Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung extrem harter Werkstoffe

B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung extrem harter Werkstoffe, insbesondere für das Schleifen polykristalliner Diamanten (PKD) .

Polykristalliner Diamant (PKD) ist ein extrem harter

Werkstoff, der synthetisch hergestellt aus einer miteinander verwachsenen Masse von Diamantpartikeln in einer Metall-Matrix besteht. Die Verwendung dieses Werkstoffs liegt aufgrund seiner extremen Härte im Bereich des Schneidens und Spanens für eine Vielzahl von Werkstoffen, so auch als Besatz von Bohrköp ^¬ fen. Weitere vom erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitbare Werkstoffe sind zum Beispiel monokristalliner Diamant (MKD ) CVD-Diamant sowie im CVD-Verfahren hergestellte Diamanten, Schmuck-Diamanten und polykristallines Bornidrit (PKB) .

Das Bearbeiten von Diamant, beispielsweise das Schleifen von PKDs, erfolgt aufgrund dessen Härte ebenfalls mit Diamant in Form von Diamantpulver enthaltenden Emulsionen.

Es handelt sich hierbei um ein sehr zeitaufwendiges Verfahren, bei dem eine große Menge an Diamantschleifmittel eingesetzt werden muß .

Der Stand der Technik kennt eine Vielzahl stark voneinander abweichender Lösungen für diese technische Herausforderung. So offenbart die DE 100 39 724 C2 ein Verfahren zur Glättung einer synthetisch hergestellten DiamantSchicht, bei der der Diamant einer Relativbewegung eines Glättungsmittels ausgesetzt wird. Hierfür wird ein auf eine Temperatur zwischen 600 und 900 ⁰ C erhitztes Kupferoxid vorgeschlagen. Es handelt sich demnach um eine thermochemische Glättung, die mittels ei- enr Oxidation der Diamantschicht wirkt. Ziel ist hierbei primär die Beschleunigung des Verfahrens.

Nachteilig ist allerdings der immense Energiebedarf dieses Verfahrens, welches weiterhin keine wirklich schnelle Glättung ermöglicht.

Die DE 695 08 679 T2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Diamantwafers sowie eine Vorrichtung zum Polieren der Diamantoberfläche, die auf mechanische Weise Diamantpulver als Schleifmittel einsetzt, welches unter eigenem Abrieb den Wafer poliert. Hierbei wird allerdings eingeräumt, dass hunderte von Stunden dauert, um die gewünschte glatte O- berflache zu erzielen. Die Schrift offenbart hierbei lediglich konstruktive Merkmale, die eine vollständige und gleichmäßige Bearbeitung gewährleisten sollen.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, Diamantschleifvorrichtungen zu nutzen, in die Diamantabrasivmit- tel zum Schleifen und Polieren in unterschiedlichen Bindemitteln eingebettet sind. Solche Diamantschleifscheiben können unter anderem eine metallische oder eine keramische Bindung der Diamantabrasivmittel aufweisen, wie beispielsweise offenbart in der US 4,142,869.

Hierbei ist problematisch, dass die Qualität und Geschwindigkeit des Schleif- bzw. des Polierprozesses von einer Vielzahl von Parametern abhängig ist, die einen aufwendigen Betrieb bei hohen Grundkosten und schwankendem Ergebnis verursachen. Die Diamantabrasivmittel sind Abnutzung unterworfen wie auch das Bindemittel, welches nicht elektrolysiert werden darf.

Ist die zu bearbeitende Oberfläche eine Diamantfläche, so befindet sich auf dessen Oberfläche ein deutlich höherer Diamantgehalt als in der Schleifvorrichtung, beispielsweise einer Diamantschleifscheibe, was zu einer schnellen Abschwächung des Schleifeffekts und somit niedrigen Geschwindig- keiten führt. Es ist beispielsweise bekannt, PKDs auf Schleifbzw. Poliermaschinen mit einer Gußscheibe mit grober Diamantkörnung zu bearbeiten, wobei eine Laufzeit von 10 - 15 Stunden benötigt wird, um einen Abtrag von 0,8 mm zu erreichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es vor diesem

Hintergrund, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines extrem harten Werkstoffs, insbesondere für das Schleifen polykristalliner Diamanten (PKD) , zu schaffen, welches einen deutlich schnelleren Abtrag bei gleichmäßi- gern Abtrag ermöglicht.

Erreicht wird dies durch ein neues Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 10 beschreiben vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens nach An- spruch 1.

Erreicht wird dies ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 gemäß Anspruch 11, wobei die Unteransprüche 12 bis 14 vorteilhafte Bauformen dieser Vorrichtung betreffen.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus einer Kombination aus Schleifen mit gebundenem Korn und Läppen mit losem Korn in einem definierten Drehzahlbereich und mit einem definierten Andruckbereich des Werkstücks bzw. der Werkstücke.

Hierfür wird Diamant- oder CBN-Pulver während der Bearbeitung auf die Schleifscheibe aufgegeben, wobei dieser Vorgang manuell oder durch eine technische Lösung automatisiert durchgeführt werden kann.

Dieses Verfahren nutzt die gebundene Diamantscheibe als Träger für das lose Korn des Diamantpulvers. Es wird hierbei explizit nicht mit einem Diamantkorn in Emulsion gearbeitet. Das lose Diamantkorn führt dazu, daß einerseits die Schleifscheibe ständig abgerichtet wird und somit nicht stumpf wird, andererseits das lose Diamantkorn zusätzlich mit schneidet und den SchleifVorgang beschleunigt. Der Abtrag wird hierbei in etwa zu 80% durch loses Diamantkorn und zu 20% durch das in der Schleifscheibe gebundene Diamantkorn erreicht.

Wesentlich für die verbesserten Abtragswerte ist das Zusammenwirken der Porosität der Scheibenoberfläche mit dem Diamantkörn im Diamantpulver. Die je nach verwendeter Bindung, beispielsweise keramischer oder metallischer, variierende Po- rosität der Schleifscheibe dient dem Halt des Diamtpulvers auf der Scheibe und erhöht so die Reibung und den Abtrag am Werkstück. Es besteht somit eine Abhängigkeit zwischen der Korngröße des verwendeten Diamantpulvers und der Porosität, die bei der Auswahl der zu kombinierenden Komponenten zu berück- sichtigen ist.

Bei Ausbleiben der Diamantpulverzugabe wird das die Effizienz anzeigende Schleifgeräusch nach ca. 5 Minuten deutlich leiser, da durch das Werkstück, beispielsweise den poly- kristallinen Diamanten, das Schleifkorn abgestumpft wird und somit kein signifikanter Abtrag mehr erfolgen kann. Somit ist

eine kontinuierliche oder regelmäßig zyklische Zugabe des losen Diamantpulvers erforderlich, um einen gleichbleibend hohen Wirkungsgrad zu erreichen.

Die Veränderung der Geräusche des Schleifvorgangs kann hierbei zur Regelung der Zugabe an Diamantpulver auf die Schleifscheibe genutzt werden mittels AE-Sensoren. Ein weiterer möglicher Regelparameter ist die Leistungsaufnahme des Antriebs der Schleifscheibe.

Ein weiterer wesentlicher technischer Aspekt ist die Erhöhung der Standarddrehzahl auf eine Schnittgeschwindigkeit von 2 bis 15 m/sec. Diese Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit bewirkt eine deutliche Verbesserung der Schleifgeschwindig- keit, wobei diese nicht beliebig durch eine Erhöhung der Drehzahl steigerbar ist. Vielmehr bewegt sich die ideale Schnittgeschwindigkeit im Bereich von ca. 5 m/sec.

Die grundsätzliche Drehzahlerhöhung führt zu einer Verdopplung des Abtrages. Als Zuschlag sollte hierbei nur reines Wasser verwendet werden, da sonst die Griffigkeit der Schleifscheibe verloren geht und die Poren mit Schmiermittel getränkt sind.

Es ist grundsätzlich zu berücksichtigen, daß neben den beispielhaft genannten Schleifscheiben, bzw. der genannten Körnung, andere Varianten auch möglich sein können, um vorteilhafte Abtragswerte zu erreichen, die auf der Lehre der Erfindung basieren.

Die Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens weist als Merkmale zum einen eine Diamant-Schleifscheibe auf, die mit bis 15 m/sec rotiert, um so die Beschleunigung des Abtrags zu erreichen. Eine besonders vorteilhafte Schnittgeschwindig- keit liegt bei etwa 5 m/sec.

Desweiteren weist die Vorrichtung einen Werkstückhalter zur Aufnahme mehrerer zu bearbeitender Werkstücke auf sowie eine Zufuhrvorrichtung zur Aufgabe des Diamantpulvers, da dieses ja über den gesamten Schleifprozeß zugegeben werden muß .

Eine vorteilhafte Bauform sieht hierbei eine Zufuhrvorrichtung für das Diamantpulver vor, die zyklisch arbeitet in einer Taktung von einer Aufgabe alle 3 Minuten. Die zykli- sehe Aufgabe hat sich hierbei als vorteilhaft gegenüber einem stetig kontinuierlichen Zugabestrom herausgestellt.

Eine Diamant-Schleifscheibe mit einer Diamantkörnung zwischen D46 und DlOOl hat sich ebenfalls als zweckmäßig erge- ben, da diese Körnung ein gutes Zusammenwirken mit dem losen Korn des Diamantpulvers gezeigt hat.

Desweiteren ist von Vorteil, einer Zufuhrvorrichtung zur automatisierten Zufuhr von Wasser auf die Diamant- Schleifscheibe vorzusehen. Die Zugabe des Wassers bewirkt eine Mobilisierung und Aktivierung des losen Korns des Diamantpulvers unter gleichzeitiger Vermeidung des Zusetzens der Poren in der Schleifscheibe. So kann eine unerwünschte Sättigung der Schleifscheibe vermieden werden.

Schließlich ist es zweckmäßig, einen definierten Andruck der Werkstücke auf die Schleifscheibe durch eine hydraulische oder pneumatische Andruck-Vorrichtung über den Werkstückhalter aufzubringen. So kann der Andruck exakt einge- stellt werden, um eine optimale Abtragseffizienz in Abhängigkeit des zu bearbeitenden Werkstücks sowie der weiteres Schleifparameter zu erreichen.