WO2017001511A1 - Maschine zum herstellen von kugeln, kugel und verfahren zum herstellen einer kugel - Google Patents

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Lück ALEXANDER
Müller MICHAEL
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    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
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    • B24D13/14—Wheels having flexibly-acting working parts, e.g. buffing wheels; Mountings therefor acting by the front face
    • B24D13/142—Wheels of special form

Definitions

  • the invention relates to a machine for producing balls, with a rotary drive and at least one tool which is connected by means of a holder with the rotary drive for rotating and having a polishing dome, wherein the polishing dome is pivotally mounted on the holder and having a return element, which in a Deflection of the polishing dome from a rest position generates a restoring force and is constructed of an entropy-elastic material.
  • the invention relates to a sphere, in particular a silicon sphere, with a diameter between 2 millimeters and 200 millimeters.
  • the invention relates to a method for producing a sphere having a shape error of at most 50 nanometers.
  • GB 1 161 091 A relates to a method and apparatus for lapping or polishing balls.
  • the ball is to be processed by at least three calottes, each dome is inserted into a rubber body, which is arranged on a driven shaft. Forming errors of at most 254 nanometers are achieved with such a device.
  • DE 2458875 A1 relates to a device for grinding spherical surfaces and a method for its operation.
  • a ball is processed by three polishing pans, which are each arranged on a driven shaft. Two of the three shafts can be prestressed by one spring at a time, so that the pans are against the Ball can be pressed. Since deflections caused by unevenness on the spherical surface are absorbed directly by coil springs, form errors of at most 50 nanometers can not be achieved.
  • the invention is based on the object to improve the production of balls.
  • the invention solves the problem by a generic machine, in which the restoring element is designed as a membrane, so that balls with a shape error of at most 50 nanometers can be produced. .
  • the invention solves the problem by a generic ball with a shape error between 20 nanometers and 2 nanometers.
  • the invention solves the problem by a method for producing a sphere having a shape error of at most 30 nanometers, comprising the steps of: (a) clamping a ball blank having a diameter between 8 millimeters and 200 millimeters into a machine according to the invention preferably has four polishing calipers which are arranged tetrahedrally around the ball blank, (b) biasing the polishing calotte on the ball blank with a biasing force and (c) rotating the polishing calender until the ball blank has formed a ball whose shape error at most 20 nanometers.
  • An advantage of the invention is that the surface finish of the ball is improved and the roughness is reduced, in particular, low form errors can be achieved. This makes it possible to calculate the mass of the sphere with high accuracy from the atomic mass, the lattice constant and the diameter of the sphere. This makes a reproducible definition of the kilogram possible. It is a further advantage that a damage zone influenced by the polishing process has a very small thickness.
  • the ball has only a few impurities in its surface.
  • the invention is based on the finding that the polishing dome must be able to execute pitching movements about the axis of rotation during the polishing operation in order to avoid damage to the workpiece edge zone.
  • the entropy-elastic material usually has a greater spring constant, the greater the deflection.
  • the polishing dome is understood to mean that component whose surface, during polishing, comes into direct contact with the surface of the ball to be polished and removes material from the ball.
  • the polishing dome is preferably made of glass, if a grain having a grain size of at most 1 ⁇ is used. For grain with a grain size of more than 1 ⁇ metal dome are preferably used.
  • the restoring element is understood in particular to mean an element which, compared to the other components in the force flow between the holder and the surface of the polishing dome, which comes into contact with the ball to be polished during polishing, is significantly less rigid.
  • the restoring element has a rigidity with respect to a deflection of a point of the polishing dome from its zero position, which is at most one tenth of the rigidity of the other components.
  • the sphere blank is understood in particular to mean a sphere whose shape deviation is greater than 50 nanometers, in particular greater than
  • the machine is designed to produce balls of the highest surface quality, it could also be called a polishing machine.
  • the machine is designed in particular for lapping the ball.
  • the method is preferably a lapping process.
  • Lapping is understood in particular to mean a cutting process with unbound grain.
  • a cutting material preferably grains are used with a grain size of at most 1 ⁇ . It is possible and represents a preferred embodiment that initially grains are used with a grain size of at most 25 ⁇ . It is favorable if the polishing element is coated with pitch on its polishing surface. The polishing medium is then placed between the pitch and the ball.
  • the polishing dome is pivotally mounted about a pivot point on the holder and the fulcrum has a distance from a contact ball center of a contact ball of a polishing surface of the polishing element, said distance being less than four times, in particular less than twice, a contact ball radius of the contact ball.
  • the contact sphere is understood to be the imaginary Schmiegekugel which optimally approximates the polishing surface. If the machine contains a ball to be polished, corresponds to the imaginary contact ball of the imaginary balancing ball through the surface of the polishing ball.
  • the advantage of this is that the distance between the pivot point and the ball center of the ball to be polished is comparatively small. This facilitates pitching movements of the spherical cap about the axis of rotation, which according to a preferred embodiment extends along a longitudinal axis of the holder.
  • the polishing element has a deflection spring constant with respect to a pivoting movement between the polishing dome and the holder, which is determined with respect to a force which acts on a point of the polishing surface and which deflects this point by one micrometer relative to the holder, wherein the deflection spring constant is at most 1 Newton per degree, preferably at most 0.25 Newton per degree.
  • the degree refers to angular degrees, with the full angle 360 °. It has been found that a too large deflection spring constant means that the polishing dome of the ball can not follow sufficiently simple.
  • the deflection spring constant is greater than 0.1 Newton per degree, more preferably greater than 10 Newton per degree. It should be noted that the deflection spring constant is preferably for all points on the polishing surface, the come into contact with the ball during polishing, at most the specified maximum value and / or at least the specified minimum value.
  • the return element is designed as a membrane.
  • This has the advantage that the elastic properties with respect to a pivoting movement of the polishing calotte relative to the holder are at least substantially isotropic.
  • the membrane is designed so that the maximum of a difference between the deflection spring constant with respect to two different pivot directions is at most 10%.
  • the membrane can also be made corrugated.
  • the polishing element has such a large damping constant with respect to a deflection of a point of the polishing surface from its zero position by 1 micrometer that the polishing element does not overshoot its zero position.
  • the damping constant is so great that creep occurs in the oscillation of the polishing element.
  • the machine comprises a biasing device for biasing the at least one polishing element onto the ball with a biasing force, wherein the biasing force is selected so that a computational surface pressure of the polishing surface on the ball is at most 15 Newton / cm 2 , in particular 15 Newton / cm 2 ,
  • very small form deviations can only be achieved with very low removal rates and very defined prestressing forces.
  • a method according to the invention is preferably carried out such that an erosion is less than 3 nanometers per minute, in particular 1.5 nanometers per minute. Under the removal is understood the decrease of the radius due to the polishing. It has been found that low removal rates, ie change rates of the radius, to spheres with particularly low shape error and very good surface properties.
  • the method is carried out until a shape error is at most 20 nanometers.
  • the deviation of the sphere from an ideal sphere in the mathematical sense is then less than 20 nanometers, preferably less than 10 nanometers, at any point on the surface of the sphere.
  • pH-neutral polishing paste that is to say that a pH of a polishing paste which can be used to carry out the method according to the invention is between 6.5 and 7.5, in particular 6.8 and 7, 2, lies.
  • the polishing is then based on a purely physical removal, but not on a physico-chemical removal.
  • Figure 1 shows a machine according to the invention for carrying out a method according to the invention
  • FIG. 2 shows the polishing element of a polishing element according to the invention
  • FIG. 1 shows a machine 10 according to the invention for producing balls 12.
  • the machine 10 comprises four rotary drives, of which the rotary drives 14.1, 14.2 and 14.3 can be seen.
  • the polishing elements 16.i are tetrahedral around a common center M-16, which coincides with a ball means M 12 of the ball 12.
  • the rotary drives 14. i, and the bearings 18. i are attached to a frame 20.
  • the rotary actuators 12.i are controlled by a control unit 22, which is formed in the present case by a computer. It is favorable if the rotational speeds and directions of the rotary drives 14.i are varied over time.
  • the machine 10 has three biasing devices 24, of which the biasing devices 24.1 and 24.2 can be seen.
  • Each biasing device 24 has in the present case a weight 26 whose weight is deflected via a tension element, here in the form of a wire, and a deflection roller and directed to the respective polishing element 16.
  • a tension element here in the form of a wire
  • a deflection roller directed to the respective polishing element 16.
  • the polishing element 16.3 requires no biasing device, since the biasing force can be adjusted only by the weight of the polishing element 16.4.
  • FIG. 2 shows a polishing element 16 according to the invention which comprises a holder 28 and a polishing calotte 30.
  • a polishing surface 32 is formed, which rests against the ball 12 during operation of the machine according to the invention (see FIG.
  • the holder 28 has a ball head 34 about which the polishing dome 30 is pivotally mounted.
  • the ball head 34 is seated in a socket pan 36 of the polishing dome 30 and is fixed with a Fixierkalotte 38 relative to the socket 36.
  • the ball head 34 forms with the joint socket 36 and the Fixierkalotte 38 a transition fit.
  • This transition fit is so closely tolerated that, on the one hand, there is no noticeable play and, on the other hand, a breakaway force for moving the polishing dome 30 relative to the holder 28 can be neglected to a good approximation.
  • a sliding fluid is present, while For example, mineral oil.
  • the polishing dome 30 has a restoring element 40, which according to the invention is formed by a membrane made of entropy-elastic material.
  • the entropy-elastic material in the present case is rubber.
  • a point P on the polishing surface 32 moves on a circular arc portion whose center is a pivot point D.
  • the pivot point D has a distance d to a contact ball center M 42 of an imaginary contact ball 42, which is the Schmiegekugel on the polishing surface 32.
  • the contact ball 42 corresponds to the realization of the ball being polished.
  • the polishing dome 30 pivots about the fulcrum D.
  • the point P thereby moves around a deflection a to the point P '.
  • the deflection a is the arc length between the points P and P ', which can be described in a very good approximation by the distance between the two points P and P'.
  • deflecting the polishing dome pivots about a deflection angle a, which is measured in degrees.
  • the quotient F / ⁇ from the force F, which leads to a displacement of one micrometer, and the deflection angle a, which corresponds to this deflection a is referred to as the deflection spring constant ⁇ .
  • the deflection spring constant ⁇ depends on the position of the punk tes P on the polishing surface 32 from.
  • a point is to be chosen, which lies in the middle of the two edges of the polishing surface 32, whose distance from the pivot point D is just the mean between the point of the polishing surface 32 at the greatest distance from the center D and the point of rotation D a least spaced point of the polishing surface 32 corresponds.
  • the restoring element 40 is designed such that the damping constant ⁇ is so great that the aperiodic limit case or the creep occurs.
  • the ball 12 is clamped in the machine 10 as shown in FIG. 1 and the rotary drives 14 are operated, preferably with different rotational speeds and / or directions of rotation.
  • the polishing surface 32 is covered with pitch.
  • a polishing medium is present.
  • the pH of the mixture of pitch and polishing medium is preferably neutral.
  • the weights 26 are chosen so that an erosion is less than 3 nanometers per minute. It is particularly favorable if the removal amounts to 1 ⁇ 0.5 nanometers per minute. This process makes it possible to produce spheres with a diameter between 50 and 200 mm, which have a shape error of less than 20 nanometers. Mean roughness values R a according to DIN EN ISO 4287: 2010 of less than 0.4 nanometers are achievable. It has been found that an edge layer of the ball 12, which is preferably a silicon ball, shows no detectable damage. In addition, no components of the polishing medium are detectable. The surface has a uniformly thin Oxide layer and there are no metallic contaminants detectable. The mass of the ball in the present case is 1 kg +/- 5 mg.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)

Abstract

Maschine zum Herstellen von Kugeln (12), mit (a) einem Drehantrieb (14) und (b) zumindest einem Werkzeug (16), das mittels einem Halter (28) mit dem Drehantrieb (14) zum Drehen verbunden ist undeine Polierkalotte (30)aufweist, wobei (c) die Polierkalotte (30) schwenkbar am Halter (28) befestigt ist undein Rückstellelement (40) aufweist, das bei einer Auslenkung der Polierkalotte (30) aus einer Ruhelage eine Rückstellkraft erzeugt undaus einem entropieelasti- schen Material aufgebaut ist.Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass (d) das Rückstellelement als Membran ausgebildet ist, so dass Kugeln (12) mit einem Formfehler von höchstens 50 Nanometer herstellbar sind.

Description

Maschine zum Herstellen von Kugeln, Kugel und Verfahren zum Herstellen einer Kugel (Hauptantrag)
Die Erfindung betrifft eine Maschine zum Herstellen von Kugeln, mit einem Drehantrieb und zumindest einem Werkzeug, das mittels einem Halter mit dem Drehantrieb zum Drehen verbunden ist und eine Polierkalotte aufweist, wobei die Polierkalotte schwenkbar am Halter befestigt ist und ein Rückstellelement aufweist, das bei einer Auslenkung der Polierkalotte aus einer Ruhelage eine Rückstellkraft erzeugt und aus einem entropieelastischen Material aufgebaut ist. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Kugel, insbesondere eine Siliziumkugel, mit einem Durchmesser zwischen 2 Millimeter und 200 Millimeter. Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Kugel mit einem Formfehler von höchstens 50 Nanometer.
Es wird seit längerer Zeit daran gearbeitet, das Kilogramm auf Naturkonstanten zurückzuführen, um dieses unabhängig vom Ur-Kilogramm definieren zu können. Ein Ansatz dafür ist, eine hochpräzise Kugel aus einem Kristall herzustellen. Bislang ist es gelungen, Kugeln mit einem Formfehler von ungefähr 100 Nanome- tern herzustellen. Höchste Genauigkeiten, insbesondere Formfehler unter 20 Nanometer, konnten bislang nicht erreicht werden.
Die GB 1 161 091 A betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Läppen oder Polieren von Kugeln. Die Kugel wird dazu von zumindest drei Kalotten bearbeitet, wobei jede Kalotte in einen Gummikörper eingesteckt ist, welcher auf einer antreibbaren Welle angeordnet ist. Mit einer derartigen Vorrichtung werden Formfehler von höchstens 254 Nanometer erreicht.
Die DE 2458875 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Schleifen von Kugelflächen und ein Verfahren zu ihrem Betrieb. Eine Kugel wird dazu von drei Polierpfannen bearbeitet, die jeweils an einer antreibbaren Welle angeordnet sind. Zwei der drei Wellen sind über jeweils eine Feder vorspannbar, sodass die Pfannen gegen die Kugel gedrückt werden können. Dadurch, dass durch Unebenheiten auf der Kugeloberfläche bewirkte Auslenkungen unmittelbar von Schraubenfedern aufgenommen werden, können Formfehler von höchstens 50 Nanometer nicht erreicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Herstellung von Kugeln zu verbessern.
Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Maschine, bei der das Rückstellelement als Membran ausgebildet ist, sodass Kugeln mit einem Formfehler von höchstens 50 Nanometer herstellbar sind. ,
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch eine gattungsgemäße Kugel mit einem Formfehler zwischen 20 Nanometern und 2 Na- nometern.
Gemäß einem dritten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zum Herstellen einer Kugel mit einem Formfehler von höchstens 30 Nanometern mit den Schritten: (a) Einspannen eines Kugel-Rohlings mit einem Durchmesser zwischen 8 Millimetern und 200 Millimetern in eine erfindungsgemäße Maschine, die vorzugsweise vier Polierkalotten aufweist, die tetraedrisch um den Kugel- Rohling angeordnet sind, (b) Vorspannen der Polierkalotten auf den Kugel- Rohling mit einer Vorspannkraft und (c) Drehen der Polierkalotte, bis aus dem Kugel-Rohling eine Kugel entstanden ist, deren Formfehler höchstens 20 Nanometer beträgt.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die Oberflächenbeschaffenheit der Kugel verbessert wird und die Rauheit vermindert wird, insbesondere sind geringe Formfehler erreichbar. Das ermöglicht es, die Masse der Kugel mit hoher Genauigkeit aus der Atommasse, der Gitterkonstanten und dem Durchmesser der Kugel zu berechnen. So wird eine reproduzierbare Definition des Kilogramms möglich. Es ist ein weiterer Vorteil, dass eine durch den Polierprozess beeinflusste Schädigungszone eine sehr geringe Dicke besitzt.
Es ist ein weiterer Vorteil, dass die Kugel in ihrer Oberfläche nur wenige Verunreinigungen aufweist.
Vorteilhaft ist zudem, dass derartige Kugeln als hochgenaue Reflektoren verwendet werden können.
Insgesamt ist es mit der Erfindung möglich, einen geringen Formfehler zu erreichen, eine Oberfläche ohne Kratzer und mit sehr geringen Rauheiten herzustellen, eine definiert dicke Oxidschicht zu erhalten, nur in sehr geringem Maße Fremdatome in die Oberfläche einzubringen und die Kristallstruktur des Kugelmaterials nur wenig zu stören. Die Kombination dieser Vorteile ist bislang nicht erreicht worden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Polierkalotte während des Poliervorgangs Nickbewegungen um die Drehachse ausführen können muss, um eine Schädigung der Werkstückrandzone zu vermeiden. Durch die Verwendung von entropielastischem Material werden selbsterregte Schwingungen der Polierkalotte relativ zum Halter und damit relativ zur Kugel vermieden, was die erreichbare Oberflächenqualität zusätzlich erhöht.
Vorteilhaft ist zudem, dass das entropieelastische Material in aller Regel eine umso größere Federkonstante besitzt, je größer die Auslenkung ist. Bei kleinen Auslenkungen, die bei der Bearbeitung von Kugeln mit bereits einer hohen Formgenauigkeit entstehen, entstehen so nur kleine Kräfte auf die Oberfläche der Kugel. Größere Auslenkungen führen zu überproportional größeren Rückstell kräften.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Formfehler insbesondere die maximale Abweichung zwischen der Oberfläche der Kugel einerseits und einer gedachten idealen Kugeloberfläche durch die Oberfläche der Kugel verstanden.
Unter der Polierkalotte wird dasjenige Bauteil verstanden, dessen Oberfläche beim Polieren unmittelbar mit der Oberfläche der zu polierenden Kugel in Kontakt kommt und von der Kugel Material abträgt. Die Polierkalotte besteht vorzugsweise aus Glas, wenn ein Korn mit einer Korngröße von höchstens 1 μιτι verwendet wird. Für Korn mit einer Korngröße von mehr als 1 μιτι werden vorzugsweise Metall kalotten verwendet.
Unter dem Rückstellelement wird insbesondere ein Element verstanden, das im Vergleich zu den sonstigen Komponenten im Kraftfluss zwischen dem Halter und der Oberfläche der Polierkalotte, die beim Polieren in Kontakt mit der zu polierenden Kugel kommt, deutlich weniger steif ist. Insbesondere hat das Rückstellelement bezüglich einer Auslenkung eines Punkts der Polierkalotte aus deren Nulllage eine Steifigkeit, die höchstens ein Zehntel der Steifigkeit der sonstigen Komponenten beträgt.
Unter dem Kugel-Rohling wird insbesondere eine Kugel verstanden, deren Formabweichung größer ist als 50 Nanometer, insbesondere größer als
100 Nanometer. Es kann sich also insbesondere um eine Kugel handeln, die mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurde.
Da die Maschine zum Herstellen von Kugeln höchster Oberflächenqualität ausgebildet ist, könnte sie auch als Poliermaschine bezeichnet werden. Die Maschine ist insbesondere zum Läppen der Kugel ausgebildet. Das Verfahren ist vorzugsweise ein Läppverfahren. Unter dem Läppen wird insbesondere ein spanendes Verfahren mit ungebundenem Korn verstanden. Als Schneidstoff werden vorzugsweise Körner mit einer Korngröße von höchstens 1 μιτι verwendet. Es ist möglich und stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, dass zunächst Körner mit einer Korngröße von höchstens 25 μιτι verwendet werden. Günstig ist es, wenn das Polierelement an seiner Polieroberfläche mit Pech belegt ist. Das Poliermedium ist dann zwischen dem Pech und der Kugel angeordnet.
Vorzugsweise ist die Polierkalotte um einem Drehpunkt schwenkbar am Halter gelagert und der Drehpunkt hat einen Abstand von einem Kontaktkugelmittelpunkt einer Kontaktkugel einer Polieroberfläche des Polierelements, wobei dieser Abstand kleiner ist als das Vierfache, insbesondere kleiner als das Doppelte, eines Kontaktkugelradius der Kontaktkugel. Unter der Kontaktkugel wird dabei diejenige gedachte Schmiegekugel verstanden, die die Polieroberfläche optimal approximiert. Sofern die Maschine eine zu polierende Kugel enthält, entspricht die gedachte Kontaktkugel der gedachten Ausgleichskugel durch die Oberfläche der polierenden Kugel .
Vorteilhaft daran ist, dass der Abstand zwischen dem Drehpunkt und dem Kugelmittelpunkt der zu polierenden Kugel vergleichsweise klein ist. Das erleichtert Nickbewegungen der Kugelkalotte um die Drehachse, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sich entlang einer Längsachse des Halters erstreckt.
Vorzugsweise hat das Polierelement bezüglich einer Schwenkbewegung zwischen Polierkalotte und Halter eine Auslenk-Federkonstante, die bestimmt ist bezüglich einer Kraft, die an einem Punkt der Polieroberfläche angreift und die diesen Punkt relativ zum Halter um einen Mikrometer auslenkt, wobei die Auslenk-Federkonstante höchstens 1 Newton pro Grad, vorzugsweise höchstens 0,25 Newton pro Grad, beträgt. Die Gradangabe bezieht sich auf Winkelgrad, wobei der Vollwinkel 360° hat. Es hat sich herausgestellt, dass eine zu große Auslenk-Federkonstante dazu führt, dass die Polierkalotte der Kugel nicht mehr hinreichend einfach folgen kann.
Vorzugsweise ist die Auslenk-Federkonstante größer als 0,1 Newton pro Grad, insbesondere größer als 10 Newton pro Grad. Es sei angemerkt, dass die Auslenk-Federkonstante vorzugsweise für alle Punkte auf der Polieroberfläche, die beim Polieren in Kontakt mit der Kugel kommen, höchstens den angegebenen Maximalwert und/oder mindestens den angegebenen Minimalwert hat.
Erfindungsgemäß ist das Rückstellelement als Membran ausgebildet. Das hat den Vorteil, dass die elastischen Eigenschaften bezüglich einer Schwenkbewegung der Polierkalotte relativ zum Halter zumindest im Wesentlichen isotrop sind. Insbesondere ist die Membran so ausgebildet, dass das Maximum einer Differenz zwischen den Auslenk-Federkonstanten bezüglich zweier unterschiedlicher Schwenkrichtungen höchstens 10% beträgt. Die Membran kann auch gewellt ausgeführt sein.
Vorzugsweise hat das Polierelement bezüglich einer Auslenkung eines Punkts der Polieroberfläche aus seiner Nulllage um 1 Mikrometer eine so große Dämpfungskonstante, dass das Polierelement nicht über seine Nulllage überschwingt. In anderen Worten ist die Dämpfungskonstante so groß, dass bei der Schwingung des Polierelements der Kriechfall eintritt.
Vorzugsweise umfasst die Maschine eine Vorspannvorrichtung zum Vorspannen des zumindest einen Polierelements auf die Kugel mit einer Vorspannkraft, wobei die Vorspannkraft so gewählt ist, dass eine rechnerische Flächenpressung der Polieroberfläche auf die Kugel höchstens 15 Newton/cm2, insbesondere 15 Newton/cm2, beträgt. Je größer die Flächenpressung ist, desto größer ist der Materialabtrag pro Zeiteinheit und desto kürzer ist dementsprechend die Zeit, die für die Bearbeitung benötigt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass extrem kleine Formabweichungen nur mit sehr geringen Abtragsraten und sehr definierten Vorspannkräften erreicht werden können.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird vorzugsweise so durchgeführt, dass ein Abtrag kleiner ist als 3 Nanometer pro Minute, insbesondere 1 ,5 Nanometer pro Minute. Unter dem Abtrag wird die Abnahme des Radius aufgrund des Polierens verstanden. Es hat sich herausgestellt, dass geringe Abtragsraten, das heißt Änderungsgeschwindigkeiten des Radius, zu Kugeln mit besonders geringem Form- fehler und sehr guten Oberflächeneigenschaften führen können.
Günstig ist es, wenn das Verfahren so lange durchgeführt wird, bis ein Formfehler höchstens 20 Nanometer beträgt. In anderen Worten ist die Abweichung der Kugel von einer im mathemischen Sinne idealen Kugel dann an jedem Punkt der Oberfläche der Kugel kleiner als 20 Nanometer, vorzugsweise kleiner als 10 Nanometer.
Besonders günstig ist es, wenn pH-neutrale Polierpaste verwendet wird, das heißt, dass ein pH-Wert einer Polierpaste, die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann, zwischen 6,5 und 7,5, insbesondere 6,8 und 7,2, liegt. In anderen Worten beruht das Polieren dann auf einem rein physikalischen Abtrag, nicht aber auf einem physikalisch-chemischen Abtrag.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Maschine zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 2 das Polierelement eines erfindungsgemäßen Polierelements der
Maschine gemäß Figur 1 .
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Maschine 10 zum Herstellen von Kugeln 12. Die Maschine 10 umfasst vier Drehantriebe, von denen die Drehantriebe 14.1 , 14.2 und 14.3 zu sehen sind. Die Drehantriebe 14. i (i=1 ,2,3,4) sind mit jeweils einem Polierelement 16.i drehfest verbunden. Zwischen dem Drehantrieb 14. i und dem zugeordneten Polierelement 16. i kann ein Lager 18. i angeordnet sein, das eine Drehachse A, aufweist, die zeitlich möglichst wenig in ihrer Lage schwankt.
Die Polierelemente 16.i sind tetraederartig um einen gemeinsamen Mittelpunkt M-16 angeordnet, der mit einem Kugelmittel M 12 der Kugel 12 zusammenfällt. Die Drehantriebe 14. i, sowie die Lager 18. i sind an einem Gestell 20 befestigt. Die Drehantriebe 12.i werden von einer Steuereinheit 22, die im vorliegenden Fall durch einen Rechner gebildet ist, angesteuert. Es ist günstig, wenn die Drehgeschwindigkeiten und -richtungen der Drehantriebe 14.i über die Zeit variiert werden.
Die Maschine 10 besitzt drei Vorspannvorrichtungen 24, von denen die Vorspannvorrichtungen 24.1 und 24.2 zu erkennen sind. Jede Vorspannvorrichtung 24 besitzt im vorliegenden Fall ein Gewicht 26, dessen Gewichtskraft über ein Zugelement, hier in Form eines Drahts, und eine Umlenkrolle umgelenkt und auf das jeweilige Polierelement 16 geleitet wird. Durch Variation der Gewichte 26 (Bezugszeichen ohne Zählsuffix beziehen sich jeweils auf alle entsprechenden Objekte) kann daher eine Vorspannkraft auf die Polierelemente 16.1 , 16.2 und das in Figur 1 nicht zu sehende Polierelement 16.4 variiert werden. Das Polierelement 16.3 bedarf keiner Vorspannvorrichtung, da die Vorspannkraft allein durch das Gewicht des Polierelements 16.4 eingestellt werden kann.
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Polierelement 16, das einen Halter 28 und eine Polierkalotte 30 umfasst. An der Polierkalotte 30 ist eine Polieroberfläche 32 ausgebildet, die beim Betrieb der erfindungsgemäßen Maschine (vgl . Figur 1 ) an der Kugel 12 anliegt.
Der Halter 28 besitzt einen Kugelkopf 34, um den die Polierkalotte 30 schwenkbar gelagert ist. Der Kugelkopf 34 sitzt in einer Gelenkpfanne 36 der Polierkalotte 30 und ist mit einer Fixierkalotte 38 relativ zur Gelenkpfanne 36 fixiert. Der Kugelkopf 34 bildet mit der Gelenkpfanne 36 und der Fixierkalotte 38 eine Übergangspassung. Diese Übergangspassung ist so eng toleriert, dass einerseits kein merkliches Spiel besteht und andererseits eine Losbrechkraft zum Bewegen der Polierkalotte 30 relativ zum Halter 28 in guter Näherung vernachlässigt werden kann. Insbesondere ist zwischen Kugelkopf 34 einerseits und der Gelenkpfanne 36 und der Fixierkalotte 38 andererseits ein Gleitfluid vorhanden, bei- spielsweise Mineralöl .
Die Polierkalotte 30 weist ein Rückstellelement 40 auf, das erfindungsgemäß durch eine Membran aus entropieelastischem Material gebildet ist. Bei dem entropieelastischen Material handelt es sich im vorliegenden Fall um Gummi .
Schwenkt die Polierkalotte 30 um den Kugelkopf 34, so bewegt sich beispielsweise ein Punkt P auf der Polieroberfläche 32 auf einem Kreisbogenabschnitt, dessen Mittelpunkt ein Drehpunkt D ist. Der Drehpunkt D hat einen Abstand d zu einem Kontaktkugelmittelpunkt M42 einer gedachten Kontaktkugel 42, die die Schmiegekugel an der Polieroberfläche 32 ist. Im Einsatz entspricht die Kontaktkugel 42 der Realisierung der Kugel, die poliert wird. Der Abstand d ist kleiner als das Doppelte eines Kontaktkugelradius R. Im vorliegenden Fall gilt d/R=1 ,3. Es sind aber auch andere Verhältnisse möglich.
Verläuft eine Längsachse L des Halters 28 vertikal und wird an einem Punkt P der Polieroberfläche 32 eine Kraft F angelegt, die in Umfangsrichtung bezüglich einer Bewegung um den Drehmittelpunkt D wirkt, so schwenkt die Polierkalotte 30 um den Drehpunkt D. Der Punkt P bewegt sich dadurch um eine Auslenkung a zum Punkt P'. Die Auslenkung a ist die Bogenlänge zwischen den Punkten P und P', die aber in sehr guter Näherung durch den Abstand der beiden Punkte P und P' beschrieben werden kann. Beim Auslenken schwenkt die Polierkalotte um einen Auslenkwinkel a, der in Grad gemessen wird. Der Quotient F/ α aus derjenigen Kraft F, die zu einer Auslenkung von einem Mikrometer führt, und dem Auslenkwinkel a, der dieser Auslenkung a entspricht, wird als Auslenk- Federkonstante κ bezeichnet.
Je fester das Rückstellelement 40 ist, desto größer ist die Auslenk- Federkonstante κ. Im vorliegenden Fall ist dies κ= ca. 5 Newton pro Grad.
Selbstverständlich hängt die Auslenk-Federkonstante κ von der Lage des Punk- tes P auf der Polieroberfläche 32 ab. Für die angegebene Definition ist ein solcher Punkt zu wählen, der in der Mitte der beiden Ränder der Polieroberfläche 32 liegt, dessen Abstand zum Drehpunkt D also gerade dem Mittelwert zwischen dem vom Mittelpunkt D am stärksten beabstandeten Punkt der Polieroberfläche 32 und dem vom Drehpunkt D am wenigsten beabstandeten Punkt der Polieroberfläche 32 entspricht.
Verläuft die Längsachse L vertikal und wird ein Punkt P auf der Polieroberfläche, der wie oben beschrieben gewählt ist, um einen Mikrometer ausgelenkt und die zur Auslenkung führende Kraft dann schlagartig entfernt, schwingt die Polierkalotte 30 relativ zum feststehenden Halter 28 nicht. Das Rückstellelement 40 ist so ausgebildet, dass die Dämpfungskonstante δ so groß ist, dass der aperiodische Grenzfall oder der Kriechfall eintritt.
Zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kugel 12 wie in Figur 1 gezeigt in die Maschine 10 eingespannt und die Drehantriebe 14 werden, vorzugsweise mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten und/ oder Drehrichtungen, betrieben. Die Polieroberfläche 32 ist mit Pech belegt. Zwischen dem Pech und der Kugel 12 ist ein Poliermedium vorhanden. Als Poliermedium kommt handelsübliches Titandioxid, zum Beispiel Anatas-Rutil, mit einer Partikelgröße von circa 20 nm bis circa 1 μιτι zum Einsatz. Der pH-Wert der Mischung aus Pech und Poliermedium ist vorzugsweise neutral .
Die Gewichte 26 sind so gewählt, dass ein Abtrag kleiner ist als 3 Nanometer pro Minute. Besonders günstig ist es, wenn der Abtrag 1 ± 0,5 Nanometer pro Minute beträgt. Durch dieses Verfahren lassen sich Kugeln mit einem Durchmesser zwischen 50 und 200 mm herstellen, die einen Formfehler von weniger als 20 Nanometer besitzen. Mittenrauwerte Ra nach DIN EN ISO 4287:2010 von weniger als 0,4 Nanometer sind erreichbar. Es hat sich herausgestellt, dass eine Randschicht der Kugel 12, bei der es sich vorzugsweise um eine Siliziumkugel handelt, keine nachweisbare Schädigung zeigt. Zudem sind keine Bestandteile des Poliermediums nachweisbar. Die Oberfläche besitzt eine gleichmäßig dünne Oxidschicht und es sind keine metallischen Kontaminationen nachweisbar. Die Masse der Kugel liegt im vorliegenden Fall bei 1 kg +/- 5 mg.
Bezugszeichenliste
10 Maschine κ Auslenk-Federkonstante
12 Kugel
14 Drehantrieb
16 Polierelement
18 Lager
20 Gestell
22 Steuereinheit
24 Vorspannvorrichtung
26 Gewicht
28 Halter
30 Polierkalotte
32 Polieroberfläche
34 Kugel köpf
36 Gelenkpfanne
38 Fixierkalotte
40 Rückstellelement
42 Kontaktkugel a Auslenkung
A Drehachse
d Abstand
D Drehpunkt
F Kraft
L Längsachse
M Kontaktkugelmittelpunkt
P Punkt
R Kontaktkugelradius
δ Dämpfungskonstante

Claims

Patentansprüche
1 . Maschine zum Herstellen von Kugeln (12), mit
(a) einem Drehantrieb (14) und
(b) zumindest einem Werkzeug (16), das
- mittels einem Halter (28) mit dem Drehantrieb (14) zum Drehen verbunden ist und
- eine Polierkalotte (30) aufweist,
wobei
(c) die Polierkalotte (30)
- schwenkbar am Halter (28) befestigt ist und
- ein Rückstellelement (40) aufweist, das
bei einer Auslenkung der Polierkalotte (30) aus einer Ruhelage eine Rückstell kraft erzeugt und
aus einem entropieelastischen Material aufgebaut ist.
dadurch gekennzeichnet, dass
(d) das Rückstellelement als Membran ausgebildet ist, so dass
Kugeln (12) mit einem Formfehler von höchstens 50 Nanometer herstellbar sind.
2. Maschine nach Anspruch 0, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) das Werkzeug (16) eine Auslenk-Federkonstante (κ) hat, die bestimmt ist bezüglich einer Kraft (F), die an einer einem Punkt (P) der Polieroberfläche angreift und die diesen Punkt (P) relativ zum Halter (28) um 1 μιτι auslenkt,
(b) wobei die Auslenk-Federkonstante (κ) höchstens 10 Newton pro Grad beträgt und/oder mindestens 0,25 Newton pro Grad beträgt. Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Werkzeug (16) bezüglich einer Auslenkung des Punkts (P) der Polieroberfläche (32) um 1 μιτι eine Dämpfungskonstante (δ) hat, die so groß ist, dass das Polierelement nicht über seine Nulllage überschwingt.
Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- eine Vorspannvorrichtung (24) zum Vorspannen des zumindest einen Polierelements (16) auf die Kugel mit einer Vorspannkraft,
- wobei die Vorspannkraft so gewählt ist, dass eine rechnerische Flächenpressung der Polieroberfläche (32) auf die Kugel (12) 0,1 bis 15 Newton pro Quadratzentimeter beträgt.
Werkzeug (16) für eine Maschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit
(a) einem Halter (28),
(b) einer Polierkalotte (30),
an der eine Polieroberfläche (32) ausgebildet ist,
die am Halter (28) befestigt ist und
ein Rückstellelement (40) aufweist, das bei einer Auslenkung der Werkzeuge (16) aus einer Ruhelage eine Rückstell kraft erzeugt und aus einem entropieelastischen Material aufgebaut ist und als
Membran ausgebildet ist.
Kugel, insbesondere aus Silizium, mit einem Durchmesser zwischen
10 Millimeter bis 200 Millimeter, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kugel (12) einen Formfehler zwischen 50 Nanometer und 2 Nanometer hat.
Verfahren zum Herstellen einer Kugel (12) mit einem Formfehler von höchstens 30 Nanometer, mit den Schritten:
(a) Einspannen eines Kugel-Rohlings mit einem Durchmesser zwischen 8 Millinneter und 180 Millinneter in eine Maschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die vier Werkzeuge (16) aufweist, die tetra- edrisch um den Kugel-Rohling angeordnet sind,
Vorspannen der Werkzeuge (16) auf den Kugel-Rohling mit einer Vorspannkraft und
Drehen der Werkzeuge (16), bis aus dem Kugel-Rohling eine Kugel (12) entstanden ist, deren Formfehler höchstens 30 Nanometer beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abtrag kleiner als 3 Nanometer pro Minute, insbesondere 1 ,5 Nanometer pro Minute, ist.
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