WO2004004971A2 - Läppverfahren und läppmaschine für glaskugeln - Google Patents

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WO2004004971A2
WO2004004971A2 PCT/EP2003/007029 EP0307029W WO2004004971A2 WO 2004004971 A2 WO2004004971 A2 WO 2004004971A2 EP 0307029 W EP0307029 W EP 0307029W WO 2004004971 A2 WO2004004971 A2 WO 2004004971A2
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balls
disk
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disks
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Heino Haase
Manfred Scherner
Hans-Dieter Mehler
Martin Angermann
Per-Olaf BRÜGGEMANN
Lars Herzbach
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Schott Ag
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    • 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
    • B24B37/00—Lapping machines or devices; Accessories
    • B24B37/02—Lapping machines or devices; Accessories designed for working surfaces of revolution
    • B24B37/025—Lapping machines or devices; Accessories designed for working surfaces of revolution designed for working spherical surfaces
    • 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
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    • B24B11/02—Machines or devices designed for grinding spherical surfaces or parts of spherical surfaces on work; Accessories therefor for grinding balls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
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    • B24B11/06—Machines or devices designed for grinding spherical surfaces or parts of spherical surfaces on work; Accessories therefor for grinding balls involving grinding wheels acting by the front faces, e.g. of plane, grooved or bevelled shape

Definitions

  • the invention relates to a lapping process and a lapping machine for balls according to the preambles of the independent claims.
  • the machine is used to form ground and polished balls of the highest precision from glass ball blanks, in particular those made from optical glass, a ceramic, a glass ceramic or also from crystal.
  • the high-precision glass balls can be used as optical refractive elements.
  • Such so-called spherical lenses are used, for example, in the field of telecommunications in order to couple the light from a laser diode into a glass fiber, or to collimate light emerging from a glass fiber.
  • the polished glass spheres can be used in the field of optical data storage and in the medical field such as endoscopy.
  • lapping disks can namely be arranged both horizontally and vertically, each with its own advantages and disadvantages. These advantages and disadvantages are discussed in detail in DE 43 36 441 A1, to which reference is made in this regard.
  • Lapping discs on a segment-shaped recess and suitable feed or guide means are provided. Due to the rotary movement of the magazine and the structural design of the feed means, the balls are fed to the concentric grooves of the lapping gap via the segment-shaped recess.
  • the invention is based on the technical problem of modifying known lapping machines and lapping processes for producing metal balls in such a way that polished balls can also be produced from optical glass.
  • the high-precision glass balls produced with the lapping machine according to the invention should have roundnesses of at most 100 nm.
  • a lapping machine which comprises a first, circular, rotatably arranged lapping disk and a second, fixed lapping disk which is cut out in segments to replace the balls in the lapping gap, the first and second lapping disks are arranged coaxially, in which both lapping disks are provided with grooves on the circular surfaces lying opposite one another on the end face, preferably concentric grooves, and in which a plastic is provided as a material at least for the end region of the stationary second lapping disk.
  • the procedural part of the solution to the problem consists in a process for lapping glass spheres, in which spherical blanks are introduced into the lapping gap between two circular lapping disks, the latter being provided with grooves, preferably concentric grooves, on the circular faces located opposite one another on the end face, in which one the lapping disks are rotated and a rolling motion is forced on the ball blanks located in the grooves, and the lapping process is carried out in an oil environment.
  • Suitable plastics in the lapping of glass spheres are those with a ball indentation hardness H of 150 N / mm 2 or more, measured according to DIN EN ISO 2039. They should therefore be harder than Murtfeld, an ultra high molecular weight polyethylene according to DIN 7728, but softer than brass or Steel. Sustamid plastics with a hardness> 170 N / mm 2 or glass fiber reinforced are suitable
  • Plastic The fibers in the latter material should be arranged in a ring.
  • the edges of the grooves in the lapping disks can be reinforced, as a result of which ball compression hardnesses of 270 N / mm 2 are achieved. This leads to less wear on the groove edges.
  • the concrete choice of plastic is ultimately a compromise between the optimal quality of the balls on the one hand and the abrasion speed of the lapping disc on the other.
  • Soft plastics with H ⁇ 150 N / mm 2 usually result in excellent surfaces for glass balls, for example, particularly few cracks in the surface, but show increased abrasion in the lapping wheel. Harder plastics experience less abrasion, but lead to less good surfaces of the glass balls. The same applies analogously if balls are to be lapped from other materials, for example from a glass ceramic
  • the at least substantially circular guide disk can either consist entirely of this plastic, or it can only be used for the front, i.e. the area of the stationary second lapping disk facing the rotating lapping disk as
  • a plastic material can be provided. In the latter case, this can be achieved in that the end region of the guide disk is fastened in an exchangeable manner.
  • the lapping is done in an oil environment.
  • the choice of lubrication only with oil and without the presence of water leads to an oil film on the balls, which means that the balls no longer damage each other.
  • the protection of the balls caused by the oil film leads to improved surfaces of the balls to be lapped.
  • the lot size can be increased, and in this respect the lapping of a batch can be carried out more quickly and therefore more economically.
  • the oil used for the balls in the lapping gap should have a viscosity of between 5 mm 2 / s and 25 mm 2 / s for glass balls, measured at 20 ° C according to DIN 51562/1. In this case, the lapping of glass balls is particularly reliable.
  • the flash point of the oil used should be above 100 ° C. In this case, the lapping machine does not need cooling for the oil.
  • the bonded grain leads to high grinding performance with constant hardness structure of the abrasive grain and above that to constant removal.
  • a more homogeneous grinding pattern is achieved and surface defects are reduced.
  • the suspected cause of this is that the oil shows pronounced washing and rinsing properties during the lapping process and the particles or grinding particles are always removed from the grinding wheel or the abrasive grain.
  • the speed of rotation of the rotating lapping wheel is between 40 and 200 rpm.
  • the minimum speed is 40 revolutions per minute.
  • the lapping machine has a magazine with which a larger number of balls are combined to form a machining batch.
  • the balls get into the segment-shaped recess with the aid of guide or feed means and are distributed there into the concentric grooves. After running through a groove, the balls again reach the segment-shaped recess, from where they get back into the magazine.
  • Balls from the lapping gap to the magazine and back using a groove, a guide plate, etc. can be made as described in DE 43 36 441 A1, to which reference is made in this regard, and which is expressly made the content of the present invention.
  • the parts that come into contact with the balls are all made of plastic outside the at least essentially round lapping disks, for example the magazine.
  • PVC can be selected as the plastic.
  • the plastic prevents damage to the spherical surfaces.
  • the mentioned parts of the lapping machine can consist entirely of plastic, or can be lined with plastic.
  • the lapping machine according to the invention also has a device for controlling the pressure with which the lapping disks are pressed together.
  • This contact pressure is in the range between 0 N and 5 kN, and is therefore a factor of 1000 lower than in the case of lapping machines for metallic ball bearing balls.
  • the pressure values can be set with an accuracy of less than 50 N.
  • the pressure control prevents the balls from being easily destroyed.
  • the fine adjustment serves to make surface damage specific to the particular one
  • the rotatable lapping disk is made of silicon carbide, the silicon carbide grains being embedded in a synthetic resin matrix, for example a bakelite matrix.
  • a synthetic resin matrix for example a bakelite matrix.
  • Glass balls provide a much softer bond for this embedding than for metal balls. This is achieved by compressing the material only 1, 2 or 3 times before the firing process.
  • the opening or the segment-shaped cutout, via which the balls to enter or leave the magazine to be closed, preferably by a plastic-knocked-in wall.
  • the glass balls are then exclusively within the lapping gap during the entire machining process.
  • the closed segment-shaped recess represents an internal magazine. For this reason, this method of operation is also referred to as internal operation.
  • the internal operation is advantageous in the production of a limited number of glass balls from a certain glass material in order to achieve a certain dimensional accuracy. During internal operation, however, the problem arises that the grooves in the
  • a baffle is provided for the segment-shaped recess in the guide disk, which is preferably fastened interchangeably to the guide disk.
  • the baffle for example in the form of a ramp, an (interfering) edge or other suitable design which is essentially dependent on the nominal diameter of the balls, together with the cooling lubricant ensures that the balls are lifted out of the grooves in the baffle area and swirled in the area Coolant to be mixed. As desired, this leads to less scattering of the diameters in the batch.
  • At least one chicane is provided in the magazine with which the balls are mixed better. As with positioning the chicane in the segment-shaped recess, this also leads to more uniform machining results.
  • Balls with a diameter down to 80 ⁇ m can be produced with the lapping machine according to the invention.
  • a roundness understood as the maximum deviation of the actual diameter from the nominal diameter, of 100 nm can be reliably guaranteed, and roundness up to 20 nm on a laboratory scale. The machining of balls from the most varied
  • ball blanks that are softer than the abrasive grain in the grinding wheel can be processed with the process or the lapping machine.
  • SiC grain these are, for example, glasses, ceramics, glass ceramics or crystals with a Mohs hardness of less than 9.5 to 9.75 or Knoop HK 0.1 of less than 2500 to 2900.
  • FIG. 1 shows the side view of a lapping machine of the horizontal type implemented according to the invention with a fixed upper lapping wheel 1 and a rotatably arranged lower lapping wheel 2 (grinding wheel).
  • the axes of rotation 3 are arranged coaxially to one another and are aligned parallel to the vertical.
  • the upper lapping disk 1 is made entirely of plastic.
  • the magazine 4 shown on the left or right is lined with PVC (11).
  • the glass ball blanks 6 to be machined are located in the lapping gap 5 and are located in grooves (not shown in the drawing).
  • the grinding wheel 2 rotates in the direction of the arrow at a speed between 40 and 200 rpm.
  • In the lapping gap 5 there is also a cooling lubricant for grinding and polishing, in order to prevent the glass ball from rubbing against the glass ball and thus damage to one another.
  • Fig. 2 shows a plan view of the fixed upper lapping disk 2 in the case of the so-called internal operation.
  • the lapping disk 1 in this case has a plastic-knocked-out wall 8 in the area of the segment-shaped recess 7 on the inlet and outlet side, which ensures that the glass ball blanks cannot leave the lapping gap, which in this mode of operation has an internal dimension. represents magazine.
  • the balls 6 move along the grooves (not shown in the drawing) in the direction of the arrow and reach the chicane 9, which is designed as an edge.
  • FIG. 3 shows a side view of an internal magazine 4, the rounding of the corners of which is not shown for the sake of simpler graphic representation.
  • the internal magazine has in its interior a chicane 9 in the form of a ramp, which the balls 6 have to overcome in order to reach the inlet side 10 of the lapping disks.
  • the ramp leads to a thorough mixing of the balls, which is indicated by the arrow in a counterclockwise direction.
  • the better mixing of the balls in the magazine area leads to smaller differences between the target and the actual diameter within the batch.
  • FIG. 4 shows an overall view of the guide wheel 1, which is pressed vertically downwards onto the grinding wheel 2 rotating at the speed ⁇ before a force F is pressed.
  • the guide disk has grooves 12, 12 ', only two of which are shown by way of example for reasons of clarity. Corresponding to the grooves of the guide wheel 1, grooves also form in the initially flat grinding wheel in the course of the machining time.
  • 5 shows a side view of a guide disk with a total of 13 concentric grooves and segment-shaped recess 7. The outside diameter of the guide disk is 400 mm. Balls with a diameter of 6.5 mm can be lapped with the guide disc.
  • N-BK7 balls with a diameter of 3 mm, 3.85 mm x 3.85 mm x 3.85 mm and a tolerance of ⁇ 0.3 mm were rounded off in a rotating drum at the corners in cubes with a starting dimension.
  • the glass ball blanks thus produced had a final dimension of (3.75 ⁇ 0.5) mm. Grinding disks from the manufacturer Atlantik-Schleif disks from Bonn (Germany) with a manufacturer-specific hardness scale based on the Zeiss-Mackensen process were used.
  • the glass ball blanks were lapped in three stages. In a first stage, a RE hardness grinding wheel with silicon carbide grains of SiC 180 grain (in accordance with DIN ISO 6344) and slightly acidic oil (pH between 6.0 and 6.5) was used. The guide disc was pressed with a maximum force of 1 kN against the grinding disc rotating at 50 rpm. The blanks then had dimensions of approx. (3.42 ⁇ 0.1) mm.
  • the roundness decreased from ⁇ 500 ⁇ m to ⁇ 80 ⁇ m, ⁇ 10 ⁇ m, ⁇ 2 ⁇ m to ⁇ 80 nm.

Abstract

Es wird eine Läppmaschine für Glaskugeln beschrieben, die aufweist eine erste, kreisförmige, drehbar angeordnete Läppscheibe (2), und einer zweiten, feststehenden Läppscheibe (1), die zum Austausch der im Läppspalt (5) befindlichen Kugeln (6) segmentförmig ausgespart ist, wobei die erste und zweite Läppscheibe koaxial angeordnet sind, bei der beide Läppscheiben auf den sich stirnseitig gegenüberliegenden Kreisflächen mit konzentrischen Rillen (12) versehen sind. Es wird vorgeschlagen, zumindest für den stirnseitigen Bereich der feststehenden zweiten Läppscheibe (1) als Material ein Kunststoff vorzusehen. Weiterhin wird ein Läppverfahren für Glaskugeln beschrieben, bei dem Kugelrohlinge in den Läppspalt zwischen zwei kreisförmigen Läppscheiben eingebracht werden, wobei letztere auf den sich stirnseitig gegenüberliegenden Kreisflächen mit Rillen ausgestatten sind, und bei dem eine der Läppscheiben in eine Drehbewegung versetzt wird und den sich in der Rille befindlichen Kugelrohlingen eine Abwalzbewegung aufgezwungen wird. Die Neuerung besteht darin, dass der Läppvorgang in einer Ölumgebung durchgeführt wird.

Description

Läppverfahren und Läppmaschine für Glaskugeln
Die Erfindung betrifft ein Läppverfahren und eine Läppmaschine für Kugeln nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche. Mit der Maschine werden aus Glaskugelrohlingen, insbesondere solchen aus optischem Glas, einer Keramik, einer Glaskeramik oder auch aus Kristall, geschliffene und polierte Kugeln höchster Präzision geformt. Die Hochpräzisions-Glaskugeln können als optische refraktive Elemente eingesetzt werden. Derartige so genannte Ku- gellinsen werden zum Beispiel im Bereich der Telekommunikation gebraucht, um das Licht aus einer Laserdiode in eine Glasfaser ein- zukoppeln, oder aber aus einer Glasfaser austretendes Licht zu kol- limieren. Weiterhin können die polierten Glaskugeln im Bereich optischer Datenspeicher sowie im medizintechnischen Bereich wie der Endoskopie eingesetzt werden.
Es ist bekannt, zur Herstellung hochpräziser Kugeln für Kugellager Metallkugelrohlinge einem mehrstufigen Fertigungsprozess zu unterziehen, der abschließend ein ein- oder mehrstufiges Läppen vor- sieht. Bei diesem Bearbeitungsprozess befinden sich die Kugeln zwischen zwei kreisförmigen, zueinander parallel angeordneten Läppscheiben, die stirnseitig mit konzentrischen Rillen versehen sind. Die Rillen dienen hierbei der Aufnahme der zu bearbeitenden Kugeln. Eine erste Läppscheibe ist drehbar angeordnet, und eine zweite, auch als Führungsscheibe bezeichnete Läppscheibe, ist feststehend. Während des Läppens wird die feststehende Läppscheibe unter hohem Druck gegen die sich drehende Läppscheibe gepresst. Den Kugeln wird auf diese Weise eine Abwälzbewegung innerhalb der sie führenden Rillen aufgezwungen, durch die die Oberflächenunebenheiten in einer Kühlmittelschmierumgebung zunehmend verringert werden. Bekannte Maschinen zum Läppen von Metallkugeln können nach zwei Bauarten unterschieden werden. Die Läppscheiben können nämlich sowohl horizontal als auch vertikal angeordnet werden, was jeweils bauartspezifische Vor- und Nachteile mit sich bringt. Diese Vor- und Nachteile werden ausführlich in der DE 43 36 441 A1 diskutiert, auf die diesbezüglich verwiesen wird.
Um die Produktivität des Läppvorgangs zu erhöhen kann im Regelfall nicht hingenommen werden, dass lediglich die sich zwischen den Läppscheiben befindlichen Kugeln im Bearbeitungsprozess befinden. Aus diesem Grund ist üblicherweise um die Läppscheiben herum ein Magazin vorgesehen, welches sich im Betrieb langsam dreht, wobei die Drehrichtung der Bewegungsrichtung der drehbaren Läppscheibe entgegengesetzt gerichtet ist. Damit die Kugeln vom Magazin in den Läppspalt gelangen können, weist eine der
Läppscheiben eine segmentförmige Aussparung auf, und sind geeignete Zuführungs- bzw. Leitmittel vorgesehen. Bedingt durch die Drehbewegung des Magazins und die konstruktive Ausgestaltung der Zuführungsmittel werden die Kugeln über die segmentförmige Aussparung den konzentrischen Rillen des Läppspalts zugeführt.
Am anderen Ende der Rille sind meist entsprechende Mittel zum Ausheben der Kugeln aus der Läpprille erforderlich, mit deren Hilfe die Kugeln wieder in das Magazin gelangen.
Je nach konstruktiver Ausgestaltung dieser Zuführungsmittel und
Aushebewerkzeuge können die Kugeln unterschiedlich stark beschädigt werden. Aus diesem Grund wurden Anstrengungen unternommen, auch ohne entsprechende Mittel auszukommen. So wurde vorgeschlagen, die bekannten Läppmaschinen horizontaler Bauart gegenüber der Vertikalen zu neigen, damit die Kugeln nur unter Einwirkung der Schwerkraft in den Läppspalt hinein beziehungsweise herausgelangen können. Eine Läppmaschine der letztgenannten Bauart offenbart die DE 43 36 441 A1. Diese Offenlegungsschrift lehrt, die feststehende Läppscheibe unterhalb der rotierenden Läppscheibe anzuordnen. Dadurch erfolgt der Austausch der im Läppspalt befindlichen Kugeln mit den Kugeln eines Vorratsmagazins von unten. Durch diese Anordnung vollzieht sich das Einführen und Ausheben der Kugeln in bzw. aus den Läppspalt über die segmentförmige Aussparung ausschließlich mit der Schwerkraft der Kugeln. Dies vermeidet den Ein- satz von Werkzeugen für das Einführen beziehungsweise Ausheben der Kugeln, und mindert daher die Gefahr von Oberflächenbeschädigungen durch derartige Werkzeuge.
Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, bekannte Läppmaschinen und Läppverfahren zur Herstellung von Metallkugeln derart abzuwandeln, dass auch polierte Kugeln aus optischem Glas hergestellt werden können. Insbesondere sollen die mit der erfindungsgemäßen Läppmaschine hergestellten Hochpräzisions- Glaskugeln Rundheiten von maximal 100 nm aufweisen.
Dieses Problem wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich das oben genannte technische Problem mit einer Läppmaschine lösen lässt, die eine erste, kreisförmige, drehbar angeordnete Läppscheibe, und eine zweite, feststehende Läppscheibe umfasst welche zum Austausch der im Läppspalt befindlichen Kugeln segmentförmig ausge- spart ist, wobei die erste und zweite Läppscheibe koaxial angeordnet sind, bei der beide Läppscheiben auf den sich stimseitig gegenüberliegenden Kreisflächen mit Rillen versehen sind, bevorzugt konzentrischen Rillen, und bei der zumindest für den stirnseitigen Bereich der feststehenden zweiten Läppscheibe als Material ein Kunststoff vorgesehen ist.
Der verfahrensseitige Teil der Problemlösung besteht in einem Verfahren zum Läppen von Glaskugeln, bei dem Kugelrohlinge in den Läppspalt zwischen zwei kreisförmigen Läppscheiben eingebracht werden, wobei letztere auf den sich stirnseitig gegenüberliegenden Kreisflächen mit Rillen, bevorzugt konzentrischen Rillen, ausgestat- tet sind, bei dem eine der Läppscheiben in eine Drehbewegung versetzt wird und den sich in den Rillen befindlichen Kugelrohlingen eine Abwälzbewegung aufgezwungen wird, und bei dem der Läppvorgang in einer Ölumgebung durchgeführt wird.
Durch den Einsatz einer Führungsscheibe aus Kunststoff kommt es zu einer besseren Führung der Glaskugeln in den Rillen innerhalb des Läppspalts. Dies führt zu weniger Verletzungen der Glaskugeln und zu einer verbesserten Rundheit.
Geeignete Kunststoffe bei der Läppung von Glaskugeln sind solche mit einer Kugeldruckhärte H von 150 N/mm2 oder mehr, gemessen nach DIN EN ISO 2039. Sie sollten daher härter als Murtfeld, einem ultrahochmolekularem Polyethylen gemäß DIN 7728, sein, aber weicher als Messing oder Stahl. Geeignet sind insofern Sustamid- kunststoffe mit einer Härte > 170 N/mm2, oder glasfaserverstärkter
Kunststoff. Die Fasern sollten beim letztgenannten Werkstoff ringförmig angeordnet sein. In diesem Fall können die Berandungen der Rillen in den Läppscheiben verstärkt werden, wodurch Kugeldruckhärten um 270 N/mm2 erreicht werden. Dies führt zu weniger Ver- schleiß an den Rillenberandungen. Die konkrete Wahl des Kunststoffes ist letztlich ein Kompromiss zwischen optimaler Güte der Kugeln einerseits und der Abriebsgeschwindigkeit der Läppscheibe andererseits. Weiche Kunststoffe mit H < 150 N/mm2 ergeben meist exzellente Oberflächen bei Glasku- geln, beispielsweise besonders wenig Risse in der Oberfläche, zeigen aber einen erhöhten Abrieb bei der Läppscheibe. Härtere Kunststoffe erfahren einen geringeren Abrieb, führen jedoch zu weniger guten Oberflächen der Glaskugeln. Gleiches gilt sinngemäß, wenn Kugeln aus anderen Materialien geläppt werden sollen, bei- spielsweise aus einer Glaskeramik
Die zumindest im Wesentlichen kreisförmige Führungsscheibe kann entweder vollständig aus diesem Kunststoff bestehen, oder es kann lediglich für den stirnseitigen, d.h. dem der rotierenden Läppscheibe zugewandte Bereich der feststehenden zweiten Läppscheibe als
Material ein Kunststoff vorgesehen sein. Im letztgenannten Fall kann dies dadurch realisiert werden, dass der stirnseitige Bereich der Führungsscheibe austauschbar befestigt ist.
Die Läppung wird in einer Ölumgebung vorgenommen. Die Wahl einer Schmierung nur mit Öl, und ohne Anwesenheit von Wasser, führt zu einem Ölfilm auf den Kugeln, wodurch sich die Kugeln nicht mehr gegenseitig beschädigen. Der durch den Ölfilm hervorgerufene Schutz der Kugeln führt zu verbesserten Oberflächen der zu läp- penden Kugeln. Gleichzeitig kann die Losgröße erhöht werden, und insofern die Läppung einer Charge schneller und somit wirtschaftlich günstiger vorgenommen werden.
Das verwendete Öl für die Kugeln im Läppspalt sollte bei Glasku- geln eine Viskosität etwa zwischen 5 mm2/s und 25 mm2/s haben, gemessen bei 20° C gemäß DIN 51562/1. In diesem Fall erfolgt die Läppung von Glaskugeln besonders zuverlässig. Der Flammpunkt des verwendeten Öls sollte über 100°C liegen. In diesem Fall kommt die Läppmaschine ohne eine Kühlung für das Öl aus.
Eigene Untersuchungen haben ergeben, dass ein verbesserter Abtrag an den Glaskugeln und damit eine wirtschaftlichere Produktion dadurch erzielt werden kann, dass das Öl durch geeignete pH- emiedrigende Zusätze sauer gewählt wird. So konnte durch einen pH-Wert zwischen 6,0 und 6,5 die Prozesszeit um etwa 30% ver- kürzt werden.
Bei der Läppung wird kein loses Schleifkorn eingesetzt, sondern nur in der Schleifscheibe gebundenes Korn, wodurch die Konstanz der Bearbeitung erhöht und der Verbrauch an Korn gemindert wird.
In der Kombination mit der Anwesenheit von Öl im Läppspalt führt das gebundene Korn zu hohen Schleifleistungen bei konstantem Härtegefüge des Schleifkorns und darüber zu einem konstanten Abtrag. Bezogen auf die zu läppenden Kugeln stellt sich zudem ein homogeneres Schleifbild ein, und werden Oberflächenfehler reduziert. Die vermutete Ursache hierfür besteht darin, dass das Öl beim Läppprozess ausgeprägte Wasch- und Spüleigenschaften zeigt und dadurch der Schleifkörper bzw. das Schleifkorn stets von durch den Läppprozess entstandenen Partikeln befreit wird.
Die Drehgeschwindigkeit der rotierenden Läppscheibe fällt umso geringer aus je größer das Kugelgewicht ist. Allgemein liegt die Umdrehungsgeschwindigkeit der Schleifscheibe zwischen 40 und 200 U/min. Abhängig vom Material des Glaskugelrohlings ist die Min- destgeschwindigkeit 40 Umdrehungen pro Minute. Bei Kugeln aus
N-BK7 mit einem Durchmesser von 2,5 mm wären beispielsweise 80 U/min günstig. Zur Gewährleistung eines hohen Durchsatzes an zu bearbeitenden Kugeln weist die erfindungsgemäße Läppmaschine ein Magazin auf, mit dem eine größere Anzahl von Kugeln zu einer Bearbeitungs- Charge zusammengefasst werden. Die Kugeln gelangen unter Mitwirkung von Leit- bzw. Zuführungsmitteln in die segmentförmige Aussparung, und werden dort in die konzentrischen Rillen verteilt. Nach Durchlauf einer Rille erreichen die Kugeln wieder die segmentförmige Aussparung, von wo aus sie wieder in das Magazin gelan- gen. Die konstruktive Ausgestaltung des Magazins, die Führung der
Kugeln vom Läppspalt zum Magazin und zurück unter Einsatz einer Rille, eines Leitblechs etc. kann wie in der DE 43 36 441 A1 beschrieben erfolgen, auf die diesbezüglich verwiesen wird, und die ausdrücklich zum Inhalt der vorliegenden Erfindung gemacht wird.
Es ist von Vorteil, wenn die mit den Kugeln in Berührung kommenden Teile außerhalb der zumindest im wesentlichen runden Läppscheiben, so zum Beispiel das Magazin, sämtlich aus Kunststoff gefertigt sind. Als Kunststoff kann PVC gewählt werden. Der Kunststoff vermeidet Beschädigungen der Kugeloberflächen. Die genannten Teile der Läppmaschine können vollständig aus Kunststoff bestehen, oder können mit Kunststoff ausgekleidet sein.
Wenn zum Austausch der im Läppspalt befindlichen Kugeln ein Ma- gazin mit verrundeten Ecken vorgesehen ist bleiben keine Glaskugeln in toten Ecken liegen. Die Verrundung kann dadurch gewährleistet werden, dass das Magazin aus dem Vollen gefräst wird und hierbei auf Verrundung geachtet wird, oder dass ein Magazin mit einem Kunststoff ausgekleidet wird, wobei bereits durch die Ausklei- düng eine Verrundung erzielt wird. Es hat sich nämlich gezeigt, dass ohne diese Verrundung ein Stau der Kugeln in den Ecken entsteht, welche zum regelrechten Hochwandern der Kugeln in den Ecken führt, und zu einem weiteren Wandern der Kugeln über die Kante hinaus. Die Verrundung führt dazu, dass die auswandernden Glaskugeln zum Stau der Kugeln zurückgeführt werden und dann in die Rillen der Läppscheibe zurückgeführt werden können. Dies führt dazu, dass keine Kugelrohlinge quasi unbearbeitet im Magazin verbleiben, so dass die Abweichung des Soll-Durchmessers vom Ist-Durchmesser innerhalb der Charge geringer ausfällt.
Die erfindungsgemäße Läppmaschine weist ferner eine Einrichtung zur Steuerung desjenigen Drucks auf, mit der die Läppscheiben aufeinandergedrückt werden. Dieser Anpressdruck liegt im Bereich zwischen 0 N und 5 kN, und ist damit um einen Faktor 1000 geringer als bei Läppmaschinen für metallische Kugellagerkugeln. Die Druckwerte können mit einer Genauigkeit von unter 50 N eingestellt werden. Mit der Drucksteuerung wird einerseits verhindert, dass die Kugeln einfach zerstört werden. Andererseits dient die Feineinstel- lung dazu, Oberflächenbeschädigungen spezifisch für die jeweilige
Glassorte auf ein Mindestmaß zu reduzieren.
Die drehbar angeordnete Läppscheibe besteht aus Siliciumkarbid, wobei die Siliciumkarbid-Körner in eine Kunstharzmatrix, beispiels- weise eine Bakelitmatrix, eingebettet sind. Allerdings ist für die
Glaskugeln eine wesentliche weichere Bindung für diese Einbettung vorgesehen als für Metallkugeln. Dies erreicht man dadurch, daß das Material vor dem Brennvorgang nur 1 , 2 oder 3-fach verdichtet wird.
In Kombination mit der Ölumgebung ergibt sich hierbei der zusätzliche Vorteil, dass das Öl die Kunstharzbindung leicht anlöst und es dadurch zu einer gleichbleibenderen Schnittleistsung kommt, da die verbrauchten Körner leicht herausgelöst werden können. Durch derartige Schleifscheiben ist der Einsatz von Schleifsuspensionen mit darin befindlichen losem Korn entbehrlich und kann eine zentrale Kühlschmiermittelanlage eingesetzt werden.
Es ist möglich, dass der Durchbruch bzw. die segmentförmige Aussparung, über die sich sonst der Ein- bzw. Auslauf der Kugeln in bzw. aus dem Magazin vollzieht, verschlossen wird, und zwar be- vorzugt durch eine kunststoffausgeschlagene Wand. Mit anderen
Worten befinden sich dann die Glaskugeln während des gesamten Bearbeitungsvorganges ausschließlich innerhalb des Läppspalts. Die verschlossene segmentförmige Aussparung stellt in diesem Sinne ein internes Magazin dar. Aus diesem Grund bezeichnet man diese Arbeitsweise auch als internen Betrieb.
Der interne Betrieb ist vorteilhaft bei der Herstellung einer begrenzten Anzahl von Glaskugeln aus einem bestimmten Glasmaterial, um eine bestimmte Maßhaltigkeit zu erreichen. Beim internen Betrieb tritt jedoch das Problem auf, dass sich die in den Rillen der
Läppscheibe befindlichen Glaskugeln nicht ohne weiteres aus dieser Rille trennen. Dies würde allein schon deshalb zu Problemen führen, weil die innen gelegenen Glaskugeln mit einer anderen Bahngeschwindigkeit bewegt werden als die weiter außen gelegenen Ku- geln, was zu unterschiedlichen Polierergebnissen führen muss. Aus diesem Grund besteht das Erfordernis, dass alle Glaskugeln die Rillen wechseln, um so zu einer stochastischen Verteilung etwaiger Abweichungen zu gelangen.
Um dieses Erfordernis erfüllen, ist für die segmentförmige Aussparung in der Führungsscheibe eine Schikane vorgesehen, welche bevorzugterweise an der Führungscheibe austauschbar befestigt wird. Die Schikane, beispielsweise in Form einer Rampe, einer (Stör-) Kante oder sonstiger geeigneter, im wesentlichen vom Solldurchmesser der Kugeln abhängiger Bauform, sorgt zusammen mit dem Kühlschmiermittel dafür, dass die Kugeln im Schikanenbereich aus den Rillen abgehoben werden, und in der verwirbelten Kühlflüssigkeit durchgemischt werden. Dies führt wunschgemäß zu einer geringeren Streuung der Durchmesser in der Charge.
Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass im Magazin mindestens eine Schikane vorgesehen ist mit der die Kugeln besser durchgemischt werden. Auch dies führt wie bei einer Positionierung der Schikane in der segmentförmigen Aussparung zu gleichmäßigeren Bearbeitungsergebnissen.
Mit der erfindungsgemäßen Läppmaschine lassen sich Kugeln mit einem Durchmesser bis hinunter zu 80 μm herstellen. Für die Serienfertigung ist eine Rundheit, verstanden als maximale Abweichung des Ist-Durchmessers vom Soll-Durchmesser, von 100 nm zuverlässig gewährleistbar, und im Labormaßstab Rundheiten bis 20 nm. Die Bearbeitung von Kugeln aus den unterschiedlichsten
Glassorten ist mit der erfindungsgemäßen Läppmaschine möglich.
Prinzipiell lassen sich mit den Verfahren bzw. der Läppmaschine Kugelrohlinge bearbeiten die weicher als das Schleifkorn in der Schleifscheibe sind. Wird SiC-Korn verwendet, so sind dies beispielsweise Gläser, Keramiken, Glaskeramiken oder Kristalle mit einer Härte nach Mohs von unter 9,5 bis 9,75, bzw. nach Knoop HK 0,1 von unter 2500 bis 2900.
In Versuchen konnten polierten Kugeln mit Erfolg aus den Glassorten N-BK7, LaSF35, LaSFN9, N-LaSF44, SF57, N-SK56, SFL56, N- LaSF36, fused silica und N-LaF33 hergestellt werden. Es kann vorgesehen sein, dass die feststehende zweite Läppscheibe unterhalb der rotierenden ersten Läppscheibe angeordnet ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Kugeln ausschließlich in- folge ihrer Schwerkraft in den Läppspalt hinein- bzw. herausgelangen, sodass auf entsprechende Werkzeuge zum Zuführen beziehungsweise Ausheben der Kugeln verzichtet werden kann was ein geringeres Maß an Oberflächenbeschädigungen zur Folge hat.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung.
Fig. 1 zeigt die Seitenansicht einer erfindungsgemäß realisierten Läppmaschine horizontaler Bauart mit feststehender oberer Läppscheibe 1 und drehbar angeordneter unterer Läppscheibe 2 (Schleifscheibe). Die Drehachsen 3 sind koaxial zueinander angeordnet, und sind parallel zur Senkrechten ausgerichtet. Die obere Läppscheibe 1 ist vollständig aus Kunststoff gefertigt. Das seitlich links bzw. rechts dargestellte Magazin 4 ist mit PVC (11 ) ausgekleidet. Im Läppspalt 5 befinden sich die zu bearbeitenden Glaskugel- rohlinge 6, die sich in zeichnerisch nicht dargestellten Rillen befinden. Die Schleifscheibe 2 dreht sich in Pfeilrichtung mit einer Geschwindigkeit zwischen 40 und 200 U/min. Im Läppspalt 5 befindet sich ferner ein Kühlschmiermittel für das Schleifen und Polieren, um damit das Reiben von Glaskugel an Glaskugel und damit gegensei- tige Beschädigungen zu vermeiden.
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf die feststehende obere Läppscheibe 2 für den Fall des so genannten internen Betriebs. Die Läppscheibe 1 weist hierbei im einlauf- und auslaufseitigen Bereich der segment- förmigen Aussparung 7 eine kunststoffausgeschlagene Wand 8 auf, die gewährleistet, dass die Glaskugelrohlinge den Läppspalt nicht verlassen können, welche bei dieser Betriebsweise ein internes Ma- gazin darstellt. Die Kugeln 6 bewegen sich entlang der zeichnerisch nicht dargestellten Rillen in Pfeilrichtung und gelangen zur als Kante ausgebildeten Schikane 9. Durch Kollision mit dieser Störkante, a- ber auch durch die Kollision der Glasrohlinge untereinander werden sie in der Kühlmittelschmierumgebung durcheinandergewirbelt, was durch die Pfeile in Uhrzeiger- und Gegenuhrzeigersinn angedeutet ist. Durch diese Störkante verlassen die Glaskugeln ihre jeweiligen Rillen und gelangen so nach Passieren dieses Hindernisses in eine andere Rille. Hierdurch wird wunschgemäß eine höhere Gleichmä- ßigkeit des Bearbeitungsergebnisses innerhalb der Charge gewährleistet.
Fig. 3 zeigt in einer Seitenansicht ein internes Magazin 4, dessen Verrundung der Ecken der einfacheren grafischen Darstellbarkeit halber nicht gezeigt ist. Das interne Magazin weist in seinem Inneren eine Schikane 9 in Form einer Rampe auf, welche die Kugeln 6 überwinden müssen um die Einlaufsseite 10 der Läppscheiben zu erreichen. Die Rampe führt zu einer Durchmischung der Kugeln was durch den Pfeil im Gegenuhrzeigersinn angedeutet wird. Die besse- re Durchmischung der Kugeln im Magazinbereich führt zu geringeren Unterschieden des Soll- vom Ist-Durchmessers innerhalb der Charge.
Fig. 4 zeigt in einer Gesamtdarstellung die Führungsscheibe 1 , wel- ehe mit einer Kraft F senkrecht nach unten auf die sich mit der Geschwindigkeit ω drehende Schleifscheibe 2 gepresst wird. Die Führungsscheibe weist Rillen 12, 12' auf, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei exemplarisch gezeigt sind. Im Laufe der Bearbeitungszeit bilden sich entsprechend zu den Rillen der Füh- rungsscheibe 1 auch in der zunächst ebenen Schleifscheibe Rillen heraus. Fig. 5 zeigt in einer seitlichen Aufsicht eine Führungsscheibe mit insgesamt 13 konzentrischen Rillen und segmentförmiger Aussparung 7. Der Außendurchmesser der Führungsscheibe beträgt 400 mm. Mit der Führungsscheibe können Kugeln mit einem Durchmes- ser von 6,5 mm geläppt werden.
Zur Herstellung von N-BK7 Kugeln mit einem Durchmesser von 3 mm wurden in Würfel des Startmaßes 3,85 mm x 3,85 mm x 3,85 mm und einer Toleranz von ± 0,3 mm in einer rotierenden Trommel an den Ecken abgerundet. Die damit hergestellten Glaskugelrohlinge hatten ein Endmaß von (3,75 ± 0,5) mm. Verwendet wurden Schleifscheiben des Herstellers Atlantik-Schleifscheiben aus Bonn (Deutschland) mit einer herstellerspezifischen Härteskala auf Basis des Zeiss-Mackensen-Verfahrens.
Der Läppvorgang der Glaskugelrohlinge erfolgte in drei Stufen. In einer ersten Stufe wurde eine Schleifscheibe der Härte RE mit Sili- ciumkarbid-Körnem der Körnung SiC 180 (gem. DIN ISO 6344) und leicht saures Öl (pH zwischen 6,0 und 6,5) eingesetzt. Die Füh- rungsscheibe wurde mit einer Kraft von maximal 1 kN gegen die sich mit 50 U/min rotierende Schleifscheibe gepresst. Die Rohlinge hatten dann Maße von ca. (3,42 ± 0,1) mm.
In einer zweiten Stufe wurde eine Schleifscheibe der Härte REH mit der Körnung SiC 400 bei ebenfalls leicht saurem Öl (pH zwischen
6,0 und 6,5) eingesetzt. Die Presskraft auf die sich mit 80 U/min drehende Schleifscheibe betrug nun maximal 1 ,5 kN. Die Kugeln hatten dann ein Maß von (3,2 ± 0,03) mm.
In einer dritten Stufe wurde die SiC-800-Schleifscheibe der Härte
REH nun mit 100 U/min gedreht und erfuhr eine Presskraft von maximal 3 kN. Die erreichten Kugelmaße waren (3,085 ± 0,01) mm. In einem letzten Schritt wurde mit einer speziellen Schleifscheibe unter Verwendung eines Poliermittels der Durchmesser auf (3,000 ± 0,001) mm abgesenkt.
Bei der stufenweisen Bearbeitung der Rohlinge nahm die Rundheit von < 500 μm über < 80 μm, < 10 μm, < 2 μm auf < 80 nm ab.
Bezugszeichenliste
obere, feststehende Läppscheibe untere, drehbare Läppscheibe (Schleifscheibe) Drehachse Magazin Läppspalt Glaskugel segmentförmige Aussparung Wand Schikane Einlaufseite der Läppscheibe PVC-Auskleidung Rille

Claims

Patentansprüche
1. Läppmaschine für Glaskugeln, umfassend
- eine erste, kreisförmige, drehbar angeordnete Läppscheibe (2),
- und einer zweiten, feststehenden Läppscheibe (1), die zum Austausch der im Läppspalt (5) befindlichen Kugeln (6) segmentförmig ausgespart ist,
- wobei die erste und zweite Läppscheibe koaxial angeordnet sind,
- bei der beide Läppscheiben auf den sich stirnseitig gegenüberliegenden Kreisflächen mit
Rillen (12) versehen sind,
dadurch gekennzeichnet,
- dass zumindest für den stirnseitigen Bereich der feststehenden zweiten Läppscheibe (1) als Material ein Kunststoff vorgesehen ist.
2. Läppmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass konzentrische Rillen vorgesehen sind
3. Läppmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeldruckhärte des Kunststoffs mindestens 150 mm2/s beträgt.
4. Läppmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ausgewählt wird unter Susta- mit oder glasfaserverstärktem Kunststoff.
5. Läppmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff eine ringförmige Glasfaserverstärkung aufweist.
6. Läppmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den Kugeln in Berührung kommenden Teile außerhalb der Läppscheiben sämtlich aus Kunststoff sind.
7. Läppmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Steuerung desjenigen Drucks vorgesehen ist, mit der die Läppscheiben aufeinanderge- drückt werden.
8. Läppmaschine ist nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Austausch der im Läppspalt (5) befindlichen Kugeln (6) ein Magazin (4) mit verrundeten Ecken vorgesehen ist
9. Läppmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Führungsscheibe im Bereich der segmentförmigen Aussparung (7) eine Schikane (9) vorgesehen ist.
10. Läppmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die feststehende zweite Läppscheibe (1) unterhalb der rotierenden ersten Läppscheibe (2) angeordnet ist.
11. Läppmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Läppscheibe (2) aus Silicium- karbid, eingebettet in eine Kunstharzmatrix, besteht.
12. Verfahren zum Läppen von Glaskugeln, bei dem Kugelrohlinge in den Läppspalt (5) zwischen zwei kreisförmigen Läppscheiben (1 ,2) eingebracht werden, wobei letztere auf den sich stirnseitig gegenüberliegenden Kreisflächen mit Rillen (12) ausgestattet sind, bei dem eine der Läppscheiben in eine Drehbewegung versetzt wird und den sich in den Rillen befindlichen Kugelrohlingen eine Abwälzbewegung aufgezwungen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Läppvorgang in einer Ölumgebung durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Läppen ein Öl eingesetzt wird, welches bei 20° C eine Viskosität von etwa 5 mm2/s bis etwa 25 mm2/s aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Läppen ein Öl mit einem Flammpunkt von mindestens 100° C eingesetzt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Läppscheiben mit einem Druck bis etwa 5 kN aufeinander gedrückt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit mindestens 40 U/min beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öl mit einem pH-Wert < 7 eingesetzt wird.
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