DE10143771C1

DE10143771C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schleifen und Polieren der Innenflächen von Hohlraumresonatoren

Info

Publication number: DE10143771C1
Application number: DE2001143771
Authority: DE
Inventors: Dieter Proch; Grigori Issarovitch
Original assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Current assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2021-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schleifen und Polieren der Innenflächen von Hohlraumresonatoren, bei dem zur Gleitschleifbearbeitung Schleifkörper in das Innere des Hohlraumresonators eingebracht werden und dieser in Rotation versetzt wird. Um den Bearbeitungswirkungsgrad eines solchen Verfahrens zu erhöhen, ist vorgesehen, dass der Hohlraumresonator (12) neben der Rotation zu einer Kreisbewegung um eine zu seiner Rotationsachse (19) parallelversetzte Achse (9) angetrieben wird. Auf diese Weise kann ein erhöhter Wirkungsgrad und Bearbeitungsabtrag an der Innenfläche durch die Relativbewegung zwischen Schleifkörpern und Innenfläche aufgrund der Fliehkräfte der überlagerten Rotation und Kreisbewegung des Hohlraumresonators erreicht werden. Vorzugsweise ist die Längsachse des Hohlraumresonators dabei unter einem Winkel zu seiner Rotationsachse (19) geneigt, so dass der Hohlraumresonator eine Kreiselbewegung ausführt und seine Längsachse somit dauernd ihre Ausrichtung im Raum ändert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schleifen und Polieren der Innenflächen von Hohlraumresonatoren, bei dem zur Gleitschleifbearbeitung Schleifkörper in das Innere des Hohlraumresonators eingebracht werden und dieser in Rotation versetzt wird.

Hohlraumresonatoren (oft auch als Cavities bezeichnet) werden in Teilchenbeschleunigern für Experimente der Hochenergiephysik verwendet, um geladene Teilchen zu beschleunigen. Ein Hohlraumre sonator ist ein im Wesentlichen rohrförmiges Teil, entlang dem ein oder mehrere Aufweitungen gebildet sind, die die Resonanz hohlräume bilden. Da immer höhere Teilchenenergien angestrebt werden und mithin die zu erzeugenden Feldstärken steigen, erhöhen sich die Anforderungen an die Hohlraumresonatoren. Inzwischen werden oft supraleitende Hohlraumresonatoren verwendet, die aus reinem Niob durch Tiefziehen von Blechen zu Halbschalen und Schweißen oder durch Hydroforming aus Rohren hergestellt werden. Wegen der im Betrieb auftretenden hohen Feldstärken im Inneren der Hohlraumresonatoren, stellen sich erhebliche Anforderungen an die Güte der Innenfläche der Resonatoren. Die Innenfläche muss geschliffen und poliert sein, wobei üblicherweise Material im Bereich von 80 bis 100 µm abgetragen wird. An der Innenfläche müssen alle Unebenheiten wie Risse, Poren, herausragende Schweißnähte entfernt werden, wobei die maximale Rautiefe 0,5 bis 2 µm beträgt.

Aus "Superiority of Electropolishing over Chemical Polishing on High Gradients", K. Saito et al., Proceedings of the 8^th Workshop of Superconductivity, Oktober 6-10, 1997, Abano Terme (Padova), Italien, Seiten 795-813 und "Investigation on Barrel Polishing for Superconducting Niobium Cavities", T. Higuchi et al., Proceedings of the 7^th Workshop of Superconductivity, Oktober 17-20, 1995, Saclay, Gif sur Yvette, Frankreich, Seiten 723-727, ist ein Verfahren zum Schleifen und Polieren von Innenflächen von Hohlraumresonatoren bekannt. Bei diesem Verfahren, das auch als "Tumbling"-Verfahren bezeichnet wird, wird der Hohlraumresonator zur Gleitschleifbearbeitung mit Schleifkörpern und Wasser beladen. Zur Bearbeitung werden Schleifkörper (die im Folgenden oft auch als Chips bezeichnet werden) und Wasser, dem weitere Additive zugesetzt sind, die auf dem Gebiet der Gleitschleif bearbeitung zusammen als Compound bezeichnet werden, verwendet. Die Schleifkörper weisen feine Schleifkörner auf, die durch Kunststoff oder Keramik gebunden sind. Wenn der Hohlraumresonator in Rotation um seine Längsachse versetzt wird, erfolgt ein Abtragen mikroskopischer Unebenheiten an der Innenfläche des Hohlraumresonators durch eine Schlagwirkung der Schleifkörper auf die zu bearbeitende Innenfläche. Das Verfahren hat aber eine sehr geringen Wirkungsgrad (Abtrag von etwa 7 µm pro Tag) und kann nicht zum Abtragen von größeren Unebenheiten, wie z. B. Schweiß nähten verwendet werden.

Dieser Nachteil ist hauptsächlich auf die relativ niedrige kinetische Energie der "tumbelnden" Schleifkörper (Chips) zurückzuführen, die durch ihre niedrige relative Bewegungs geschwindigkeit und Masse bedingt ist. Andererseits ist eine Erhöhung der Geschwindigkeit durch die zulässige Fliehkraft begrenzt, wobei ab einer bestimmten Drehzahl die Schleifkörper durch die Fliehkräfte so stark an die Innenfläche gedrückt werden, dass sie dort festgehalten werden und insofern keine Relativbewegung zur Innenfläche mehr ausführen, so dass kein Abtrag mehr stattfindet. Beispielsweise können Hohlraumresonato ren mit einem Durchmesser von 200 mm nur bis ungefähr 90 Um drehungen/Minute gedreht werden.

Aus JP 09323253 A ist ein Verfahren zum Polieren der Innenflächen von Druckgaszylindern bekannt. Bei diesem Verfahren wird der mit Schleifmittel beladene Druckgaszylinder in Rotation um seine Längsachse versetzt und ferner zu einer Kreisbewegung um eine zu seiner Rotationsachse parallel versetzte Achse angetrieben.

Aus DE 27 02 429 A1 ist eine Scheuer- und Poliermaschine mit umlaufenden Trommeln zur Bearbeitung von Werkstücken mittels Schleifkörpern in mehreren drehbaren Trommeln bekannt. Die Trom meln sind so aufgehängt, daß sie zunächst eine Kreisbewegung um eine Achse ausführen, wobei jede Trommel jeweils zwischen zwei Rotorscheiben so aufgehängt sind, daß ihre Längsachse (die mit ihre Rotationsachse zusammenfällt) gegen die Achse der Kreis bewegung geneigt ist. Dies führt zu einer Rotationsbewegung jeder Trommel überlagert mit einer Kreisbewegung der Trommel um eine Achse, wobei die Neigung der Rotationsachse (= Längsachse der Trommel) zur Achse der Kreisbewegung konstant ist. Axiale Bewegungskomponenten zwischen Schleifmittel und Trommel, d. h. in Richtung parallel zur Längsachse, werden so nicht im wesentlichen Umfang erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schleifen und Polieren der Innenfläche von Hohlraumresonatoren anzugeben, mit dem ein höherer Bearbeitungswirkungsgrad erreich bar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Verfahren nach Patentanspruchs 1. Vor teilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sowie eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen auf geführt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Hohlraumresonator neben seiner Rotation um eine durch seinen Mittelpunkt verlaufende Rotationsachse, die zur Längsachse des Resonators geneigt ist, zu einer weiteren Kreisbewegung um eine zu seiner Rotationsachse parallelversetzte Achse angetrieben wird. Auf diese Weise kann ein erhöhter Wirkungsgrad und Bearbeitungsabtrag an der Innen fläche durch die kreisende und axiale Relativbewegung zwischen Schleifkörpern und Innenfläche aufgrund der Fliehkräfte der überlagerten Rotation und Kreisbewegung des Hohlraumresonators erreicht werden. Mithin können höhere Kräfte und höhere relative Geschwindigkeiten zwischen Schleifkörpern und Innenfläche erreicht werden. Die durch den Mittelpunkt des Hohlraumresonators verlaufende Rotationsachse ist leicht gegen die Längsachse des im Wesentlichen rohrförmigen Hohlraumresonators geneigt. Dadurch führt der Hohlraumresonator (im Ruhesystem der Kreisbewegung) eine Kreiselbewegung aus. Die Kreisfrequenzen von Kreisbewegung und Rotationsbewegung sind verschieden, so dass die Längsachse somit ständig ihre Ausrichtung im Raum ändert. Dies ist besonders effektiv, da dadurch verschiedene Bereiche der Innenfläche des Hohlraumresonators von der Haupteinwirkung der Schleifkörper überstrichen werden und dadurch im Ergebnis für eine gleichmäßige Bearbeitung gesorgt wird.

Vorzugsweise wird die Bearbeitung in wenigstens zwei Arbeits gängen durchgeführt. Im ersten Arbeitsgang wird der größte Teil der zu entfernenden Schicht und der Schweißnaht vorzugsweise mit Kunststoffchips als Schleifkörpern abgetragen, wobei diese Bearbeitung im "überkritischen" Bereich ausgeführt wird, während der zweite Arbeitsgang im "unterkritischen" Bereich durchgeführt wird. Der überkritische Bereich ist durch folgende Bedingung de finiert:

(ωr/ωa)² < Ra/Rr

In der Formel bedeuten:
ωr: Winkelgeschwindigkeit des Resonators um seine eigene Achse,
ωa: Winkelgeschwindigkeit des Resonators bei der Kreisbewe gung um die Rotationsachse,
Rr: Radius des Resonators,
Ra: A + Rr: Radius der Anlage,
A: Abstand zwischen den Achsen (Rotationsachse und Dreh achse).

Im überkritischen Bereich, dem eine hohe relative Geschwindigkeit zwischen Innenfläche und Schleifkörpern entspricht, bildet sich auf der Innenfläche eine dünne Schicht von Wasser und Schleifkör nern, die den Abtrag fördert. Dieses gilt jedoch nur für Kunststoffchips als Schleifkörper. Bei schwereren Keramikchips zeigen sich in diesem Bereich keine guten Ergebnisse - der Abtrag ist klein, die Oberfläche rau, sie kann sogar durch fliegende Chips beschädigt werden. Versuchsergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1

Die guten Ergebnisse der Kunststoffchips im überkritischen Bereich können so erklärt werden. Die Kunststoffchips sind relativ leicht und haben niedrige Reibungswerte. Der Verschleiß der Chips, der bei ihrer Reibung an der Innenfläche und zwischen den Chips entsteht, führt zur Freilegung tieferliegender Schleifkörner, wodurch die Abrasivität der Chips erhalten bleibt. Die schweren, relativ festen Keramikchips hingegen werden auf der sehr zähen Nioboberfläche von Hohlraumresonatoren so stark gebremst, dass sie sich hauptsächlich sprunghaft bewegen, was einerseits zu Beschädigung der Innenfläche führen kann. Anderer seits können Keramikchips an der Innenfläche haften bleiben, was den relativ kleinen Abtrag erklärt.

Dagegen führen Keramikchips bei der Feinbearbeitung und Politur im "unterkritischen" Bereich zu einer sehr glatten Oberfläche, die frei von Schleifresten ist. Der unterkritische Bereich ist durch die Bedingung definiert:

(ωr/ωa)² < Ra/Rr.

Daher wird im zweiten Arbeitsgang vorzugsweise mit Keramikchips im unterkritischen Bereich gearbeitet.

Die Bearbeitung erfolgt vorzugsweise in vertikaler Ausrichtung des Resonators. In diesem Fall verschieben sich die Schleifkörper etwas nach unten und der untere Teil wird besser geschliffen. Nach jedem halben Arbeitsgang wird der Resonator um 180° um eine horizontale Achse gedreht und der dann unten liegende Teil besser bearbeitet. Die senkrechte Anordnung ist besonders vorteilhaft bei der Feinbearbeitung im zweiten Arbeitsgang, die bei niedriger Geschwindigkeit durchgeführt wird.

Die senkrechte Anordnung des Resonators während der Durchführung des Verfahrens führt jedoch bei mehrzelligen Hohlraumresonatoren zu einem Problem, da bei der Anbringung des Resonators in vertikaler Stellung die Schleifkörper nach unten fallen. In diesem Fall werden vorteilhafterweise folgende Verfahrensschritte durchgeführt. Die Vorrichtungsachse (entsprechend der Drehachse der Kreisbewegung) wird zunächst waagerecht angeordnet und der mit Chips und Wasser mit Compound beladene Resonator in der Vor richtung befestigt. Danach wird der Hohlraumresonator zunächst in Rotation um seine Rotationsachse versetzt. Daraufhin wird der rotierende Resonator in vertikale Ausrichtung geschwenkt und die zweite Bewegung, nämlich die Kreisbewegung um eine Drehachse, die parallelversetzt zur Rotationsachse des Resonators ist, einge schaltet. Die Abfolge kann auch umgekehrt sein, so dass zunächst mit der kreisenden Bewegung des im Wesentlichen waagerechten Resonators begonnen wird, dann die Schwenkung in die Vertikale erfolgt und daraufhin die Rotation des Resonators gestartet wird.

Gegenüber den herkömmlichen Schleifverfahren (z. B. "Tumbling") weist die vorliegende Erfindung mehrere Vorteile auf:
Es besteht die Möglichkeit, durch Einstellung der ver schiedenen Drehgeschwindigkeiten, Neigungswinkel der Längsachse des Resonators zur Rotationsachse und die Einstellung anderer Parameter die Bearbeitungsprozesse zu steuern;
der Bearbeitungswirkungsgrad oder die Abtragsleistung ist etwa 20 Mal größer als bei den herkömmlichen Verfahren; dadurch kann auch die Schweißnaht und andere größere Unebenheiten abgetragen werden;
die Innenoberfläche wird gleichmäßiger bearbeitet;
die Oberflächenrauigkeit beträgt nur 0,8 bis 1,6 µm.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen erläutert, in denen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Bearbeitung der Innenfläche eines einzelligen Resona tors zeigt,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Bearbeitung von mehrzelligen Resonatoren zeigt.

In Fig. 1 ist ein Resonator 12 an seinen Flanschen 11 an Drehtellern 10 befestigt, die um eine vertikale Achse 19 drehbar sind.

Gegenüber dem Resonator 12 ist eine Stange mit Gegengewichten 5 angeordnet. Obere und untere Arme 6 sind in Kugellagerzapfen gelagert und untereinander durch die Stange und die zentrale Welle verbunden, so dass ein Rahmen gebildet ist, in dem der Resonator 12 an den Drehtellern 10 und die Gegengewichte 5 befestigt sind. Dieser Rahmen ist seinerseits in einer Aufhängung 13, 15 drehbar gelagert.

Im Betrieb wird nun einerseits der aus den verbundenen oberen und unteren Armen 6 bestehende Rahmen um die Vorrichtungsachse 9, und zwar angetrieben von einem Motor 7, gedreht, wodurch der Resonator 12 insgesamt eine kreisende Bewegung um die Vor richtungsachse 9 ausführt. Ferner wird der Resonator 12 um eine vertikale, durch seinen Mittelpunkt verlaufende Rotationsachse 19 in Rotation versetzt, indem wenigstens einer der Drehteller 10 über ein Getriebe 8 in Drehung versetzt wird. In der darge stellten Ausführungsform ist der Resonator 12 so an den Drehtel lern 10 befestigt, dass seine Längsachse leicht gegenüber der vertikalen Rotationsachse 19, die parallel versetzt zu der Vorrichtungsachse 9 durch die Mittelpunkte der Drehteller 10 verläuft, geneigt ist. Vorzugsweise liegt der Neigungswinkel im Bereich von 4 bis 10°. Insgesamt führt der Resonator 12 also eine Kreiselbewegung um die Rotationsachse 19, die von einer kreisen den Bewegung um die Vorrichtungsachse 9 überlagert ist, aus.

Die Aufhängung 13, 15 für den um die Vorrichtungsachse 9 drehbaren Rahmen ist wiederum an einer horizontalen Spindel 4 aufgehängt, die ihrerseits in einem Gehäuse 2 gelagert ist. Die Spindel kann mit einem Motor 3 gedreht werden, wodurch der Resonator umgedreht werden kann, so dass in einem halben Arbeits gang ein Ende nach oben weist und in einem weiteren halben Arbeitsgang das andere Ende nach oben weist. Dadurch wird eine gleichmäßige Bearbeitung entlang der gesamten Innenfläche gewährleistet.

Das Getriebe 8 der Vorrichtung lässt die Rotationsbewegung des Resonators 12 um seine Rotationsachse 19 in gegensinniger Richtung zu der Drehbewegung des Resonators 12 um die Vor richtungsachse 9 ausführen und erlauben die Umschaltung zwischen dem unterkritischen und überkritischen Betrieb. Der Motor 7 hat eine verstellbare Umdrehungszahl zur Steuerung des Drucks und der Geschwindigkeit der Schleifkörper, um bessere Schleifergebnisse zu erzielen.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur Bearbeitung von zwei neun-zelligen Resonatoren 12, die allerdings nur schematisch als Zylinder angedeutet sind. Die Resonatoren 12 sind an nicht dargestellten Befestigungseinrichtungen mit ihren Längsachsen leicht geneigt gegen die vertikale Vorrichtungsachse 9 eingespannt. Der Motor 22 dreht über ein schematisch darge stelltes Getriebe 8 die Resonatoren 12 um ihre Rotationsachsen 19. Beide Resonatoren 12 mit Befestigungen, Getriebe 8 und Arm 17 werden mit dem Motor 18 zur Drehung um die Vorrichtungsachse 9 angetrieben.

Der Motor 16 erlaubt es, den Rahmen 24 insgesamt im Gestell 1 zu drehen, und dadurch die Resonatoren während der Bearbeitung um 180° zu drehen, so dass jeweils ein Ende in einem Bearbei tungsgang nach oben weist.

In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist ein Paar von Resonatoren 12 gegenüberliegend in der Vorrichtung angebracht. Es können ein oder mehrere Paare von Resonatoren in der Vor richtung angebrach sein, wobei die paarweise Anordnung für die Auswuchtung der Vorrichtung wichtig ist.

Claims

1. Verfahren zum Schleifen und Polieren der Innenfläche eines Hohlraumresonators, bei dem zur Gleitschleifbearbeitung Schleifkörper und Wasser mit Compound in das Innere des Hohlraumresonators eingebracht werden und dieser in Rotation versetzt wird, wobei der Hohlraumre sonator (12) ferner zu einer Kreisbewegung um eine zu seiner Rotationsachse (19) parallelversetzte Achse (9) angetrieben wird und dass der Hohlraumresonator (12) so in Rotation versetzt wird, dass seine Längsachse unter einem Winkel von wenigstens 2°, vorzugsweise unter einem Winkel im Bereich von 4 bis 10°, zu seiner Rotationsachse (19) geneigt ist, so dass der Hohlraumresonator eine Kreiselbewegung ausführt und die Längsachse somit dauernd ihre Ausrichtung im Raum und zu der Achse (9) der Kreisbewegung ändert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der größere Teil der zu entfernenden Materialien an der Wand fläche in einem ersten Arbeitsgang im "überkritischen" Bereich abgetragen wird und dass in einem zweiten Arbeits gang die Feinbearbeitung im "unterkritischen" Bereich durchgeführt wird, wobei der überkritische Bereich durch die Bedingung (ωr/ωa)² < Ra/Rr und der unterkritische Bereich die Bedingung (ωr/ωa)² < Ra/Rr definiert ist, wobei ωr die Winkel geschwindigkeit des Resonators um seine Rotationsachse (19) ist, ωa die Winkelgeschwindigkeit der Kreisbewegung des Resonators um die zur Rotationsachse versetzte Drehachse (9) ist, Rr der Radius des Resonators, Ra = A + Rr ist, wobei A der Abstand zwischen den Achsen (9, 19) ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (19) und die Drehachse (9) der Kreisbewegung vertikal ausgerichtet sind, wobei der Resonator (12) wenigstens einmal um 180° gedreht wird, so dass jedes Ende des Resonators in einer Bearbei tungsphase nach oben weist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (12), der bereits mit Schleifkörpern und und Wasser mit Compound beladen ist, zunächst mit seiner Rotationsachse in waagerechter Aus richtung in Rotation versetzt wird, und darauffolgend die Rotationsachse in die Vertikale geschwenkt wird und danach die Kreisbewegung des Resonators (12) um die zur Rotations achse (19) parallelversetzte Achse (9) eingeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass der Resonator (12), der bereits mit Schleif körpern und Wasser mit Compound beladen ist, zunächst in im Wesentlichen waagerechter Ausrichtung in die Kreisbewegung um die zur Rotationsachse (19) parallelversetzte Achse (9) versetzt wird, und darauffolgend in die Vertikale geschwenkt wird und danach die Rotationsbewegung des Resonators (12) eingeleitet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Rahmen (24), in dem wenigstens ein Resonator (12) zur kreisenden Rotationsbewegung um eine zu seiner Längsachse leicht geneigte, durch seinen Mittelpunkt verlaufende Rotationsachse (19) und zur Drehbewegung um eine gegenüber der Rotationsachse (19) parallelversetzte Drehachse (9) antreibbar aufgehängbar ist, wobei der Rahmen (24) wiederum in einem Gestell (1) drehbar aufgehängt ist, so dass der Rahmen um wenigstens 180° um eine horizontale Achse gedreht werden kann, um eine gleichmäßige Bearbeitung beider Hälften des Resonators zu erreichen.