DE102008009507A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung extrem harter Werkstoffe - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen, insbesondere von polykirstallinen Diamanten, unter Verwendung von Diamantpulver,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Oberfläche der Werkstücke durch eine kombinatorische Verwendung einer rotierenden Schleifscheibe mit dieser zugeführtem Diamantpulver
– unter einem Andruck von zumindest 1000 g/cm2
– und bei einer Standarddrehzahl von zumindest 120 min–1 Umdrehungen geschliffen und abgetragen wird.
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Oberfläche der Werkstücke durch eine kombinatorische Verwendung einer rotierenden Schleifscheibe mit dieser zugeführtem Diamantpulver
– unter einem Andruck von zumindest 1000 g/cm2
– und bei einer Standarddrehzahl von zumindest 120 min–1 Umdrehungen geschliffen und abgetragen wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung extrem harter Werkstoffe, insbesondere für das Schleifen polykristalliner Diamanten (PKD).
- Polykristalliner Diamant (PKD) ist ein extrem harter Werkstoff, der synthetisch hergestellt aus einer miteinander verwachsenen Masse von Diamantpartikeln in einer Metall-Matrix besteht. Die Verwendung dieses Werkstoffs liegt aufgrund seiner extremen Härte im Bereich des Schneidens und Spanens für eine Vielzahl von Werkstoffen, so auch als Besatz von Bohrköpfen.
- Das Bearbeiten von Diamant, beispielsweise das Schleifen von PKDs, erfolgt aufgrund dessen Härte ebenfalls mit Diamant in Form von Diamantpulver enthaltenden Emulsionen. Es handelt sich hierbei um ein sehr zeitaufwendiges Verfahren, bei dem eine große Menge an Diamantschleifmittel eingesetzt werden muß.
- Der Stand der Technik kennt eine Vielzahl stark voneinander abweichender Lösungen für diese technische Herausforderung. So offenbart die
DE 100 39 724 C2 ein Verfahren zur Glättung einer synthetisch hergestellten Diamantschicht, bei der der Diamant einer Relativbewegung eines Glättungsmittels ausgesetzt wird. Hierfür wird ein auf eine Temperatur zwischen 600 und 900°C erhitztes Kupferoxid vorgeschlagen. Es handelt sich demnach um eine thermochemische Glättung, die mittels eienr Oxidation der Diamantschicht wirkt. Ziel ist hierbei primär die Beschleunigung des Verfahrens. - Nachteilig ist allerdings der immense Energiebedarf dieses Verfahrens, welches weiterhin keine wirklich schnelle Glättung ermöglicht.
- Die
DE 695 08 679 T2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Diamantwafers sowie eine Vorrichtung zum Polieren der Diamantoberfläche, die auf mechanische Weise Diamantpulver als Schleifmittel einsetzt, welches unter eigenem Abrieb den Wafer poliert. Hierbei wird allerdings eingeräumt, dass hunderte von Stunden dauert, um die gewünschte glatte Oberfläche zu erzielen. Die Schrift offenbart hierbei lediglich konstruktive Merkmale, die eine vollständige und gleichmäßige Bearbeitung gewährleisten sollen. - Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, Diamantschleifvorrichtungen zu nutzen, in die Diamantabrasivmittel zum Schleifen und Polieren in unterschiedlichen Bindemitteln eingebettet sind. Solche Diamantschleifscheiben können unter anderem eine metallische oder eine keramische Bindung der Diamantabrasivmittel aufweisen, wie beispielsweise offenbart in der
US 4,142,869 . - Hierbei ist problematisch, dass die Qualität und Geschwindigkeit des Schleif- bzw. des Polierprozesses von einer Vielzahl von Parametern abhängig ist, die einen aufwendigen Betrieb bei hohen Grundkosten und schwankendem Ergebnis verursachen. Die Diamantabrasivmittel sind Abnutzung unterworfen wie auch das Bindemittel, welches nicht elektrolysiert werden darf.
- Ist die zu bearbeitende Oberfläche eine Diamantfläche, so befindet sich auf dessen Oberfläche ein deutlich höherer Diamantgehalt als in der Schleifvorrichtung, beispielsweise einer Diamantschleifscheibe, was zu einer schnellen Abschwächung des Schleifeffekts und somit niedrigen Geschwindigkeiten führt. Es ist beispielsweise bekannt, PKDs auf Schleif- bzw. Poliermaschinen mit einer Gußscheibe mit grober Diamantkörnung zu bearbeiten, wobei eine Laufzeit von 10–15 Stunden benötigt wird, um einen Abtrag von 0,8 mm zu erreichen.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines extrem harten Werkstoffs, insbesondere für das Schleifen polykristalliner Diamanten (PKD), zu schaffen, welches einen deutlich schnelleren Abtrag bei gleichmäßigem Abtrag ermöglicht.
- Erreicht wird dies durch ein neues Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 10 beschreiben vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens nach Anspruch 1.
- Erreicht wird dies ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 gemäß Anspruch 11, wobei die Unteransprüche 12 bis 14 vorteilhafte Bauformen dieser Vorrichtung betreffen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus einer Kombination aus Schleifen mit gebundenem Korn und Läppen mit loser Korn in einem definierten Drehzahlbereich und mit einem definierten Andruckbereich des Werkstücks bzw. der Werkstücke.
- Hierfür wird Diamantpulver während der Bearbeitung auf die Schleifscheibe aufgegeben, wobei dieser Vorgang manuell oder durch eine technische Lösung automatisiert durchgeführt werden kann.
- Dieses Verfahren nutzt die gebundene Diamantscheibe als Träger für das lose Korn des Diamantpulvers. Es wird hierbei explizit nicht mit einem Diamantkorn in Emulsion gearbeitet. Das lose Diamantkorn führt dazu, daß einerseits die Schleifscheibe ständig abgerichtet wird und somit nicht stumpf wird, andererseits das lose Diamantkorn zusätzlich mit schneidet und den Schleifvorgang beschleunigt. Der Abtrag wird hierbei in etwa zu 80% durch loses Diamantkorn und zu 20% durch das in der Schleifscheibe gebundene Diamantkorn erreicht.
- Bei Ausbleiben der Diamantpulverzugabe wird das die Effizienz anzeigende Schleifgeräusch nach ca. 5 Minuten deutlich leiser, da durch das Werkstück, beispielsweise den polykristallinen Diamanten, das Schleifkorn abgestumpft wird und somit kein signifikanter Abtrag mehr erfolgen kann. Somit ist eine kontinuierliche oder regelmäßig zyklische Zugabe des losen Diamantpulvers erforderlich, um einen gleichbleibend hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
- Ein weiterer wesentlicher technischer Aspekt ist die Erhöhung der Standarddrehzahl von 60 min–1 Umdrehungen auf einen Wert von zumindest 120 min–1 angehoben wird. Diese Erhöhung der Drehzahl bewirkt eine deutliche Verbesserung der Schleifgeschwindigkeit, wobei diese nicht beliebig durch eine Erhöhung der Drehzahl steigerbar ist. Vielmehr bewegt sich die ideale Drehzahl im Bereich von ca. 180 min–1 bis ca. 250 min–1.
- Die grundsätzliche Drehzahlerhöhung führt zu einer Verdopplung des Abtrages. Als Zuschlag sollte hierbei nur rei nes Wasser verwendet werden, da sonst die Griffigkeit der Schleifscheibe verloren geht und die Poren mit Schmiermittel getränkt sind.
- Es ist grundsätzlich zu berücksichtigen, daß neben den beispielhaft genannten Schleifscheiben, bzw. der genannten Körnung, andere Varianten auch möglich sein können, um vorteilhafte Abtragswerte zu erreichen, die auf der Lehre der Erfindung basieren.
- Die Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens weist als Merkmale zum einen eine Diamant-Schleifscheibe auf, die mit bis zu 250 min–1 Umdrehungen rotiert, um so die Beschleunigung des Abtrags zu erreichen. Desweiteren weist die Vorrichtung einen Werkstückhalter zur Aufnahme mehrerer zu bearbeitender Werkstücke auf sowie eine Zufuhrvorrichtung zur Aufgabe des Diamantpulvers, da dieses ja über den gesamten Schleifprozeß zugegeben werden muß.
- Eine vorteilhafte Bauform sieht hierbei eine Zufuhrvorrichtung für das Diamantpulver vor, die zyklisch arbeitet in einer Taktung von einer Aufgabe alle 3 Minuten. Die zyklische Aufgabe hat sich hierbei als vorteilhaft gegenüber einem stetig kontinuierlichen Zugabestrom herausgestellt.
- Eine Diamant-Schleifscheibe mit einer Diamantkörnung von D301 hat sich ebenfalls als zweckmäßig ergeben, da diese Körnung ein gutes Zusammenwirken mit dem losen Korn des Diamantpulvers gezeigt hat.
- Desweiteren ist von Vorteil, einer Zufuhrvorrichtung zur automatisierten Zufuhr von Wasser auf die Diamant-Schleifscheibe vorzusehen. Die Zugabe des Wassers bewirkt eine Mobilisierung und Aktivierung des losen Korns des Diamantpulvers unter gleichzeitiger Vermeidung des Zusetzens der Poren in der Schleifscheibe. So kann eine unerwünschte Sättigung der Schleifscheibe vermieden werden.
- Schließlich ist es zweckmäßig, einen definierten Andruck der Werkstücke auf die Schleifscheibe durch eine hydraulische oder pneumatische Andruck-Vorrichtung über den Werkstückhalter aufzubringen. So kann der Andruck exakt eingestellt werden, um eine optimale Abtragseffizienz in Abhängigkeit des zu bearbeitenden Werkstücks sowie der weiteres Schleifparameter zu erreichen.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10039724 C2 [0004]
- - DE 69508679 T2 [0006]
- - US 4142869 [0007]
Claims (14)
- Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen, insbesondere von polykirstallinen Diamanten, unter Verwendung von Diamantpulver, dadurch gekennzeichnet, dass – die Oberfläche der Werkstücke durch eine kombinatorische Verwendung einer rotierenden Schleifscheibe mit dieser zugeführtem Diamantpulver – unter einem Andruck von zumindest 1000 g/cm2 – und bei einer Standarddrehzahl von zumindest 120 min–1 Umdrehungen geschliffen und abgetragen wird.
- Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine keramisch gebundene Diamantschleifscheibe verwendet wird.
- Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine keramisch gebundene Diamantschleifscheibe mit einer Diamantkörnung von D301 verwendet wird.
- Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine CBN-Schleifscheibe verwendet wird.
- Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass monokristallines Diamantpulver der Korngröße 36–50 μm als Pulver regelmäßig oder kontinuierlich zugeführt wird.
- Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Diamantpulver in einer Dosierung von ca. 1 g/min. zugeführt wird.
- Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Diamantpulver zyklisch in einer Taktung von 3 Minuten zugeführt wird.
- Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke mit einem Andruck von etwa 2.200 g/cm2 auf die Schleifscheibe angedrückt werden.
- Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass währende des Schleifvorgangs die Schleifscheibe zur Mobilisierung des zugeführten Diamantpulvers zyklisch oder kontinuierlich mit Wasser besprüht wird.
- Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 umfassend zumindest eine Schleifscheibe und einen Werkstückhalter sowie den Andruck bewirkende Mittel, gekennzeichnet durch – eine Diamant-Schleifscheibe mit bis zu 250 min–1 Umdrehungen und einem Durchmesser von zumindest 500 mm, – einen Werkstückhalter mit Aufnahmen für mehrere gleichzeitig bearbeitbare Werkstücke sowie – einer Zufuhrvorrichtung zur Zugabe des Diamantpulvers auf die Diamant-Schleifscheibe.
- Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamant-Schleifscheibe eine Diamantkörnung von D301 aufweist.
- Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrvorrichtung für das Diamantpulver zyklisch arbeitet in einer Taktung von einer Aufgabe alle 3 Minuten.
- Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass einer Zufuhrvorrichtung zur automatisierten Zufuhr von Wasser auf die Diamant-Schleifscheibe vorgesehen ist.
- Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der definierte Andruck durch eine hydraulische oder pneumatische Vorrichtung auf den Werkstückhalter aufgebracht wird.
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Inventor name: DUNGEN, JUERGEN VON, 68642 BUERSTADT, DE Inventor name: HOEPP, HARDY, 55457 HORRWEILER, DE |
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| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
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