TW200408498A - Lapping method and lapping machine for glass balls or spheres - Google Patents

Description

200408498 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於根據申請專利範圍獨立項之前言之用於球 或球狀物之-種研磨法及一研磨機。利用該機器，可万製= 經研磨拋光過的極高精度之球，詳言之諸如由光學坡璃、 陶竞、玻璃陶毫或水晶製成的球。可將該等高精度之坡瑪 球用作光學折射元件。該等透鏡（稱作球透鏡）可用於例如電 信中’以將自—雷射二極體產生之光耦接入一玻璃纖維’ 或校準自-破璃纖維排出之光。除此之外，亦可將該研磨 過（玻璃球用於光學資料記憶體儲存領域以及醫學工程領 域，比如用於内視鏡檢查法。 /、 【先前技術】 、口人已知為製造鬲精度球而使金屬球坯接受多級生產工 序然後為單級或多級研磨做好準備的原則。在該處理過程 中該等球位於兩相互平行安裝、正面上具有同心凹槽之圓 形研磨盤之間。於讀格 々々 ' 、^ Θ 7下孩寺凹槽係用於容納該等待處 理之球。將該第—研磨盤安裝成可轉動，且將-第二研磨 盤（亦稱作引導盤）固定。在石麻 _ 在汗廢過私中，以高壓將該固定研 磨盤壓向該轉動之研磨盤。以此方式迫使該等球在引導其 之凹槽裏作㈣運動，其結果為’在―冷卻媒體所產生之 潤滑環境中其表面上之粗愈來愈少。 可和用万;至屬球研磨疋現有機器分為兩種結構類型。亦 即’可水平安裝亦可豎直安裝該等研磨盤，而每一情況中 此皆引起每種構造類型所獨有之若干優點及缺點。在第 8643 200408498 43 3 6 441 A1號德國專利中詳細討論了該等優點及缺點，本 文參考其此方面之内容。 為提高研磨過程之生產率，吾人可不當作定律般地假設 ••在機械加工過程中僅涉及位於該等研磨盤之間的球。因 此’通常於該等研磨盤周圍提供一於操作過程中緩慢轉動 之進料槽’藉此可使該可轉動研磨盤之轉動方向與運動方 向相反。為使該等球能自該進料槽進入該研磨缝隙，該等 研磨盤义一設有一所謂的弓形切口，且吾人亦提供合適之 供料或引導構件。由於該進料槽之轉動運動及該供料構件 之α構汉计’該等球藉由該弓形切口進入該研磨缝隙之同 〜凹槽。大多數情況下，在該等凹槽之另一端需要對應的 構件，以將該等球自該研磨凹槽中提升出外，藉此該等球 再次返回到該進料槽。 该等球可能依據該等供料構件及提升元件之結構設計的 不同而受到不同程度之損傷。因此吾人儘量不使用此類構 件例如已有建礅稱，為使球僅在重力之作用下即可進入 及、出研磨鏠隙’現有研磨機的水平式設計往豎直式設計 靠攏。 一 4於第^ 36 44〗A1號德國專利中揭示後-種設計之研應 丁内各4明書•’應將該固定研磨盤安裝於該詞 H 下°其結果為’位於研磨缝隙之球與位於儲病 進料槽之球之叉換自部於。 χ 由万；此配置，吾人可僅名 球之重力作用下葬+ Ρ 山、 猎由口形切口有效地將球分別引入及提手 出研磨缝隙外。這可避免為 、兄為知球分別引入及提升而使用α 86433 200408498 具’因此降低由該等工具導致的表面損傷之風險。 【發明内容】 本發明係基於將現有的、用於製 、 化至屬球义研磨機及研 磨法轉化為亦可製造由光學破璃墩 、 哨衣成的、研磨過的球之技 術難題。詳言之，五人希I缺 一 ^ σ人1主邊根據本發明之研磨機所製造 的高精度破璃球應具有最大值為⑽奈米之圓度值。 ★申請㈣範圍獨立項之特點可解決該難題。其他有利實 施例見於申請專利範圍附屬項中。 根據本發明，已知其原理為可利用—研磨機解決前述技 術難題；該研磨機包含一被安裝成可轉動的第一圓形研磨 盤，及一第二固定研磨盤，其被切出一弓形區域以供交換 位於該研磨缝隙的球，藉此將該第_及第二研磨盤共軸安 裝，在該種設置情形中，兩研磨盤在其圓形正面上皆設有 正面相對著的凹槽，該等凹槽最好是同心凹槽，且至少對於 该固疋I第二研磨盤之正面區域採用一塑膠作為其材料。 此對該難題的解決方案之處理部分包含一用於玻璃球研 庙之方法，其中吾人將球链引入兩圓形研磨盤之間的研磨 缝隙，藉此在該兩圓形研磨盤正面之相對圓形表面上提供 凹槽’該等凹槽最好是同心凹槽，在該種情形中，使該等 研磨盤之一作轉動運動，且迫使位於該等凹槽中之球坯作 滾動運動，且在該種情形中，該研磨法係在一油環境中竇 行。 由於使用一由塑膠製成之引導盤，吾人可於該研磨縫隙 内之該等凹槽中更好地引導玻璃球◦這可減少對該等破璃 86433 200408498 球之損傷且可提高圓度。 用於玻璃球研磨之合適的塑膠之球壓硬度h，根據 EN ISO 2G39量測，為15G牛頓/平方毫米或更大。因此該等 塑.應比Murtfeld硬，後者根據DIN 7728為一種超高分子聚 乙缽忑等塑月"p比黃銅或鋼軟。因此適宜之塑膠為硬度 大=17〇牛頓/平万毫米的sustarmde塑膠，或破璃纖維增強 塑膠。就上述材料來說其纖維應排列成環形。如此則可增 強該等研磨盤内之凹槽的邊緣，其結果為球壓硬度值可^ 到大約270牛頓/平方毫米。此即減少了凹槽邊緣上之磨損。 二之：：塑膠之特定選擇係兩方面之折衷：-方面為該 寺球足取佳品質，另一女品々 、 力万面為孩寺研磨盤之磨損速度。H< =牛頓/平方毫米的軟性塑膠在大多數情況下可使玻璃球 有極好的表面，例如詳言之其可使表面_〇; 確實使研磨盤有較高磨損。較硬的塑膠會有磨指，卻 非吾人所期望之表面。所欲研磨的： I:二製成的，例如玻璃陶完，則藉由類推方法 上述祝明f週用。 該引導盤，至少基本上為 f可口女、、〜 Τ几全由琢塑膠構成， 丨、有孩弟二固定研磨盤之正面、即朝向轉動研磨般之 區域之材料為塑膠。於後以 p4 後種狀怨下，此可藉由以一可更 挺…固疋該引導盤之正面區域而得以膏現。 研磨係在-油環境中進行。潤滑只選擇 該等球上形成一油膜，社果 …h，使侍 .^ 〜果不再導致該等球有任何相互損 你。由於該油膜保護了該等 /、 ^ μ争#研磨之球的表面品 8643.1 -10- 200408498 貝^于以提向。在此同時可增加批量大小，且一批次之研磨 可因此進行得更迅速，因而更經濟。 用於該等位於研磨缝隙中之球的油其黏度在20。(：下根據 DIN 5 1 562/1量測應該大約介於5平方毫米/秒至25平方毫米 /秒之間。如此則玻璃球之研磨變得特別可靠。 所用之油的閃點應該在1 〇〇。〇以上。如此則該研磨機可不 必具有一用於油之冷卻系統。 我們的研究已顯示，藉由合適之pH值降低添加劑將油選 成性’可更好地去除玻璃球上物質，且因此實現更經濟 的生產。舉例而1，藉由採用一介於6 〇與6 $之間的ρ η值 ，可能將處理時間降低大約30%。 該研磨過程中未使用零散的磨料微粒或顆粒，而僅有黏 結於磨削輪中之顆粒，結果處理作業之一致性增強，且磨 料顆粒之用量減小。 涊被黏結 < 顆粒利用其磨削顆粒之恆定硬度結構結合研 磨缝隙中的油導致較高的磨削效能 磨耗。此外，關於待研磨之球，可 且另外還造成恨定的 產生之顆粒的影響。

可獲得一同質的磨削圖案

86433 -11 - 200408498 8 0周/分鐘。 為保證待處理球之較高生產量，該根據本發明之研磨機 具有一進料槽，利用該進料槽可聚集大量球形成一處理批 次。孩等球分別借助引導及供料構件進入該弓形切口，且 於弓形切口處分佈於同心凹槽中。穿過一凹槽之後，該等 球再次回到該弓形切口，並自此處再次進入該進料槽。該 進料槽之結構設計，將球自研磨缝隙引導至進料槽並返回 ’使用凹槽、擋板等，這些皆可依第43 36 441 ai號德國專 利所描述方式施行；本文參考其此方面之内容，且使其明 確成為本發明内容之一部分。 仫万；忒土少基本上為圓形的研磨盤之外與球接觸的零件 (例如進料槽）最好係由塑膠製成。可選擇PVC(聚氯乙晞）作 域塑膠。該塑膠可避免對球表面造成損傷。該研磨機之 前述零件可完全由塑膠構成，亦可用塑膠將其塗怖。 若一用於置換位於研磨缝隙中之玫的佳 τ <乐旳進枓槽具有圓角， 則玻璃球將不會停在“死”角。藉由傅 、 稽由知该進枓槽自總材料中 磨出，且注意該過程中之圓化效寐 欢應，吾人可保證得到圓角 ’或者用塑膠塗佈該進料槽，而藉此 η稽此過％即已實現圓化效 應。 頃證明若無該圓化效應，則邊g卢 、 4 k用處將發生球堵塞，其致 使球更進一步越過邊緣在外游移 、、 知孩0化效應使該等向外 游移之玻璃球被引導返回至球诀金、 基（處，且然後將其引導 返回至該研磨盤之凹槽中。此導致 7致邊進枓槽中幾乎無未處 理之球埋，因此減小了一批次之向 〜内基準直徑與實際直徑的 86433 -12 - 200408498 偏差。 。該根據本發明之研磨機另外還具有—料控制將兩研磨 盤壓在7起之壓力之元件。該接觸壓力大小介於0牛頓至5 千牛頓之間，這比用於金屬滾珠軸 硏 ^ <研磨機所採用 、：由::厂⑻倍。可以一小於Μ牛頓之精度調整該壓力值 猎由讀力控制，—方面可避免球直接遭受毁壞。另一 万面孩精密的調整正可將表面損傷，特別是對於各種情形 所涉及的特定的破璃類型，降至最小。 該被安裝成可轉動的研磨盤由碳切構成，藉此將鮮 化珍顆粒埋嵌入-人造樹脂基體中，例如電木基體。炊而 ’用於此埋歲<黏結實際軟於用於金屬球之黏結。為此吾 人僅需在燃燒處理前將該材料壓密丨，2或3次。 口 結合油環境，油輕易使該人造樹脂黏結劑釋脫且藉此獲 得更為-致之切削效應之情形下獲得另外之又 於排放消耗之顆粒。 U為π 由於該等磨削輪，使用里中 I中存在夺散顆粒之磨削懸浮液 成為夕4，且可使用一.中央冷卻潤滑系統。 有可能將原本讓球借道進入和離開進料槽之通道或弓形 切口關閉，特定言之最好是龚 y 疋猎由一有塑膠塗層的壁將其關 閉。換τ 4，在整個作f㈣w t 丨中玻璃球僅位於該研磨缝隙 《内：在此情形中該封閉的弓形切口代表-内部進料槽。 因此亦稱該作業方法為内部操作。 造少量的由一特定坡璃材料製成的玻璃球時，為取 得特定的尺寸一致性，内部操 … ^作疋有利的。然而，採用内 86433 ' 13 < 200408498 邯操作將產生一個問題，即位於研磨盤凹槽内的玻璃球不 容易脫離該等凹槽。因此此已產生問題，因為内側破璃球 以一不同於較外側玻璃球之軌道速度移動，此必將導致不 同的研磨結果。因此，有必要對於所有玻璃球都改變凹槽 ，藉以謗導出一任何偏差之隨機分佈。 為滿足此要求，吾人為該引導盤内之弓形切口提供—之 字形彎道（chicane);較佳將之字形彎道以一可更換之方式 固定在引導盤上。 该之字形彎道舉例而言係採取一坡道，一（干涉）邊緣或其 他基本上取決於球基準直徑之適宜之設計結構的形式；其 與冷卻潤滑劑一道可確保將球在之字形彎道區域自凹槽中 提升出來’且將其充分混合進冷卻劑流體渦流中。如所希 望的那樣，此減少了批次之直徑分散性。 同樣吾人亦可在進料槽中提供至少一之字形彎， 猪此 可將球混合得更加充分。如同位於弓形切口的之字形_、曾 的足位’此亦導致更為統一之作業結果。 利用該根據本發明之研磨機，吾人可製造直 、，、、.，、 〜且1工丨牛至80微 米之球。對於成批製造作業，可可靠地確保1 〇 〇奈米之_、 (其意為實際直徑相對於基準直㈣最大偏差），余g度 級圓度值可降錢奈米。藉由該根據本發明之研； 理多個玻璃類型相差極大的球。 處 1 /石w蜎粒二 磨機處_。若使臓顆粒’則該等球拓為例如： 陶瓷、玻璃陶瓷或莫氏（Mohs)硬度小於9 5s 7 土 ，/ ^的水 86433 -14 - 200408498 根據羅氏（Knoop) ΗΚ 〇. 1其硬度小於2500至2900之水晶。 在试中已成功製造出的研磨過的球之玻璃類型有 N-BK7、LaSF35、LaSFN9、N-LaSF44、SF57、N-SK56、 SFL56、N-LaSF38、熔凝石英及N-LaF33。 吾人可創造條件以將該固定之第二研磨盤安裝於該轉動 之第一研磨盤之下。此種安裝方式有若干優點，即球僅按 照其重量順序進出研磨缝隙，因此可除去分別用於引入及 提升球之相應工具，其結果產生更小程度之表面損傷。 【貫施方式】 圖1為一根據本發明水平設計的研磨機之側視圖，其具有 固足的上研磨盤1及一安裝成可轉動的下研磨盤2 (磨削 輪）。將該等轉動軸3彼此共軸安裝且平行於豎直方向。該 上研磨盤1完全由塑膠製成。用PVC (π)將該進料槽4 (橫向 翔不其左側及右側）塗佈。該等待處理之玻璃球6位於該研 磨缝隙5中，且處於凹槽（圖中未顯示）之内。該磨削輪2以該 箭頭之方向轉動，速度介於40與200周/分鐘之間。此外， 義 位於該研磨缝隙5之中的係一用於磨削及研磨的冷卻潤滑 劑，藉此以減少玻璃球與玻璃球之間的摩擦，且因此避免 相互損傷。 圖2為用於内部操作情形的該固定的上研磨盤2之水平面 投影圖。在該情形中該研磨盤1於弓形切口 7之入口及出口 區域具有一有塑膠塗層之壁8,其確保該等破璃球坯不能離 開該研磨缝隙，而該研磨缝隙在此操作模式中代表一内部 進枓槽。該等球6以該箭頭之方向沿該等凹槽（圖中未顯示） 86433 -15 - 200408498 移動，且到達設計成一坡道的之字形彎道9。由於與此干# 邊緣之碰撞及玻璃坯相互之間的碰撞，該等破璃坏在今产 卻潤滑劑環境中一直於彼此之間旋轉，此運動用順時鐘及 逆時鐘方向之箭頭表示。由於此干擾邊緣，該等破璃球離 開其各自的凹槽，且因此，當經過該障礙之後，進入另一 凹槽。其結果為，如所希望的那樣，保證了 一批次内之處 理結果有一更高的統一性。 圖3為一内部進料槽4之侧視圖，為更為簡單之圖示，未 顯示其邊緣之圓化。該内部進料槽於其内部展示一形狀 坡道的之字形彎道4，該等球6為達到該等研磨盤之入口側 10須越過該之字形彎道。該坡道促使該等球充分混合，其 以該逆時鐘方向之箭頭表示。球在進料槽區域中混合得愈 充分，一批次内基準直徑與實際直徑之間的差別愈小。 圖4為該引導盤1之總圖，以—力？將該引導盤豎直向下地 壓於該正以速度ω轉動之磨削輪2上。該引導盤具有凹槽12 ，12’ ’為便於瀏覽圖中僅顯示兩個凹槽。於處理時間中， 凹槽亦形成於該起初光滑之磨削輪上，所形成的凹槽對應 於該引導盤1上的凹槽。 圖5為一共有13個同心凹槽及—弓形切口 7之引導盤的側 視圖。該引導盤之外徑達到400毫米。利用該引導盤，可研 磨直徑為6.5毫米的球。 為製造材料為Ν-ΒΚ7、直徑為3毫米的球，在一旋轉圓筒 中將若干初始尺寸為〇.85毫米Χ3.85毫米X 3.85毫米且公差 為±0.3毫米之立方體的角磨圓。以此方式製造出的玻璃^ 86433 -L6 - 200408498 坯之最終尺寸為（3.75 ±0.5)毫米。使用來自波恩（德國）的 Atlantik-Schleifscheiben製造商之磨削輪，其具有基於 Zeiss-Mackensen方法的製造商特定硬度標度。 該等玻璃球坯之研磨工序按三步騾進行。第一階段中， 吾人使用一硬度為RE之磨削輪，且其包含顆粒大小為SIC 180 (根據DIN ISO 6344)之碳化矽顆粒及弱酸性油（pH介於 6.0與6.5之間）。以一最大值為1千牛頓之力將該引導盤壓向 該以50周/分鐘之速度轉動之磨削輪。結果該等坯之尺寸為 大約（3.42土0.1)毫米。. 在第二步驟中，使用硬度為REH之磨削輪，其具有之顆 粒大小為SiC 400，且同樣含有弱酸性油（pH介於6.0與6.5之 間）。施加於該以80周/分鐘之速度轉動之磨削輪上的壓力此 時達到之最大值為1.5千牛頓。該等球之尺寸則為（3.2 土 0.03)毫米。 在第三步騾中，此時使該硬度為REH之SiC 800磨削輪以 100周/分鐘之速度轉動，且其受到一最大值為3千牛頓的壓 力。所得之球的尺寸為（3.085 ± 〇. 〇 1)毫米。 在最後一步騾中，使用一專用磨削輪及一研磨劑，將直 徑減少至（3.000±〇·〇〇ι)毫米。 在對該等球坯之分步，驟作業中，吾人將圓度自小於5〇〇 微米經由小於80微米、1〇微米、小於2微米減少至小於川奈 米。 【圖式簡單說明】 圖1疋一根據本發明水平設計的研磨機之側视圖。 86433 -17 - 200408498 圖2是用於内部操作情形的該固定的上研磨盤2之水平面 投影圖。 圖3是一内部進料槽4之側視圖。 圖4是該引導盤1之總圖。 圖5是一共有13個同心凹槽及一弓形切口 7之引導盤的側 視圖。 【圖式代表符號說明】 1 上固定研磨盤 2 可轉動下研磨盤（磨削輪） 3 轉動軸 4 進料槽 5 研磨缝隙 6 玻璃球或球狀物 7 弓形切口 8 壁 9 之字形彎道 10 研磨盤之入口側 11 PVC塗層 12 凹槽 86433 -L 8 -

Claims (1)

1. 200408498 拾、申請專利範圍： L 一種用於玻璃球或球狀物之研磨機，其包括： 一第一圓形、安裝成可轉動之研磨盤（2)，及 一第二固定研磨盤（1 )，其具有一用於交換該等^、务 該研磨缝隙（5)之球（6)之弓形切口， 藉此將該第一及第二研磨盤共軸安裝， 於該種設置情形下，該兩研磨盤在位於JL正而乂 /、i吗彳則〈相 向圓形表面上提供同心凹槽（12)， 其特徵為 . 至少對於該固定第二研磨盤（1)之該正面侧區域採用 一塑膠做為其材料。 如申請專利範圍第1項之研磨機，其特徵為採用若干同 心之凹槽。 J .如申請專利範圍第1或2項之研磨機，其特徵為該塑膠之 球壓硬度達到至少1 5 0平方毫米/秒。 4·如申清專利範圍第1或2項之研磨機，其特徵為該材料係 選自sustamite或玻璃纖維增強塑膠。 5.如申請專利範圍第4項之研磨機，其特徵為該塑膠呈現 一環狀玻璃纖維增強物。

   如申請專利範圍第142項之研磨機，其特徵為位於該等 研磨盤<外與該等球接觸之零件全部係由塑膠製成。 如申请專利範圍第…項之研磨機，其特徵為提供—元 件用以控制該將該等研磨盤相互壓在—起之壓力。 如_明專利範圍第1或2項之研磨機 其特徵為，為替換 86433 200408498 該等位於該研磨缝隙（5)内之球（6)，提供—具有圓形邊 緣之進料槽（4)。 9.如申請專利範圍第1或2項之研磨機，其特徵為於該引導 i之该弓形切口（ 7)之區域内提供一之字形彎道（9)。 1 〇.如申請專利範圍第1或2項之研磨機，其特徵為將該固定 第二研磨盤（丨）安裝於該轉動第一研磨盤（2)之下。 1 1.如申請專利範圍第1或2項之研磨機，其特徵為該第一研 磨盤（2)由嵌於一人造樹脂基體中的碳化發組成。 12. —種用於玻璃球或球狀物之研磨方法，其中將球坯引入 位於兩圓形研磨盤（1，2)之間之研磨缝隙（5)中，藉此該 兩圓形研磨盤於其正面侧之相向圓形面上具有若干的 凹槽（1 2)，於該種設置情形中，使該等研磨盤之一作轉 動運動’且迫使位於該等凹槽中之該等球坯作滾動運動 ’該方法之特徵為該研磨工序係在一油環境中執行。 13. 如申請專利範圍第12項之方法，其特徵為以—在2〇。〇呈 現大約5平方毫米/秒至大約25平方毫米/秒之黏度的油 用於研磨。 1 4.如申請專利範圍第12或1 3項之方法，其特徵為將一具有 至少為10 0 C之閃點之油用於該研磨。 1 5 .如申請專利範圍第12或13項之方法，其特徵為以一高達 5千牛頓之壓力將該等研磨盤壓在一起。 16.如申請專利範圍第12或13項之方法，其特徵為該轉動速 度達到至少4 0周/分鐘。 i 7·如申請專利範圍第12或13項之方法，其特徵為使用/臭 有·一小於7之pH值之油。 86433