DE102012206473A1 - Method for chipping and polishing e.g. glass in injection mold used for manufacturing e.g. spectacle lens, involves chipping processing portion with chipping tool and polishing processing portion with polishing tool - Google Patents
Method for chipping and polishing e.g. glass in injection mold used for manufacturing e.g. spectacle lens, involves chipping processing portion with chipping tool and polishing processing portion with polishing tool Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerspanen und Polieren von Keramik, Glaskeramik und Glas sowie eine Spritzgussform.The invention relates to a method and a device for cutting and polishing of ceramic, glass ceramic and glass as well as an injection mold.
Aus technischen, optischen oder ästhetischen Gründen kommt der Oberfläche von Glas- Glaskeramik- und Keramikbauteilen eine besondere Bedeutung zu. Für die Fertigung von Einzelteilen und Sonderanfertigungen aus Glas, Glaskeramik und Keramik hat sich die CNC-Bearbeitung etabliert. Grundsätzlich ist die Bearbeitung von Glas, Glaskeramik und Keramik mit diesem Verfahren Stand der Technik. Allerdings sind die bearbeiteten Oberflächen für technische, insbesondere optische, oder ästhetische Anwendungen nicht geeignet. Bei Nutzung der bekannten Möglichkeiten resultieren matte Oberflächen. For technical, optical or aesthetic reasons, the surface of glass, glass ceramic and ceramic components is of particular importance. For the production of individual parts and custom-made glass, glass ceramics and ceramics, CNC machining has become established. Basically, the processing of glass, glass ceramic and ceramic with this method is state of the art. However, the machined surfaces are not suitable for technical, in particular optical, or aesthetic applications. When using the known possibilities result in matte surfaces.
Für eine wirtschaftliche Bearbeitung ist hohes Zerspanvolumen in kurzer Zeit anzustreben, was durch eine Ultraschallschwingung des Werkzeugs unterstützt werden kann. Bislang war davon auszugehen, dass dabei eine besonders tiefe Schädigung des zu bearbeitenden Materials auftritt. Diese äußert sich im Wesentlichen in Form von Rissen, die von der Oberfläche in das Werkstück laufen. Bei spröd-harten Werkstoffen besteht zudem die Gefahr von Ausbrüchen. Demzufolge musste etwas entwickelt werden, das bei kurzer Bearbeitungszeit eine geringe Schädigung hervorruft. Die Schädigungstiefe wird in besonderem Maße von der Zustellung beeinflusst. For economical machining, high machining volume should be aimed at in a short time, which can be assisted by ultrasonic vibration of the tool. So far, it was assumed that a particularly deep damage to the material to be processed occurs. This manifests itself essentially in the form of cracks that run from the surface into the workpiece. With brittle-hard materials there is also the danger of breakouts. As a result, something had to be developed that causes little damage in a short processing time. The depth of injury is particularly affected by the delivery.
Über die Randzonenschädigung hinaus werden in bisherigen Verfahren durch die Diamantkörner der Werkzeuge Kratzer im Werkstück erzeugt. Die Tiefe dieser Bearbeitungsspuren korreliert mit der Korngröße der Diamanten. In addition to the edge zone damage, in previous methods, scratches are produced in the workpiece by the diamond grains of the tools. The depth of these processing marks correlates with the grain size of the diamonds.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Rahmen der CNC-Bearbeitung von Keramik, Glaskeramik oder Glas möglichst kostengünstig Formteile mit hoher Oberflächengüte zu erhalten und die Politur von geometrisch komplexen Keramik- oder Glasoberflächen als abschließenden Prozessschritt in die CNC-Bearbeitung zu integrieren. The invention is based on the object as part of the CNC machining of ceramic, glass ceramic or glass as cost effective to obtain moldings with high surface quality and to integrate the polish of geometrically complex ceramic or glass surfaces as a final process step in the CNC machining.
In einer ersten Ausführungsform wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Zerspanen und Polieren von Keramik, Glaskeramik oder Glas innerhalb einer Vorrichtung, wobei man
- a. zunächst innerhalb einer Vorrichtung mit einem Zerspanungswerkzeug einen Bearbeitungskörper aus Keramik, Glaskeramik oder Glas zerspant und
- b. anschließend innerhalb derselben Vorrichtung den Bearbeitungskörper mit einem Polierwerkzeug poliert.
- a. first, within a device with a cutting tool a machining body made of ceramic, glass ceramic or glass zerspant and
- b. then polished within the same device, the machining body with a polishing tool.
Die Bearbeitungsschritte Zerspanen und Polieren werden in einer Maschine durchgeführt, wodurch höchste Präzision, Konturtreue, Wirtschaftlichkeit und Automatisierung des Prozesses erreicht werden können.The machining operations of machining and polishing are carried out in one machine, whereby the highest precision, contour accuracy, economy and automation of the process can be achieved.
Durch die Kombination von Bearbeitung und Politur in einem Prozess wird die Herstellung von Komponenten aus Glas, Glaskeramik und Keramik mit hochwertigen Oberflächen deutlich schneller und wirtschaftlicher möglich. Gleichzeitig liegen die Fertigungstoleranzen beispielsweise in sehr engen Grenzen und das Verfahren ist auch für die Losgröße 1 geeignet.The combination of machining and polishing in one process makes it possible to produce components made of glass, glass ceramic and ceramics with high-quality surfaces much faster and more economically. At the same time, for example, the manufacturing tolerances are within very narrow limits and the method is also suitable for lot size 1.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es sich beispielsweise um eine CNC-Maschine handeln.The device according to the invention may be, for example, a CNC machine.
Man führt die Zerspanung in Schritt a. vorzugsweise in mehreren Stufen durch, wobei in aufeinander folgenden Stufen die Zustellung des Werkzeugs zum Bearbeitungskörper in immer kleineren Schritten verkleinert wird und dabei die Oberflächenrauigkeit des Zerspanungswerkzeugs von Schritt zu Schritt abnimmt.The machining is carried out in step a. preferably in several stages, wherein in successive stages, the delivery of the tool to the machining body is reduced in smaller and smaller steps and thereby decreases the surface roughness of the cutting tool from step to step.
Durch stufenweise Reduzierung der Zustellung wird die Schädigungszone abgebaut. Ein wichtiger Fortschritt ist hierbei die Vermeidung von Rissen und Ausbrüchen in der Randzone bei der letzten Bearbeitungsstufe vor der Politur. Gleichzeitig können die letzten Bearbeitungsschritte dazu dienen, die geschädigte Randzone möglichst schonend abzutragen, damit die Politur nur die Rauigkeit minimieren muss. Insofern ist ein wichtiger Lösungsansatz dieser Erfindung die Optimierung von Bearbeitungsstrategien zur Vermeidung oder Reduzierung der Randzonenschädigung bei der Bearbeitung von Glas, Glaskeramik und Keramik, verbunden mit der in den CNC-Prozess integrierten Politur.By gradually reducing the delivery, the damage zone is reduced. An important advance here is the avoidance of cracks and eruptions in the edge zone at the last processing stage before polishing. At the same time, the last processing steps can be used to remove the damaged edge zone as gently as possible, so that the polish must only minimize the roughness. In this respect, an important approach of this invention is the optimization of machining strategies to avoid or reduce the edge zone damage in the machining of glass, glass ceramic and ceramic, combined with the incorporated in the CNC process polish.
Vorzugsweise kommt eine Auswahl von mindestens zwei Werkzeugen unterschiedlicher Feinheit abhängig vom Material zum Einsatz. Mit dem ersten Werkzeug mit groberer Körnung wird beispielsweise die Kontur mit einem bestimmten Flächenaufmaß von 0,5 mm bis 1 mm aus dem Bearbeitungskörper herausgearbeitet.Preferably, a selection of at least two tools of different fineness depends on the material used. With the first coarse grain tool, for example, the contour is given a certain area allowance 0.5 mm to 1 mm machined from the machining body.
Ein feineres Werkzeug dient beispielsweise zum Materialabtrag bis auf weniger als 5 µm an die Endkontur heran. Dabei wird die Rauigkeit der Oberfläche bereits verringert und eine möglicherweise erfolgte Tiefenschädigung durch die Konturgebung minimiert.For example, a finer tool can be used to remove material down to less than 5 μm from the final contour. In the process, the roughness of the surface is already reduced and possible deep damage due to contouring is minimized.
Die Oberflächenrauigkeit kann beispielsweise nach der
Beim Zerspanungswerkzeug können in einer Materialmatrix Schleifkörner eingebettet sein. Das Material der Matrix kann beispielsweise ein Metall oder Kunststoff sein. Das Material der Schleifkörner kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe Diamant, einem Oxid, einem Nitrid oder einem Carbid. Die Schleifkörner können einen Durchmessser im Median in einem Bereich von 6 bis 252 µm aufweisen.In the cutting tool, abrasive grains may be embedded in a material matrix. The material of the matrix may be, for example, a metal or plastic. The material of the abrasive grains may be selected, for example, from the group diamond, an oxide, a nitride or a carbide. The abrasive grains may have a median diameter in a range of 6 to 252 μm.
Beim letzten Schritt der Zerspanung kann die Zustellung vorteilhafterweise weniger als 5 µm, insbesondere weniger als 2 µm verringert werden. Dadurch kann besonders gut vermieden werden, dass es vor der Politur zu Rissen oder Ausbrüchen in der Oberfläche kommt oder diese noch sichtbar sind.In the last step of the cutting, the delivery can advantageously be reduced to less than 5 μm, in particular less than 2 μm. This can be particularly well avoided that there are cracks or eruptions in the surface before polishing or they are still visible.
Die Ebenenzustellung des Polierwerkzeugs bestimmt zusammen mit dessen Elastizität den Anpressdruck und liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,1 bis 2 mm.The level delivery of the polishing tool determines together with its elasticity the contact pressure and is for example in a range of 0.1 to 2 mm.
Vorzugsweise wird der Kopf des Zerspanungswerkzeugs beim Zerspanen in a. oder der Kopf des Polierwerkzeugs beim Polieren in b. mit Ultraschall beaufschlagt. Dabei wird die Frequenz besonders bevorzugt auf die Resonanzfrequenz von Bearbeitungskörper und/oder Werkzeug eingestellt.Preferably, the head of the cutting tool during machining in a. or the head of the polishing tool when polishing in b. subjected to ultrasound. In this case, the frequency is particularly preferably set to the resonance frequency of the machining body and / or tool.
Vorteilhafterweise wird eine Poliersuspension am Polierkopf des Polierwerkzeugs zugeführt.Advantageously, a polishing slurry is fed to the polishing head of the polishing tool.
Am Polierkopf im Sinne der Erfindung kann beispielsweise zum einen heißen, dass die Poliersuspension auf dem Bearbeitungskörper in der Nähe des Polierkopfes oder auf den Polierkopf selbst aufgebracht wird.On the polishing head according to the invention, for example, on the one hand, that the polishing slurry is applied to the processing body in the vicinity of the polishing head or on the polishing head itself.
Ein innovativer Ansatz der Erfindung ist, dass für die Politur der Oberfläche Suspension eingesetzt werden kann. Diese wird beispielsweise tropfenweise zugeführt und mit geeigneten Polierstiften verarbeitet. Hierbei wurden überraschend erfolgreich Strategien der Metallographie adaptiert. Hier können auch Suspensionen mit feinen Diamant- oder Oxidpartikeln eingesetzt werden. Der metallographische Anschliff wird beispielsweise auf Scheiben oder Filztüchern, auf die die Suspension aufgetragen ist, rotierend bewegt. Im Falle der CNC-Bearbeitung kann die Suspension beispielsweise auf die Oberfläche des Werkstücks gelangen und mit dem Werkzeug, insbesondere mit Filzstiften, rotierend verarbeitet werden.An innovative approach of the invention is that for the polishing of the surface suspension can be used. This is, for example, added dropwise and processed with suitable polishing pins. Here surprisingly successful strategies of metallography were adapted. Suspensions with fine diamond or oxide particles can also be used here. The metallographic bevel is, for example, rotated on disks or felt cloths to which the suspension is applied. In the case of CNC machining, for example, the suspension can reach the surface of the workpiece and be processed in a rotating manner with the tool, in particular with felt-tip pens.
Die Poliersuspension ist vorzugsweise wässrig, da beispielsweise so aufwändiges Lösungsmittelmanagement entfallen kann.The polishing suspension is preferably aqueous, since, for example, so expensive solvent management can be dispensed with.
Die Poliersuspension enthält vorzugsweise Hartstoffpartikel, insbesondere oxidische Partikel oder Diamantpartikel.The polishing suspension preferably contains hard material particles, in particular oxidic particles or diamond particles.
Der Partikeldurchmesser der Partikel in der Poliersuspension liegt im Median vorzugsweise in einem Bereich von 0,25 bis 15 µm.The particle diameter of the particles in the polishing suspension is in the median preferably in a range of 0.25 to 15 microns.
In der Poliersuspension liegt die Feststoffkonzentration der Partikel vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 75 Gew.-%.In the polishing slurry, the solid concentration of the particles is preferably in a range of 5 to 75% by weight.
Je höher das Drehmoment des Polierkopfes ist, je stärker wird vorzugsweise die Zustellung verringert. Dies kann besonders bevorzugt dynamisch geschehen, so dass ein besonders gleichmäßiges Polierergebnis erzielt werden kann.The higher the torque of the polishing head, the more preferably the delivery is reduced. This can be done particularly preferably dynamically, so that a particularly uniform polishing result can be achieved.
Der Polierkopf wird auf der Oberfläche des Bearbeitungskörpers beispielsweise durch Ebenenzustellung und/oder durch Vorschub bewegt. Bei der Zerspanung kommen vorzugsweise Vorschubgeschwindigkeiten von 100 mm/min bis zu 2000mm/min und Tiefenzustellungen von bis zu 1 mm zum Einsatz. Die Bahnen des Polierkopfes relativ zur Oberfläche des Bearbeitungskörpers werden vorzugsweise möglichst lang geführt. Der Polierkopf hat beim Polieren vorzugsweise einen Kontaktdurchmesser zwischen 0,5 und 30 mm, insbesondere zwischen 2 und 10 mm. Der Kontaktdurchmesser ist derjenige Durchmesser, der durch die Kontaktfläche des Polierkopfes mit dem Bearbeitungskörper gebildet wird. The polishing head is moved on the surface of the processing body, for example by level delivery and / or by feed. In the case of machining, preferably feed rates of 100 mm / min up to 2000 mm / min and depth feeds of up to 1 mm are used. The tracks of the polishing head relative to the surface of the processing body are preferably performed as long as possible. When polishing, the polishing head preferably has a contact diameter of between 0.5 and 30 mm, in particular between 2 and 10 mm. The contact diameter is the diameter formed by the contact surface of the polishing head with the machining body.
Die Drehzahl des Polierwerkzeugs kann beispielsweise auf eine Geschwindigkeit in einem Bereich von 1000 bis 42000 U/min eingestellt werden.For example, the rotational speed of the polishing tool may be set to a speed in a range of 1000 to 42000 rpm.
Die Umfangsgeschwindigkeit des Polierkopfes liegt an seinem größten Durchmesser vorzugsweise in einem Bereich von 3 bis 60 m/s. Bei einer zu hohen Umfangsgeschwindigkeit kann Reibungswärme das Werkzeug oder das Bauteil zerstören. Mittels eines CAM-Systems wird vorzugsweise eine Anpassung der Drehzahl in Abhängigkeit mit der Werkzeugkontur vorgenommen, so dass die Umfangsgeschwindigkeit am Kontaktpunkt zum Werkstück konstant gehalten werden kann.The peripheral speed of the polishing head is at its largest diameter preferably in a range of 3 to 60 m / s. If the peripheral speed is too high, frictional heat can destroy the tool or the component. By means of a CAM system, it is preferable to adapt the rotational speed as a function of the tool contour, so that the peripheral speed can be kept constant at the point of contact with the workpiece.
Die Poliersuspension wird vorzugsweise durch das Polierwerkzeug zum Polierkopf geführt und/oder es ist innerhalb des Polierwerkzeugs vorzugsweise ein Reservoir für die Poliersuspension angeordnet. Dadurch wird es besonders einfach, das Verfahren vollständig zu automatisieren. The polishing suspension is preferably guided through the polishing tool to the polishing head and / or a reservoir for the polishing suspension is preferably arranged within the polishing tool. This makes it particularly easy to fully automate the process.
Die Poliersuspension wird alternativ vorzugsweise zumindest durch die Halterung des Polierwerkzeugs, insbesondere aber nicht durch den Polierkopf, sondern ganz besonders bevorzugt durch einen Schlauch oder ein Rohr auf den Polierkopf oder in die Nähe des Polierkopfes transportiert.Alternatively, the polishing suspension is preferably at least transported by the holder of the polishing tool, but not by the polishing head, but most preferably by a hose or a tube on the polishing head or in the vicinity of the polishing head.
Die Förderung der Poliersuspension ist vorzugsweise in verschiedenen Varianten denkbar:
Die Rotation des Werkzeughalters kann durch eine geschickte Konstruktion beispielsweise mit Kegelflächen im Inneren des Reservoirs genutzt werden, um einen Druck der Suspension in Richtung des Werkzeuges aufzubauen.The promotion of the polishing suspension is preferably conceivable in various variants:
The rotation of the tool holder can be used by skillful construction, for example with conical surfaces inside the reservoir to build up a pressure of the suspension in the direction of the tool.
Weiter kann eine übliche CNC-Maschine über eine Blasluftfunktion verfügen, durch die in Kombination mit geeigneten Ventilen, Druckzylindern und Ventildurchlässen eine Förderung der Suspension zum Werkzeug beispielsweise möglich ist. Furthermore, a conventional CNC machine can have a blown air function, by means of which, in combination with suitable valves, pressure cylinders and valve passages, it is possible, for example, to convey the suspension to the tool.
Da für die Ultraschallaktorik eine kontaktlose Übertragung von elektrischer Energie in den Werkzeughalter vorgesehen ist, ist ebenso beispielsweise eine elektromechanische Steuerung und Förderung von Poliersuspension denkbar.Since a non-contact transmission of electrical energy is provided in the tool holder for the Ultraschallaktorik, also an example electromechanical control and promotion of polishing suspension is conceivable.
Der Polierkopf des Polierwerkzeugs weist vorzugsweise an seiner Oberfläche Filz, Gummi, Bürsten oder Diamantkörner in einer Polymermatrix auf, und besteht ganz besonders bevorzugt aus Filz oder schaumartigem Gummi. Im Fall von Bürsten kann das Polierkorn in den einzelnen Borsten enthalten sein oder als Suspension zugeführt werden.The polishing head of the polishing tool preferably has on its surface felt, rubber, brushes or diamond grains in a polymer matrix, and most preferably consists of felt or foamy rubber. In the case of brushes, the polishing grain may be contained in the individual bristles or supplied as a suspension.
Der Polierkopf des Polierwerkzeugs ist vorzugsweise stiftförmig. Stiftförmig im Sinne der Erfindung meint beispielsweise rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse und ein Aspektverhältnis zwischen Länge und Breite von mehr als 1, insbesondere von mehr als 2.The polishing head of the polishing tool is preferably pin-shaped. Pin-shaped in the sense of the invention means, for example, rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis and an aspect ratio between length and width of more than 1, in particular of more than 2.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Bearbeitungskörper zwischen Schritt a. und Schritt b. vorzugsweise nicht aus seiner Halterung entfernt. Dadurch kann das Verfahren ohne Umbaumaßnahmen in der Vorrichtung effizient durchgeführt werden.In the method according to the invention, the processing body between step a. and step b. preferably not removed from its holder. Thereby, the method can be efficiently performed without rebuilding measures in the apparatus.
Der Polierkopf verweilt nicht länger als 1 s, insbesondere nicht länger als 0,5 s an derselben Stelle des Bearbeitungskörpers, da sonst durch die thermische Belastung von Glas oder Keramik Sprünge und Risse im Material entstehen können. Eine hohe Umfanggeschwindigkeit in engen Bereichen kann ebenfalls zu einer Überhitzung führen. Dies ist dann der Fall, wenn die Verfahrbewegungen kleiner sind als die Kontaktfläche des Werkzeuges.The polishing head does not stay for longer than 1 s, in particular not longer than 0.5 s at the same point of the processing body, since otherwise the thermal load of glass or ceramic can cause cracks and cracks in the material. A high circumferential speed in narrow areas can also lead to overheating. This is the case when the movements are smaller than the contact surface of the tool.
Für die Kühlung bei der Schleifbearbeitung kann Kühlschmierstoff verwendet werden. Dieser kann aus einem speziellen Öl oder einer Emulsion aus Wasser mit mineralöl- oder alkoholbasiertem Kühlschmierstoffzusatz bestehen.Cooling lubricant can be used for cooling during grinding. This may consist of a special oil or an emulsion of water with mineral oil or alcohol-based cooling lubricant additive.
In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Zerspanen und Polieren die eine CNC-Maschine ist, die eine Wechselhalterung für ein Polierwerkzeug und ein Zerspanungswerkzeug aufweist, wobei das Polierwerkzeug selbst oder eine Wechselhalterung ein Reservoir und/oder eine Leitung für eine Poliersuspension aufweist.In a further embodiment, the object underlying the invention is achieved by a device for machining and polishing which is a CNC machine having a change holder for a polishing tool and a cutting tool, wherein the polishing tool itself or a removable holder, a reservoir and / or has a line for a polishing suspension.
Im Innern des Polierwerkzeugs ist vorzugsweise ein Reservoir oder eine Leitung für die Poliersuspension angeordnet.In the interior of the polishing tool, a reservoir or a line for the polishing suspension is preferably arranged.
Vorzugsweise ist im Polierwerkzeug und/oder Zerspanungswerkzeug oder in direkter Verbindung mit dem Polierwerkzeug und/oder dem Zerspanungswerkzeug ein Ultraschallgeber angeordnet.Preferably, an ultrasonic generator is arranged in the polishing tool and / or cutting tool or in direct connection with the polishing tool and / or the cutting tool.
In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Erzeugnis, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei es sich um eine Freiformfläche, ein Erzeugnis mit einer polierten Bohrung, ein Brillenglas, eine Kontaktlinse, eine Spritzgussform oder ein Halbleitererzeugnis handelt.In a further embodiment, the object underlying the invention is achieved by a product produced by the method according to the invention, which is a free-form surface, a product with a polished bore, a spectacle lens, a contact lens, an injection mold or a semiconductor product.
Die Oberflächenrauigkeit beziehungsweise Rautiefe Ra beträgt vorzugsweise weniger als 500 nm, insbesondere weniger als 300 nm, ganz besonders bevorzugt weniger als 100 nm.The surface roughness or roughness R a is preferably less than 500 nm, in particular less than 300 nm, very particularly preferably less than 100 nm.
In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Spritzgussform, die an ihrer Innenseite zumindest teilweise aus Keramik, Glaskeramik oder Glas besteht, wobei die keramische oder Glasoberfläche der Innenseite der Spritzgussform eine Oberflächenrauigkeit von weniger als 500 nm aufweist.In a further embodiment, the object underlying the invention is achieved by an injection mold which on its inside consists at least partially of ceramic, glass ceramic or glass, wherein the ceramic or glass surface of the inside of the injection mold has a surface roughness of less than 500 nm.
Vorzugsweise wird die keramische oder Glasoberfläche der Innenseite der Spritzgussform nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.Preferably, the ceramic or glass surface of the inside of the injection mold is produced by the process according to the invention.
Ausführungsbeispielembodiment
Nachfolgend wird der Ablauf bei der Herstellung komplexer Konturen mit polierten Oberflächen beschrieben.The procedure for producing complex contours with polished surfaces is described below.
Ein in der CNC-Maschine ULTRASONIC 20 linear der Firma Sauer vorhandener Werkzeugwechsler für 24 Werkzeuge ermöglichte den automatisierten Wechsel zu verschiedenen Werkzeugen für alle Bearbeitungsschritte. A tool changer for 24 tools available in the ULTRASONIC 20 linear CNC machine from Sauer made it possible to automatically change to different tools for all machining steps.
1. Konturgebung/Zerspanung:1. Contouring / Cutting:
Zunächst wurde ein passendes Halbzeug (Bearbeitungskörper) für die Herstellung des Bauteils ausgewählt. Dieses war in den äußeren Dimensionen bereits auf Endmaß bearbeitet, damit an den Außenflächen keine Bearbeitung erfolgen musste. First, a suitable semi-finished product (processing body) was selected for the production of the component. This was already machined to its final dimensions in the outer dimensions, so that no processing had to be carried out on the outer surfaces.
Ein 3D-CAD-Modell im Dateiformat Parasolid wurde in das CAD/CAM-System geladen. A 3D CAD model in the file format Parasolid has been loaded into the CAD / CAM system.
Hier wurde die Programmierung der Werkzeugbahnen und der Parameter für die meisten Bearbeitungsschritte vorgenommen. Here, the programming of the tool paths and the parameters for most processing steps has been made.
1.1 Werkzeuge:1.1 Tools:
Für die Konturbearbeitung bei der Zerspanung wurde eine Reihenfolge von Werkzeugen mit Schleifkorngrößen in den folgenden Abstufungen eingesetzt (Einteilung nach Siebkorngrößen, metrisch)For contour machining during cutting, a sequence of tools with abrasive grain sizes was used in the following grades (classification according to sieve grain sizes, metric)
Konturgebung/Zerspanung: Contouring / cutting:
- – D151 (Schruppen), dann D46 (Schlichten)- D151 (roughing), then D46 (finishing)
Feinschleifen:Fine grinding:
- – D26 (Feinschleifen), dann D6- D26 (fine grinding), then D6
Die Werkzeuge enthielten Diamantkörner. The tools contained diamond grains.
Es kamen bei der Konturgebung zwei Werkzeuge unterschiedlicher Feinheit abhängig vom Material zum Einsatz. Mit dem ersten Werkzeug mit groberer Körnung wurde die Kontur mit einem bestimmten Flächenaufmaß von 0,5mm bis 1mm aus dem Halbzeug (Bearbeitungskörper) herausgearbeitet.It came in the contouring two tools of different fineness depending on the material used. With the first tool with coarser grit, the contour was machined out of the semifinished product (machining body) with a certain area allowance of 0.5 mm to 1 mm.
Ein feineres Werkzeug diente zum Materialabtrag bis auf 3 µm an die Endkontur heran. Dabei wurde die Rauigkeit der Oberfläche bereits verringert und eine zuvor erfolgte Tiefenschädigung durch die Konturgebung minimiert.A finer tool was used for material removal up to 3 μm to the final contour. The roughness of the surface was already reduced and a previously made depth damage by contouring minimized.
Die Schleifkörner lagen innerhalb einer Kunststoffbindung vor. Die Werkzeuge für die Zerspanung waren mit Schleifkörnern in der Bindung durchsetzt. Die Bindung hatte Einfluss auf das Ergebnis und die Bearbeitungsgeschwindigkeit sowie die Konturtreue von Werkzeugen.The abrasive grains were within a plastic bond. The tools for machining were interspersed with abrasive grains in the bond. The binding had an influence on the result and the processing speed as well as the contour accuracy of tools.
Für die Kühlung bei der Schleifbearbeitung wurde Kühlschmierstoff verwendet. Cooling lubricant was used for cooling during grinding.
1.2 Parameter bei Zerspanung:1.2 parameters during cutting:
Neben der Korngröße beeinflusste die Wahl der Parameter Werkzeugdrehzahl, Zustellung und Vorschub die Rauigkeit der Oberfläche und die Schädigung des Materials. In addition to the grain size, the choice of the parameters tool speed, infeed and feed influenced the roughness of the surface and the damage to the material.
Bei der Konturgebung bzw. Zerspanung kamen Vorschubgeschwindigkeiten von 1000mm/min und Tiefenzustellungen von 1 mm zum Einsatz. During contouring or cutting, feed rates of 1000 mm / min and depth infeeds of 1 mm were used.
Ein weiterer Parameter für die Schritte der Formgebung war die Verwendung der Ultraschall-Technologie, bei der das rotierende Werkzeug mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagt wurde. Diese musste für jedes Werkzeug individuell und abhängig von der Resonanzfrequenz gewählt werden. Es bestand die Möglichkeit, die Intensität der Schwingung (Amplitude, Leistung) auf das Material, Werkzeug und die Bearbeitung abzustimmen. Die Drehzahl war bei der Verwendung von Ultraschall auf 10000 U/min begrenzt.Another parameter for the forming steps was the use of ultrasonic technology, which applied ultrasonic vibration to the rotating tool. This had to be chosen individually for each tool and depending on the resonance frequency. It was possible to adjust the intensity of the vibration (amplitude, power) to the material, the tool and the machining. The speed was limited to 10,000 rpm when using ultrasound.
Die Ultraschallunterstützung konnte bei der Konturgebung von Vorteil sein, da sie zu einer Verringerung der Bearbeitungskräfte und Rautiefe der bearbeiteten Oberfläche führen kann. Die Bearbeitung in mindestens 2 Schritten, Schruppen und Schlichten, war wichtig, um die Tiefenschädigung insbesondere spröder Materialien für die Polierbearbeitung zu minimieren oder zu verhindern, da bei der anschließenden Polierbearbeitung nur noch die Spitzen der Oberfläche abgetragen wurden. The ultrasound support could be an advantage in the contouring, as it can lead to a reduction of the machining forces and roughness of the machined surface. Machining in at least 2 steps, roughing and finishing, was important in order to minimize or prevent the deep damage, especially of brittle materials for polishing, as only the tips of the surface were removed in the subsequent polishing process.
2 Polieren2 polishing
2.1 Werkzeuge2.1 tools
Bei der Polierbearbeitung kam ein Polierkopf aus Filz mit einem Durchmesser von 8 mm und einem abgerundeten Polierende zum Einsatz. Polierpartikel wurden in Form einer üblichen wässrigen Poliersuspension zugeführt. Die Polierpartikel bestanden aus Diamant und hatten einen Durchesser im Median von 1 µm.The polishing process involved a polishing head made of 8 mm diameter felt with a rounded polishing end. Polishing particles were supplied in the form of a conventional aqueous polishing suspension. The polishing particles consisted of diamond and had a median diameter of 1 μm.
2.2 Parameter2.2 parameters
Die Parameter für die Polierbearbeitung waren Drehzahl, Vorschub und Zustellung. The parameters for polishing processing were speed, feed and infeed.
Die Drehzahl ergab mit dem Werkzeugdurchmesser die effektive Umfangsgeschwindigkeit des Werkzeuges am Werkstück von 20 m/s. Diese war so gewählt, dass sie für effizienten Materialabtrag sorgte. The rotational speed with the tool diameter was the effective peripheral speed of the tool on the workpiece of 20 m / s. This was chosen so that it provided for efficient material removal.
Um zusätzlich dem Effekt der Überhitzung des Werkzeuges und einer punktuellen Überhitzung des Werkstückes entgegenzuwirken, wurde eine ausreichend hohe Vorschubbewegung gewählt. In addition to the effect of overheating the tool and a punctual To counteract overheating of the workpiece, a sufficiently high feed movement was selected.
Darüber hinaus musste bei der Programmierung der Werkzeugbahnen darauf geachtet werden, dass das Werkstück ausreichend weite Wege zurücklegt. In addition, when programming the tool paths, care had to be taken that the workpiece travels sufficiently long distances.
Für das Polieren mit elastischen Werkzeugen war der Anpressdruck eine wichtige Kenngröße, der über die Ebenenzustellung gesteuert werden konnte. Er war abhängig von der Elastizität des eingesetzten Werkzeuges. Über den Anpressdruck zwischen Werkzeug und Werkstück konnte mit Hilfe der Drehmomentmessung der CNC-Maschine eine relative Einschätzung erfolgen. Das Drehmoment war abhängig vom wirksamen Durchmesser des Werkzeuges und seiner Beschaffenheit. For polishing with elastic tools, the contact pressure was an important parameter that could be controlled via level delivery. He was dependent on the elasticity of the tool used. The contact pressure between the tool and the workpiece made it possible to make a relative assessment using the torque measurement of the CNC machine. The torque was dependent on the effective diameter of the tool and its nature.
2.3 Zuführung von Polier- und Kühlmittel2.3 Supply of polishing and coolant
Eine Zuführung der Schleifkörper bei der Polierbearbeitung von außerhalb war mit Hilfe eines Dispensers möglich. Hier konnten auch die für Kühl- und Schmiermittelzufuhr in der Maschine vorgesehen Kanäle (Minimalmengenschmierung) genutzt werden, um eine stetige Mitführung der Dispenserdüse mit dem Werkzeug und damit die Zuführung von Suspension an jede Stelle des Werkstückes zu erreichen. A supply of the grinding wheels in the polishing processing from outside was possible with the aid of a dispenser. Here also the channels provided for cooling and lubricant supply in the machine (minimum quantity lubrication) could be used, in order to achieve a constant entrainment of the dispenser nozzle with the tool and thus the supply of suspension to every point of the workpiece.
3 Verwendung eines modifizerten Ultraschall-Aktors3 Use of a modified ultrasonic actuator
Die Werkzeughalter der CNC Maschine enthielten einen Bauraum für die Aktorik, die die Schwingung der Werkzeuge erzeugte. The tool holders of the CNC machine contained a space for the actuators, which generated the vibration of the tools.
Der Bauraum in einem solchen oder ähnlich gearteten Aktor konnte dazu genutzt werden, um einen Vorrat an Poliersuspension aufzunehmen. Über den für die innere Kühlmittelzufuhr vorgesehenen Kanal konnte diese dann dem Werkzeug von innen zugeführt werden. Damit war auch bei der mehrachsigen Bearbeitung eine gleichmäßige Zufuhr von Poliermittel sichergestellt.The installation space in such an actuator or similar could be used to hold a supply of polishing suspension. This could then be supplied to the tool from the inside via the channel provided for the internal coolant supply. This ensured a uniform supply of polishing agent even in multiaxial processing.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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