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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer
gekrümmten
Oberfläche,
wobei ein Hochgeschwindigkeitsfluid auf ein Werkstück in einer
Abriebmittel beinhalteten Lösung,
der ein Abriebmittel beigemischt wurde, gespritzt wird und die Oberfläche des
Werkstücks
abgeschliffen wird auf eine vorgesehene Oberflächenrauhigkeit und Profilgenauigkeit.
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Bei
strukturellen Bauteilen, welche eine dauerhafte Langlebigkeit erfordern,
wie beispielsweise künstliche
Gelenke, haben beispielsweise die Profilgenauigkeit und Oberflächenrauhigkeit
gegenüberliegender Gleitflächen einen
wesentlichen Einfluß auf
den Abriebwiderstand dieser Oberflächen. In der herkömmlichen Praxis
wurden manuelle Maßnahmen
unter Verwendung eines Schleifsteins vom V-förmigen Typ, eines toroidförmigen Schleifsteins
oder eines sphärischen
Schleifsteins durchgeführt
bei der Bearbeitung einer gekrümmten
Oberfläche
in Bezug auf diese sphärischen
Oberflächen
oder nicht sphärischen
Oberflächen.
Jedoch erfordert die Oberflächenbehandlung
bzw. -bearbeitung bzw. Endbearbeitung einer gewünschten, gekrümmten Oberfläche ein
großes
Maß an
Geschicklichkeit und ist nicht etwas, was jeder leicht bewerkstelligen kann.
Des weiteren ist Zeit erforderlich, um die Oberfläche fertigzustellen
und eine Massenherstellung hat sich nicht als durchführbar gezeigt.
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Eine
Bearbeitung einer gekrümmten
Oberfläche,
wie beispielsweise einer Gleitoberfläche in einem künstlichen
Gelenk, erfordert nicht nur eine genaue Oberflächenbearbeitung der Oberfläche hin
zu der erforderlichen Profilgenauigkeit, sondern auch das Durchführen einer
glatten Oberflächen
bzw. Endbearbeitung hin zu einer extrem geringen Oberflächenrauhigkeit.
Ein Verfahren zur Bearbeitung einer gekrümmten Oberfläche umfaßt das Beimischen
eines Abriebmittels in ein Hochgeschwindigkeitsfluid und das Spritzen
des resultierenden Materials auf eine bearbeitete Oberfläche, wie
dies in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung (Kokai) Nr.
2000-158344 erkennbar
ist, jedoch liefert dieser Ansatz Probleme insofern, als das Abriebmittel
eine Abnutzung bewirkt und ein Verstopfen in der Düse zum Spritzen
des Hochgeschwindigkeitsfluids. Des weiteren ist eine große Menge
an Abriebmittel erforderlich und das Abriebmittel verbreitet sich
manchmal in die Umgebungen.
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Daher
wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Werkstück in eine
Abriebmittel beinhaltende Lösung
gesetzt ist, in die ein Abriebmittel beigemischt wurde und ein Wasserstrahl
wird in diese Lösung
gespritzt, so daß das
Abriebmittel in dem Gemisch auf das Werkstück gespritzt wird, wie dies
in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung (Kokai) Nr. 2002-113663 offenbart
ist.
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Während dieses
Verfahren insofern Vorteile hat, als eine geringe Menge an Abriebmittel
ausreichend ist und das Abriebmittel sich nicht in die Luft verbreitet,
da das Abriebmittel zyklisch in dem Gemisch verwendet werden kann,
ist ein Ziel der Bearbeitung bei diesem Beispiel nach dem Stand
der Technik die Entfernung von Fremdstoffen wie beispielsweise ein
Abgraten und die Entfernung von Abfall. Folglich kann eine präzise Bearbeitung,
die darauf abzielt, die Oberflächenrauhigkeit
oder die abmessungsmäßige Genauigkeit
einer gekrümmten
Oberfläche
zu verbessern, nicht bewerkstelligt werden. Überdies bewirkt das oben beschriebene Verfahren
des Beispiels nach dem Stand der Technik eine zusätzliche
Beschädigung
auf der Oberfläche
des Werkstückes,
da ein Abriebmittel mit einer Korngröße von 1 μm oder mehr verwendet wird,
das selbst im Zusammenhang mit einer Oberflächenrauhigkeit alleine unakzeptabel
ist.
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Eine
Bearbeitungsvorrichtung zur Durchführung einer derartigen Bearbeitung
wird in dem oben erwähnten
Beispiel nach dem Stand der Technik beschrieben. Auch jedoch unter
dem Gesichtspunkt des Bearbeitungszwecks (d.h. Durchführen eines Abgratens
oder Entfernens von Abfall), ist diese Vorrichtung lediglich mit
einem ungenauen Steuermechanismus versehen. Es wurde wahrscheinlich
angenommen, daß eine
translationsmäßige, dreidimensionale
Steuerung der Düse
zum Spritzen des Hochgeschwindigkeitsfluids ausreichend wäre und daß allenfalls
eine zusätzliche
Hin- und Her- oder horizontale Drehung der Düse ausreichend sei. Jedoch
ist eine derartige Steuerfunktion nicht ausreichend für die Verbesserung
der Oberflächenrauhigkeit oder
der Profilgenauigkeit einer gekrümmten
Oberfläche.
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Das
Dokument WO 0249804 offenbart ein Verfahren zur Bearbeitung einer
gekrümmten
Oberfläche (beispielsweise
von optischen Linsen), das eine Oberfläche eines Werkstücks zu einer
gekrümmten
Oberfläche
oberflächenbearbeitet
und das die Schritte umfaßt
des Setzens eines Werkstücks
in einen rotierenden Zustand in einem Wassertank, der mit einer
Abriebmittel beinhaltenden Lösung
gefüllt
ist, in der ein Abriebmittel beigemischt wurde und Sprühen eines
Hochgeschwindigkeitsfluids in die Abriebmittel beinhaltende Lösung, während eine
Position bzw. Stellung, Richtung und ein Winkel von ihm relativ
zu dem Werkstück
gesteuert wird, wodurch eine Oberfläche des Werkstücks abgeschliffen
und oberflächenbehandelt
wird hin zu einer vorgesehenen Oberflächenrauhigkeit und Profilgenauigkeit,
wobei das Werkstück
ein sphärischer
Körper
ist, der an einer axial rotierenden Spindel angebracht ist, wobei
die Düse
zum Spritzen des Hochgeschwindigkeitsfluids in einem oberen Abschnitt,
unter einem spezifischen freien Abstand von der Oberfläche des
Werkstücks weg,
angeordnet ist und der Tisch ausgelegt ist, um sich in einem Bogen
in einer horizontalen Ebene zu bewegen; das Hochgeschwindigkeitsfluid
wird von der Düse
ausgestoßen,
um die Oberfläche
des Werkstücks durch
das Abriebmittel in der Abriebmittel beinhaltenden Lösung abzuschleifen.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, derartige, oben beschriebene
Probleme zu lösen
und sie wurde getätigt, beruhend
auf der Entdeckung, daß eine
gekrümmte
Oberfläche
eines Werkstücks
je nach Wunsch oberflächenbehandelt
bzw. oberflächenbearbeitet
werden kann über
ein Verfahren, bei dem ein Hochgeschwindigkeitsfluid (Wasserstrahl)
auf das Werkstück
in einer Abriebmittel beinhaltenden Lösung, in die ein spezifisches
Abriebmittel beigemischt wurde, gespritzt wird, während das
Fluid entsprechend Anspruch 1 gesteuert wird.
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Das
obige Ziel wird durch einzigartige Schritte nach der vorliegenden
Erfindung bewerkstelligt im Rahmen eines Verfahrens zur Bearbeitung
einer gekrümmten
Oberfläche,
mit dem eine Oberfläche
eines Werkstücks
zu einer gekrümmten
Oberfläche
oberflächenbehandelt
wird; und bei der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren die
Schritte auf: Versetzen eines Werkstücks in einen rotierenden Zustand
in einem Wassertank, der mit einer Abriebmittel beinhaltenden Lösung gefüllt ist,
in der ein Abriebmittel mit einer Korngröße von weniger als 1 μm beigemischt
wurde; und Spritzen eines Hochgeschwindigkeitsfluids in die Abriebmittel
beinhaltende Lösung,
während
dessen Position bzw. Stellung, Richtung und Winkel relativ zu dem
Werkstück
gesteuert werden und dadurch die Oberfläche des Werkstücks auf
eine vorgesehene Oberflächenrauhigkeit
und Profilgenauigkeit abgeschliffen und oberflächenbehandelt wird, wobei das
Werkstück
ein sphärischer
Körper
ist, der an einer axial rotierenden Spindel angebracht ist, die
in der Y-Achsenrichtung gesetzt ist, die in die horizontale Richtung
orientiert ist, wobei die Düse
zum Spritzen des Hochgeschwindigkeitsfluids, die in der Richtung
der Z-Achse, senkrecht zu der Y-Achse, orientiert ist, in dem oberen
Abschnitt unter einem spezifischen freien Abstand von der Äquatoriallinie
des Werkstücks
weg, angeordnet ist und entlang der Tangentiallinie in der Z-Achsenrichtung
der externen peripheren Oberfläche
des Werkstücks
gerichtet ist; ein Tisch, auf dem der Wassertank vorgesehen ist,
ist derart ausgelegt, daß er
sich in einem Bogen in der XY-Ebene, orientiert in einer Richtung
senkrecht zu der Z-Achse, bewegt, so daß das Zentrum der Düse in einer
Position auf der Tangentiallinie gehalten ist; und wobei das Hochgeschwindigkeitsfluid
aus der Düse
ausgestoßen
wird, um die externe periphere Oberfläche des Werkstücks durch
das Abriebmittel in der Abriebmittel beinhaltenden Lösung abzuschleifen;
und die Vorschubgeschwindigkeit des Tisches gesteuert wird, so daß die von
der besprühten
Oberfläche
des Werkstücks
pro Zeiteinheit empfangene Strahlstrommenge gleich bleibt.
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Des
weiteren ist bei dem Verfahren zur Bearbeitung einer gekrümmten Oberfläche: Die
Konzentration des Abriebmittels in der Abriebmittel beinhaltenden
Lösung
kann beim Spritzen des Hochgeschwindigkeitsfluids abnehmen; und
die Konzentration der Abriebmittel beinhaltenden Lösung wird
zusätzlich
zu einer Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit des Tisches korrigiert,
so daß die
von der bespritzten Oberfläche
des Werkstücks
pro Zeiteinheit empfangene Strahlstrommenge während des Schleifens die gleiche
bleibt.
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Zudem
kann ein ergänzendes
Abriebmittel der Abriebmittel beinhaltenden Lösung zugefügt werden; die ergänzte Menge,
eine dem Wassertank zugeführte
Menge und eine aufgrund des Strahlstroms erhöhte Wassermenge werden gemessen;
und der geschätzte
Wert für
die Menge an Abriebmitteln wird berechnet, basierend auf der seit
dem Beginn der Bearbeitung vergangenen Zeit und der geschätzte Wert
wird als Basis für eine
Korrektur der Konzentration verwendet.
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Wenn
ein Hochgeschwindigkeitsfluid, dem ein Abriebmittel beigemischt
wurde, auf die Oberfläche
eines Werkstücks
gespritzt wird, so kann eine extrem feine Oberflächenbearbeitung durch Abschleifen
erreicht werden, selbst bei der Bearbeitung einer sphärischen
Oberfläche,
durch Reduzieren der Korngröße des Abriebmittels
auf 1 μm
oder geringer und durch Einstellen der relativen Position bzw. Stellung,
Richtung und des Winkels der Düse
und des Werkstücks.
Als Folge kann nicht nur die Oberflächenrauhigkeit verbessert werden, sondern
eine Profilgenauigkeit (Kreisform) kann ebenfalls verbessert werden.
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Das
vorliegende Verfahren zur Bearbeitung einer gekrümmten Oberfläche hat
natürlich
derartige Vorteile einer Wasserstrahlbearbeitung in einer Abriebmittel
beinhaltenden Lösung,
wobei keine Notwendigkeit einer Zufuhr an Abriebmittel besteht,
da das Abriebmittel in der Abriebmittel beinhaltenden Lösung durch
das Hochgeschwindigkeitsfluid zirkuliert wird; es gibt keinen resultierenden
Abrieb oder ein Verstopfen der Düsen; die
Betriebskosten sind gering, so daß eine wirtschaftliche Verbesserung
erreicht ist; es besteht keine Notwendigkeit, die Lösung umzurühren, um
das Abriebmittel gleichförmig
auszugestalten, da die Abriebmittel beinhaltende Lösung von
dem Hochgeschwindigkeitsfluid zirkuliert wird; und das Abriebmittel
und ähnliches
können an
einer Verbreitung gehindert werden, da das Hochgeschwindigkeitsfluid
in eine Flüssigkeit
gespritzt wird und es möglich
wird, eine Verunreinigung der umgebenden Umgebung zu verhindern.
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Nebenbei
müssen
spezielle Überlegungen
für das
vorliegende Bearbeitungsverfahren vorgenommen werden, wenn das Werkstück eine
Kugel ist wie beispielsweise in dem Kopf eines Knochen eines künstlichen Hüftgelenks.
Spezieller, wird ein Wasserstrahl auf die gesamte externe periphere
Oberfläche
des Werkstücks gespritzt,
während
das Werkstück
gedreht wird und die relative Stellung der Düse und des Werkstücks geändert werden.
Jedoch hat das Werkstück
unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten in der Nähe des Äquators
und in der Nähe
der Pole und ein Vorschub bzw. eine Vorwärtsbewegung der Düse oder
des Werkstücks bei
konstanter Geschwindigkeit, läßt den Bearbeitungsbetrag
bzw. -grad unterschiedlich werden, so daß die Kreisform abfällt. Konkret
ausgedrückt,
erhöht
sich der Bearbeitungsbetrag pro Längeneinheit nahe den Polen eines
Werkstücks
mit einer geringen Umfangsgeschwindigkeit, was zu einer entstellten
Kugelform führt.
Demgemäß wird die Vorschubgeschwindigkeit
des Tisches derart gesteuert, daß die Menge an von der bearbeiteten
Oberfläche
des Werkstücks
pro Zeiteinheit empfangenem, eingespritztem Wasserstrahl konstant
bleibt.
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Dasselbe
Prinzip trifft auf das Abriebmittel zu. Mit anderen Worten, nimmt
die Konzentration des Abriebmittels in der Abriebmittel beinhaltenden
Lösung
mit der Zeit aufgrund des Strahlstroms des Hochgeschwindigkeitsfluids
ab. Dementsprechend nimmt der Bearbeitungsgrad über die Zeit ab, falls die
Vorschubgeschwindigkeit alleine, wie oben beschrieben, gesteuert
wird, was zu einer reduzierten Kreisform führt. Angesichts dessen wird
die Konzentration des Abriebmittels korrigiert und dieser Vorgang
zusätzlich
bei der Vorschubgeschwindigkeit des Tisches berücksichtigt. Spezieller wird
die Vorschubgeschwindigkeit des Tisches weiter gesteuert, so daß die Menge
an Abriebmittel in dem Strahlstrom, die von der bearbeiteten Oberfläche des
Werkstücks
pro Zeiteinheit empfangen wird, konstant bleibt. Es gibt verschiedenste
Verfahren zum Korrigieren der Konzentration, jedoch umfasst das
angenommene Verfahren ein geeignetes Zusetzen von Abriebmittel beinhaltender
Lösung
(Abriebmittel), das Messen dieser ergänzten Menge, der Menge an Wasser
in dem Tank und der erhöhten
Menge an Wasser aufgrund des Strahlstroms, ein Berechnen des geschätzten Werts für die Menge
an Abriebmittel, nachdem eine gewisse Zeit seit dem Beginn der Verarbeitung
vergangen ist und ein Verwenden dieses berechneten Werts als Basis
für eine
Korrektur der Konzentration.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein
erläuterndes
Diagramm einer Vorrichtung zur Bearbeitung einer gekrümmten Oberfläche zur Implementierung
des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein
erläuterndes
Diagramm der gegenseitigen Beziehung zwischen der Düse und dem
Werkstücks
während
des feinen Bearbeitens nach der vorliegenden Erfindung ist;
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3 ein
erläuterndes
Diagramm der gegenseitigen Beziehung zwischen der Düse und dem
Werkstück
während
des ausarbeitenden Bearbeitens nach der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine
Seitenansicht des Kopfes eines an der Spindel in der Vorrichtung
zur Bearbeitung einer gekrümmten
Oberfläche
montierten Knochens ist zum Implementieren des Verfahrens nach der
vorliegenden Erfindung;
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5 eine Draufsicht auf den Kopf eines an
der Spindel in der Vorrichtung zur Bearbeitung einer gekrümmten Oberfläche montierten
Knochens ist zur Implementierung des Verfahrens nach der vorliegenden
Erfindung;
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6 die
Charakteristiken des Bearbeitungsbetrags und der Düsenvorschubgeschwindigkeit
nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 die
Charakteristiken der Vorschubgeschwindigkeit und des Winkels des
Kopfs eines Knochens nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8 die
Charakteristiken der bearbeiteten Tiefe und der Abriebmittelkonzentration
nach der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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9 die
Charakteristiken der Steuerverfahren und der Kreisform nach der
vorliegenden Erfindung zeigt.
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1 ist
ein erläuterndes
Diagramm der Vorrichtung zur Bearbeitung einer gekrümmten Oberfläche gemäß einem
Beispiel zum Implementieren des Verfahrens nach der vorliegenden
Erfindung.
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Ein
Tisch 9, dessen Position in Längs(X-Achse)- und Transversal(Y-Achse)-Richtung
gesteuert wird, ist auf einem Unterbau 12 angeordnet und
ein Wassertank 6, der mit einer Abriebmittel beinhaltenden
Lösung 2 gefüllt ist,
bestehend aus einem Abriebmittel 3, das Wasser beigefügt ist,
ist auf dem Tisch 9 montiert. Ein oder mehrere Materialien
wie beispielsweise Metall, Sand, Keramik und Harz werden für dieses
Abriebmittel 3 verwendet und die Partikelgröße jeglicher
dieser wird eingestellt auf kleiner als 1 μm (ein μm). Des weiteren wird manchmal
eine ölige
Substanz für
das Medium anstelle von Wasser verwendet.
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Eine
Spindel 8a, die ein Werkstück 7 an ihrem vordersten
Ende halten kann, ist in den Wassertank 6 eingetaucht,
und diese Spindel 8a wird in Bezug auf ihren Winkel der
axialen Drehung (α-Achse)
und dem vertikalen Winkel (β-Achse)
gesteuert, die ausgebildet werden, wenn sich ihr Basisabschnitt
auf einer Führung 8b bewegt,
die sich konzentrisch um das Werkstück 7 in einer vertikalen
Ebene erstreckt. Dadurch ist eine Werkstückhaltevorrichtung 10 ausgebildet.
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Des
weiteren ist eine vertikal orientierte Düse 5 über dem
Wassertank 6 vorgesehen, so daß deren Position bzw. Stellung
in der vertikalen Richtung (Z-Achse) in Bezug auf eine Säule 11 gesteuert
werden kann und das vorderste Ende dieser Düse 5 ist in die das
Abriebmittel beinhaltende Lösung 2 eingetaucht.
Die Düse 5 ist
in diesem Falle eine Abriebmitteldüse und eine andere Düse mit einem
kleineren Durchmesser ist stromaufwärtsseitig der Düse 5 (nicht
gezeigt) vorgesehen. Überdies
ist die Düse 5 über ein
Rohr mit einem Hochgeschwindigkeitsfluidgenerator 1 verbunden
zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeitsfluids 16 und diese Bauteile
bilden eine Hochgeschwindigkeitsfluid-Spritzvorrichtung 4.
Des weiteren sind die Hochgeschwindigkeitsfluid-Spritzvorrichtung 4 und
der Tisch 9 (Wassertank 6) voneinander unabhängig und
ihre jeweiligen Positionen werden getrennt gesteuert. Des weiteren,
obgleich in den Zeichnungen nicht gezeigt, kann der Basisabschnitt
der Spindel 8a so ausgestaltet sein, daß dessen horizontaler Winkel
eingestellt werden kann, um es der Spindel zu ermöglichen,
sich in der horizontalen Richtung um das Werkstück 7 zu bewegen.
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Die
oben beschriebenen Elemente werden über eine Steuervorrichtung 13 angetrieben
(gesteuert). Diese Steuervorrichtung 13 hat eine Recheneinheit 14 und
eine Steuereinheit (Ausgabeabschnitt) 15, wobei die von
der Recheneinheit 14 berechneten Ergebnisse abgegeben werden
an die Steuereinheit 15 und ein Befehl von der Steuereinheit 15 an
die Antriebsmechanismen der jeweiligen Achsen gesandt wird. Ein
Servomotor, eine Kugelschraube, ein Linearmotor und eine Schiene
sind für
die Antriebsmechanismen der jeweiligen Achsen geeignet und es wird
bevorzugt, die Befehle mit einer NC durchzuführen, da dies eine Steuerung
mit einem hohen Grad an Präzision
ermöglicht.
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Wenn
das Hochgeschwindigkeitsfluid, in das ein Abriebmittel beigemischt
wurde, auf das Werkstück gespritzt
wird und wenn das Hochgeschwindigkeitsfluid auf die Oberfläche des
Werkstücks
aus der tangentialen Richtung (2) gespritzt
wird, so wird diese Oberfläche
dann primär
so bearbeitet, daß sie
glatt wird. Falls andererseits das Fluid in der normalen bzw. senkrechten
Richtung (3) gespritzt wird, so wird diese Oberfläche bearbeitet,
durch Ausarbeiten einer Konkavität
bzw. eines konkaven Bereichs. Bei diesem Vorgang wird das Werkstück konstant
in der Richtung der α-Achse
während
der Bearbeitung in einigen Fällen
gedreht oder in anderen Fällen
wird sie stationär
gehalten. Das Werkstück wird
gedreht, wenn es das Ziel ist, die externe Peripherie bzw. den Umfang
gleichförmig
abzuschleifen (zu bearbeiten), wobei in diesem Falle das Werkstück vorzugsweise
in der Richtung gedreht wird, in welcher das Hochgeschwindigkeitsfluid
gespritzt wird (die Spritzgeschwindigkeit des Hochgeschwindigkeitsfluids
ist höher
als die Umfangsgeschwindigkeit des Werkstücks). Wenn es das Ziel ist,
teilweise die Oberfläche
auszuarbeiten bzw. auszuschneiden, so wird das Werkstück unter
dem notwendigen Winkel stationär
gehalten.
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Wird
die Drehung des Werkstücks
angehalten und wird in die Oberfläche ein kleiner Einschnitt
eingearbeitet, so wird eine feine, lokalisierte Konkavität in dem
Abschnitt ausgebildet, auf den das Hochgeschwindigkeitsfluid gespritzt
wird, was zu exzellenten Reibungseigenschaften führt. Die oben beschriebene
Fein- bzw. Glattbearbeitung und Einschnittbearbeitung werden beim
tatsächlichen
Bearbeiten kombiniert, um die gekrümmte Oberfläche zu erzeugen, die in der
Oberfläche
eines Werkstücks
vorgesehen ist. Tatsächlich
ist dieser Prozeß strenggenommen
ein Bearbeitungs- bzw. Endbearbeitungsprozeß, so daß eine Grobbearbeitung vorzugsweise
zuvor durchgeführt
wird. Die Zeitdauer für
die Bearbeitung wird verkürzt,
wenn die Grobbearbeitung in diesem Falle sich der Endbearbeitung
nähert.
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In
diesem Falle wird das Hochgeschwindigkeitsfluid in das Wasser in
dem Wassertank gespritzt, in das das Abriebmittel beigemischt wurde,
so daß das
Abriebmittel in dem Wassertank bei der Bearbeitung verbraucht wird
und dessen Konzentration abnimmt. Diese Änderung der Konzentration des
Abriebmittels in dem Wassertank ist ohne Konsequenzen bei der kurzen
Bearbeitung, jedoch muß die
Konzentration des Abriebmittels in dem Wassertank verwaltet werden,
wenn sich die Bearbeitung über
eine längere
Zeitspanne hinzieht. Daher ist ein Mechanismus zum Zuführen und
Herausspülen
der Abriebmittel beinhaltenden Lösung
in dem Wassertank vorgesehen.
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Die
Recheneinheit wandelt die Oberflächenform
des Werkstücks,
die erhältlich
ist aus der Messung oder Ausgestaltungsdaten in Eingabedaten um
und berechnet und bestimmt die Bewegungsbahn der Düse aus diesen
Formdaten basierend auf den gesammelten Bearbeitungsdaten. Falls
die Beziehung zwischen den Bearbeitungsbedingungen und dem Typ der
Bearbeitung zuvor in der Recheneinheit als Datenbasis gehalten wurde,
basierend auf vergangenen Bearbeitungsdaten, so wird eine geeignete
Düsenbahn
entsprechend der vorgesehenen, gekrümmten Oberflächenform
bestimmt.
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Die
von der Recheneinheit berechneten Düsenbahndaten werden an die
Steuereinheit übertragen
und dann von der Steuereinheit an jeden Antriebsmechanismus übertragen,
um die Steuerung ablaufen zu lassen. Eine Durchführung dieser Antriebssteuerungen
während
des Spritzens des Hochgeschwindigkeitsfluids macht eine durchgehende
automatische Bearbeitung von Werkstücken möglich.
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Nachdem
die von der Recheneinheit geführte
Bearbeitung durchgeführt
ist, ist es des weiteren ebenfalls möglich, daß die Recheneinheit einen separaten
Typ Bearbeitung weiter spezifiziert, während das Werkstück eingestellt
wird. In diesem Falle wird eine Datenbank verwendet, welche Information
betreffend die Bearbeitungsverhältnisse
bzw. -bedingungen und des Typs Bearbeitung aufweist und der Typ
der Bearbeitung kann lediglich durch Verändern der Düsenbahn verändert werden. Mehrere Typen
von Bearbeitungen können dabei
gleichzeitig mit einer einzelnen Vorrichtung vorgenommen werden.
In diesem Falle kann der Typ Medium in dem Wassertank, die Konzentration
und die Korngröße entsprechend
dem Typ Bearbeitung verändert
werden.
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Da
die Düsenbahn
bestimmt wird unter Verwendung der Meßdaten oder CAD-Daten in Bezug
auf die Form bzw. Gestalt, kann mittlerweile die Erfindung auf flexible
Weise nicht nur bei der Bearbeitung von gleitenden Oberflächen in
künstlichen
Gelenken verwendet werden, sondern auch bei der Bearbeitung gekrümmter Oberflächen in
verschiedensten strukturellen Bauteilen.
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Ausführungsbeispiel 1
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Es
werden Testergebnisse gezeigt für
einen Fall, bei dem die Vorrichtung zur Bearbeitung einer gekrümmten Oberfläche nach
der Erfindung verwendet wurde, um tatsächlich eine Oberflächenbearbeitung durchzuführen zwecks
Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit
und der Profilgenauigkeit der Oberfläche eines Werkstücks mit
einer sphärisch
konvexen Oberfläche.
Es wurde ein in Wasser gelöstes
Abriebmittel als hier verwendete Abriebmittel beinhaltende Lösung verwendet,
der Kopf eines Knochens (22, 2 mm Durchmesser (Oberflächenrauhigkeit:
0,04 μm
Ra)) für
ein sphärisches,
künstliches
Hüftgelenk,
hergestellt aus einer medizinischen Co-Cr-Mo-Legierung, als Werkstück verwendet
und ein Wasserstrahl wurde als Hochgeschwindigkeitsfluid verwendet.
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Das
Verfahren bei diesem Test läuft
wie folgt ab:
Als Erstes wird der Kopf eines Knochens auf eine
Einspannvorrichtung gesetzt und auf einer Spindel montiert und das
Zentrum der von dem Kopf des Knochen ausgebildeten, sphärischen
Oberfläche
bestimmt. 4 ist ein erläuterndes
Diagramm, das diesen Schritt, gesehen aus der X-Achsenrichtung,
zeigt und 5 ist ein erläuterndes
Diagramm, aus der Z-Achsenrichtung gesehen. Die Spindel ist in der
horizontalen Y-Achsenrichtung vorgesehen und die Düse 5 ist
in der Z-Achsenrichtung orientiert. In diesem Falle, ist das Zentrum
der Düse
entlang der Tangentiallinie der Z-Achsenrichtung in dem äußeren Umfang
bzw. der äußeren Peripherie des
Kopfes des Knochens angeordnet, jedoch ist das vorderste Ende in
einem freien Abstand S oberhalb der Äquatoriallinie (Querschnittslinie
in der XZ-Ebene) des Kopfes des Knochens angeordnet.
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Dieser
freie Abstand ist auch zum Zwecke des Vermeidens einer Störung zwischen
der Düse
und dem Werkstück
vorgesehen. Eine Vergrößerung dieses
Abstands erweitert den Wasserstrahl, mindert die Fluidgeschwindigkeit
und erweicht bzw. schwächt
die Bearbeitung. Eine Verkleinerung dieses Abstands intensiviert umgekehrt
die Bearbeitung. Folglich ermöglicht
es eine weitgehende Veränderung
des freien Abstands entsprechend den Eigenschaften des Werkstücks und ähnlichem,
die optimalen Typen von Bearbeitungen auszuwählen.
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Als
Nächstes
wird der Wassertank mit einer ausreichenden Menge an Wasser befüllt, um
den Kopf des Knochens einzutauchen und eine spezifische Menge an
Abriebmittel wird beigemischt. Die Formdaten für den Kopf des Knochens werden
dann in die Recheneinheit eingegeben und ein Wasserstrahl nach Bestimmung des
Typs Bearbeitung aus der Düse
ausgespritzt, während
die Antriebsmechanismen der X-Achse und Y-Achse angetrieben werden,
so daß das
vorderste Ende der Düse
sich relativ in der Reihenfolge a b c mit einer Vorschubgeschwindigkeit
von 0,03 mm bewegt. Der Vorgang des Antriebs des Tisches und des
Bewegens der Düse
relativ zu einer spezifizierten Position des Werkstücks wird
hier als "Vorwärtsbewegen
der Düse" bezeichnet und die
entsprechende Geschwindigkeit wird als die "Vorschubgeschwindigkeit" bezeichnet.
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Die
in diesem Falle verwendeten Bedingungen sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle
1
| Düsendurchmesser
(mm) | 0,25 |
| Korngröße des Abriebmittels
(μm) | 0,25
bis 3 |
| Anfängliche
Konzentration des Abriebmittels (Gew-%) | 1,2 |
| Freier
Abstand (mm) | 10 |
| Wasserstrahldruck
(Mpa) | 200 |
| Umdrehungsgeschwindigkeit
des Werkstücks
(Upm) | 3000 |
| Abriebmaterial | grünes Siliciumcarbid |
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Die
oben beschriebenen Ergebnisse der Bearbeitung sind in Tabelle 2
in Bezug auf die Korngröße des Abriebmittels
gezeigt. In der Tabelle ist die "Einfallsrichtung
des Wasserstrahls" definiert
als der Winkel, unter dem der Wasserstrahl auf der Oberfläche des
Werkstücks
einfällt
und das "Bearbeitungsergebnis" ist definiert als
die Oberflächenrauhigkeit
auf der Oberfläche
des Werkstücks
nach der Bearbeitung. Tabelle
2
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Wie
aus den obigen Ergebnissen klar wird und wenn die Korngröße des Abriebmittels
groß ist
(3 μm), kann
eine zufriedenstellende Oberfläche
mit einer Oberflächenrauhigkeit
(0,02 μm
Ra oder geringer), die erforderlich ist für die gleitenden Oberflächen künstlicher
Gelenke, nicht erzielt werden, da die Auflösung bei der Bearbeitung zu
grob ist.
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Umgekehrt
wurde geschlossen, daß eine
Korngröße des Abriebmittels
von weniger als 1 μm
(ein μm) wünschenswert
ist, da eine zufriedenstellende Oberfläche mit einer Korngröße des Abriebmittels
von weniger als 1 μm
erzielt werden kann.
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Die
obigen Ergebnisse beinhalten einen Fall, bei dem der Einfallswinkel
des Wasserstrahls in der Normalrichtung in Bezug auf die Oberfläche des
Kopf des Knochen eingestellt ist, zusätzlich zu einem Fall, bei dem
dieser Winkel in der tangentialen Richtung eingestellt ist. Es war
möglich
zu bestätigen,
daß eine
lokalisierte Konkavität
in der Oberfläche
ausgebildet wurde, wenn der Winkel in der Normalrichtung bzw. senkrechten
Richtung eingestellt war. Falls die Beziehung zwischen jedem Parameter
und Typ Bearbeitung im Rahmen einer Bearbeitungsdatenbank bzw. im
Rahmen von Bearbeitungsdaten gespeichert wird und falls der vorgesehene
Typ Bearbeitung vor der Bearbeitung spezifiziert wurde, ist es daher
möglich,
mit Unterstützung
der Recheneinheit, die Düsenbahn
zu bestimmen, wobei dieser Typ Bearbeitung realisiert wird.
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Da
es des weiteren möglich
ist, den Typ Bearbeitung rein durch gesteuertes Antreiben der Position bzw.
Stellung und Orientierung des Werkstücks und des vordersten Endes
der Düse
basierend auf den Bearbeitungsdaten zu steuern, muß nicht
erwähnt
werden, daß eine
Oberfläche
(end-) bearbeitet werden kann, beispielsweise nachdem eine lokalisierte
Konkavität
ausgebildet wurde, ohne die Anordnung des Werkstücks zu ändern. Es ist auch möglich, den
Typ Bearbeitung zu steuern, beispielsweise unter Berücksichtigung
des freien Abstands oder der Abgabebedingungen in Bezug auf den
Wasserstrahl.
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In
Abhängigkeit
von dem Werkstückmaterial
und dem Typ Bearbeitung, können
des weiteren andere Fluide und andere Medien zusätzlich zu Wasser und dem Abriebmittel
als der Abriebmittel beinhaltenden Lösung verwendet werden. Überdies
ist das Hochgeschwindigkeitsfluid nicht auf einen Wasserstrahl beschränkt und
kann auch eine andere Flüssigkeit
sein.
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Ausführungsbeispiel 2
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Als
Nächstes
wird ein Verfahren zum optimalen Oberflächenbearbeiten bzw. -behandeln
eines sphärischen
Werkstücks,
wie beispielsweise dem Kopf eines Knochens, beschrieben.
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Falls
das Werkstück
sphärisch
ist, ist die Umfangsgeschwindigkeit einer bestimmten Umfangsoberfläche entlang
der Y-Achse in Abhängigkeit
von dem Abstand (Winkel) von dem Äquator der Sphäre bzw.
Kugel unterschiedlich. Daher bewirkt ein Drehen des Werkstücks mit
einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit oder bei konstanter Beibehaltung
der Vorschubgeschwindigkeit der Düse, daß sich die Bearbeitungsbedingungen
in diesem Abschnitt unterscheiden, so daß eine Kreisform manchmal sogar
mehr reduziert wird. Des weiteren verringert sich die Menge an Abriebmittel
in der Abriebmittel beinhaltenden Lösung bei Fortschreiten des Abschleifens,
so daß die
Bedingungen am Anfang und Ende des Bearbeitens unterschiedlich sind.
Demgemäß müssen die
Bearbeitungsbedingungen bzw. -verhältnisse unter Berücksichtigung
dessen eingestellt werden.
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Als
Erstes wird im Falle der Vorschubgeschwindigkeit die von der bearbeiteten
Oberfläche
des Werkstücks
empfangenen Wasserstrahlmenge (die bespritzte Oberfläche, die
von dem Wasserstrahl bespritzt wird) pro Zeiteinheit so ausgestaltet,
daß sie
im wesentlichen konstant bleibt. Spezieller wird sie so ausgestaltet,
daß die
Vorschubgeschwindigkeit in umgekehrt proportionaler Beziehung zu
der Umfangsgeschwindigkeit steht. 6 zeigt
die Eigenschaften des Betrags der Bearbeitung bzw. der Größenordnung
und den reziproken Wert der Vorschubgeschwindigkeit, wobei der Winkel β (siehe 5), der von dem Zentrum des Kopfes des
Knochens und dem Ort der Düse
ausgebildet wird, als Parameter verwendet wird und es ist aus der 6 ebenfalls klar,
daß die
Vorschubgeschwindigkeit der Düse
und der Bearbeitungsbetrag in umgekehrter Beziehung stehen.
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Daher
kann unter Verwendung einer Proportionalitätskonstanten kv(β) die Beziehung
zwischen der Vorschubgeschwindigkeit V(β) unter dem Winkel β und die
Bearbeitungstiefe h(β)
ausgedrückt
werden als: h(β) = 1/v(β)·kv(β) (1)
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Angesichts
dessen wird die Vorschubgeschwindigkeit der Düse bestimmt unter Verwendung
der Formel (1). Spezieller, wird die Proportionalitätskonstante
kv(β)
in Formel (1) über
eine Simulation berechnet; und unter Verwendung dieser Proportionalitätskonstanten
wird die Vorschubgeschwindigkeit v(β), bei welcher der vorgesehene
Bearbeitungsbetrag hd(β) in der radialen Richtung erzielt
wird, durch die folgende Formel bestimmt: v(β)
= kv(β)·1/hd(β) (2)
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7 zeigt
die Vorschubgeschwindigkeit der Düse, wenn der vorgesehene Wert
für den
Bearbeitungsbetrag in der radialen Richtung 0,3 μm ist; und aus diesem ist erkennbar,
daß sich
die Vorschubgeschwindigkeit erhöhen
muß, wenn
der Winkel β 30° überschreitet
und sich schnell erhöhen
muß, wenn
sich der Winkel β 70° nähert.
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Das
Vorstehende wird durch Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit erreicht,
kann jedoch auch bewerkstelligt werden durch Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit,
wobei die Rotationsgeschwindigkeit der Spindel entsprechend dem
Ort der Düse
auf gleiche Weise gesteuert wird. Des weiteren können beide dieser Steuerungen
zusammen verwendet werden. Die Bedingungen für diese Steuerungen sollten
derart sein, daß die
von der bearbeiteten Oberfläche
des Werkstücks
pro Zeiteinheit empfangene Wasserstrahlmenge die gleiche bleibt
und jeglicher Typ Steuerung kann verwendet werden, solange diese
Bedingung erreicht wird.
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Nebenbei
basieren die oben beschrieben Steuerungen auf der Bedingung, daß die Konzentration
des Abriebmittels konstant ist. Tatsächlich jedoch verringert sich
die Konzentration des Abriebmittels beim Durchführen der Bearbeitung. Daher
muß die
Konzentration korrigiert werden und dieses Prinzip zielt auch darauf ab
sicherzustellen, daß die
Menge an Abriebmittel in dem von der bearbeiteten Oberfläche des
Werkstücks pro
Zeiteinheit empfangenen Wasserstrahl die gleiche bleibt. Spezieller
wird der Betrag, um den sich die Konzentration ändert, in Bezug auf die durch
die Formel (2) bestimmte Vorschubgeschwindigkeit, korrigiert.
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8 zeigt
die Charakteristiken, bei denen die Beziehung zwischen der Konzentration
des Abriebmittels (Abriebmittelkörner)
und der bearbeiteten Tiefe experimentell bestimmt wird und es ist
aus der 8 ebenfalls erkennbar, daß die beiden
in proportionaler Beziehung stehen. Daher sollte der Korrekturwert
kd·d
(kd: Proportionalitätskonstante (0,667), d: Konzentration)
der Konzentration multipliziert werden durch die über die
Formel (2) bestimmte Vorschubgeschwindigkeit. Aus diesem Grunde
muß die
Konzentration des Abriebmittels während der Bearbeitung mit einem
Densometer gemessen werden, jedoch ist eine genaue Messung tatsächlich schwierig.
Angesichts dessen werden die in den Wassertank gelangende Menge
an Wasser, die Menge an beigefügtem
Abriebmittel und die erhöhte
Menge an Wasser pro Zeiteinheit aufgrund des Wasserstrahls gemessen,
ein geschätzter
Wert für
die Abriebmittelkonzentration berechnet, basierend auf der seit
dem Beginn der Bearbeitung vergangenen Zeit und dieser geschätzte Wert
als Basis für
eine Korrektur der Konzentration verwendet.
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Ausführungsbeispiel 3
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Um
Obiges zu verifizieren und unter Verwendung der in Tabelle 3 gezeigten
Bearbeitungsbedingungen wurden ein Experiment und eine Simulation
mit dem unten gezeigten Verfahren durchgeführt. Die Kreisform des Kopfs
des Knochens nach der Bearbeitung wurde dann für die drei folgenden Fälle gemessen:
- (i) Wenn die Vorschubgeschwindigkeit mit 0,01
mm/s konstant gehalten wurde
- (ii) Wenn die Vorschubgeschwindigkeit gesteuert wurde
- (iii) Wenn die Vorschubgeschwindigkeit gesteuert und die Konzentration
korrigiert wurde
Tabelle
3 | Düsenvorschubgeschwindigkeit
(mm/s) | 0,01 |
| Düsendurchmesser
(mm) | 0,25 |
| Korngröße des Abriebmittels
(μm) | 1,0 |
| Anfängliche
Konzentration des Abriebmittels (Gew.-%) | 3,2 |
| Freier
Abstand (mm) | 8,5 |
| Wasserstrahldruck
(Mpa) | 200 |
| Rotationsgeschwindigkeit
des Werkstücks
(Upm) | 3000 |
| Abriebmaterial | grünes Siliciumcarbid |
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9 zeigt
die Ergebnisse des Messens der Kreisform, gezeigt in den Ergebnissen
von (i) bis (iii). Im Falle obigen (i)'s, war die Bearbeitung nahe den Polen
des Kopfs eines Knochens übermäßig, wo
die Vorschubgeschwindigkeit gering ist, so daß die Kreisform sogar weiter
sich von den anfänglichen
300 nm bis 576 nm verschlechterte. Im Falle obigen (ii)'s wurde eine Steuerung
der Vorschubgeschwindigkeit durchgeführt. Hier wurde die Kreisform
mit 304 nm wiederhergestellt und es wurde bestätigt, daß diese Art von Steuerung denselben
Effekt hatte. Nichtsdestotrotz wurde erkenntlich, daß sich der
Radius nahe den Polen erhöhte,
wobei angenommen wird, daß dies
aufgrund einer Verringerung der Konzentration des Abriebmittels
erfolgt.
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Angesichts
dessen wurde im Falle obigen (iii)'s unter Hinzunahme einer Korrektur der
Konzentration, die Kreisform verbessert auf 136 nm und die Form
war ebenfalls einem perfekten Kreis näher. Es wird angenommen, daß dies darauf
beruht, daß die
Abnahme des Bearbeitungsbetrags, resultierend aus der Abnahme der
Konzentration des Abriebmittels, ergänzt werden kann und ein gleichförmiger Bearbeitungsbetrag
wird über
die gesamte Umfangsoberfläche
des Kopfes eines Knochens erzielt.
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Die
vorliegende Erfindung ist entsprechend dem oben Beschriebenen, jedoch
ist die vorliegende Erfindung selbstverständlich nicht auf die gleitenden
Oberflächen
von künstlichen
Gelenken beschränkt
und ist auch anwendbar auf die Bearbeitung gekrümmter Oberflächen von
Metallformen, strukturellen Bauteilen mit freien Oberflächen und ähnliches.
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FIGURENLEGENDE
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(falls der englische Begriff
nicht dieselbe Bedeutung im Deutschen hat)
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1
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- HIGH-SPEED FLUID GENERATOR – HOCHGESCHWINDIGKEITSGENERATOR
- POSITION, SHAPE DATA – POSITION,
FORM-DATEN
- MACHINING DATABASE – BEARBEITUNGSDATEN
(-BANK)
- NOZZLE PATH DETERMINATION – BESTIMMUNG
DER DÜSENBAHN
- NOZZLE PATH DATA – DÜSENBAHNDATEN
- CONTROL UNIT – STEUEREINHEIT
- DRIVE SIGNAL – ANTRIEBSSIGNAL
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6
-
- MACHINING AMOUNT IN RADIAL – BEARBEITUNGSBETRAG IN
- DIRECTION – RADIALER
RICHTUNG
- ANGLE – WINKEL
- ADVANCE SPEED – VORSCHUBGESCHWINDIGKEIT
-
7
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- ADVANCE SPEED – VORSCHUBGESCHWINDIGKEIT
- ANGLE β DEG. – WINKEL β GRAD
-
8
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- MAXIMUM DEPTH – MAXIMALE
TIEFE
- ABRASIVE CONCENTRATION WT% – KONZENTRATION
DES ABRIEBMITTELS IN GEW.-%
- TEST VALUES – TESTWERTE
- APPROXIMATION LINE – NÄHERUNGSLINIE
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9
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- CIRCULARITY – KREISFORM
- ADVANCE SPEED CONSTANT – VORSCHUBGESCHWINDIGKEIT
KONSTANT
- ADVANCE SPEED CONTROLLED – VORSCHUBGESCHWINDIGKEIT
GESTEUERT
- CONCENTRATION CORRECTED – KONZENTRATION
KORRIGIERT