DE10113599A1

DE10113599A1 - Vorrichtung zur abrasiven Bearbeitung von Flächen von optischen Elementen

Info

Publication number: DE10113599A1
Application number: DE10113599A
Authority: DE
Inventors: Oliver Faehnle
Original assignee: Fisba Optik AG
Current assignee: Fisba Optik AG
Priority date: 2001-03-20
Filing date: 2001-03-20
Publication date: 2002-10-02
Also published as: WO2002074489A1; US20080119113A1; EP1409199B1; DE50208850D1; EP1409199A1; US20060141911A1

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur abrasiven Bearbeitung von Flächen von Elementen mit DOLLAR A - einem Werkzeug, das einen Einlass und einen Auslass aufweist, DOLLAR A - einer Zuführeinheit, die zu dem Einlass eine Flüssigkeit fördert, in der abrasive Mittel gelöst sind, und die aus dem Auslass austritt, und DOLLAR A - einer Positioniereinrichtung, die das Werkzeug über die zu bearbeitende Fläche führt und dabei derart positioniert, dass der Auslass der zu bearbeitenden Fläche gegenüberliegt, wobei die Fläche des durch die Begrenzungswände des Auslasses und die zu bearbeitende Fläche gebildeten Ringspaltes kleiner als die Querschnittsfläche des Einlasses ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur abra siven Bearbeitung von Flächen von Elementen und insbeson dere von optischen Elementen bzw. Werkstücken.

Stand der Technik

Zur abrasiven Bearbeitung von Flächen, wie sie beispiels weise für die Herstellung von optischen Elementen, wie Linsen, Prismen, planparallelen Platten etc., aber auch von Formen für das Gießen oder das Pressen optischer Ele mente erforderlich ist, sind die verschiedensten Verfah ren und Vorrichtungen bekannt. Bei vielen der bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen wird die zu bearbeitende Fläche mit kontaktierenden Werkzeugen, wie z. B. Teller- Schleifern, Kugelschleifern etc. zunächst einem Schleif vorgang sowie ggf. einem Feinschleifvorgang und anschlie ßend mit einem Polierwerkzeug einem Poliervorgang unter zogen. An Stelle von Schleifvorgängen ist es auch be kannt, die Flächen auf einer Drehbank mit einem geeigne ten Drehmeißel einem Drehvorgang zu unterziehen oder ein anderes spanabhebendes Verfahren anzuwenden. Die meisten Bearbeitungsvorgänge, bei denen vergleichsweise viel Ma terial abgetragen wird, erfordern zumindest dann, wenn optische Flächen hergestellt werden sollen, abschließend ein Polieren der Fläche. Das Polieren erfolgt nach dem Stand der Technik bei sphärischen Flächen großflächig mit einem Polierteller.

Probleme ergeben sich bei den herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen immer dann, wenn asphärische Flächen herge stellt werden sollen. Die Herstellung asphärischer Flä chen erfolgt nach dem Stand der Technik mit Werkzeugen wie Kugelschleifern, die einen mehr oder weniger punkt förmigen Eingriff mit der zu bearbeitenden Fläche haben und die längs einer Bahn über die zu bearbeitende Fläche geführt werden. Je nach Ausbildung des Werkzeugs wird die Fläche dabei geschliffen oder poliert. Aus Zeit- bzw. Kostengründen werden allerdings asphärische Flächen häu fig nur bahnförmig geschliffen; das Polieren erfolgt dann nicht bahnförmig, sondern großflächig. Insbesondere dann, wenn die Asphärizität vergleichsweise groß ist, wie dies beispielsweise bei progressiven Brillengläsern der Fall ist, ergibt sich durch das flächige Polieren ein mehr oder weniger großer Polierfehler, der durch entsprechende Fertigungsvorhalte bei den vorangehenden Bearbeitungsvor gängen kompensiert werden muss.

Weiterhin ist es bekannt, Flächen von Werkstücken und insbesondere von optischen Elementen mit Fluidstrahlen zu bearbeiten. Die hierfür vorgeschlagenen Vorrichtungen sind jedoch vergleichsweise aufwendig und erlauben auf Grund der mehr oder weniger punktförmigen Bearbeitung der Fläche dennoch keine schnelle Herstellung der Flächen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrich tung zur abrasiven Bearbeitung von Flächen und insbeson dere zum Schleifen und/oder Polieren von Flächen von op tischen Elementen anzugeben, die eine schnelle Bearbei tung der Flächen unabhängig von der Form der jeweils be arbeiteten Fläche erlaubt.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Pa tentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10. In den Ansprüchen 11 bis 14 sind mögliche Verwendungen der erfindungsgemä ßen Vorrichtung beansprucht.

Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zur abrasiven Bear beitung von Flächen und insbesondere zum Schleifen und/ oder Polieren von optischen Elementen ein Werkzeug auf, das einen Fluid-Einlass und einen Fluid-Auslass hat. Eine Zuführeinheit fördert zu dem Fluid-Einlass eine Flüssig keit, in der abrasive Mittel gelöst sind. Diese Flüssig keit strömt durch das Werkzeug zu einem Auslass, durch den sie aus dem Werkzeug austritt. Erfindungsgemäß wird dieses Werkzeug durch eine Positioniereinrichtung derart relativ zu der zu bearbeitenden Fläche positioniert, dass der Auslass, aus dem die Flüssigkeit austritt, der zu be arbeitenden Fläche insbesondere mit einem geringen Ab stand gegenüber liegt. Dabei ist entscheidend, dass die Fläche des durch die Begrenzungswände des Auslasses und durch die zu bearbeitende Fläche gebildeten Ringspaltes kleiner als die Querschnittsfläche des Einlasses ist.

Hierdurch tritt die Flüssigkeit, in der abrasive Mittel gelöst sind, mit einem wesentlich höheren Druck als dem Druck, mit dem sie in den Einlass einströmt, durch den Ringspalt radial zum Werkzeug aus. Durch die radial aus strömende Flüssigkeit erfolgt die Bearbeitung der Fläche des Werkstücks. Je nach der Art der in der Flüssigkeit gelösten abrasiven Mittel wird die Fläche im Bereich des Ringspaltes und damit linienförmig schleifend oder polie rend bearbeitet. Durch die linienförmige Bearbeitung wird die Bearbeitungszeit im Vergleich zu den bekannten Ver fahren bzw. Vorrichtungen, bei denen ein im wesentlichen punktförmiger Eingriff zwischen Werkzeug und Werkstück besteht, um Größenordnungen verkürzt.

Das Verhältnis des Drucks, mit dem die Flüssigkeit in das Werkzeug einströmt, zu dem Druck, mit dem die Flüssigkeit aus dem Ringspalt austritt, ist dabei umgekehrt proporti onal zum Verhältnis der Querschnittsfläche des Einlasses zur Querschnittsfläche des gebildeten Ringspaltes. Dies bedeutet, dass der "Bearbeitungsdruck" durch die Positio nierung des Werkzeugs relativ zum Werkstück - anders aus gedrückt durch die Einstellung der Höhe des Ringspaltes - eingestellt werden kann, ohne dass der Druck, mit dem die Zuführeinheit die Flüssigkeit fördert, geändert werden müsste.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist dabei, dass ein lassseitig mit vergleichsweise niedrigen Drücken gearbei tet werden kann: insbesondere kann die Zuführeinheit die Flüssigkeit mit einem Druck kleiner 20 bar, bevorzugt kleiner 5 bar, ggf. sogar nur mit Atmosphärendruck för dern. Für eine für den Bearbeitungsvorgang und die Bear beitungsgeschwindigkeit vorteilhafte Druckerhöhung ist es bevorzugt, wenn die Querschnittsfläche des Einlasses we nigstens um den Faktor fünf größer als die Querschnitts fläche des gebildeten Ringspaltes ist. Dabei ist es wei terhin bevorzugt, wenn die Höhe des gebildeten Ringspal tes kleiner als 3 mm ist und insbesondere etwa 1 mm be trägt.

In jedem Falle ist es von Vorteil, wenn die Positionier einrichtung eine Steuereinheit aufweist, die die Positio nierung des Werkzeuges entsprechend den Flächendaten der herzustellenden Fläche steuert. Bevorzugt ist es, wenn die Positionierung des Werkzeugen dabei so erfolgt, dass die Höhe des Ringspaltes während der Verschiebung längs der jeweiligen Bahnen konstant bleibt.

Die Positioniereinrichtung kann das Werkzeug prinzipiell längs beliebiger Bahnen relativ zum Werkstück, d. h. zu der zu bearbeitenden Fläche verschieben. Beispielsweise kann die Bahn eine mäanderförmige Bahn sein, wobei entwe der das Werkzeug oder das Werkstück oder beide bewegt werden.

Ferner kann eine gleichzeitige Verschiebung des Werkzeugs und des Elements, von dem eine Fläche bearbeitet werden soll, erfolgen. Im Falle rotationssymmetrischer Flächen oder nur geringfügig von der Rotationssymmetrie abwei chender Flächen ist es bevorzugt, wenn das Werkzeug längs Bahnen bewegt wird, die durch den Flächenscheitel verlau fen und gleichzeitig das Werkstück bzw. das zu bearbei tende Element von einer Dreheinheit um eine Achse gedreht wird, die insbesondere die Rotationsachse der herzustel lenden Fläche ist.

Um eine homogene Bearbeitung der Fläche längs des Ring spaltes zu erreichen, ist es ferner bevorzugt, wenn der Auslass einen kreisförmigen Querschnitt hat, und das Werkzeug zumindest im Bereich des Auslasses eine (kreis)- zylindrische Außenkontur aufweist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfin dung wird dadurch, dass die Querschnittsfläche des Ein lasses kleiner als die des Auslasses ist, erreicht, dass eine Bearbeitung der Fläche nur linienförmig (bzw. kreis ringförmig) im Bereich des Ringspaltes und nicht auch im Zentrum des Auslasses erfolgt.

Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Größe des Werkzeugs der Form der zu bearbeitenden Fläche angepasst ist:

Zur Bearbeitung von planen Flächen kann der Außendurch messer des Werkzeugs im Bereich des Auslasses in der Grö ßenordnung der halben Apertur des optischen Elements lie gen, so dass eine sehr schnelle Bearbeitung der Fläche bei größtmöglicher Homogenität des Bearbeitungsvorganges erreicht wird. Bei der Bearbeitung von gekrümmten Flächen liegt bevorzugt der Außendurchmesser des Werkzeugs in der Größenordnung des kleinsten Radius (kleinster Hauptkrümmungsradius) der Fläche; hierdurch wird sichergestellt, dass die Höhe des Ringspaltes über den gesamten gebilde ten Ringspalt praktisch konstant ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Bearbeiten be liebiger Flächen von Elementen bzw. Werkstücken einge setzt werden, die aus prinzipiell beliebigen Materialien bestehen können. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgrund der hohen Bearbeitungsgeschwindig keit zur Bearbeitung von Turbinenschaufeln aus Stahl ein gesetzt werden.

Besonders bevorzugt ist jedoch die Verwendung einer er findungsgemäßen Vorrichtung zum Schleifen und/oder Polie ren optischer Flächen. Die jeweiligen Elemente können da bei im Falle von Linsen, Prismen, planparallelen Platten etc. - d. h. direkt hergestellter optischer Elemente - aus Quarz, einem optischen Glas oder einem Kunststoffmaterial bestehen; sollen Formen für das Gießen und/oder Pressen etc. von optischen Elementen hergestellt werden, können die Elemente auch aus einem Metall, wie Stahl, oder einem keramischen Material bestehen.

Da die Art des Abtrags im wesentlichen nicht von der Aus bildung des Werkzeugs, sondern von der Art der eingesetz ten Flüssigkeit bzw. des (der) in der Flüssigkeit gelös ten abrasiven Mittels (Mittel) abhängt, kann ein- und dieselbe Vorrichtung nacheinander zum Schleifen, gegebe nenfalls Feinschleifen und abschließend zum Polieren ei nes Elements bzw. Werkstücks in ein- und derselben Aufspannung eingesetzt werden. Der Wechsel zwischen den ein zelnen Bearbeitungsarten bedingt dann lediglich einen Austausch bzw. Wechsel des jeweils verwendeten Bearbei tungsfluids.

In jedem Falle ist es jedoch besonders bevorzugt, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung von asphärischen Flächen eingesetzt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla risch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfin dungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Bear beitung einer planen Fläche,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Bear beitung einer gekrümmten und insbesondere asphärischen Fläche.

Darstellung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, von der lediglich das Werkzeug 1 dargestellt ist, bei der Bear beitung einer planen Fläche 21 eines Werkstücks 2, das ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine planparallele Platte ist. Das Werkzeug 1 weist einen Einlass 11 und ei nen Auslass 12 auf, dessen Querschnittsfläche größer ist als die des Einlasses 11. Eine nicht dargestellte Zuführ einheit fördert eine Flüssigkeit, in der abrasive Mittel, wie Schleifmittel oder Poliermittel gelöst sind, in den Einlass 11 des Werkzeugs 1. Das Werkzeug 1 wird von einer nicht dargestellten Positioniereinheit derart relativ zum Werkstück 2 positioniert, dass zwischen den Begrenzungs wänden 13 des Auslasses 12 und der Fläche 21 ein Ring spalt 3 gebildet wird, dessen Querschnittsfläche kleiner und bevorzugt wesentlich kleiner als die Querschnittsflä che des Einlasses 11 ist. Hierdurch wird der Druck, mit dem die Flüssigkeit aus dem Ringspalt 3 austritt, um das Verhältnis der Querschnittsflächen des Einlasses 11 und des Ringspaltes 3 erhöht. Der für die Bearbeitung der Werkstück-Oberfläche 21 wirksame Druck ist damit wesent lich größer als der Förderdruck.

Die nicht dargestellte Positioniereinrichtung verschiebt das Werkzeug 1 parallel zur Oberfläche des Werkstücks 2, während eine ebenfalls nicht dargestellte Dreheinheit das Werkstück 2 um eine Achse 22 dreht, so dass der linien förmige Eingriff längs des Ringspaltes 3 so über das Werkstück 2 verschoben wird, dass die gesamte Fläche 21 gleichmäßig bearbeitet, beispielsweise poliert wird.

Der Durchmesser des Werkzeugs 1 liegt in der Größenord nung des Radius des Werkstücks 2.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Bearbeitung einer gekrümmten und insbesondere asphäri schen Fläche 21' eines Werkstücks 2. Gleiche Teile sind dabei mit den selben Bezugszeichen versehen, so dass auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird. Der Durchmesser des Werkzeugs 1 liegt in der Größenordnung des kleinsten Radius der asphärischen Fläche 21'. Die ebenfalls nicht dargestellte Positioniereinheit verschiebt das Werkzeug 1 längs Bahnen, die durch den Scheitel der Fläche 21' ver laufen. Gleichzeitig wird das Werkstück 2 um eine durch den Scheitel verlaufende Rotationsachse 22 gedreht.

Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge dankens beschrieben worden.

Claims

1. Vorrichtung zur abrasiven Bearbeitung von Flächen von Elementen mit
einem Werkzeug, das einen Einlass und einen Auslass aufweist,
einer Zuführeinheit, die zu dem Einlass eine Flüssigkeit fördert, in der abrasive Mittel ge löst sind, und die aus dem Auslass austritt,
und
einer Positioniereinrichtung, die das Werkzeug über die zu bearbeitende Fläche führt und dabei derart positioniert, dass der Auslass der zu bearbeitenden Fläche gegenüber liegt, wobei die Fläche des durch die Begrenzungswände des Aus lasses und die zu bearbeitende Fläche gebilde ten Ringspaltes kleiner als die Querschnitts fläche des Einlasses ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Einlasses wenigstens um den Faktor fünf größer als die Querschnittsfläche des gebildeten Ringspal tes ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des gebildeten Ringspaltes kleiner als 3 mm ist und bevorzugt etwa 1 mm beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dreheinheit vorge sehen ist, die das zu bearbeitende Element um eine Achse dreht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass einen kreisförmigen Querschnitt hat, und dass das Werkzeug zumindest im Bereich des Auslasses eine zylindrische Außenkontur aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Einlasses kleiner als die des Auslasses ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinheit die Flüssigkeit mit einem Druck kleiner 20 bar, bevor zugt kleiner 5 bar fördert.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bearbeitung von planen Flächen der Außendurchmesser des Werkzeugs im Bereich des Auslasses in der Größenordnung der hal ben Apertur des optischen Elements liegt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bearbeitung von gekrümmten Flächen der Außendurchmesser des Werk zeugs in der Größenordnung des kleinsten Radius der Fläche liegt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrich tung eine Steuereinheit aufweist, die die Positio nierung des Werkzeuges entsprechend den Flächendaten der herzustellenden Fläche steuert.

11. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 10 zum Schleifen optischer Flächen.

12. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 10 zum Polieren optischer Flächen.

13. Verwendung einer einzigen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zunächst zum Schleifen und an schließend zum Polieren einer optischen Fläche.

14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 10 zur Bearbeitung von asphärischen Flä chen.