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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur Laserkonditionierung von Schleifwerkzeugen unabhängig von deren Spezifikation.
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Technischer Hintergrund
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Um ein hohes Maß an Präzision und Oberflächengüte zu erreichen, wird der Schleifprozess in der Regel als letzter Materialabtragungsschritt bei der Herstellung von Präzisionsteilen eingesetzt. Daher beeinflusst die Leistung eines Schleifwerkzeugs, z.B. beim Schleifen, Honen, Superfinishing, Abrichten, im Allgemeinen die Qualität der Endoberfläche des Teils sowie die Prozesseffizienz. Das Konditionieren von Schleifwerkzeugen ist eine der wirkungsvollsten Techniken, um sowohl die Leistung des Schleifprozesses als auch die Qualität und Genauigkeit der Produktoberfläche zu verbessern. Konditionieren ist ein Oberbegriff, der fünf Funktionen umfasst: Abrichten, Strukturieren, Reinigen oder Entfernen von Zusetzungen, Schärfen und Profilieren. Um ein Schleifwerkzeug zu konditionieren, wurden verschiedene Methoden der Konditionierung in der Wissenschaft vorgestellt, wobei bisher überwiegend das mechanische Konditionieren in der Industrie angewendet wird.
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Das mechanische Konditionieren von Schleifwerkzeugen hängt ab von der Geometrie des gewünschten Profils und der Konfiguration des mechanischen Abrichters. In der Industrie wird eine große Vielfalt an Profilen verlangt, während die mechanischen Abrichter nur auf einige spezifische Formen und spezifische Abmessungen beschränkt sind. Um präzise Profile zu erhalten, insbesondere wenn ein Profil mit hohem Aspektverhältnis oder eine Profilgeometrie mit kleinen Radien an den Ecken gewünscht wird, sind die gegenwärtigen mechanischen Abrichter nicht in der Lage, solche Spezifikationen zu erfüllen. Darüber hinaus verhindern komplizierte kinematische Bewegungen zwischen dem mechanischen Abrichter und dem Schleifwerkzeug vor allem bei konkaven Profilformen die gewünschten konturnahen Profile. Darüber hinaus ist das traditionelle mechanische Abrichten ein äußerst zeitaufwendiger Prozess, der ebenfalls zu einem hohen Verschleiß des Abrichtwerkzeugs und folglich zu einer geringen Profilgenauigkeit des Schleifwerkzeugs führt.
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Das mechanische Abrichten wird hauptsächlich für keramische Bindungen verwendet, während es bei kunstharz- und metallgebundenen superabrasiven Werkzeugen sehr begrenzt einsetzbar ist. Wenn es bei kunstharz- und metallgebundenen Schleifwerkzeugen eingesetzt wird, entsteht kein Kornüberstand und es ist ein extremer Verschleiß der Schleifkörner zu erwarten. In diesem Fall ist die Notwendigkeit eines nachfolgenden Schärfprozesses unvermeidlich.
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Das mechanische Abrichten von kunstharz- und metallgebundenen superabrasiven Werkzeugen wird meist mit Al2O3- oder SiC-Abrichtscheiben durchgeführt, die beim Konditionieren einen sehr hohen Verschleiß aufweisen und nicht erlauben, komplexe konkave Profile auf den Schleifwerkzeugen herzustellen. Aus Sicht der Umwelt führt dieser übermäßige Verschleiß von Al2O3 und SiC zu einem hohen Anteil an Abrichtstaub, der auch für die Gesundheit des Menschen äußerst schädlich ist. Zudem schädigen diese abrasiven Partikel die Maschine.
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Der traditionelle mechanische Abrichtprozess von kunstharz- und metallgebundenen Schleifwerkzeugen ist in hohem Maße von den Fähigkeiten des Bedieners abhängig, was die Reproduzierbarkeit des Prozesses beeinflusst und eine ständige Beobachtung durch den Bediener oder teure Messsysteme erfordert.
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Bei der traditionellen mechanischen Profilierung mittels eines mechanischen Abrichters sind nur wenige Profile mit einfachen Formen realisierbar. Die Profilierungsmöglichkeit ist auf Profile beschränkt, die meist spiegelsymmetrisch und seitlich halb-offen sind und eine begrenzte Tiefe haben können). 1, 2 und 3 zeigen einige Beispiele für erforderliche Profile, die auf dem Umfang von Schleifwerkzeugen (1) zu erzeugen sind. Position 2 in 1 bezieht sich auf ein Innenprofil mit senkrechten Wänden. Die Positionen 3 und 4 in den 2 und 3 beziehen sich jeweils auf ein Innenprofil bzw. ein Außenprofil mit scharfen Kanten. Das mechanische Profilieren, als tatsächlich vorherrschende Technik auf dem Markt für das Profilieren, stößt bei der Herstellung entsprechender Profile auf viele Hindernisse, insbesondere wenn das Verhältnis von Tiefe zu Breite auf einen bestimmten Wert (wie 1 zeigt) und darüber hinaus ansteigt. Bei dem mechanischen Profilieren sind auch senkrechte Wände schwer zu realisieren. Ein weiteres Problem beim traditionellen mechanischen Abrichten besteht darin, dass die Vielfalt der Abrichter in Bezug auf deren Form (Spitzenradius an den Kanten wie 2 und 3) und Größe auf einige wenige gängige beschränkt ist. Daher ist die erzielbare Profilvielfalt ebenfalls auf die vorhandenen Profilformen beschränkt.
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Auch die Kinematik zwischen Abrichter und Schleifwerkzeug ist technisch ein limitierender Faktor. Darüber hinaus ist der zugängliche Spitzenradius an den Kanten in Abhängigkeit von den Abmessungen der Abrichtspitze unerwünscht groß. Bei konturnahen Profilen ist die Breite und Tiefe des betreffenden Profils durch die Abrichterabmessung begrenzt. Mit der traditionellen Technik ist es z.B. beim Profilieren von Rechteckprofilen unmöglich, Profilwände zu erhalten, die senkrecht zur Grundfläche stehen.
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In der wissenschaftlichen und industriellen Literatur wird über keine mechanische Profilierung von Konturen mit einem hohen Grad an Formkomplexität im Mikrobereich für kunstharz- und metallgebundene superabrasive Werkzeuge berichtet.
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Neben dem traditionellen mechanischen Profilieren gibt es einige weitere Methoden, die allesamt aber noch nicht vollständig industriell nutzbar sind. Lediglich WEDM (Wire Electrical Discharge Machining) wird in gewissem Umfang industriell eingesetzt., wobei diese Technik auf metallgebundene Schleifwerkzeuge und auf solche kunstharzgebundenen Werkzeuge beschränkt ist, bei denen der Bindung einige leitende Partikel hinzugefügt werden. WEDM ist zudem sehr zeitaufwendig und eignet sich nicht zum Schneiden von Schleifkörnern, was insbesondere bei Korngrößen über 150 µm den erreichbaren minimalen Kantenradius und die Profilgenauigkeit einschränkt.
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Es gibt immer noch viele Herausforderungen beim Schleifen von harten Materialien wie Keramik, Wolframkarbiden und verstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen, bei denen Schleifwerkzeuge höchsten Belastungen ausgesetzt sind, wodurch die Prozessleistung beeinträchtigt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Werkzeugmaschine anzugeben, mit der die genannten Probleme und Nachteile des Stands der Technik behoben werden.
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Die vorliegende Erfindung einer Werkzeugmaschine mit Laserkonditionierung - auch unter Wasser - und kombinierter mechanischer Abrichtung von Schleifwerkzeugen ist für mehrere Anwendungen einsetzbar: Erste Anwendung ist die erleichterte Profilierung von Schleifwerkzeugen, durch die tiefere Profile mit komplizierten Geometrien hergestellt werden können. Diese Anwendung ist für alle Bindungstypen (Kunstharz, Metall, Keramik, Hybrid, usw.) und Korntypen (CBN, Diamant, SiC, Al2O3, usw.) ohne Einschränkung der Korngröße geeignet. Durch diese Innovation werden die Hindernisse, die beim traditionellen mechanischen Abrichten und Profilieren bestehen, überwunden. Als zweite Anwendung kann das Verfahren auch zum Profilieren von Diamantabrichtern verwendet werden. Als dritte Anwendung kann die Erfindung auch für die Laserbearbeitung von schwer zerspanbaren Materialien eingesetzt werden. Ein vierter Anwendungsfall ist die Laserstrukturierung von Werkstücken. Die Laserstrukturierung kann entweder als eigenständiger Prozess oder als ergänzender Schritt für den Prozess des laserunterstützten Schleifens betrachtet werden.
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Die neuartige Werkzeugmaschine integriert drei Funktionseinheiten zum (i) Laserprofilieren, zum (ii) auf das Laserverfahren folgende mechanischen Abrichten und zum (iii) Laserschärfen. Dabei sind die Komponenten so angeordnet, dass die Laserprofilierung auch unter Wasser durchgeführt werden kann. Die Funktionseinheiten können in Sequenzen oder einzeln eingesetzt werden. Die Wahl der Funktionseinheit oder ihrer Sequenz hängt von den Anforderungen des Schleifwerkzeuges oder der Topographie und Profilvorgabe des Werkstücks ab. In der Kombination der Funktionseinheiten wird die Herstellung verschiedener Profile mit hohem Aspektverhältnis (10:1) und Kanten (5 & 6) mit kleinen Radien (weniger als 30 µm, abhängig vom verwendeten Laserstrahl) ermöglicht.
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Zunächst werden mit der Laserkonditionierungseinheit durch einen Laserstrahl endkonturnahe Profile (abhängig von Werkzeugabmessungen und Profil) geformt. Dann wird bei der endformnahen Bearbeitung mit dem Laser ein Formabrichter oder ein superabrasives Werkzeug eingesetzt, um die in der Laserbearbeitungsphase erhaltene Geometrie mit minimalem Aufmaß zu optimieren oder zu korrigieren. Im Vergleich zum traditionellen mechanischen Abrichten kann durch die Erfindung aufgrund des kleinen Aufmaßes für die mechanische Nachbearbeitung die erzielbare Profilgenauigkeit erhöht und der Verschleiß des Abrichtwerkzeugs wesentlich verringert werden. Entsprechend kann die Prozesszeit deutlich reduziert werden.
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Als Profilierungs- und Abrichtwerkzeug kann entweder ein Lang- oder ein Ultrakurzpuls-Laserstrahl mit einstellbarer Spotgröße (sogar kleiner als 20 µm) eingesetzt werden, die es ermöglicht, eine große Bandbreite an konturnahen Profilen vom Mikro- bis zum Makromaßstab herzustellen, während beim traditionellen mechanischen Abrichten eine solche Vielfalt weder in Dimension noch in Form möglich ist.
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Aufgrund der Kombination von Laserkonditionierung und mechanischem Abrichten ist das erforderliche Aufmaß für den mechanischen Abrichter nach der Laserkonditionierung kleiner als die beim traditionellen mechanischen Abrichten. Das Ergebnis ist ein geringerer Verschleiß des Abrichters sowie ein Minimum an Schleifstaub, was sich positiv auf Umwelt- und Gesundheitsbelastung, Maschinenwartung und Langlebigkeit auswirkt.
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Durch den Einsatz der Laserkonditionierung ist die Anzahl der an den Kanten abgeflachten und ausgebrochenen Körnern aufgrund des minimal erforderlichen mechanischen Abrichtens im Vergleich zum traditionellen mechanischen Abrichten fast vernachlässigbar. Dies führt insbesondere zu einer besseren Leistung im Vergleich zum traditionellen mechanischen Abrichten.
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Der Einsatz der hier dargestellten neuartigen Werkzeugmaschine erspart ein aufwendiges Messsystem zur Nachjustierung sowie die ständige Beobachtung durch den Bediener.
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Um die thermischen Effekte des Lasers zu überwinden und eine effektivere Ablation zu erreichen, kann während der Laserbearbeitung Wasser aufgetragen werden. Das Vorhandensein von Wasser verringert nicht nur die thermischen Schäden, sondern trägt auch dazu bei, Ablationspartikel aus dem Laserbereich zu entfernen, wodurch eine höhere Profiltiefe, ein größerer Überstand der Schleifkörner und eine bessere Oberflächentopographie während der Laserkonditionierung erzielt wird.
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Durch den Einsatz eines Lasers ist die Profilierung verschiedener Arten von Schleifwerkzeugen (unabhängig von Bindungs- und Korntypen) möglich, während es bei anderen etablierten Verfahren noch eine große Herausforderung ist, verschiedene Bindungs- und Korntypen zu bearbeiten. Beim traditionellen mechanischen Abrichten ist es zwingend erforderlich, einen bestimmten Abrichtertyp und relevante Arbeitsparameter auf der Grundlage der Bindung und des Korns auszuwählen, die bei der Herstellung des Schleifwerkzeugs verwendet werden, während hier, da der Hauptanteil des Abtrags mittels eines Laserstrahls erfolgt, der Prozess selbst in der Phase des feinen mechanischen Abrichtens unabhängig von Bindung und Korntyp erfolgen kann. Die Funktionseinheit zur Laser-Konditionierung ist so aufgebaut, das die Konditionierung wahlweise auch ohne Wasserzufuhr oder mit Druckluftzufuhr durchgeführt werden kann.
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Die Erfindung kann auch zum Profilieren und Nachschärfen von Diamant-Form und Profilabrichtern verwendet werden. Mechanische Abrichter werden zum Profilieren von Schleifwerkzeugen verwendet. Da die Diamantabrichter teuer in der Herstellung sind, müssen sie nach einiger Zeit mittels eines sekundären Abrichters nachgeschärft und neu profiliert werden, aufgrund des Vorhandenseins von groben Diamantstücken in einer verschleißfesten Bindung ist das Schärfen und Profilieren jedoch äußerst zeitaufwendig. Die Laserbearbeitung von Abrichtwerkzeugen (auf Bindung und Korn) führt zu einem geringeren Materialabtragsvolumen für das sekundäre Abrichtwerkzeug. Diese Vorbereitung führt zu einer geringeren erforderlichen Bearbeitungszeit und infolgedessen zu einem geringeren Verschleiß des sekundären Abrichters.
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Die Laserkonditionierung kann im Vergleich zu den traditionellen Methoden sowohl bei Schleifwerkzeugen als auch bei Diamantabrichtern die Bearbeitungszeit deutlich verkürzen.
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Diese Maschine bietet eine hervorragende Möglichkeit, einen definierten Kornüberstand und eine optimale Mikrotopographie auf der Oberfläche von Schleifwerkzeugen zu erzielen.
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Nachfolgend werden die Ausführung und Funktionsvarianten der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert
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Die Laserbewegung hängt von der Positionierung des Laserstrahls ab. Wie 4 zeigt, bewegt sich der Strahl, wenn eine radiale Strategie angewendet wird, notwendigerweise in der x-z-Ebene. 4 präsentiert weiterhin die Maschinenanordnung mit Laserstrahl (7), Wasserdüsen (8), Hauptspindel (9) und Abrichtspindel (10). Hier ist ein Laserstrahl mit einem 2,5-Achsen-Verfahrsystem (11) synchronisiert. Das Schleifwerkzeug (1) ist auf einer rotierenden Hauptspindel montiert. Wenn sich das Schleifwerkzeug hin- und herbewegt, beginnt der Laser mit der Bestrahlung. Gleichzeitig folgt der Laserstrahl der gewünschten Profilbahn (z.B. 12) in den x-y oder x-z-Ebenen. Wenn eine tangentiale Strategie angewendet wird, folgt der Laserstrahl der Bahnkurve in der x-y-Ebene (5). Durch diese Anordnung ist auch eine quasiradiale oder quasitangentiale Bewegung möglich. Je nach Anforderung kann gleichzeitig mit dem Laserabrichten ein mechanisches Abrichten mit einem mechanischen Abrichter (13) durchgeführt werden.
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Die Bahnkurven werden durch das erforderliche Endprofil bestimmt. Gleichzeitig kann das Schleifwerkzeug in eine kreisförmige Rotation versetzt werden (14 & 15). Während das Schleifwerkzeug (Bindung und Korn) durch den Laser abgetragen wird, kann zusätzlich eine bestimmte Schichtdicke des durch die Düsen (8) strömenden Wassers auf die Oberfläche des Schleifwerkzeuges aufgebracht werden. Nach und nach wird durch den Abtrag von Bindung und Korn die Profilgestalt gebildet. Dieser Prozess wird wiederholt und fortgesetzt wie in 8 gezeigt, bis die gewünschte Geometrie mit einer engen Toleranz erreicht ist. Es ist zu berücksichtigen, dass aufgrund des Divergenzwinkels des Laserstrahls die Wände (17) in großen Tiefen nicht völlig senkrecht zum Boden erzeugt werden. Dies kann durch einen mechanischen Abrichter korrigiert werden.
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Um im nächsten Schritt eine Profilkontur mit viel geraderen Wänden zu erreichen, wie 7 zeigt (in Fällen, in denen gerade Geometrien z.B. in einem rechteckigen Profil (16) oder eine präzisere Kontur erforderlich sind), kann im nächsten Schritt ein nachfolgender mechanischer Abrichtvorgang, wie 9 zeigt, mittels eines mechanischen Abrichters (13) durchgeführt werden. Hierbei handelt es sich um die präzise Konturerzeugung (10) mit minimalem Aufmaß und Materialabtrag. Position 18 bezeichnet die Wand, die von einem mechanischen Abrichter bearbeitet werden muss. Als letzter Schritt kann der Laser wiederum zum Schärfen (11) des Schleifwerkzeuges (Zurücksetzen der Bindung) eingesetzt werden, um einen definierten Kornüberstand zu erhalten (20). Position 19 in 10 und die Position 20 in 12 zeigen jeweils die abgeflachten Körner nach dem mechanischen Abrichten und die Oberfläche mit zurückgesetzter Bindung nach dem Laserschärfen. Die Position und Funktion des mechanischen Abrichters sind in 13 dargestellt. Während sich die Schleifscheibe (1) dreht, kommt der rotierende mechanische Abrichter (13) zum Einsatz und folgt der Schleifscheibenkontur entlang der axialen Bewegung der Schleifscheibe (14), der Rotationsbewegung der Schleifscheibe (15), der radialen Bewegung des Abrichters (21) und der Rotationsbewegung des Abrichters (22).
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Das Wasser kann auf unterschiedliche Weise über die Düse, wie in 14 Position 8 dargestellt, oder den Regler (23) aufgetragen werden. Es kann entweder als Wasserstrahl, als Nebel (Gemisch aus Druckluft und Wasser durch den Wassereinlass (24)) oder als definierte laminare Strömung (15) verwendet werden. Im Falle einer laminaren Strömung sollte die Stärke der Wasserschicht über den Regler (23 & 24) durch einen Anfangsspalt (26) (die Höhe h0 ist hier vom Außendurchmesser des Schleifwerkzeugs aus gemessen) gesteuert werden. Die Position 25 in 15 bezieht sich auf die anfängliche Wassermenge, die auf die Schleifscheibenoberfläche aufgebracht wird. Beim Abtragen der Scheibe vergrößert sich dieser Spalt auf h1 (27), der später nach Bedarf eingestellt werden kann (28). Die Wasserdurchflussmenge und -geschwindigkeit werden durch die Rotationsgeschwindigkeit der Schleifscheibe und den Anfangsdruck des aufgebrachten Wassers bestimmt.
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In einigen Fällen, in denen Wasser nicht anwendbar ist, kann die Düse oder der Regler verwendet werden, um Druckluft lokal zur Ablationszone zu leiten.
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Als Alternative kann das Schleifwerkzeug in eine Wasserwanne eingetaucht werden, so dass der Scheitelpunkt des Schleifwerkzeugs von einer bestimmten Wasserhöhe bedeckt wird und die Laserablation in einem Wasserbad durchgeführt werden kann.
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Diese Maschine kann sowohl für die Laserbearbeitung als auch für die Strukturierung verschiedener Arten von Werkstücken (29, 30 & 31) hinsichtlich Form und Größe eingesetzt werden. Bei der Bearbeitung (ohne Strukturierung) kann ein definiertes Materialvolumen gleichmäßig abgetragen werden. Je nach Aufbau kann das Werkstück entweder ein zylindrisches Teil wie in 17 &19 oder ein Werkstück mit ebener Oberfläche sein (32). Abhängig von den Relativbewegungen zwischen Werkstück und Laserstrahl sind in dieser Maschine eine Vielzahl von Strukturmustern (d.h. Kreuz- & Schrägmuster (30)) oder deren Kombinationen zugänglich. Wie bisher konnten die Düsen an verschiedenen Stellen positioniert werden (20). Der Schleifprozess kann entweder gleichzeitig mit der Laserstrukturierung oder nach der Laserstrukturierung durchgeführt werden.
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21 zeigt die Topographie eines externen Formabrichters als Beispiel für verschiedene Typen von Form- und Profilabrichtern. Bei diesem Typ werden die Diamantstäbe (33) von Hand in unterschiedlichen Abständen in einer verschleißfesten Bindung (34) platziert und weisen im Ausgangszustand genügend Überstände auf (22). Position 35 in 21 stellt den Körper eines externen Formabrichters dar. Nach dem Gebrauch verschleißen sowohl die Diamantstäbe als auch die Bindung stark, so dass keine Überstände mehr vorhanden sind und auch die Ausgangsform verändert wird (23), was den Prozess des mechanischen Abrichtens unmöglich macht. Die Positionen 37 und 38 in 23 bezeichnen die abgenutzte Kante des Stahlträgerkörpers und die verschlissenen Körner. Um den erforderlichen Überstand (36) wiederherzustellen und die geometrische Form zu korrigieren, ist der Prozess des Nachschärfens und Neuprofilierens erforderlich. Aufgrund der Größe der Diamantstäbe sowie der Bindungshärte ist ein mechanisches Nachschärfen schwer durchführbar und in einigen Fällen sogar unwirtschaftlich.
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Zur Überwindung der Schwierigkeiten beim Nachschleifen von Formabrichtern müssen zwei wesentliche Schritte durchgeführt werden, nämlich (i) die geometrische Profilkorrektur und (ii) die Erzielung eines ausreichenden Überstandes. Hierzu kann wird der Formabrichter auf die Hauptspindel der Maschine montiert und anschließend ein Laserstrahl eingesetzt, um einige Mikrorillen auf dem abgenutzten Abrichter zu erzeugen (39). Je nach Form und Gestalt des Abrichtwerkzeugs müssen Position, Anzahl, Abstand und Größe dieser Rillen gesteuert werden. Wie bei den obigen Anwendungen kann auch hier das Lasernuten in Anwesenheit oder Abwesenheit von Wasser durchgeführt werden.
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Die Maschine verfügt über passende Abrichtwerkzeuge zur mechanischen Endkorrektur (41) der laserbearbeiteten Oberfläche. Wie 26 zeigt, kann diese Endkorrektur entweder durch einen Einkorn- (40) oder einen weiteren rotierenden Diamantabrichter durchgeführt werden. Als nächster Schritt, zur Ergänzung des Prozesses, sollte ein selektives Laserabrichten auf dem neu profilierten Abrichter erfolgen, um die Bindung durch selektives Abtragen zurückzusetzen. Dieser Abtrag garantiert den erforderlichen Überstand der Diamantstäbe. Für die anderen Formabrichter mit unterschiedlichen Profilformen und Materialbeschaffenheit gelten die gleichen Prinzipien.
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Die gleichen Prinzipien gelten für die anderen Formabrichter mit unterschiedlichen Profilformen (konvex oder konkav), Schleifkörnungen und Zusammensetzungen.