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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Schleifen von keramischen Kugeln.
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Unter
keramischen Kugeln sollen im Zusammenhang dieser Patentanmeldung
Kugeln aus keramischen Materialien wie zum Beispiel Oxidkeramik, Carbiden,
Siliziumnitrid, Edel- und Halbedelsteinen, aber auch Glas verstanden
werden.
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Das
Schleifen von keramischen Kugeln zur Erzielung niedriger Oberflächenrauigkeiten
und hoher Güteklassen
wird derzeit allgemein mit Vorrichtungen durchgeführt, wie
sie auch zur Bearbeitung von Metallkugeln verwendet werden. Dabei
werden die Keramikkugeln im eigentlichen Sinne nicht geschliffen,
sondern geläppt.
Während
bei der Bearbeitung von metallischen Kugeln zunächst das Grobschleifen und
dann das Feinschleifen mit Schleifscheiben mit gebundenem Schleifkorn
vorgesehen ist und eventuell danach das Läppen mit in Pastenform vorliegendem
Schleifkorn praktiziert wird, werden keramische Kugeln nicht mit
Schleifscheiben bearbeitet, sondern über den gesamten Abtragungsvorgang
geläppt.
Das Schleifkorn, das in der Schleifpaste vorhanden ist, ist dabei
im allgemeinen Diamant.
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Dieser
Prozess ist technologisch außerordentlich
schwierig durchzuführen,
denn die Abtragsleistung liegt in der Größenordnung von maximal 100 μm pro Tag.
Der zu realisierende Abtrag von 0,2 – 0,4 mm im Kugeldurchmesser
entspricht der Dicke der inhomogenen Grenzschicht und wird z. T.
erst in mehreren Tagen Bearbeitungszeit erreicht. Weiter sind nach
dem Läppen
die Keramikkugeln durch anhaftende Schleifpaste stark verschmutzt.
Diese Schleifpaste ist bei den herkömmlichen Verfahren zum Waschen
der Kugeln zum Teil nur sehr schwer entfernbar. Der Verschleiß der beiden
Metallscheiben ist beim Läppen
mit losem Diamantkorn extrem hoch. Schließlich bewirkt auch der sehr
hohe Diamantverbrauch eine erhebliche Kostenbelastung des gesamten
Verfahrens. In der Konsequenz hat sich die Verwendung von Keramikkugeln
insbesondere im Bereich von Kugellagern deshalb nur dort durchgesetzt, wo
die Kosten von untergeordneter Bedeutung sind.
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Einen
Ansatz zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit findet man in der
US-Patentschrift
US 6,171,179
B1 . Bei der dort vorgestellten Schleifmaschine ist eine
Schleifscheibe mit elektrolytisch gebundenem Schleifkorn vorgesehen.
Die feststehende Führungsscheibe
weist eine Anzahl von Führungsringen
auf, die jeweils einzeln hydraulisch belastet sind, um einen möglichst
gleichmäßigen Eindruck
der Keramikkugeln an die Schleifscheibe zu gewährleisten. In der Praxis hat
sich diese Vorrichtung nicht durchgesetzt. Es wird vermutet, dass
die Standzeit der Schleifscheibe zu gering ist.
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Es
ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Schleifen von keramischen Kugeln zu schaffen,
die eine wirtschaftlichere Fertigung von keramischen Kugeln mit
der erforderlichen Güte
und einer geringen Streuung im Kugeldurchmesser erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Weil
das Schleifen mit einer Schleifscheibe mit Diamantschleifkorn in
keramischer Bindung erfolgt, können
hohe Abtragsleistung bei geringem Verschleiß der Schleifscheibe oder des
Schleifbelages erreicht werden.
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Vorteilhaft
ist die Schleifscheibe oder der Schleifbelag bei einer Temperatur
zwischen 900°C und
1100°C gebrannt,
wobei ein Schutz des Diamantschleifkorns vor Oxidation vorgesehen
ist.
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Die
Schleifscheibe weist vorzugsweise eine Körnung von D181 (nach FEPA-Standard,
mittlerer Teilchendurchmesser = 181 μm) bis D25 (mittlerer Teilchendurchmesser
= 25 μm)
auf, wobei sie vorzugsweise für
das Grobschleifen der Kugeln zum Einsatz kommt.
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Schleifscheiben
unterliegen im Einsatz einer geringen Verformung, wenn sie als Schleifbelag
auf einen Trageteller aufgekittet sind. Der Verschleiß wird weiter
verringert, wenn als Kühlschmierstoff
eine Emulsion zugegeben wird.
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Weil
bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Schleifen von keramischen Kugeln mit einer Schleifscheibe mit
gebundenem Diamantschleifkorn vorgesehen ist, dass die Schleifscheibe
eine keramische Bindung aufweist, ist das oben beschriebene Verfahren
möglich.
Dabei kann die Schleifscheibe auf einem Trageteller befestigt, insbesondere
aufgekittet sein, so dass die mechanische Stabilität unter dem
Verfahrensdruck gefördert
und der Materialaufwand zur Herstellung der Scheibe minimiert wird.
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Erfindungsgemäß ist auch
die Verwendung einer Schleifscheibe mit Diamantschleifkorn in keramischer
Bindung zum Schleifen von keramischen Kugeln, insbesondere in einer
konventionellen Kugelschleifmaschine, wie sie zum Schleifen metallischer
Kugeln bekannt ist.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnung sowie anhand
von zwei Beispielen beschrieben. Dabei zeigt:
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1:
eine Vorrichtung zum Kugelschleifen mit einer Schleifscheibe und
vertikaler Antriebsachse.
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In
der 1 ist das Prinzip des Kugelschleifens auf Maschinen
mit vertikaler Antriebsachse veranschaulicht. Die 1 zeigt
in einer schematischen Darstellung die Vorrichtung zum Kugelschleifen
in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht. Dabei ist eine feststehende
Führungsscheibe 1 vorzugsweise aus
Stahlguss vorgesehen. Die Führungsscheibe 1 weist
an ihrer Unterseite umlaufende Führungsrillen auf,
in denen eine Vielzahl von zu schleifenden Kugeln 2 geführt wird.
Von der Unterseite her ist ein Trageteller 3 mit einem
darauf angeordneten Schleifbelag 3a vorgesehen, der durch
eine Antriebswelle in Rotation zu versetzen ist. Ein Kugelein- und
-austritt 4 ist zum Laden und Entladen der Vorrichtung
vorgesehen.
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Zum
Schleifen wird von der Oberseite her ein Druck P auf die feststehende
Führungsscheibe 1 ausgeübt. Die
Trageplatte 3 wird durch einen Antrieb in Rotation versetzt,
so dass die Kugeln 2 sich in den Führungsrillen abwälzen. Die
Geschwindigkeitsunterschiede in den verschiedenen Bereichen der
Führungsrillen
bewirken eine Relativbewegung des Schleifbelags zu der Oberfläche der
Keramikkugel. Das in dem Schleifbelag befindliche Schleifkorn führt dann
zu einer Abrasion der Oberfläche
der Kugel und damit zu einer Verbesserung der Oberflächenqualität und der
Kugelform. Die Erfindung kann ebenso auf Kugelschleifmaschinen mit
horizontaler Antriebswelle genutzt werden.
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Während des
Schleifvorgangs wird als Kühlschmierstoff
eine Emulsion zugegeben, welche zum einen das Schleifkorn und die keramische
Kugel umspült
und welche zum anderen auch aus der Oberfläche der Schleifscheiben ausgebrochene
Schleifkörner,
Bindungspartikel und Kugelabschliff weg transportiert, so dass letztere
nicht an der Kugeloberfläche anhaften
und den Schleifprozess negativ beeinflussen können.
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Die
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten
Ergebnisse sollen nachfolgend anhand von zwei Versuchsbeispielen
beschrieben werden.
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Bei
den Versuchen wurde eine Schleifscheibe mit einem Durchmesser von
200 mm und einer Dicke von 4 mm verwendet. Die Schleifscheibe wurde aufgekittet
auf einen Trageteller aus Stahl. Als Kühlschmierstoff wurde Schleifemulsion EMOL®-O-GRIND 104E des Herstellers
ML Lubrication GmbH zugegeben. Die Druckplatte bestand aus Stahl
und wies eine umlaufende Rille auf. Das Schleifen erfolgte ohne
Magazin auf einer Schleifmaschine mit vertikaler Achse.
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Versuch 1:
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Kugeln
aus Zirkonoxid (ZrO2) mit einem Ausgangsmaß von 6,06
mm bis 6,08 mm wurden bearbeitet. In einer Charge befanden sich
64 Kugeln. Das erzielte Endmaß betrug
5,50 mm. Der Abtrag betrug 570 μm
bei einer Schleifzeit von 4,5 Stunden. Die Abtragsleistung betrug
folglich etwa 127 μm
pro Stunde.
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Versuch 2:
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Kugeln
aus Siliziumnitrid (Si3N4)
mit einem Ausgangsmaß von
5,40 mm wurden bearbeitet. Es befanden sich 64 Rohlinge in einer
Charge. Das Endmaß betrug
5,10 mm. Der durchschnittliche Abtrag betrug 30 μm bei einer Schleifzeit von
ca.1 Stunde.
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Die
Versuche zeigen, dass eine gute Abtragsleistung erzielt wird.
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Die
gute Abtragsleistung und der geringe Verschleiß der Schleifscheibe bzw. des
auf die Trageplatte aufgekitteten Schleifbelags sind auf die keramische
Bindung des Schleifkorns zurückzuführen. Bei
dieser Bindung wird im Gegensatz zu der elektrolytischen Bindung
im Stand der Technik eine geringfügige elastische Bewegung des
Schleifkorns in der Bindungsmatrix gewährleistet. Durch diese Elastizität kann das
Schleifkorn bei Spitzenbelastungen, wie sie durch die ausgesprochen
harten keramischen Kugeln auftreten können, im mikroskopischen Bereich ausweichen.
Die Standzeit der Schleifscheibe erhöht sich dadurch erheblich.
Die Abtragsleistung wird ebenfalls gravierend verbessert, weil die
Kugeln während
des Schleifvorgangs in der Schleifscheibe Rillen ausbilden. Die
Tiefe der Rillen ist relativ gering. Sie ist aber größer als
bei elektrolytisch gebundenen Schleifscheiben, die praktisch keine
Rillen ausbilden können.
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Schließlich ist
bei elektrolytisch gebundenem Diamantschleifkorn auf einer metallischen
Trägerplatte
zu erwarten, dass eine Beschädigung
der Bindung zu einem Ausbrechen ganzer Bereiche der Bindung und
damit zum Ausfall der Schleifscheibe führt, was bei einer Schleifscheibe
in keramischer Bindung, bedingt durch ihren Selbstschärfmechanismus,
nicht der Fall ist.
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Im
Ergebnis waren die geschliffenen Kugeln von der Rundheit und der
Durchmesserstreuung her gut. Die Abtragsleistung liegt um mindestens
eine Größenordnung über den
Abtragsleistungen bei bekannten Verfahren. Die Oberflächenrauhigkeit
wurde nicht untersucht. Hier kann vorgesehen sein, dass nach dem
Grobschleifen noch ein Feinschleifen und evtl. ein Läppen vorzusehen
ist.
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Das
neuartige Verfahren und die neuartige Vorrichtung zum Schleifen
von keramischen Kugeln ermöglichen
nicht nur hohe Abtragsleistungen bei guten Schleifergebnissen, sondern
auch eine Verwendung von Schleifmaschinen, die den modernen ratio nellen
Methoden zugänglich
sind. So ist unter anderem die Verwendung von Magazinen für die Kugelzuführung möglich. Der
Einsatz von Kühlschmierstoffen
bewirkt die technologische Beherrschbarkeit der Schleifprozesse
und erlaubt das Zuschalten entsprechender Filtereinrichtungen, wodurch
das Verfahren äußerst umweltfreundlich
gestaltet werden kann. Auch die Reinigung der Kugeln nach dem Schleifen
ist besonders einfach und kann in konventionellen Kugelwaschmaschinen
durchgeführt
werden, da sich nicht die für
das Läppen
insbesondere bei keramischen Kugeln typischen Anhaftungen der Schleifpaste
ausbilden.