DE102008009507B4

DE102008009507B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung extrem harter Werkstoffe

Info

Publication number: DE102008009507B4
Application number: DE200810009507
Authority: DE
Inventors: Hardy HÖPP; Jürgen von Dungen
Original assignee: GUENTER EFFGEN GmbH
Current assignee: Guenter Effgen GmbH
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2028-02-16
Also published as: EP2268451A2; WO2009129765A3; EP2268451B1; DE102008009507A1; WO2009129765A2

Abstract

Es wird angestrebt, 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 Verfahren zur Oberflächenbehandlung von extrem harten Werkstoffen, insbesondere von polykristallinen Diamanten unter Verwendung eines Diamant- oder CBN-Pulvers, durch welches die Oberfläche eines Werkstückes durch eine kombinatorische Verwendung einer rotierenden Schleifscheibe mit dem der Schleifscheibe zugeführten Diamant- oder CBN-Pulver unter einem Andruck von zumindest 250 g/cmbis 5000 g/cmund bei einer Schnittgeschwindigkeit von 2 m/sec bis 15 m/sec 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. Weitere vom erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitbare Werkstoffe sind zum Beispiel monokristalliner Diamant (MKD) CVD-Diamant sowie im CVD-Verfahren hergestellte Diamanten, Schmuck-Diamanten und polykristallines Bornidrit (PKB).
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 Diamant- oder CBN-Pulver 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.
Wesentlich für die verbesserten Abtragswerte ist das Zusammenwirken der Porosität der Scheibenoberfläche mit dem Diamantkorn im Diamantpulver. Die je nach verwendeter Bindung, beispielsweise keramischer oder metallischer, variierende Porosität der Schleifscheibe dient dem Halt des Diamtpulvers auf der Scheibe und erhöht so die Reibung und den Abtrag am Werkstück. Es besteht somit eine Abhängigkeit zwischen der Korngröße des verwendeten Diamantpulvers und der Porosität, die bei der Auswahl der zu kombinierenden Komponenten zu berücksichtigen ist.
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.
Die Veränderung der Geräusche des Schleifvorgangs kann hierbei zur Regelung der Zugabe an Diamantpulver auf die Schleifscheibe genutzt werden mittels AE-Sensoren. Ein weiterer möglicher Regelparameter ist die Leistungsaufnahme des Antriebs der Schleifscheibe.
Ein weiterer wesentlicher technischer Aspekt ist die Erhöhung der Standarddrehzahl auf eine Schnittgeschwindigkeit von 2 bis 15 m/sec. Diese Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit bewirkt eine deutliche Verbesserung der Schleifgeschwindigkeit, wobei diese nicht beliebig durch eine Erhöhung der Drehzahl steigerbar ist. Vielmehr bewegt sich die ideale Schnittgeschwindigkeit im Bereich von ca. 5 m/sec.
Die grundsätzliche Drehzahlerhöhung führt zu einer Verdopplung des Abtrages. Als Zuschlag sollte hierbei nur reines 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 15 m/sec rotiert, um so die Beschleunigung des Abtrags zu erreichen. Eine besonders vorteilhafte Schnittgeschwindigkeit liegt bei etwa 5 m/sec.
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 zwischen D46 und D1001 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.

Claims

Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen, insbesondere von polykristallinen Diamanten, unter Verwendung eines Diamant- oder CBN-Pulvers, dadurch gekennzeichnet, dass – die Oberfläche eines Werkstückes durch eine kombinatorische Verwendung einer rotierenden Schleifscheibe mit dem der Schleifscheibe zugeführten Diamant- oder CBN-Pulver – unter einem Andruck von zumindest 250 g/cm² bis 5000 g/cm² – und bei einer Schnittgeschwindigkeit von 2 m/sec bis 15 m/sec geschliffen und abgetragen wird.
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schleifscheibe eine keramisch oder metallisch gebundene Diamantschleifscheibe verwendet wird.
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schleifscheibe eine keramisch gebundene Diamantschleifscheibe mit einer Diamantkörnung im Bereich von D46 bis D1001 verwendet wird.
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schleifscheibe eine CBN-Schleifscheibe verwendet wird.
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Diamant- oder CBN-Pulver monokristallin oder polykristallin ist, in einem Korngrößenbereich von 0–252 μm liegt und regelmäßig, geregelt oder kontinuierlich zugeführt wird.
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Diamantpulver in einer Dosierung von 1 g/min zugeführt wird.
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Diamantpulver zyklisch in einer Taktung von 3 Minuten zugeführt wird.
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme der Schleifscheibe zur Regelung der Zuführung des Diamantpulvers erfasst und einer Regelungssteuerung zugeführt wird.
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifgeräusche zur Regelung der Zuführung des Diamantpulvers mittels Acoustic-Emission-Sensoren erfasst und einer Regelungssteuerung zugeführt werden.
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Andruck des Werkstücks auf die Schleifscheibe etwa 2.200 g/cm² beträgt.
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass während 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, gekennzeichnet durch – eine Schleifscheibe mit einer Schnittgeschwindigkeit von etwa 2 m/sec bis 15 m/sec und einem Durchmesser von zumindest 100 mm, – einen Werkstückhalter mit Aufnahmen für mehrere gleichzeitig bearbeitbare Werkstücke, – eine Zuführvorrichtung zur Zuführung eines Diamantpulvers auf die Schleifscheibe, sowie – eine einen Andruck bewirkende Vorrichtung.
Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifscheibe mit einer Schnittgeschwindigkeit von 5 m/sec gefahren wird.
Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifscheibe eine Diamantschleifscheibe ist und eine Diamantkörnung im Bereich von D46 bis D1001 aufweist.
Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführvorrichtung zur Zuführung des Diamantpulvers zyklisch arbeitet in einer Taktung von 3 Minuten.
Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass einer Zuführvorrichtung zur automatisierten Zuführung von Wasser auf die Diamant-Schleifscheibe vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von extrem harten Werkstoffen nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Andruck durch eine hydraulische oder pneumatische Vorrichtung auf den Werkstückhalter bewirkt wird.