DE19847178A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Glätten von Oberflächen von Werkstücken aus Holz und Holzwerkstoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung zum Glätten von Oberflächen an Werkstücken aus Holz und Holzwerkstoffen nach einer Formgebung durch spanende Verfahren. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung für das Ultraschallglätten wird erreicht, daß im Kontaktbereich von Sonotrode und Werkstück Grenzflächenreibung auftritt, die die zum Glätten erforderliche Wärme erzeugt. Dabei erfolgt die Schwingung im wesentlichen parallel zu der zu glättenden Oberfläche. Der erforderliche Energieeintrag wird durch den über die Zustellung der schwingenden Sonotrode bewirkten Druckes auf die zu glättende Fläche und eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Sonotrode (Vorschubbewegung) erreicht. Nachstehende Zeichnung Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zum Ultraschallglätten einer rechtwinkligen Schmalfläche.

Description

Die Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung zum Glätten von Oberflächen an Werkstücken aus Holz und Holzwerkstoffen nach einer Formgebung durch spanende Verfahren.

Die Formgebung in der Holzbearbeitung erfolgt vornehmlich durch spanende Verfahren (z. B. Fräsen). Dabei werden von den Werkzeugschneiden die Holzfasern nicht immer vollständig ab­ getrennt, sondern teilweise nur angeschnitten. Diese Holzfasern richten sich bei Kontakt mit wäßrigen Substanzen wieder auf; außerdem ist die Saugfähigkeit gefräster Flächen, insbesondere bei Holzwerkstoffen, z. B. Mitteldichte Faserplatte, sehr groß, so daß wegen der Penetration für eine deckende Beschichtung große Lackmengen aufgebracht werden müssen. Das führt zu einer großen Anzahl notwendiger Verarbeitungsschritte und langer Fertigungszeiten wegen der mehr­ fach notwendigen Applikations-, Trocknungs- und Schleifprozesse.

Durch das Schleifen der gefrästen Flächen kann der Lackaufwand gemindert werden. In diesem Fall trennen eine Vielzahl geometrisch unbestimmter Schneiden die Mehrzahl der Fasern ab. Aber durch den Schleifvorgang werden zum Teil auch Holzfasern nur angedrückt, die sich nach dem Kontakt mit flüssigen Beschichtungen wieder aufrichten.

In DD 292 412 A5 wird ein Rotationsreibglättverfahren vorgestellt, das die angeschnittenen Fa­ sern nicht abtrennt, sondern an die gefräste Oberfläche drückt. Durch das Zusammenwirken von Reibungswärme infolge der Rotation des schneidenlosen Glättwerkzeuges und Anpreßdruck wird die Profiloberfläche thermo-mechanisch vergütet indem die Fasern an der Oberfläche ver­ klebt werden. Der Effekt der Verklebung beruht darauf, daß durch die am Glättwerkzeug auftre­ tende Temperatur holzeigene Klebstoffe aktiviert werden. Mit dem Rotationsreibglätten können unter idealen Bedingungen geschlossene Oberflächen mit hohem Glanzgrad hergestellt werden.

Der thermo-mechanische Glätteffekt beruht auf der allgemeinen Eigenschaft des Holzes, sich unter gleichzeitiger Einwirkung von Temperatur und Druck bleibend zu verformen. Durch die Einwirkung von Wärme und Druck werden oberflächennahe Zell- und Faserstrukturen verpreßt und die Dichte der Oberflächenzone erhöht. Infolge der Wärmeeinwirkung werden holzeigene Klebstoffe aktiviert, die ein Verkleben der durch die spanende Bearbeitung angerissenen Fasern bewirken. Durch das Glätten können Oberflächen mit sehr geringer Rauheit hergestellt und die mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu nur gefrästen oder geschliffenen Flächen deutlich verbessert werden.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß die Werkzeugtemperatur beim Rotationsreibglätten nur durch die Änderung der Spindeldrehzahl geregelt werden kann. Dabei wird die Temperatur des Glättwerk­ zeuges durch einen berührungslos arbeitenden Temperaturfühler gemessen. In Abhängigkeit vom Absolutwert und dem Anstieg der Temperatur wird über einen Regelungsansatz, der auf speziel­ len Fuzzy-Regeln basiert, die Drehzahl des Werkzeuges beeinflußt (DE 195 18 365 A1). Diese Regelung ist kompliziert und reagiert unzuverlässig auf Änderungen der Glättbedingungen. Au­ ßerdem wird der Anfangsbereich des Profilverlaufes, d. h. die Einlaufzone des Glättwerkzeuges, nicht ausreichend geglättet, weil zu Beginn des Glättvorganges das Glättwerkzeug allein durch Reibwärme auf die Solltemperatur hochgeheizt werden muß.

Eine weitere Möglichkeit der thermo-mechanischen Vergütung von Profilflächen besteht darin, ein ebenso schneidenloses Glättwerkzeug in einem separaten Werkzeughalter mittels einer übli­ chen Heizpatrone elektrisch zu erwärmen, so daß auf die Rotation und die Regelung der Dreh­ zahl des Glättwerkzeuges verzichtet wird (Sandig, C.; Fuchs, L: "Neue Methoden zum Glätten von Profilen", Vortragsband Möbeltage in Dresden 06.-08. 05. 1998, S. 59-65). Die Messung und Regelung der Glättwerkzeugtemperatur ist aber auch bei diesem Verfahren erforderlich, indem die Heizleistung in Abhängigkeit von der Temperatur des Glättwerkzeuges gezielt verändert wird.

Nachteil der beschriebenen Glättverfahren ist, daß zur Regelung die Temperatur an einer Fläche des Werkzeuges erfaßt wird, die zum gleichen Zeitpunkt nicht im Kontakt mit dem zu glättenden Werkstück steht. Die Regelung reagiert damit auf einen Meßwert der nur mittelbar im Zusam­ menhang mit der im Eingriff befindlichen Oberflächentemperatur des Werkzeuges steht. Infolge der Trägheit der elektrischen Beheizung ist es außerdem erforderlich, die Temperatur des Glätt­ werkzeuges auch während Arbeitsunterbrechungen auf einem hohen Niveau zu halten. Dies stellt u. U. ein Gefährdungspotential für angrenzende Baugruppen dar.

Die Trägheit der durch Reibung oder elektrischer Energie beheizten Werkzeuge führt dazu, daß die Rauheit von Teilbereichen der zu glättenden Profilabschnitte zu groß ist oder das Werkzeug ständig beheizt werden muß. Die notwendige Überwachung und Beeinflussung der Temperatur der Glättwerkzeuge erfordert aufwendige technische Applikationen, die industriell bisher nicht umgesetzt wurden.

Wesen der in DE 196 53 317 dargestellten Erfindung ist es, den Glätteffekt mittels Ultraschall zu erreichen. Durch die Schwingung des ultraschallerregten Glättwerkzeuges entsteht im Kontakt­ bereich von Werkstück und Glättwerkzeug Wärme. Auf eine Aufheizung des Glättwerkzeuges vor Beginn der Bearbeitung und die Regelung der Werkzeugtemperatur während der Bearbeitung kann verzichtet werden. Mit dem beschriebenen Verfahren wird eine Plastifizierung der Holzo­ berfläche und Aktivierung holzeigener Klebstoffe durch Ultraschall erreicht.

Der Nachteil der bekannten Lösungen besteht in einem nur schwachen Glätteffekt, weshalb die so geglätteten Flächen den Anforderungen an nachfolgende Oberflächenveredlungen durch Folien und/oder Lacke oft nicht genügten. Ziel der Erfindung ist es, den Glätteffekt wesentlich zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale erreicht. Wesentlich für die Lösung des Problems ist die Abhängigkeit der durch Ultraschall er­ zeugten Reibungswärme von der Schwingungsrichtung. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird erreicht, daß im Kontaktbereich von Sonotrode und Werkstück Grenzflächenreibung auf­ tritt, die die zum Glätten erforderliche Wärme erzeugt. Dabei muß die Schwingung im wesentli­ chen parallel zu der zu glättenden Oberfläche erfolgen, das heißt in einem Winkel von 45° . . . 90° zur Flächennormalen des zu glättenden Profils gerichtet sein. Der zum Ultraschallglätten erfor­ derliche Energieeintrag wird durch den mittels einer Zustellung bewirkten Druckes der schwin­ genden Sonotrode auf die zu glättende Fläche und eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Sonotrode (Vorschubbewegung) erreicht.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die zu­ gehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: Vorrichtung zum Glätten einer ebenen Außenkontur (rechtwinklige Schmalfläche),

Fig. 2: Vorrichtung zum Glätten profilierter stabförmiger Elemente.

Mit dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel lassen sich Außenkonturen an plattenförmi­ gen Werkstücken mittels Ultraschall glätten. Dabei kann sowohl das Werkstück als auch die durch den Ultraschallwandler in Schwingung versetzte Sonotrode in Vorschubrichtung bewegt werden. Um einen exakten Bahnverlauf der Sonotrode gegenüber der Kontur des Werkstückes zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, das Werkstück unmittelbar nach dem Fräsvorgang auf einer CNC-Bearbeitungsmaschine mittels Ultraschall zu glätten, das heißt ohne dessen Lage zwi­ schenzeitlich zu verändern. Durch die Zustellung der Sonotrode gegenüber der gefrästen Kontur werden die zum Glätten erforderlichen Kräfte erzeugt, so daß in der Druckzone (Kontaktbereich von Werkzeug und Werkstück) die Grenzflächenreibung auftritt. An einem Holzwerkstoff (Mitteldichte Faserplatte) wurden im dargestellten Ausführungsbeispiel die Rauheit R_Z von 100 µm an der gefrästen rechtwinkligen Schmalfläche auf 20 µm nach dem Ultraschallglätten verrin­ gert. Bei Vorschubgeschwindigkeiten ≦ 3 m/min sind Rauheiten R_Z < 10 µm möglich. Dabei wurde ein Leistungseintrag von 0,1 . . . 0,4 J/mm² realisiert. Dieser Leistungseintrag hängt von der Kraft ab, mit der die Sonotrode gegen das Werkstück gepreßt wird.

Beim Ultraschallglätten an Holz ist neben der Minderung der Rauheit auch der Effekt der Ver­ dichtung der Oberfläche vorteilhaft. An Laubholzarten geringer Dichte (z. B. Pappel, Erle, Linde) wurde die Erhöhung der Oberflächenhärte durch das Ultraschallglätten auf das 2- bis 3fache ge­ genüber der gefrästen Fläche nachgewiesen.

Für das Ultraschallglätten profilierter, stabförmiger Werkstücke gemäß Fig. 2 wird das Werk­ stück von der Sonotrode allseitig umschlossen. Dadurch entsteht eine ringförmige Kontaktzone um das Werkstück in der die Grenzflächenreibung stattfindet, wobei die Schwingungsrichtung parallel zur Stabachse der Werkstücke verläuft (Fig. 2). Im Gegensatz zum Glätten plattenförmi­ ger Werkstücke (Fig. 1) ist die Vorschub- und Schwingungsrichtung in diesem Ausführungsbei­ spiel gleichgerichtet. Diese Anwendung eignet sich insbesondere zum Glätten dünner stabförmi­ ger Bauteile, da die auf die Glättfläche wirkenden radialen Kraftkomponenten gegeneinander gerichtet sind und sich damit aufheben. Die in Vorschubrichtung wirkenden Axialkräfte sind gegenüber konventionellen Glättverfahren gering, da die Reibwerte zwischen Sonotrode und Holz/Holzwerkstoff kleiner 0,1 sind. Zum Erreichen einer höheren Produktivität beim Glätten stabförmiger Werkstücke können mehrere Durchführungen nebeneinander an einer Sonotrode angeordnet werden.

Das Maß der Durchführung muß in seinem Querschnitt so bemessen sein, daß ein Untermaß des Querschnittes gegenüber dem ungeglätteten Werkstück eingehalten/realisiert wird, so daß eine Verdichtung an der Profiloberfläche erfolgen kann. Die Form der Durchführung kann von einer Kreisform abweichen, wenn entsprechend profilierte und mit einem ausreichenden Aufmaß ver­ sehene gefräste Rohlinge verwendet werden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Glätten von Oberflächen an Werkstücken aus Holz und Holzwerkstoffen mit einem schneidenlosen ultraschallerregten Glättwerkzeug, das direkt oder indirekt durch Be­ wegung des Werkstückes entlang der gefrästen Kontur geführt und formschlüssig mit linien­ hafter oder flächiger Berührung unter konstantem Druck gegen die zu glättende Oberfläche gepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsrichtung des Glättwerkzeuges an der Kontaktstelle mit der Flächennormalen jedes Profilabschnittes einen Winkel von 45° . . . 90° bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glättwerkzeug parallel zu der zu glättenden Fläche schwingt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Glät­ tungsgrades die Schwingungsamplitude und/oder die Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Zustellung des Glättwerkzeuges gegenüber der zu glättenden Fläche einstellbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur des Glättwerkzeuges gegenüber dem Profil der zu glättenden Fläche ein Aufmaß aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn des Glättwerkzeuges gegenüber der Bahn des Fräswerkzeugs durch eine definierte Zustellung korrigierbar ist, wobei diese Zustellung in Abhängig von der Steifigkeit der Vorrichtung 0,1 mm bis 1 mm, vorzugswei­ se 0,1 mm bis 0,6 mm beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Glättwerkzeuge so ange­ ordnet sind, daß einzelne Profilzonen durch mehrere voneinander unabhängige Glätt­ einrichtungen bearbeitet werden, deren Glättwerkzeuge im jeweiligen Profilabschnitt das Werkstück unter konstantem Druck linienartig oder flächig berühren.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Schwingungsrich­ tung des Glättwerkzeugs zur Bearbeitungsfläche einstellbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 zum Glätten stabförmiger Werkstücke, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Glättwerkzeug den Profilquerschnitt allseitig formschlüssig umgibt und die Schwingung in Vorschubrichtung der Werkstücke gerichtet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Formkorrektur des Glätt­ werkzeuges gegenüber dem ungeglätteten Profilquerschnitt derart erfolgt, daß sich ein annä­ hernd gleichmäßiger Druck in allen Profilzonen einstellt.