AT358947B - Zerspanungswerkzeug, insbesondere schleifwerk- zeug, und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft ein Zerspanungswerkzeug, insbesondere ein Schleifwerkzeug, bei dem als Schleifkorn Kristalle aus Diamant und/oder kubischem Bornitrid vorgesehen sind. Die Erfindung befasst sich speziell mit der Verankerung der Kristalle am Werkzeug. 



   Zum Schleifen von harten oder verschleissfesten Werkstoffen, wie Metallen, Metall-KeramikWerkstoffen, Steinen, Keramiken, Füllstoff enthaltenden Polymeren und Elastomeren usw. verwendet man gewöhnlich metallgebundene Schleifwerkzeuge. Diese Werkzeuge enthalten einen Kern, an den hochfeste Kristalle, wie Diamantkristalle oder Kristalle aus kubischem Bornitrid, gebunden sind. 



  Die Kristalle werden normalerweise an den Kern durch Hartlöten oder Elektroplattierung gebunden, vgl. AT-PS Nr. 162120. Dabei ergeben sich zwischen den Kristallen Zwischenräume, in denen sich Schleifstaub festsetzen kann und die dazu beitragen, dass das Werkzeug glasig wird, verstopft und vorzeitig unbrauchbar wird. 



   Weiterhin werden während des Gebrauches Kristalle auf Grund ihrer hohen Festigkeit aus der Bindung herausgerissen, was sich nachteilig auf die   Leistungsfähigkeit   des Werkzeuges auswirkt
Bisher suchte man einen vorzeitigen Ausfall des Werkzeuges und das Herausreissen von Schleifkristallen aus der Bindung dadurch zu vermeiden, indem man die Hartlot- oder Elektroplattierschicht sehr dick machte. Bei einer dicken Einbettungsschicht besteht jedoch die Gefahr, dass beim Gebrauch des Werkzeuges das Einbettungsmaterial über die Kristalle geschmiert wird und das Werkzeug dadurch unbrauchbar wird. Ein Abrichten der Kristalle ist unzweckmässig, da diese Werkzeuge nur einen einschichtigen Verschleissbelag aufweisen. 



   Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, bei einem mit Diamantkristallen und/oder Kristallen aus kubischem Bornitrid bestückten Werkzeug ein vorzeitiges Versagen des Werkzeuges und ein Herausreissen der Kristalle aus der durch Hartlöten oder Elektroplattieren aufgebrachten Metallschicht dadurch zu verhindern, dass die Zwischenräume zwischen den in der Metallschicht verankerten Kristallen durch Aufbringen einer zweiten, die Bindung der Kristalle verstärkenden Deckschicht aus einem nichtmetallischen Material ausgefüllt werden. 



   Gemäss der Erfindung ist somit ein Zerspanungswerkzeug, insbesondere Schleifwerkzeug, bestehend aus einem Trägerkörper, einer Vielzahl von Diamantkristallen und/oder Kristallen des kubischen Bornitrids, die in einer auf den Trägerkörper aufgebrachten metallischen Schicht eingebettet, von dieser aber nicht gänzlich bedeckt oder umschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht den Raum, der sich zwischen den dem Trägerkörper benachbarten Teilen der Kristalle befindet, ausfüllt und dass eine die metallische Schicht bedeckende nichtmetallische Schicht in dem Zwischenraum zwischen den Kristallen in einem solchen Ausmass vorhanden ist, dass die dem Trägerkörper gegenüberliegenden Kristallenden freiliegen. 



   Die Verwendung von Kunstharz ist bei der Einbettung von Schleifmaterialkörnern zwar schon empfohlen worden (US-PS Nr.   3, 955, 324,   US-PS Nr. 3, 343, 932), jedoch nicht in Gestalt einer gesonderten Schicht oberhalb einer die Kristalle verankernden Metallschicht. 



   Im Rahmen der Erfindung kann die nichtmetallische Deckschicht insbesondere eine Harzschicht sein, die beispielsweise aus einem mit Füllstoff versetzten Epoxyharz hergestellt ist. 



   Die Erfindung wird nun näher an Hand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigen : Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines   Schleifwerkezeuges   nach der Erfindung, aus dem zur Verdeutlichung des Aufbaues ein Segment herausgebrochen ist, und Fig. 2 in vergrössertem Massstab einen die Bindungsschichten beim Werkzeug nach Fig. 1 zeigenden Ausschnitt. 



   Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform eines Schleifwerkzeuges --10-- nach der Erfindung hat die Form einer Schleifscheibe und besitzt einen zylindrischen Kern --12--, von dem ein Schaft - mit geringerem Durchmesser absteht. Der Kern --12-- und der Schaft --14-- bestehen aus Stahl oder Hartmetall. Zum Gebrauch des Werkzeuges wird der Schaft --14-- in ein durch einen Drehantrieb antreibbares Spannfutter eingesetzt und durch dieses festgehalten. 



   Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind rund um die Mantelfläche des Kerns -   Kristalle --16-- angeordnet.   Bei den Kristallen --16-- kann es sich um Diamantkristalle oder Kristalle aus kubischem Bornitrid handeln. Die Kristalle --16-- werden am Kern --12-- durch eine Schicht --18-- gehalten. Die Dicke der   Schicht --18-- beträgt   ungefähr 25% der Dicke der Kristalle --16--. Die Schicht --18-- kann in der weiter unten beschriebenen Weise durch Elektroplattiern oder Hartlöten hergestellt werden. Über der Schicht --18-- liegt eine die Kristalle 

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 -   umschliessende   nichtmetallische Deckschicht --20-- aus Füllstoff enthaltendem Epoxyharz oder Phenolharz oder einem ähnlichen Harz. 



   Das dargestellte Werkzeug --10-- ist ein zylindrisches Werkzeug, jedoch sind natürlich auch andere Werkzeugformen möglich, wie Formschleifscheiben, Stirnflächenschleifscheiben usw. 



   Das Werkzeug --10-- kann entweder unter Anwendung eines   Hartlötverfahrens   oder eines Elektroplattiervefahrens hergestellt werden. Bei Anwendung des Hartlötverfahrens wird der Kern -   zunächst   durch Entgasung im Vakuum oder mittels eines ähnlichen Reinigungsverfahrens gereinigt. Der Kern --12-- wird dann mit einer klebrigen Hartlot-Flussmittel-Paste beschichtet. 



   Auf die mit der Hartlot-Flussmittel-Paste beschichtete Oberfläche des Kerns werden dann die Schneidkristalle --16-- aufgestreut, um eine einzige Schicht von Kristallen zu bilden. Die klebrige Paste hält dabei die Kristalle auf dem Kern fest. Vorzugsweise verwendet man eine Paste aus einer Mischung von Borax und Wasser mit einem Nickel-Chrom-Hartlotpulver mit einer Teilchengrösse von 0,044 mm. 



   Die Kristalle können gegebenenfalls mit einer Metallschicht versehen sein. Mit 1 bis 1, 5 Gew.-% Nickel beschichtete Kristalle werden bevorzugt, wobei man den Nickelüberzug durch stromlose Abscheidung von Natriumhypophosphat (Nickel mit 5 bis 10% Phosphor), stromlose Abscheidung von Nickel-Phosphor und zusätzlich elektrolytische Abscheidung einer Deckschicht aus 13 bis 14 Gew.-% Ni-CO (Nickel mit 30 bis 45% Kobalt) aufbringt. Verfahren zum Aufbringen einer Metallschicht auf Kristalle sind bekannt, siehe beispielsweise die GB-PS Nr.   1, 154, 598.   



   Der mit Hartlotpaste und Kristallen beschichtete Kern wird dann in einem Ofen unter einer   Stickstoff- oder Wasserstoffatmosphäre   auf ungefähr   1050 C   für eine Zeitdauer von 2 bis 30 min erwärmt, um die Kristalle an den Kern zu löten. Die Erwärmungsdauer hängt von der Grösse und Geometrie des Werkzeuges ab. 



   Nach dem Hartlöten wird das Werkzeug gereinigt, wobei die durch das Flussmittel erzeugte Borschicht von der Oberfläche entfernt wird. Anschliessend wird das Werkzeug mit einem sehr feines Siliciumkarbid als Füllstoff enthaltenden, bei hohen Temperaturen beständigen Epoxyharz oder einem andern Harz beschichtet und das Harz in einem üblichen Härtungsofen ausgehärtet. 



   Schliesslich wird durch Abrichten der Oberfläche das überschüssige Harz entfernt, um die   Schleifkristalle   freizulegen. 



   Bei Anwendung des Elektroplattierverfahrens wird der Kern zunächst in einer elektrolytischen Reinigungslösung, insbesondere einer starken Alkalilösung, gereinigt. Nach der Reinigung wird der Kern mit einer dünnen Elektrolytkupferschicht versehen und in Wasser gespült, um überschüssige Kupfersalzlösung zu entfernen. 



   Der mit der Kupferschicht versehene Kern wird dann in ein von Diamantkristallen oder kubischem Bornitridkristallen gebildetes Kristallbett gebracht und in eine elektrolytische Nickelplattierungslösung getaucht. Unter Anwendung üblicher Elektroplattierungsbedingungen werden dann Kristalle an den Kern geheftet. Sobald die Kristalle am Kern haften, wird das Werkzeug aus dem Kristallbett und der Plattierungslösung entfernt und auf einheitliche Plattierung hin überprüft. Anschliessend wird dann eine weitere dünne Elektrolytkupferschicht aufgebracht, auf die dann in einem Vernickelungsbad unter Anwendung einer Stromdichte von ungefähr 0, 02 A/m' weiteres Metall aufplattiert wird, bis die Metallschicht eine Dicke von 25% der Kristallhöhe aufweist. 



   Auf die aufplattierten Kristalle wird dann in der bereits beschriebenen Weise eine Schicht aus Epoxyharz, Phenolharz oder einem ähnlichen Harz aufgebracht, die nach dem Härten abgerichtet wird, um die Schneidkristalle freizulegen. 



   Diamantkristalle können am Kern entweder nach dem Hartlötverfahren oder dem Elektroplattierverfahren befestigt werden. Kubische Bornitridkristalle werden jedoch vorzugsweise nach dem Elektroplattierverfahren am Kern befestigt, da kubische Bornitridkristalle beim Hartlötverfahren zum Aufschwimmen neigen, was für die Erzielung einer guten Verbindung zwischen Kern und Kristallen nicht förderlich ist. 



   Die nichtmetallische Verstärkungsschicht aus Füllstoff enthaltendem Epoxyharz oder Phenolharz ermöglicht in Kombination mit der Metallbindung eine nahezu vollständige Abnutzung der   Schleifkristalle,   ohne dass dabei die Bindung beeinträchtigt oder die Schleiffläche verstopft wird. 

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  Die metallische Bindungsschicht --18-- sorgt darüber hinaus für ausgezeichnete Wärmeableitung aus den Kristallen zum Kern und daher für die erwünschte Kühlung der Kristalle. Die Wärmeableitung beim Werkzeug nach der Erfindung ist weitaus besser als bei der herkömmlichen Harzbindung, in der verhältnismässig schlechte Wärmeableitung vorliegt. 



   Das Werkzeug nach der Erfindung zeichnet sich daher gegenüber den bekannten Werkzeugen in dreifacher Hinsicht aus. Durch die metallische Schicht werden die Kristalle fest am Werkzeugkern oder Träger verankert. Die die Zwischenräume zwischen den Kristallen ausfüllende nichtmetallische Deckschicht stützt jeden Kristall gegen Bruch ab und verhindert auch eine Verstopfung des Werkzeuges durch Schleifstaub. Beim Werkzeug nach der Erfindung können die Kristalle nur während des Gebrauches im Bereich der Arbeitsfläche brechen und dadurch für eine schneidhaltige Oberfläche beitragen, während die nichtmetallische Deckschicht an der Bruchstelle ausbricht, so dass ein vorzeitiges Abstumpfen der Schleiffläche verhindert wird.

   Obwohl im vorliegenden Falle nur zwei Harzzusammensetzungen für die nichtmetallische Deckschicht angegeben worden sind, können natürlich auch noch für die verstärkende Deckschicht andere nichtmetallische Zusammensetzungen verwendet werden, um die erfindungsgemässe optimale Leistungsfähigkeit des Zerspanwerkzeuges sicherzustellen. 



    PATENTANSPRÜCHE :    
1. Zerspanungswerkzeug, insbesondere Schleifwerkzeug, bestehend aus einem Trägerkörper, einer Vielzahl von Diamantkristallen und/oder Kristallen des kubischen Bornitrids, die in einer auf den Trägerkörper aufgebrachten metallischen Schicht eingebettet, von dieser aber nicht gänzlich bedeckt oder umschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (18) den Raum, der sich zwischen den dem Trägerkörper (12) benachbarten Teilen der Kristalle (16) befindet, ausfüllt und dass eine die metallische Schicht (18) bedeckende nichtmetallische Schicht (20) in dem Zwischenraum zwischen den Kristallen (16) in einem solchen Ausmass vorhanden ist, dass die dem Trägerkörper gegenüberliegenden Kristallenden freiliegen.

Claims (1)

1. 2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (18) im wesentlichen aus Nickel und/oder Kupfer besteht.

   3. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (18) eine Dicke von ungefähr 25% der Dicke der Kristalle aufweist.

   4. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle (16) einzeln mit 1 bis 1,5 Gew.-% Nickel beschichtet sind.

   5. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmetallische Schicht (20) aus einem Harz besteht.

   6. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein Füllstoff enthaltendes Epoxyharz ist.

   7. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein Phenolharz ist.

   8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmetallische Schicht (20) eine Harzschicht ist und eine freiliegende Oberfläche aufweist und dass die freiliegenden Enden der Kristalle (16) und die freiliegende Harzoberfläche zusammen eine freiliegende, zum Eingriff mit einem Werkstück bestimmte Werkzeugoberfläche bilden.

   9. Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifkristalle (16) um den Träger (12) herum in einer einzigen Schicht von Kristallen angeordnet sind.

   10. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schleifkristalle mittels einer metallischen Schicht auf einem Kern befestigt werden und auf diese metallische Bindeschicht eine die Zwischenräume zwischen den Kristallen ausfüllende nichtmetallische Schicht zur Erzielung einer verstärkten Abstützung der Kristalle aufgebracht wird.

   11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmetallische Schicht aus einer Harzzusammensetzung gebildet wird.