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Dokumentenidentifikation DE102004055471B4 16.05.2007
Titel Vorrichtung zur Herstellung von kleinkalibrigen Kugeln, insbesondere für YIG-Elemente
Anmelder Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, 81671 München, DE
Erfinder Aigle, Michael, Dr., 85579 Neubiberg, DE;
Bornmann, Siegfried, Dr., 07743 Jena, DE
Vertreter Mitscherlich & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 80331 München
DE-Anmeldedatum 17.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004055471
Offenlegungstag 24.05.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse B24B 11/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B24B 19/22(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von kleinkalibriger Kugeln nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere zur Herstellung von kugelformigen YIG-Elementen, welche beispielsweise zur Verwendung in Mikrowellenbauelementen geeignet sind.

Derartige Mikrowellenbauelemente wie YIG-Bandpaßfilter oder YIG-Oszillatoren verfügen über zumindest ein YIG-Element, welches vorzugsweise kugelförmig ausgebildet und aus einem Yttrium-Eisen-Granat (Yttrium-Iron-Garnet YIG, häufig auch unter Beigabe von weiteren Elementen, insbesondere Gallium) hergestellt ist. Hierbei handelt es sich um ein monokristallines Ferrit, welches eine definierte, für die Zwecke des YIG-Filters geeignete Kristallstruktur aufweist.

Die Herstellung der Kugeln mit einer Endgröße von unter 1 mm erfolgt weitgehend mittels einer Rillenschleifmethode. Die Rohlinge müssen dazu aber vorgerundet sein. Rohlinge aus Metall, Plaste, Glas und polykristalliner Keramik werden durch thermische oder mit hohen Drücken arbeitende Formungsprozesse vorgeformt. Derart vorgerundete Rohlinge werden dann zu Kugeln geschliffen und geläppt, indem sie in Rillen zwischen zwei Platten, von denen wenigstens eine rotiert, bewegt werden.

Hochgenaue Kugeln erfordern präzise Rillen, welche der Kugelgröße angepaßt sein müssen. Um präzise Kugelformen zu erhalten, müssen Geschwindigkeit, Anpreßdruck, Füllmenge und Materialien aufwendig aufeinander abgestimmt werden. Vielfach müssen die Kugeln kontinuierlich aus der Rille entfernt und erneut zugeführt werden.

Der Prozeß des thermisch oder mechanisch verformenden Vorrundens ist im Falle vieler Materialien nicht möglich. Dazu zählen insbesondere die für die Mikrowellenanwendungen benötigten YIG-Kristalle und andere ferrimagnetische Granate sowie Hexaferrite. Diese verlieren unter thermischer Behandlung ihre monokristalline Struktur und brechen unter verformender mechanischer Belastung.

Der Prozeß des Kantenabtrags in zentrisch rotierenden Trommeln läuft sehr langsam ab, da sich nur geringe Kräfte ausbilden, die zum Materialabtrag beitragen. Eine Bewegung des Rohlings in der Trommel durch einen Luftstrom zur Erhöhung der Abtragsrate gemäß einem weiteren bekannten Verfahren ist prinzipiell möglich, führt aber zu nicht akzeptablen Kristallstörungen, so daß dieses Verfahren mit Erfolg nur auf einzelne Rohlinge anwendbar ist.

Die Druckschrift DE 38 02 701 A1 beschreibt eine Gleitschliffmaschine, bestehend aus einem Behälter zur Aufnahme von Schleifkörpern und Werkstücken sowie einer Trägervorrichtung für den Behälter und einem der Trägervorrichtung zugeordneten Antrieb zur Erzeugung von Relativbewegungen zwischen Schleifkörpern und Werkstücken, wobei der Arbeitsbehälter als separater Bestandteil der Maschine ausgebildet ist und mit der Trägervorrichtung lösbar verbunden ist.

Die Druckschrift JP 2000 042 890 A geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Fertigung einer Silikonkugel. Dabei werden Silikonwürfel in einen Aufnahmebehälter gegeben und auf eine sphärische Form abgerundet, indem ein Tisch mit abreibender Körnung an seiner Oberfläche sich dreht.

Aus der US 3,965,549 ist ein Verfahren zur Herstellung von festen, sphärischen Teilen bekannt, wobei von einer nichtsphärischen Form aus einem Material, welches eine Verformung dieser Form zulässt, ausgegangen wird. Das Verfahren erstreckt sich darauf, dass Füllgut bestehend aus diesen Formen zusammen mit flüssigem Kühlmittel in einem sich drehendem Fass purzelt, wobei die Flüssigkeit eine Verdampfungstemperatur unterhalb der Erweichungstemperatur des Materials der Form aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine Vorrichtung zur Herstellung kleinkalibriger Kugeln, insbesondere für YIG-Kugeln, zu schaffen, welche eine einfache und trotzdem hochgenaue Herstellung der Kugeln mit möglichst geringem Nachbearbeitungsbedarf ermöglicht.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Vorrichtung umfaßt dabei zumindest einen Schleiftopf, der auf einer Trägerplatte angeordnet ist, welche drehbar auf einer angetriebenen Grundplatte gelagert ist, sowie ein Gehäuse und eine Fixiereinrichtung, beispielsweise in Form eines Gestänges, welche die Trägerplatte mit dem Gehäuse so verbindet, daß der Winkelbereich, den der Orientierungswinkel der Trägerplatte gegenüber dem Gehäuse einnimmt, stark eingeengt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

2 eine schematische teilgeschnittene seitliche Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 1.

1 zeigt in einer schematischen, perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung 1 zur Herstellung kleinkalibriger Kugeln, insbesondere YIG-Kugeln für YIG-Filter, YIG-Oszillatoren und andere Mikrowellenbauelemente. Die Vorrichtung 1 umfaßt mehrere, im Ausführungsbeispiel vier, Schleiftöpfe 2, welche drehbar auf einer Trägerplatte 3 montiert sind. Die Trägerplatte 3 ist exzentrisch und ebenfalls drehbar auf einer Grundplatte 4 gelagert, welche gegenüber der Trägerplatte 3 ein Gegengewicht 5 zum Ausgleich der Masse der Trägerplatte 3 aufweist.

Die Grundplatte 4 ist mit einer Welle 6 verbunden, welche ihrerseits in einem Gehäuse 7 gelagert ist. In dem Gehäuse 7 ist, wie aus 2 im Schnitt ersichtlich, eine Antriebseinheit 8 untergebracht, beispielsweise ein Spindelmotor oder ein Rundschalttisch. Das Gehäuse 7 kann an der Welle 6 durch eine Dichtung 9 gegenüber der Umgebung abgedichtet sein.

Auf dem Gehäuse 7 ist eine Führung 10 angeordnet, welche ein Gestänge 11 führt, das mit der Trägerplatte 3 in Verbindung steht. Die Führung 10 ist drehbar auf dem Gehäuse 7 angeordnet und weist ein Gleitlager 12 auf, welches ein Verschieben des Gestänges 11 relativ zu der Führung 10 ermöglicht.

Die Grundplatte 4 wird im Ausführungsbeispiel durch die Welle 6 in Rotation versetzt. Die Drehbewegung der Trägerplatte 3 wird durch das an der Trägerplatte 3 fixierte Gestänge 11 geführt, wodurch für die Schleiftöpfe 2 exzentrische Bewegungsbahnen entstehen.

Durch die Bewegung der vorzugsweise zylindrischen, aus gebundenem Korn hergestellten Schleiftöpfe 2 auf geschlossenen, exzentrischen Bahnen werden würfelförmige Rohlinge, die sich im Inneren der Schleiftöpfe 2 befinden, zu Kugeln geformt. Durch den Einsatz von Schleiftöpfen 2 verschiedener Körnung kann die Oberflächengüte gezielt eingestellt werden.

Das Verfahren ist bevorzugt geeignet, die Bearbeitung von Rohlingen aus Yttrium-Eisen-Granat in relativ kurzer Zeit durchzuführen. Die Rohlinge können beispielsweise würfelförmig mit einer Kantenlänge im Bereich von 650 &mgr;m bis 450 &mgr;m sein und zu Kugeln mit einem Durchmesser von ca. 300 &mgr;m verarbeitet werden. Die Vorrichtung und das Verfahren sind jedoch nicht auf Würfel beschränkt, sondern auch für andere Formen anwendbar.

Weiterhin ist das Verfahren bis zu jeder gewünschten Endgröße der kleinkalibrigen Kugeln einsetzbar, lediglich die Bearbeitungszeit variiert dann. Der Zeitraum beträgt dabei vorteilhaft weniger als 80 Stunden. Die Endbearbeitung der Kugeln kann z.B. durch eine anschließende Feinpolitur auf planem Tuch und unter Einsatz von losem Korn, beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3) bei einer Korngröße von ca. 0,3 &mgr;m erfolgen, so daß sich die Kugeln zum Einsatz in Mikrowellenbauelementen eignen. Das Verfahren und die Vorrichtung sind dabei für Kugelgrößen bis etwa 0,3 mm Durchmesser geeignet.

Die Schleiftöpfe 2 bestehen vollständig aus gebundenem Schleifkorn, vorzugsweise Siliziumkarbid. Durch die exzentrische Bewegung der Schleiftöpfe 2 erfahren die in den Schleiftöpfen 2 befindlichen Rohlinge eine beschleunigende Kraft, deren eine Komponente senkrecht zu einem Mantel des den jeweiligen Schleiftopf 2 bildenden Zylinders steht, demnach eine Radialkomponente bildet, während die zweite Komponente tangential zum Zylindermantel gerichtet ist und demnach eine Tangentialkomponente bildet. Die Kraftkomponenten werden mit zunehmender Drehzahl und zunehmendem mittleren Bahnradius größer.

Aufgrund der Kraftkomponenten werden die Rohlinge an die Innenwandung der zylindrischen Schleiftöpfe 2 gedrückt bzw. an der Innenwandung entlanggeführt. Sie führen im Inneren des Schleiftopfs 2 kreisende Bewegungen entlang der Innenwandung aus. Ausreichender Anpreßdruck des zu schleifenden Rohlings an die Innenwandung des Schleiftopfs 2 und die Bewegung des zu schleifenden Rohlings relativ zum schleifenden Material des Schleiftopfs 2 sind notwendige Voraussetzungen für einen effektiven Schleifprozeß.

Durch sukzessive Anwendung mehrerer Schleiftöpfe 2 aus Schleifmaterial mit unterschiedlichen Körnungsgraden kann zunächst durch grobes Korn ein rascher Materialabtrag an den noch großen, kantigen Rohlingen erfolgen und in weiteren Bearbeitungsschritten die Korngröße verringert und dadurch die Oberflächengüte der Rohlinge schrittweise verbessert werden.

Die Bearbeitung ist dabei in Bezug auf die erzielbare Rundheit des Endproduktes tolerant gegenüber Veränderungen in der Zahl der gleichzeitig bearbeitbaren Rohlinge, der Drehzahl und des Schleifmaterials.


Anspruch[de]
Vorrichtung (1) zur Herstellung kleinkalibriger Kugeln, wobei die Vorrichtung (1) zumindest einen Schleiftopf (2), der auf einer Trägerplatte (3) angeordnet ist, welche drehbar auf einer angetriebenen Grundplatte (4) gelagert ist, sowie ein Gehäuse (7) umfasst,

dadurch gekennzeichnet,

dass zumindest ein Schleiftopf (2) drehbar und exzentrisch auf der Trägerplatte (3) angeordnet ist und

dass eine Fixiereinrichtung (11) vorgesehen ist, durch welche die Trägerplatte (3) gegenüber dem Gehäuse (7) ausgerichtet ist, in dem ein Gestänge (11) exzentrisch an der Trägerplatte (3) angreifend fixiert ist und das Gestänge (11) in einem Lager (12) beweglich geführt ist, wobei eine Führung (10), die drehbar auf dem Gehäuse (7) angebracht ist, das Lager (12) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (3) exzentrisch auf der Grundplatte (4) gelagert ist. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber der Trägerplatte (3) ein Gegengewicht (5) auf der Grundplatte (4) vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Schleiftöpfe (2) zwei oder mehr beträgt. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleiftöpfe (2) radial außen an der Trägerplatte (3) angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleiftöpfe (2) in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestänge (11) in einem Gleitlager (12) beweglich geführt ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (12) an einer Führung (10) ausgebildet ist. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung (10) an dem Gehäuse (7) der Vorrichtung (1) fixiert ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (7) eine Antriebseinheit (8) vorgesehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (8) in Form eines Spindelmotors oder eines Rundschalttisches ausgebildet ist. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (4) über eine Welle (6) durch die Antriebseinheit (8) antreibbar ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) an der Welle (6) gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleiftöpfe (2) zylindrisch geformt sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleiftöpfe (2) aus gebundenem Korn hergestellt sind. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleiftöpfe (2) aus Siliziumkarbid mit einem keramischen Binder hergestellt sind. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Körnung der Schleiftöpfe (2) unterschiedlich grob ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Vorrichtung (1) zu bearbeitenden Rohlinge aus einem Yttrium-Eisen-Granat, einem anderen ferrimagnetischen Granat oder Hexaferrit bestehen. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohlinge würfelförmig sind. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kantenlänge der Rohlinge ca. 650 &mgr;m beträgt. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der fertig bearbeiteten Kugeln ca. 300 &mgr;m beträgt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungszeit der Kugeln in der Vorrichtung (1) weniger als 80 Stunden beträgt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln stets auf einer beschleunigten Bahn frei abrollen und dadurch eine sehr genaue Kugelform erhalten.






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