Schleifwerkzeug und Verfahren zu dessen Herstellung Die Erfindung betrifft eire Schleifwerkzeug und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Das erfindungsgemässe Schleifwerkzeug ist da durch gekennzeichnet, dass der Kopf an einem End- teil eines länglichen keramischen Schaftes von kleine rem Durchmesser angesintert oder -geschmolzen ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines solchen Schleifwerkzeuges ist dadurch gekenn zeichnet, dass man einen länglichen Schaft aus Ke ramikmaterial bildet, eine ringförmige Masse von keramischem Material um einen Endteil des Schaftes verdichtet zur Bildung eines zylindrischen Kopfes und das Ganze bei einer Temperatur brennt, die unter halb der Erweichungstemperatur des Schaftes liegt, um den Kopf am Schaft anzusintern oder anzu- schmelzen.
Die Erfindung wird nun anhand beiliegender Zeichnung beispielsweise beschrieben.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Aus führungsbeispieles des Schleifwerkzeuges, und Fig. 2 ist ein Längsschnitt eines Abschnittes des in Fig. 1 gezeigten Schleifwerkzeuges.
Das dargestellte Schleifwerkzeug hat einen zylin drischen Kopf 1, der den Wirkteil bildet und den Endteil eines Schaftes 2 von kleinerem Durchmesser umgibt. Sowohl der Kopf wie auch der Schaft be stehen aus keramischem Material und sind zusam mengesintert oder -geschmolzen zur Bildung einer monolytischen oder einheitlichen Struktur. Ein bei spielsweises Verfahren zur Herstellung des Schleif- werkzeuges wird nachfolgend, beschrieben.
Zwischen dem Kopf und dem Schaft ist kein besonderes Bindemittel ( Cement ) vorhanden, so mit kann der Schaft einen Durchmesser haben, der nur wenig kleiner ist als derjenige des Kopfes, zwecks Erzielung einer möglichst grossen Steifheit. Dem Um stand, dass das Keramikmaterial von sich aus ein sehr hohes Elastizitätsmodul hat, ist es zu verdanken, dass der Schaft eine grosse Steifheit hat, und zwar eine viel grössere als diejenige, die mit einem Schaft aus Metall erreichbar wäre; der Elastizitätsmodul beträgt nämlich mehr als 45 - los.
Das bevorzugte Keramikmaterial für das Schleif werkzeug ist ein Basismaterial, welches mindestens 85 Gew. % von Aluminiumoxyd enthält. Vorzugsweise soll der Werkzeugkopf eine grobkörnige poröse Struk tur haben und soll der Schaft eine dichtere, nicht poröse, feinkörnige Struktur haben, somit eine grö ssere Festigkeit und ein höherer Elastizitätsmodul. Dies kann erreicht werden durch einleitendes Formen und Brennen des Schaftes aus tonerdehaltigem Aus gangsmaterial, welches optimale Schafteigenschaften ergibt, dann Einsetzen eines Endes des Schaftes in einen geformten,
aber noch ungebrannten Ring, der aus verhältnismässig grobkörnigem, tonerdehaltigem Ausgangsmaterial geformt wurde, und schlussend- liehes Brennen des Ganzen. Während des Brennens wird der verhältnismässig grobkörnige Ring gesintert, damit er seine gewünschte Endstruktur erhält und zu gleich eine starke, gesinterte oder geschmolzene Ver bindung mit dem inliegenden Schaftteil ergibt.
So erhält man ein einheitliches keramisches Schleifwerk zeug, bei dem sowohl der Schaft wie auch der Kopf sehr erwünschte physikalische Eigenschaften haben. Das bevorzugte Keramikmaterial für den Schaft enthält mindestens 85 Gew.% von Aluminiumoxyd und ausserdem in üblicher Weise Kornwachstums- inhibitoren oder Flurmittel wie Silizium- und Erd- alkalimetalloxyde. Solche Keramikmaterialien bestehen nach dem Brennen auf Sintertemperatur aus einer
dichten Masse von Tonerdekristallen, die direkt oder über eine beim Brennen in situ gebildete dünne Zwischengitterlage miteinander verbunden sind, und sie haben eine sehr grosse Festigkeit und andere er wünschte physikalische Eigenschaften. Keramikmate rialien, die praktisch ausschliesslich aus Tonerde be stehen, und solche, die einen kleinen Zusatz eines Mineralisators oder Kornwachstumgsinhibitors wie etwa Magnesiumoxyd enthalten, sind auch gute Schaftmaterialien.
Die Keramikmaterialzusammensetzung für den porösen Kopf des Werkzeuges kann eine solche sein, wie sie üblicherweise für Schleifwerkzeuge verwendet wird. Beispielsweise kann sie zu<B>100%</B> aus gesinter tem Aluminiumoxyd oder glasgebundenem Alu miniumoxyd bestehen, wobei die Korngrösse des Alu miniumoxyds so gewählt ist, dass sich die gewünsch ten Schleifeigenschaften ergeben. Im allgemeinen wird eine verhältnismässig grobkörnige, poröse Struktur bevorzugt. Für die Herstellung eines glasgebundenen Aluminiumoxydkopfes kann das Ausgangsmaterial aus körnigem Aluminiumoxyd bestehen wie z. B.
aus Borolonit oder tafelförmigem Korund, und einer kleinen Menge von pulverförmigem Glas. In einem anderen Fall kann das Ausgangsmaterial nebst Alu miniumoxyd noch geringe Mengen von Flussmitteln enthalten, damit das Glas während des Brennens in situ gebildet wird.
Es können aber auch andere keramische Schleifstoffe als Aluminiumoxyd Anwen dung finden. Wenn die Werkzeuge nach dem bevor zugten Verfahren hergestellt werden, bei welchem der den Kopf bildende Ring auf einem vorgebrannten Schaft aufgebrannt wird, weil die Brenntemperatur für den Kopf geringer sein muss als jene, die ein Erweichen des Schaftes hervorrufen würde, so ist die Zusammensetzung des für den Kopf gewählten Materials unter Berücksichtigung dieses Faktors zu wählen.
Zum Formen des Schaftes und des Kopfes kann irgendeines der Verfahren angewendet werden, die im Keramikgewerbe üblicherweise Anwendung finden. Beispielsweise kann der Schaft durch isostatisches oder anderes Formen oder durch Extrudieren gebildet werden, wobei im letzteren Fall das Keramikaus gangsmaterial zu einem Strang extrudiert wird, der dann in Abschnitte der gewünschten Länge unter teilt wird, welche Abschnitte dann geplant werden. Der Kopf kann in einer Stahlmatrize kaltgepresst oder er kann durch die vorerwähnte sogenannte iso- statische Formtechnik gebildet werden.
Bei der letz teren wird bekanntlich eine kleine Menge eines or ganischen Bindemittels wie etwa Wachs dem Aus gangsmaterial zugegeben, und die Masse wird dann in Gummiformen isostatisch geformt zur Bildung von Rohlingen, welch letztere anschliessend gebrannt wer den zum Ausbrennen des Wachses und Sintern des Keramikmaterials. Bei der bevorzugten Verfahrens- weise wird ein vorgebrannter Schaft in den ringför migen, wachsgebundenen Rohling des Kopfes einge setzt, bevor das schlussendliche Brennen vorgenom men wird. <I>Beispiel</I> Das nachfolgende spezifische Beispiel erläutert das erfindungsgemässe Verfahren.
Eine Ausgangs masse, die zu 99,8 Gew. % aus Aluminiumoxyd (tafel förmigem Korund) und etwa 0,2 rn Magnesiumoxyd besteht, wird in der Kugelmühle behandelt zur Bil dung einer innigen Mischung, wobei schliesslich die Korngrösse der Tonerde kleiner sein soll als etwa 10 Mikron und für 90 % geringer als 5 Mikron. Es wird dann eine geringe Menge, etwa 3 GewA von Paraffinwachs als Bindemittel dem Ausgangsmaterial innig zugemischt, und zwar durch Zugabe einer Emulsion des Wachses in Wasser und anschliessendes Trocknen.
Die wachshaltige Masse wird dann in Gummiformen isostatisch geformt zur Bildung von kleinen Stangen. Sowohl die Länge als auch der Durchmesser dieser Stangen wurden etwas grösser gehalten als die entsprechenden Dimensionen des Stückes im Endzustand, zwecks Berücksichtigung des Schrumpfens während des nachfolgenden Bren nens. Nach dem Formen wurden die Stangen während 24 Stunden bei l650 C gebrannt, zwecks Austreibens des Wachses und Sinterns des Keramikmaterials zu einem dichten, ausserordentlich harten Teil. Die ge sinterten Stangen haben ein Elastizitätsmodul von etwa 50 - 106.
Zur Bildung des Werkzeugkopfes wird eine Aus gangsmasse gebildet durch inniges Mischen von 34 g Aluminiumoxyd (Borolonitkörner) mit<B> 100</B> mesh - Körnung, 6 g von pulverisiertem Borsilikatglas mit einer -325 mesh -Körnung (Glaszusammensetzung in Gew.%: 65 % Si02, 23 % B203, 5 % A1.,03, 7 % Na20) und 4 g Naphthalin, die in 10 cm3 Chloräthan auf gelöst sind.
Nach dem Zusammenmischen wurde dem Chloräthan erlaubt, sich zu verflüchtigen, und es wurden 2,4 g Carboxymethylzellulose-Bindemittel, in Wasser aufgelöst der Masse beigemischt und an schliessend dem Wasser erlaubt, sich zu verflüchtigen. Die Aufgabe des Naphthalins bestand darin, einen Füllstoff zu bilden, der während des nachträglichen Trennens ausgebrannt wird und dadurch eine poröse Struktur zurücklässt.
Ein Teil dieser Masse wurde dann in die zylin drische Öffnung einer Stahlmatrize gegeben, in wel cher das Ende einer wie oben beschrieben erhal tenen keramischen Stange konzentrisch eingesetzt war. Mit Hilfe eines um den Endteil der Keramik stange angeordneten ringförmigen Stempels wurde dann ein Druck von etwa 700 kg/cm2 ausgeübt zum Umformen der Kopfmasse zu einem organisch gebun denen, eigenständigen, gleichmässig gepressten Ring, der den Endteil der Stange dicht umgibt.
Das Ganze wurde dann. aus der Stahlmatrize herausgenommen und bei einer Temperatur von 900 C (welche Temperatur in 30 Min. erreicht wurde) gebrannt zum Ausbrennen des Naphthalins und des Carboxymethylzellulose- Bindemittels und zum Sintern des Ringes, der da durch in einen harten, zähen, porösen Zustand über geht. Während des Brennens sinterte (oder schmolz) der Ring an den Endteil der Stange an zur Bildung einer einheitlichen keramischen Struktur, bei der aus einem zylindrischen Kopf ein länglicher Schaft gerin geren Durchmessers herausragt.
Die Grösse des beim Pressvorgang ausgeübten Druckes hängt natürlich von der gewünschten Po rosität des Kopfes ab. Es können schon Drücke von 350 kg/cm2 genügen. Zur Gewährleistung einer durchgehenden dauerhaften Verbindung zwischen dem Schaft und dem Kopf, besonders, wenn nicht allzu hohe Drücke beim Pressen des Ringes Anwen dung finden, ist es erwünscht, den Schaftendteil mit einer dünnen Glasschicht zu überziehen, die die glei che Zusammensetzung haben kann wie jene des im Ring verwendeten Glases,
bevor der Ring um den Schaftendteil gebildet wird. Die genauen Werte der Temperatur und das Programm beim Brennen hän gen von der Zusammensetzung der Teile ab, die zusammengebrannt werden, wie dies den Keramik fachleuten wohlbekannt ist. Die Endabmessungen des erhaltenen Werkzeuges waren die folgenden: Ge samtlänge 63,5 mm, Länge des aus dem Kopf herausragenden Schaftteiles 51 mm, Durchmesser des Kopfes 7 mm, Durchmesser des Schaftes 5 mm. Das Werkzeug konnte mit voller Wirksamkeit benützt werden bis zur Abnützung des Kopfes auf einen Durchmesser, der nur wenig grösser war als der jenige des Schaftes.
Das erfindungsgemässe Werkzeug eignet sich be sonders zum Schleifen und Polieren der Wandung von kleindurchmessrigen Bohrungen, die genau zylin drisch sein müssen auf ihrer ganzen Länge, wie dies beispielsweise bei der Bohrung einer Brennstoffein trittsdüse der Fall ist. Die innewohnende Steifheit des keramischen Schaftes des Werkzeuges ist von grosser Bedeutung zur Innehaltung enger Toleranzen bei der Bearbeitung solcher Bohrungen.
Grinding tool and method for its production The invention relates to a grinding tool and a method for its production.
The grinding tool according to the invention is characterized in that the head is sintered or melted onto an end part of an elongated ceramic shaft of small diameter.
The inventive method for producing such a grinding tool is characterized in that an elongated shank is formed from ceramic material, an annular mass of ceramic material is compressed around an end part of the shank to form a cylindrical head and the whole thing burns at a temperature below half the softening temperature of the shaft in order to sinter or melt the head onto the shaft.
The invention will now be described, for example, with reference to the accompanying drawing.
Fig. 1 is a perspective view of an exemplary embodiment of the grinding tool, and FIG. 2 is a longitudinal section of a portion of the grinding tool shown in FIG.
The grinding tool shown has a cylin drical head 1 which forms the active part and surrounds the end portion of a shaft 2 of smaller diameter. Both the head and the shaft are made of ceramic material and are sintered or melted together to form a monolithic or uniform structure. An example of a method for producing the grinding tool is described below.
There is no special binding agent (cement) between the head and the shaft, so the shaft can have a diameter that is only slightly smaller than that of the head in order to achieve the greatest possible rigidity. The fact that the ceramic material inherently has a very high modulus of elasticity is due to the fact that the shaft has a great stiffness, much greater than that which could be achieved with a metal shaft; namely, the modulus of elasticity is more than 45 loose.
The preferred ceramic material for the grinding tool is a base material which contains at least 85% by weight of aluminum oxide. The tool head should preferably have a coarse-grained, porous structure and the shank should have a denser, non-porous, fine-grained structure, thus greater strength and a higher modulus of elasticity. This can be achieved by preliminary shaping and firing of the shaft from starting material containing alumina, which results in optimal shaft properties, then inserting one end of the shaft into a shaped,
but still unfired ring, which was formed from relatively coarse-grained, alumina-containing raw material, and finally fired the whole thing. During the firing, the relatively coarse-grained ring is sintered so that it receives its desired final structure and at the same time results in a strong, sintered or melted connection with the enclosed shaft part.
The result is a uniform ceramic grinding tool in which both the shaft and the head have very desirable physical properties. The preferred ceramic material for the shaft contains at least 85% by weight of aluminum oxide and also, in the usual way, grain growth inhibitors or fluoride agents such as silicon and alkaline earth metal oxides. Such ceramic materials consist of one after firing at sintering temperature
dense mass of alumina crystals which are connected to one another directly or via a thin interstitial layer formed in situ during firing, and they have a very high strength and other physical properties he desired. Ceramic materials that are almost entirely made of alumina, and those that contain a small addition of a mineralizer or grain growth inhibitor such as magnesium oxide, are also good shaft materials.
The ceramic material composition for the porous head of the tool may be such as is commonly used for abrasive tools. For example, it can consist of <B> 100% </B> sintered aluminum oxide or glass-bound aluminum oxide, the grain size of the aluminum oxide being selected so that the desired grinding properties result. In general, a relatively coarse-grained, porous structure is preferred. For the production of a glass-bound aluminum oxide head, the starting material can consist of granular aluminum oxide such. B.
made of borolonite or tabular corundum, and a small amount of powdered glass. In another case, the starting material and aluminum oxide can also contain small amounts of flux so that the glass is formed in situ during firing.
However, ceramic abrasives other than aluminum oxide can also be used. If the tools are manufactured according to the preferred method in which the ring forming the head is burned onto a prebaked shaft because the firing temperature for the head must be lower than that which would cause the shaft to soften, the composition of the to choose the material chosen for the head taking this factor into account.
Any of the techniques commonly used in the ceramics industry can be used to form the stem and head. For example, the shaft can be formed by isostatic or other shaping or by extrusion, in the latter case the ceramic starting material is extruded into a strand, which is then divided into sections of the desired length, which sections are then planned. The head can be cold-pressed in a steel die or it can be formed by the aforementioned so-called isostatic molding technique.
In the latter, a small amount of an organic binder such as wax is known to be added to the starting material, and the mass is then isostatically formed in rubber molds to form blanks, which the latter are then burned to burn out the wax and sinter the ceramic material. In the preferred procedure, a pre-fired shaft is inserted into the ring-shaped, wax-bound blank of the head before the final firing is carried out. <I> Example </I> The following specific example explains the method according to the invention.
An initial mass, which consists of 99.8% by weight of aluminum oxide (tabular corundum) and about 0.2 mm of magnesium oxide, is treated in the ball mill to form an intimate mixture, the grain size of the clay should ultimately be smaller than about 10 microns and for 90% less than 5 microns. A small amount, about 3% by weight, of paraffin wax as a binder is then intimately mixed with the starting material by adding an emulsion of the wax in water and then drying.
The waxy mass is then isostatically formed into rubber molds to form small sticks. Both the length and the diameter of these rods have been kept slightly larger than the corresponding dimensions of the piece in the final state, in order to take into account the shrinkage during the subsequent firing. After molding, the bars were fired at 1650 ° C. for 24 hours to drive off the wax and sinter the ceramic material into a dense, extremely hard part. The sintered rods have a modulus of elasticity of around 50-106.
To form the tool head, an initial mass is formed by intimately mixing 34 g of aluminum oxide (borolonite grains) with <B> 100 </B> mesh grain, 6 g of powdered borosilicate glass with a -325 mesh grain (glass composition in% by weight : 65% Si02, 23% B203, 5% A1., 03, 7% Na20) and 4 g naphthalene, which are dissolved in 10 cm3 chloroethane.
After mixing, the chloroethane was allowed to volatilize, and 2.4 g of carboxymethyl cellulose binder, dissolved in water, were added to the mass and then the water was allowed to volatilize. The task of the naphthalene was to form a filler which is burned out during the subsequent separation and thus leaves a porous structure.
A portion of this mass was then placed in the cylindrical opening of a steel die in which the end of a ceramic rod obtained as described above was inserted concentrically. With the help of a ring-shaped punch arranged around the end part of the ceramic rod, a pressure of about 700 kg / cm2 was then exerted to reshape the head mass into an organically bound, independent, evenly pressed ring that tightly surrounds the end part of the rod.
The whole thing then became. taken out of the steel die and fired at a temperature of 900 C (which temperature was reached in 30 minutes) to burn out the naphthalene and the carboxymethyl cellulose binding agent and to sinter the ring, which then turns into a hard, tough, porous state . During firing, the ring sintered (or fused) to the end portion of the rod to form a unitary ceramic structure with an elongated shaft of smaller diameter protruding from a cylindrical head.
The amount of pressure exerted during the pressing process naturally depends on the desired porosity of the head. Pressures of 350 kg / cm2 can be sufficient. To ensure a continuous permanent connection between the shaft and the head, especially if too high pressures are not used when pressing the ring, it is desirable to cover the shaft end part with a thin layer of glass which can have the same composition as that the glass used in the ring,
before the ring is formed around the stem end portion. The exact values of the temperature and the firing program depend on the composition of the parts being fired together, as is well known to those skilled in the art of ceramics. The final dimensions of the tool obtained were as follows: total length 63.5 mm, length of the shaft part protruding from the head 51 mm, diameter of the head 7 mm, diameter of the shaft 5 mm. The tool could be used with full effectiveness up to the wear of the head to a diameter which was only slightly larger than that of the shaft.
The inventive tool is particularly suitable for grinding and polishing the wall of small-diameter bores, which must be exactly cylin drisch over their entire length, as is the case, for example, when drilling a fuel inlet nozzle. The inherent rigidity of the ceramic shaft of the tool is of great importance for maintaining close tolerances when machining such bores.