dass die Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe (5) im Überschallbereich über 330 m/s liegt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Arbeitsraum (4) zwischen p < 1 bar und p ≈ 0 bar beträgt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Arbeitsraum (4) ab einer Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe (5) von über 200 m/s dergestalt reduzierbar ist, dass mit steigender Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe (5) der Druck sinkt.
  8. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung (1) zur Bearbeitung von Werkstoffen, insbesondere zum Schleifen, wobei die Vorrichtung (1) ein Gehäuse (2), einen Arbeitsraum (4), welcher durch eine Abdeckung (3) abdeckbar ist, und eine in dem Arbeitsraum (4) angeordnete Schleifscheibe (5) umfasst und wobei der Arbeitsraum (4) durch die Abdeckung (3) gegenüber einer Umgebung abgedichtet und durch zumindest eine Vakuumpumpe (8) evakuierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
    - Einbringen eines Werkstücks (7) und einer Schleifscheibe (5) in den offenen Arbeitsraum (4),
    - Schließen des Arbeitsraums (4) mittels der Abdeckung (3),
    - Evakuieren des Arbeitsraums (4) mittels der zumindest einen Vakuumpumpe (8),
    - Bearbeiten des Werkstücks (7),
    - Einstellen des Umgebungsdrucks im Arbeitsraum (4) nach Beendigung der Bearbeitung, und
    - Öffnen der Abdeckung (3) und Entnehmen des Werkstücks (7).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
    - Einbringen eines Werkstücks (4) in die Schleuse (9) statt in den Arbeitsraum (4),
    - Umsetzen des Werkstücks (4) aus der Schleuse (9) in den teilweise oder ganz evakuierten Arbeitsraum (4),
    - Bearbeiten des Werkstücks (4),
    - Umsetzen des Werkstücks (4) nach erfolgter Bearbeitung aus dem Arbeitsraum (4) in die Schleuse (9), und
    - Entnehmen des Werkstücks (4) aus der Schleuse (9).
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Evakuieren des Arbeitsraumes (4) ab einer Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe (5) von mehr als 200 m/s beginnt.
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