DE3803773A1

DE3803773A1 - Schleifverfahren unter verwendung eines magnetischen fluids sowie vorrichtung hierfuer

Info

Publication number: DE3803773A1
Application number: DE3803773A
Authority: DE
Inventors: Koji Kato; Noritsugu Umehara; Shigeru Adachi; Shin Sato
Original assignee: JGC Corp
Current assignee: JGC Corp
Priority date: 1987-02-09
Filing date: 1988-02-08
Publication date: 1988-08-18
Also published as: SE8800380L; SE464565B; SE8800380D0; US4821466A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleifen eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Schleifen eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Bezweckt wird die Schaffung eines effizienten Schleifverfahrens und einer effizienten Schleifvorrichtung.

Verschiedenartige Verfahren betreffend das Schleifverfahren für die Oberfläche von Werkstücken unter Verwendung von magnetischem Fluid, das Schleifkörner enthält, sind bereits in den folgenden japanischen Patentveröffentlichungen offenbart:
Tokkaisho 51-10 499, Tokkaisho 57-1 63 057, Tokkaisho 57-1 58 280, Tokkaisho 58-77 447,
Tokkaisho 59-1 02 569, Tokkaisho 60-67 057, Tokkaisho 60-1 18 466, Tokkaisho 60-1 67 761
Tokkaisho 60- 1 67 761, Tokkaisho t0-1 86 368, Tokkaisho 60-1 91 759 und Tokkaisho 60-2 42 963.

Das Grundprinzip des üblichen Verfahrens zum Schleifen der Oberfläche von Werkstücken unter Verwendung eines Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluids wird in Fig. 8 erläutert.

Die Oberfläche eines zu schleifenden Werkstücks 3 ist in ein Schleifkörner enthaltendes magnetisches Fluid 2 eingetaucht, welches in einen Behälter 1 eingefüllt ist, unter dem Magnete 4 angeordnet sind, um von dem Bodenabschnitt des Behälters für das magnetische Fluid ein magnetisches Feld vorzusehen.

Demgemäß wird den Schleifkörnern durch das magnetische Feld eine Auftriebskraft verliehen, und sie werden durch die Auftriebskraft zur Bildung einer hochdichten Schicht aus Schleifkörnern in dem oberen Abschnitt des magnetischen Fluids, die in Berührung mit der Oberfläche des Werkstücks gelangt, nach oben bewegt. Durch gegenseitige Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Schleifmittel enthaltenden magnetischen Fluid, wie beispielsweise eine Drehung des Werkstücks um die in Fig. 8 gezeigte Achse, wird die Oberfläche des Werkstücks geschliffen.

Es gibt ein alternatives Verfahren zur Vornahme der wechselseitigen Bewegung zwischen dem Werkstück und dem die Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluid, das durch Umlaufbewegung des die magnetischen Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluids durch Betätigung bzw. Antrieb des äußeren Magnetfeldes erreicht wird.

Diese üblichen Verfahren sind jedoch noch nicht für kommerzielle Anwendungen eingesetzt worden, da sie nur eine sehr kleine Schleifrate (Schleifmenge pro Zeiteinheit) aufweisen, obgleich ihr Funktionsprinzip zum Schleifen anwendbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Schleifverfahren und eine Vorrichtung hierfür zu schaffen, mit dem bzw. der die Oberfläche eines Werkstücks wirksam und wirtschaftlich geschliffen werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe verfahrensseitig durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale und vorrichtungsseitig durch die im Patentanspruch 9 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bevorzugte Merkmale, die die Erfindung vorteilhaft weiterbilden, sind den nachgeordneten Patentansprüchen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Schleifverfahren weist die folgenden Vorteile auf:

1. Da das Schleifen in dem Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluid vorgenommen wird, ist die Schleifbelastung auf dem Werkstück weich, ohne Überlastung oder Stoß auf diesem und ist leicht bei sprödem Material wie Keramik, leitfähigem Material wie Aluminium oder anderem schwer zu bearbeitenden Material mit der kleinstmöglichen Beschädigung bzw. Defekt während des Schleifens leicht anwendbar.
2. Da die während des Schleifens erzeugte Wärme wirksam entfernt wird, ist ein Hochgeschwindigkeitsschleifen zusammen mit der zuvor genannten weichen Schleifbelastung möglich, und demgemäß wird die Schleifeffizienz verbessert.
3. Bei dem herkömmlichen Schleifverfahren unter Verwendung eines magnetischen Fluids, das Schleifkörner ohne eine schwimmfähige Unterlage enthält, bei dem die Schleifbelastung vor allem auf der magnetischen Auftriebskraft der Schleifkörner beruht, ist die Schleifrate wegen der geringen Auftriebskraft der Schleifkörner sehr klein.
Gemäß der dargestellten Erfindung, bei der eine schwimmfähige Unterlage verwendet wird, werden Schleifkörner fest auf die Oberfläche des Werkstücks durch die magnetische Auftriebskraft der schwimmfähigen Unterlage, der verbesserten Schleifbelastung und der Reaktionskraft der schwimmfähigen Unterlage gegenüber der Schleifrichtung zum Schleifen gedrückt, wobei die Schleifrate erheblich verbessert wird.
4. Durch Modifizieren der Form der schwimmfähigen Unterlage in Abhängigkeit von der Oberflächenform des Werkstücks ist es möglich, selbst die Oberfläche eines Werkstücks mit irregulärer bzw. komplizierter Form zu schleifen.

Die Schleifvorrichtung gemäß der Vorrichtung vereinfacht es vorteilhaft, die Ausgangsbetriebsbedingungen in optimalen und konstanten Zuständen einzustellen und die Schleifbelastung automatisch konstant zu halten, wodurch die Schleifeffizienz verbessert wird.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A bis Fig. 5 jeweils Darstellungen zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen;

Fig. 6A-6C teilweise vergrößerte Schnittansichten der schwimmfähigen Unterlage zur Verwendung bei der dargestellten Erfindung;

Fig. 7 eine Vorrichtung, die beim Beispiel 1 verwendet wurde;

Fig. 8 eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik;

Fig. 9-11 jeweils Ausführungsbeispiele der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Seitenansicht;

Fig. 12 den Zusammenhang zwischen der Schleifbelastung und dem Abstand der oberen Oberfläche eines Magneten von dem Werkstück bzw. der schwimmfähigen Unterlage;

Fig. 13 den Zusammenhang zwischen der Schleifbelastung und der Schleifrate, wobei die A-Linie den Fall mit schwimmfähiger Unterlage und die B-Linie den ohne diese darstellt;

Fig. 14 den Zusammenhang zwischen Kugeldurchmesseränderung und Schleifzeit, wobei die A-Linie den Fall mit der schwimmfähigen Unterlage und die B-Linie den ohne diese darstellt;

Fig. 15 den Zusammenhang zwischen der Schleifrate und der Zusatzrate der Schleifkörner zu dem magnetischen Fluid und

Fig. 16 den Zusammenhang zwischen der Schleifrate und der Partikelgröße der Schleifkörner.

Das Verfahren gemäß der dargestellten Erfindung für das Schleifen eines Werkstücks, das in ein Schleifkörner enthaltendes und in einen Behälter gefülltes magnetisches Fluid eingetaucht ist, dem mit einem Magneten von der Außenseite des Behälters ein Magnetfeld vermittelt wird, umfaßt das Eintauchen einer schwimmfähigen Unterlage in das magnetische Fluid an einer Stelle nahe dem Werkstück, wobei der schwimmfähigen Unterlage eine Auftriebskraft durch das magnetische Feld verliehen wird, wodurch die zwischen der schwimmfähigen Unterlage und dem Werkstück befindlichen Schleifkörner auf das Werkstück gedrückt werden, und das Verleihen einer wechselseitigen Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluid.

Anwendungen der dargestellten Erfindung werden nun unter Verwendung typischer Beispiele detaillierter erläutert.

Die Fig. 1A und 1B zeigen ein praktisches Beispiel des Schleifens einiger Werkstücke zur selben Zeit, wobei Fig. 1A eine Draufsicht ist und Fig. 1B eine Schnittansicht darstellt.

Wie in den Fig. 1A und 1B gezeigt, sind auf der Unterfläche einer runden Platte 6, die als Antriebseinrichtung dient, Werkstücke 3 angeordnet, die sich frei umdrehen können und in ein Schleifkörner enthaltendes magnetisches Fluid 2 in einem Behälter 1 eingetaucht sind. Ein bewegliches Zwischenelement bzw. schwimmfähiges Polster bzw. eine schwimmfähige Unterlage 5 ist unmittelbar unter den Werkstücken 3 in das magnetische Fluid eingetaucht.

Durch Anordnung des magnetischen Fluids in einem magnetischen Feld, das von Magneten 4 erzeugt wird, welche an einer Seite parallel zu der schwimmfähigen Unterlage 5 und gegenüber dem Werkstück angeordnet sind, d. h. in diesem Fall unterhalb des magnetischen Fluids, wird Schleifkörnern eine Auftriebskraft verliehen, die durch das magnetische Feld erzeugt wird, und sie kommen hoch in den oberen Abschnitt des magnetischen Fluids zur Bildung einer hochdichten Schicht aus Schleifkörnern.

Gleichzeitig wird auch der schwimmfähigen Unterlage 5 eine Auftriebskraft verliehen, und diese steigt auf, um Schleifkörner, die in ihrem oberen Abschnitt vorhanden sind, zu der Oberfläche des Werkstücks 3 zu drücken.

Dann wird die runde Platte 6 um die senkrechte Achse 61 in Umdrehung versetzt, und die Unterfläche des Werkstücks, die mit Schleifkörnern in Berührung steht, wird geschliffen. Wenn in einem solchen Fall die schwimmfähige Unterlage 5 verwendet wird, kann die Schleifrate im Vergleich mit dem Fall ohne deren Verwendung erheblich verbessert werden.

Das Maß der erzeugten Schleifleistung bzw. Schleifkraft hängt von der Auftriebskraft und von der Steifigkeit der schwimmfähigen Unterlage als Widerstandskraft gegenüber der Schleifrichtung ab.

Die Steifigkeit der schwimmfähigen Unterlage zu der Schleifrichtung wird auf der Grundlage solcher Faktoren wie Material, Masse, Form und ihrem Strömungswiderstand bestimmt.

Das Material der schwimmfähigen Unterlage kann ausgewählt sein aus Metall, Kunststoff, Keramik, Kautschuk und verschiedenartigen Materialsorten, je nach Anforderungen oder Schleifgraden bzw. Schleifverhältnissen.

Die der schwimmfähigen Unterlage vermittelte Auftriebskraft hängt ab von der Intensität des äußeren Magnetfeldes, das von unterhalb angelegt wird, der Größe der schwimmfähigen Unterlage und dem Abstand zu dieser, usw.

Eine gewünschte Arbeitsbelastung kann willkürlich durch Einstellung der obigen Werte eingestellt werden.

Es ist nicht absolut erforderlich, daß die Dichte der schwimmfähigen Unterlage geringer als die des Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluids ist, und es genügt dem Zweck, solange ihre Auftriebskraft durch das von unten angelegte Magnetfeld erzeugt wird.

Die Form der schwimmfähigen Unterlage soll möglichst an jedem Abschnitt von der Oberfläche des Werkstücks denselben Abstand in Übereinstimmung mit der Form von dessen Oberfläche haben, wie beispielsweise flach, gekrümmt oder irregulär.

Die Oberfläche der schwimmfähigen Unterlage kann glatt sein. Wie in den vergrößerten Teilschnitten der Fig. 6A oder 6B gezeigt, weist sie jedoch vorzugsweise zahlreiche Nuten oder Hohlräume auf der oberen Oberfläche nahe dem Werkstück auf, um leicht Schleifkörner zu halten, oder besitzt, wie in Fig. 6C derselben Schnittart gezeigt, zahlreiche durch sie hindurchtretende Löcher, um leicht Schleifkörner zuzuführen.

Die wechselseitige bzw. relative Bewegung zwischen dem Werkstück und den Schleifkörnern in dem magnetischen Fluid kann vorgenommen werden durch eine Umdrehung, eine hin- und hergehende Bewegung, eine Schwingung oder eine andere Art der Bewegung des Werkstücks, durch eine Bewegung, wie ein Hin- und Hergehen, ein Umdrehen oder ein Schwingen des Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluids durch Antrieb des magnetischen Feldes, durch Bewegung der schwimmfähigen Unterlage oder durch eine Kombination dieser Bewegungen.

Die in dem magnetischen Fluid vorzusehenden Schleifkörner können aus den bekannten Schleifkörnern ausgewählt und in geeigneter Weise verwendet werden, beispielsweise Al₂O₃ (Korund), SiC (Karborund), Diamant etc. Auch magnetisierte Schleifkörner können verwendet werden.

Der Magnet 4 für die Erzeugung des Magnetfeldes kann aus einem Einzelmagnet oder einer Gruppe von Magneten bestehen, die nebeneinander gesetzt und so angeordnet sind, daß sie dieselben Pole auf einer Seite haben.

Es ist jedoch vorzugsweise eine Gruppe aus Magneten vorgesehen, die Seite an Seite derart angeordnet sind, daß ihre aneinandergrenzenden Pole jeweils unterschiedliche Polarität besitzen (wie durch Pfeile in Fig. 1B gezeigt). Durch eine derartige Kombination wird die magnetische Auftriebskraft der Schleifkörner und der schwimmfähigen Unterlage erhöht, und es entsteht zur selben Zeit eine magnetische Auftriebskraft in der kreuzenden Richtung (in diesem Fall der horizontalen Richtung), um die Schleifkörner derart zu halten, daß sie der Drehrichtung der Werkstücke Widerstand entgegensetzen.

Der einzelne Magnet oder die Gruppe der Magneten können entweder aus permanenten Magneten oder aus Elektromagneten bestehen.

Der bzw. die Magnete können unter dem Behälter 1 angeordnet sein, wie in Fig. 1B gezeigt. Ihre Anordnung ist jedoch darauf nicht beschränkt, d. h., ihre Stellung kann so gewählt werden, daß ein magnetischer Feldgradient in solchen wahlweisen Richtungen horizontal bzw. senkrecht erzeugt wird, indem sie an geeigneten Seitenstellungen angeordnet werden. In jedem Fall muß das Magnetfeld von einer Seite des magnetischen Fluids in den Behälter aufgebracht werden, damit sich eine magnetische Auftriebskraft bei den Schleifkörnern und der schwimmfähigen Unterlage ergibt.

Die Fig. 2A und 2B sollen andere Beispiele für das Schleifen mehrerer Werkstücke zur selben Zeit erläutern. Fig. 2A ist eine Draufsicht und Fig. 2B eine vertikale Schnittansicht, in der zahlreiche Werkstücke 3 zwischen einer runden Platte 6, die als Antriebseinrichtung dient, und einer schwimmfähigen Unterlage angeordnet sind, welche sich in einem Schwimmzustand in einem Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluid 2 befindet. Wenn von unten ein magnetisches Feld angelegt wird, wird die schwimmfähige Unterlage 5 unter Auftriebskraft nach oben bewegt und drückt die Schleifkörner auf die untere Oberfläche des Werkstücks 3. Dann wird die runde Platte 6 um die senkrechte Achse 61 in Drehung versetzt, und die Werkstücke 3 werden in dem Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluid unter Begrenzung von der runden Platte 6, deren Außenseite 62 und der schwimmfähigen Unterlage 5 bewegt, und die untere Oberfläche oder die obere und die untere Oberfläche des Werkstücks 3 werden geschliffen.

Die Fig. 3A und 3B sollen erläutern, wie die Seite von Ringen oder runden Platten geschliffen werden, und Fig. 3A ist eine Draufsicht und Fig. 3B eine vertikale Schnittansicht.

Werkstücke in Ringform oder runder Plattenform 3 werden auf der sich in horizontaler Richtung umdrehenden Achse 61 befestigt und in Umdrehung versetzt. Dann wird die schwimmfähige Unterlage 5 in das Schleifkörner enthaltende magnetische Fluid eingetaucht, nach oben bewegt und drückt auf seiner oberen Oberfläche vorhandene Schleifkörner auf die Seite der sich umdrehenden ring- bzw. plattenförmigen Werkstücke 3, und die Seiten der Werkstücke werden effizient geschliffen. In diesem Fall ist es wünschenswert, eine Stützachse 7 in der Mitte der schwimmfähigen Unterlage 5 vorzusehen.

Fig. 4 soll den Fall des Schleifens eines zylinderförmigen Werkstücks mit tiefen Stichen in seinem Umfang erläutern, welches in horizontaler Richtung mittels einer Antriebseinrichtung 63 gehalten und in Umdrehung versetzt wird. Eine schwimmfähige Unterlage 51, deren irreguläre Oberfläche der der Einstiche des Werkstücks 3 entspricht, drückt die in der oberen Schicht vorhandenen Schleifkörner auf die Unterfläche des Werkstücks 3 und die Seiten des Werkstücks 3 mit den Einstichen werden wirksam geschliffen.

In diesem Fall hindern Führungsbolzen 71 die schwimmfähige Unterlage an einem ungleichmäßigen Rollen.

Fig. 5 dient zur Erläuterung des Falls, daß die Innenoberfläche eines engen Lochs eines Werkstücks 3 geschliffen wird, wobei in das enge Loch 35 des Werkstücks, das zum Horizontalhalten mit einem Halter 64 befestigt ist, eine nadelähnliche schwimmfähige Unterlage 52 bzw. ein nadelähnliches bewegliches Zwischenelement eingesetzt ist, das mit einer horizontalen hin- und hergehenden Bewegung bewegt wird, um die Innenseite des engen Lochs 35 des Werkstücks zu schleifen.

Wenn der Abschnitt des engen Lochs 35 rund ist und wenn die äußere Form des Werkstücks rund ist oder die Form eines regulären polygonalen Prismas aufweist, ist zu berücksichtigen, daß das Werkstück in Umdrehung versetzt werden kann.

Weiterhin ist es möglich, die Innenfläche eines Rings oder eines Rohrs zu schleifen, indem eine schwimmfähige Unterlage bzw. ein bewegliches Zwischenelement in einer zu der Innenfläche des Werkstücks entsprechenden Form verwendet wird, wobei die Auftriebskraft der schwimmfähigen Unterlage bzw. des beweglichen Zwischenelements durch das magnetische Feld verursacht wird.

Das Schleifverfahren gemäß der dargestellten Erfindung unter Verwendung der schwimmfähigen Unterlage bzw. des beweglichen Zwischenelements ist nicht auf irgendeines der oben beschriebenen Ausbildungsformen begrenzt, sondern kann in weitem Sinn bei verschiedenen Verfahrensarten für Schleifvorgänge verwendet werden, die Schleifkörner enthaltendes magnetisches Fluid verwenden.

Beispiel 1

Unter Verwendung einer Vorrichtung mit dem in Fig. 8 gezeigten Aufbau wurde ein Schleiftest gemäß den in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen durchgeführt, wobei eine schwimmfähige Unterlage 5 in das Schleifmittel enthaltende magnetische Fluid 2 in einer Lage unterhalb des Werkstücks 3 eingetaucht wurde, wie in Fig. 7 gezeigt. Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
magnetisches FluidFerricolloid W-35 (Wasserbasis)
Dichte: 1,4×10³ kg/m³ (25°C)
Viskosität: 22,5 Zentigrad Poise (25°C) SchleifkornGC Korn (SiC) #400
durchschnittl. Teilchengröße: 40 µm
Konzentration: 30 Vol.-% WerkstückAcrylharzzylinder (12 mm⌀) Schleifzeit1 Minute Umdrehungsgeschwindigkeit2650 Umdrehungen/min schwimmfähige UnterlageAcrylharz, runde Anschlußflächenplatte (Dicke: 2 mm) Abstand zwischen Werkstück-
oberfläche und Magnet2,74 mm

Tabelle 2

Die Schleifrate wurde aus der Abschnittskrümmung des Randteils der unteren Oberfläche des Werkstücks berechnet.

Vergleichstest 1

Unter Verwendung derselben Vorrichtung, die den in Fig. 8 gezeigten Aufbau besitzt, und derselben Betriebsbedingungen wie bei Beispiel 1, jedoch ohne eine schwimmfähige Unterlage, wurde ein Schleiftest ausgeführt und dessen Ergebnis ist in Tabelle 2 dargestellt.

Die Schleifrate wurde aus der Abschnittskrümmung des Randteils der unteren Oberfläche des Werkstücks wie bei Beispiel 1 berechnet.

Mit einer schwimmfähigen Unterlage (Beispiel 1) war die Schleifrate 60mal höher als die ohne deren Verwendung (Vergleichstest 1).

Beispiel 2

Unter Verwendung einer in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung wurden kugelförmige Werkstücke aus Si₃N₄ mit einem Durchmesser von 9 mm unter den in Tabelle 3 angegebenen Bedingungen geschliffen, und die Ergebnisse sind in den Fig. 12-14 dargestellt.

Vergleichstest 2

Unter Verwendung derselben Vorrichtung und derselben Betriebsbedingungen wie bei Beispiel 2, jedoch ohne eine schwimmfähige Unterlage, wurden kugelförmige Werkstücke aus Si₃N₄ mit einem Durchmesser von etwa 9 mm geschliffen, und die Ergebnisse wurden in den Fig. 12-14 dargestellt.
magnetisches FluidFerricolloid W-40 (Wasserbasis)
Dichte: 1,4×10³ kg/m³ (25°C)
Viskosität: 22,5 Zentigrad Poise (25°C) SchleifkornGC Korn (SiC) #400
durchschnittl. Teilchengröße: 40 µm
Konzentration: 10 Vol.-% WerkstückSi₃N₄-Kugel Schleifzeit5-20 Minuten Umdrehungsgeschwindigkeit900 Umdrehungen/min schwimmfähige Unterlagerunde Acrylharzplatte (Dicke: 2 mm)

Fig. 12 zeigt den Zusammenhang zwischen der Schleifbelastung (Ordinate) und dem Abstand (Abszisse) zwischen der oberen Seite des Magneten 4 und des kugelförmigen Werkstücks 3 bzw. der schwimmfähigen Unterlage 5, wobei die A-Linie die Werte bei Verwendung der schwimmfähigen Unterlage und die B-Linie die Werte ohne deren Verwendung darstellt.

Fig. 13 zeigt den Zusammenhang zwischen der Schleifbelastung (Abszisse) und der Schleifrate (Ordinate), wobei die A-Linie die Werte unter Verwendung einer schwimmfähigen Unterlage und die B-Linie die Werte ohne deren Verwendung darstellt.

Fig. 14 zeigt den Zusammenhang zwischen der Variation des Kugeldurchmessers (Ordinate), d. h., den Unterschied zwischen dem maximalen Durchmesser und dem minimalen Durchmesser bei einer Kugel, und die Schleifzeit (Abszisse), wobei die A-Linie den Fall mit schwimmfähiger Unterlage und die B-Linie den ohne diese darstellt.

Bei dem Schleifverfahren unter Verwendung eines Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluids ergibt sich deutlich aus den Fig. 12 und 13, daß je kleiner der Abstand zwischen dem Werkstück und dem Magneten ist, welcher eine intensivere magnetische Auftriebskraft liefert, desto größer die aufgebrachte Schleiflast ist, und daß die größere Schleiflast die größere Schleifrate liefert und daß die Verwendung der schwimmfähigen Unterlage für die höhere Schleifrate sorgt, die von der größeren Schleifbelastung veranlaßt wird.

Wie oben erläutert, ist es zur Erhöhung der Schleifrate bei dem Verfahren, das Schleifkörner enthaltendes magnetisches Fluid verwendet, wünschenswert, den Abstand zwischen dem oberen Teil des Magneten und dem Werkstück bzw. der schwimmfähigen Unterlage so klein wie möglich zu verringern, indem die Stellung der Antriebseinrichtung eingestellt wird. Der obere Teil des Magneten darf jedoch nicht unmittelbar mit dem Werkstück oder der schwimmfähigen Unterlage in Berührung treten.

Demgemäß ist es nicht einfach, diese Ausgangsbetriebsbedingung optimal und konstant bei wiederholten Operationen einzustellen.

Wenn weiterhin das Werkstück oder die Antriebseinrichtung im Zusammenhang mit dem fortschreitenden Schleifen weggeschliffen werden, wird der Zwischenraum zwischen dem Werkstück und dem Magneten größer, und hierdurch wird die Schleifbelastung allmählich geringer und liefert eine geringere Schleifrate. Demgemäß ist es erforderlich, häufig die Stellung der Antriebseinrichtung einzustellen, um das Vorgenannte zu verhindern, jedoch ist dies ziemlich mühsam.

Die in den Fig. 9, 10 und 11 als Beispiele dargestellten Vorrichtungen können derartige Unzulänglichkeiten überwinden. Sie können leichter die optimalen Ausgangsbedingungen beibehalten und die Schleifbelastung während des Schleifverfahrens automatisch konstant halten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung für das Schleifen eines Werkstücks mit einem Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluid, das in einen Behälter gefüllt ist, durch Eintauchen des Werkstücks in das magnetische Fluid, umfaßt:

1) einen oder mehrere Magnete, die unter dem Boden des Behälters angeordnet sind, um für das Fluid ein magnetisches Feld zu schaffen,
2) eine Einrichtung für den Antrieb des Werkstücks in dem magnetischen Fluid in einer Weise, daß das Werkstück zu der Bodenfläche des Behälters gehalten wird,
3) eine schwimmfähige Unterlage bzw. ein bewegliches Zwischenelement, das in das magnetische Fluid eingetaucht ist, um dadurch zwischen der schwimmfähigen Unterlage und dem Werkstück vorhandene Schleifkörner auf das Werkstück zu drücken, und
4) wobei der Behälter oder die Einrichtung für den Antrieb des Werkstücks in vertikaler Richtung verschiebbar gehalten und mit einer Einrichtung versehen sind, um zwischen der schwimmfähigen Unterlage und dem Werkstück eine konstante Belastung vorzusehen.

Fig. 9 zeigt einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung, bei der der Behälter in vertikaler Richtung verschiebbar ist.

Unter einer Antriebseinrichtung 6, die eine Antriebsoberfläche 6 a an dem unteren Abschnitt aufweist, ist ein Behälter 1 positioniert, der mit einem Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluid 2 gefüllt ist. Eine schwimmfähige Unterlage 5 ist in das magnetische Fluid 2 derart eingetaucht, daß sie das Werkstück 3 gegenüber dem unteren Abschnitt der Antriebseinrichtung 6 zu halten vermag. Der Behälter ist mit Magneten 4 an dem Boden versehen und auf einem Grundteil 8 A montiert, die in vertikaler Richtung längs Führungsstangen 81 verschiebbar ist, welche durch diese hindurchgeführt sind. Demgemäß kann der Behälter 1 zusammen mit dem Grundteil 8 A in vertikaler Richtung gleiten.

Der Behälter 1 ist auf dem Grundteil 8 A montiert, das an Seilen 83 abgehängt ist. Ein Gewicht 84 ist an jedem gegenüberliegenden Ende der Seile über Rollen 82 vorgesehen.

Wenn das Gesamtgewicht der Gewichte 84 dasselbe wie das Gesamtgewicht B der Magnete 4, des magnetischen Fluids 2, der schwimmfähigen Unterlage 5, des Behälters 1 und des Grundteils 8 A ist, herrscht Gleichgewicht. Unter der Annahme, daß jedoch das Gesamtgewicht der Gewichte 84 B +W beträgt, gleitet das Grundteil 8 A nach oben, und demgemäß werden der Behälter 1 und die Antriebseinrichtung 6 durch eine konstante Belastung W gegeneinander gedrückt, die gleich der gesamten Auftriebskraft der schwimmfähigen Unterlage 5 und der Belastung zwischen der schwimmfähigen Unterlage 5 und dem Werkstück ist, welche der Schleifbelastung an dem Werkstück 3 entspricht.

Die Vorrichtung weist einen Motor 13 für die Antriebseinrichtung 6, einen Rahmen 14 für das Halten der Antriebseinrichtung 6, eine Meßdose 15 für das Prüfen des Wertes von B +W und eine Hebelstütze 16 für den Behälter 1 auf.

Fig. 10 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung bei der die Antriebseinrichtung in vertikaler Richtung verschiebbar ist.

Die Antriebseinrichtung 6, die an dem unteren Abschnitt eine Antriebsoberfläche 6 A besitzt, ist an einem Grundteil 8 B montiert, welches in vertikaler Richtung längs Führungsstangen 81 verschiebbar ist, die durch das Grundteil 8 B hindurchtreten. Demgemäß ist die Antriebseinrichtung 6 in vertikaler Richtung zusammen mit dem Grundteil 8 B gleitend verschiebbar.

Das Grundteil 8 B, das die Antriebseinrichtung 6 hält, ist durch Seile 83 abgehängt und wird durch an den Enden der Seile angebrachte Gewichte 84 über dort installierte Rollen 82 gezogen.

Der Behälter 1 ist an dem unteren Abschnitt der Antriebseinrichtung 6 befestigt.

Wenn das Gesamtgewicht der Gewichte 84 dasselbe wie das Gesamtgewicht C der Antriebseinrichtung 6, des Motors 13 und des Grundteils 8 B usw. ist, herrscht Gleichgewicht. Wenn das Gesamtgewicht der Gewichte 84 geringer als C-W ist, gleitet das Grundteil 8 B nach unten, und demgemäß werden der Behälter 1 und die Antriebseinrichtung 6 durch eine konstante Kraft bzw. Belastung W gegeneinander gedrückt, die gleich der gesamten Auftriebskraft der schwimmfähigen Unterlage 5 und der Kraft bzw. Belastung zwischen der schwimmfähigen Unterlage 5 und dem Werkstück 3 ist, welche der Schleifkraft bzw. Schleifbelastung an dem Werkstück 3 entspricht.

Fig. 11 zeigt einen weiteren schematischen Aufbau einer Vorrichtung, bei dem der Behälter in vertikaler Richtung gleitend verschiebbar ist.

Der Behälter 1 und das Grundteil 8 B sind auf einem Flüssigkeits- bzw. Hydraulikheber 17 A montiert, mit dem ein weiterer Flüssigkeits- bzw. Hydraulikheber 17 B verbunden ist, der mit dem Gewicht 84 belastet ist.

Wenn das Gesamtgewicht B der Magnete 2, des magnetischen Fluids 3, der schwimmfähigen Unterlage 5, des Behälters 1 und des Grundteils 8 B, usw. dem Gewicht 84 entspricht, wie bei Fig. 9 erläutert, befinden sich beide im guten Gleichgewicht miteinander.

Wenn andererseits das Gewicht des Gewichts 84 größer als B +W ist, gleitet der Behälter 1 zusammen mit dem Grundteil 8 B nach oben, und sowohl der Behälter 1 als auch die Antriebseinrichtung 6 werden durch eine konstante Kraft bzw. Belastung W gegeneinander gedrückt.

Obgleich in den Fig. 9-11 Beispiele von Einrichtungen zur Lieferung einer konstanten Kraft bzw. Belastung zwischen der schwimmfähigen Unterlage und dem Werkstück dargestellt sind, können selbstverständlich auch verschiedene Arten von anderen Einrichtungen darin verwendet werden.

Beispielsweise kann das Gewicht durch Anwendung des Hebelprinzips anstelle der Rolle und des Seils, wie in Fig. 9 und 10 gezeigt, gehandhabt werden.

Andererseits kann ohne Installierung zweier Flüssigkeitsheber 17 B, wie in Fig. 11 gezeigt, der Flüssigkeits- bzw. Hydraulikheber 17 A mit Druckflüssigkeit durch eine Pumpe versorgt werden. Überdies kann auch ein mechanischer Heber anstelle des Flüssigkeitshebers 17 B nützlich sein. In diesen Fällen wird die vertikale Bewegung des Hebers stets durch dessen Überprüfung mit der Meßzelle 15 kontrolliert, um eine bestimmte Belastung auf dem Behälter 1 bzw. das Werkstück 3 hervorzubringen.

Die Fig. 9, 10 und 11 zeigen die Vorrichtung, bei der der Behälter eine zylindrische Form besitzt und sich die Antriebseinrichtung um die Achse (vertikale Achse in den Figuren) dreht, was geeignet ist für das Versteifen von kugelförmigen Werkstücken.

Die Antriebsoberfläche 6 A der Antriebseinrichtung 5 soll die Bewegung auf das von unten beaufschlagte kugelförmige Werkstück übertragen und dient auch als Feinschleifplatte (obenliegende Feinschleifplatte) für das Schleifen des kugelförmigen Werkstücks. Das kugelförmige Werkstück 3, das in das Schleifkörner enthaltende magnetische Fluid 2 getaucht ist, wird von dem magnetischen Feld für ein magnetisches Aufschwimmen und für ein Drücken auf die Antriebsoberfläche 6 A der darüber angeordneten Antriebseinrichtung beeinflußt.

Wenn die Antriebseinrichtung 6 zur Bewegung gebracht worden ist, wird die Bewegung auf die kugelförmigen Werkstücke 3 übertragen, und sie drehen sich in dem Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluid 2. Ihre Bewegung wird von der Innenfläche des Behälters 1 als Führungswand sowie von der Antriebsoberfläche 6 A der Antriebseinrichtung 6 kontrolliert.

Die schwimmfähige Unterlage 5 wird unter dem Werkstück 3 angeordnet, um das kugelförmige Werkstück 3 mehr auf die Antriebsoberfläche 6 A der Antriebseinrichtung 6 zu drücken und dient als Teil der Führungswand zur Kontrolle der Bewegung.

Selbst wenn die magnetische Auftriebskraft und die Dichtedifferenz zwischen dem magnetischen Fluid und dem Werkstück für das Schwimmen des Werkstücks nicht ausreicht, kann eine schwimmfähige bzw. schwimmende Unterlage mit größerer Auftriebskraft verwendet werden, um das Werkstück zu der Antriebsoberfläche 6 A zu drücken.

Es ist kein absolutes Erfordernis, daß die Dichte der schwimmfähigen Unterlage geringer ist als die des magnetischen Fluids, und es wird als ausreichend betrachtet, wenn deren magnetische Auftriebskraft durch das magnetische Feld aufgebracht wird, das von unten arbeitet.

Beispiel 3

Unter Verwendung der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung wurde der Zusammenhang zwischen der Schleifrate und der Konzentration von Schleifkörnern in dem magnetischen Fluid gemäß Beispiel 2 untersucht, wobei die Schleifbelastung bzw. Schleifkraft 2,5 N (Newton) und die Schleifzeit 5 Minuten betrug.

Fig. 15 veranschaulicht das Ergebnis, bei dem die Abszisse die Konzentration (Volumen-%) von Schleifkörnern und die Ordinate die Schleifrate (µm/min) darstellt. Es ist zu erkennen, daß die optimale Konzentration von Schleifkörnern in dem Bereich von 5-30%, insbesondere vorzugsweise in dem Bereich von 10±2% liegt.

Beispiel 4

Unter Verwendung der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung wurde der Zusammenhang zwischen der Schleifrate und der Partikelgröße der Schleifkörner gemäß Beispiel 2 untersucht, wobei die Schleifbelastung bzw. die Schleifkraft 2,5 N (Newton), die Zuführrate von Schleifkörnern 10% und Schleifzeit 5 Minuten betrug.

Fig. 16 veranschaulicht das Ergebnis, wobei die Abszisse die Partikelgröße (µm) von Schleifkörnern und die Ordinate die Schleifrate (µm/min) darstellt.

Es ist zu erkennen, daß die Schleifrate proportional zu der Partikelgröße der Schleifkörner erhöht wird, jedoch fast im Fließgleichgewicht bleibt, wenn die Partikelgröße über 40µm liegt.

Claims

1. Verfahren zum Schleifen eines Werkstücks, das in ein Schleifkörner enthaltendes magnetisches Fluid eingetaucht ist, welches in einen Behälter gefüllt ist, wobei dem magnetischen Fluid von der Außenseite des Behälters mit wenigstens einem Magneten ein magnetisches Feld aufgeprägt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine schwimmfähige Unterlage bzw. ein schwimmfähiges Zwischenelement in das magnetische Fluid in einer Lage nahe zu dem Werkstück eingetaucht wird, wobei der schwimmfähigen Unterlage durch das Magnetfeld eine Auftriebskraft verliehen wird, wodurch die zwischen der schwimmfähigen Unterlage und dem Werkstück vorhandenen Schleifkörner auf das Werkstück gedrückt werden, und daß zwischen dem Werkstück und dem Schleifkörner enthaltenden Fluid eine wechselseitige Bewegung vorgesehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wechselseitige Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluid in Form eines Hin- und Hergehens, eines Drehens oder eines Schwingens des Werkstücks vorgesehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wechselseitige Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluid in Form eines Hin- und Hergehens, eines Umdrehens oder eines Schwingens des magnetischen Fluids durch Ansteuerung des Magnetfeldes vorgesehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schwimmfähige Unterlage auf ihrer Oberfläche mit zahlreichen Nuten oder Hohlräumen versehen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schwimmfähige Unterlage mit zahlreichen Durchgangslöchern versehen ist, durch die Schleifkörner hindurchtreten.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Antrieb des Werkstücks eine Antriebseinrichtung verwendet wird, um eine wechselseitige Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluid vorzusehen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück zwischen der Antriebseinrichtung und der schwimmfähigen Unterlage angeordnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gruppe von nebeneinander angeordneten Magneten vorgesehen ist, bei denen deren anschließende Pole unterschiedliche Polarität zueinander aufweisen.

9. Vorrichtung zum Schleifen eines Werkstücks mit einem Schleifkörner enthaltenden magnetischen Fluid, das in einen Behälter gefüllt ist, durch Eintauchen des Werkstücks in das magnetische Fluid, gekennzeichnet durch

1) wenigstens einen Magneten (4), der für das Aufprägen eines magnetischen Feldes auf das Fluid (2) unterhalb des Bodens des Behälters (1) angeordnet ist,
2) eine Einrichtung (6, 13), durch die das Werkstück (3) in dem magnetischen Fluid (2) mit zu der Bodenfläche gehaltenem Werkstück antreibbar ist,
3) eine schwimmfähige Unterlage (5) bzw. Zwischenelement, das für das Aufdrücken von zwischen der schwimmfähigen Unterlage (5) und dem Werkstück (3) vorhandenen Schleifkörnern auf das Werkstück (3) in das magnetische Fluid (2) eingetaucht ist,
4) wobei der Behälter (1) oder die Antriebseinrichtung (6, 13) für das Werkstück (3) in vertikaler Richtung gleitend verschiebbar gehalten und mit einer Einrichtung (8 A, 8 B, 17 A, 17 B, 82, 83, 84) für das Liefern einer konstanten Belastung zwischen der schwimmfähigen Unterlage (5) und dem Werkstück (3) versehen ist.