DE102009055428B4

DE102009055428B4 - Schrupp- und /oder Trennscheibe

Info

Publication number: DE102009055428B4
Application number: DE200910055428
Authority: DE
Inventors: Dr. Trapp Victor; Marcel Remp; Werner Langer; Volker Adasch; Dr. Deeken Stefan
Original assignee: DRONCO AG; SGL Carbon SE
Current assignee: DRONCO AG, DE; SGL Carbon SE
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2029-12-31
Also published as: WO2011080328A2; DE102009055428A1; WO2011080328A3

Abstract

Schrupp- und/oder Trennscheibe zum spanenden Bearbeiten von Werkstücken und/oder Trennen von Werkstücken, wobei die Schrupp- und/oder Trennscheibe (1) einen gehärteten Corpus (2) besitzt, wobei der gehärtete Corpus (2) zumindest körniges Schleifmittel (8), Füllstoff (9) und Polymer als Bindemittelmatrix (7) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (9) expandierten Graphit und/oder Graphene umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schrupp-und/oder Trennscheibe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Schleifscheiben gehören zu den Werkzeugen zum Spanen oder spanenden oder spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken mit geometrisch unbestimmten Schneiden aus gebundenen Schleifkorn. Derartige Schleifscheiben besitzen üblicherweise einen zentralen Kopplungsbereich, typischerweise einen Stahlring, eine Halterung oder einfach ein Loch, mit dem die Schleifscheibe auf der Spindel oder Antriebswelle eines Drehantriebes einer tragbaren, mit der Hand gehaltenen oder fest installierten Schleifmaschine befestigt wird.
Bei der Bearbeitung führt die Schleifscheibe eine rotierende Hauptbewegung um eine durch den zentralen Kopplungsbereich verlaufende Drehachse aus.
Schleifscheiben werden neben der geometrischen Ausbildung und den Hauptabmessungen, insbesondere dem Durchmesser, durch das Schleifmittel (Schleifkorn), die Körnung des Schleifkorns, den Härtegrad, das Gefüge und die Bindung gekennzeichnet.
Beim Schleifen trennen die in der Arbeitsfläche der Schleifscheibe verteilten Schleifelemente mit sehr hoher Geschwindigkeit eine große Anzahl kleiner Späne von der Werkstoffoberfläche ab. Dabei können Schleifbereiche oder Schleifflächen außerhalb des Kopplungsbereich an einer Flachseite senkrecht oder schräg zur Drehachse und/oder an einer Schmalseite am Umfang der Schleifscheibe angeordnet sein und/oder in Form einer wahllosen Verteilung innerhalb der Trägermatrix. Beim Schleifen mit der Umfangsfläche kann die Schleifscheibe insbesondere auch zum Trennen eingesetzt werden und wird dann auch Trennschleifscheibe oder kurz Trennscheibe genannt. Beim Schleifen schräg zur Drehachse kann die Schleifscheibe insbesondere zum sogenannten Schruppen eingesetzt werden und wird als Schruppschleifscheibe oder Schruppscheibe bezeichnet.
Es ist bekannt, dass derartige Schrupp- oder Trennscheiben zum Trockenschleifen oder Trockenschneiden von Hartstoffen in ihrem gehärteten Corpus körniges Schleifmittel, Füllstoffe, Versteifungsgewebe, Polymere als Bindemittel-Matrix und Gefügeporen aufweisen. Das Schleifmittel ist in der Regel Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Siliziumcarbid (SiC), der Füllstoff in der Regel ein Silikat, Sulfid, Fluorid oder Hydroxid, das Versteifungsgewebe ein Gelege oder Gewebe aus Glasfasermaterial und das Polymer der Polymermatrix ein Gemisch aus gehärteten flüssigen und pulverförmigen Phenol-Formaldehyd-Harz.
Die Verwendung von Füllstoffen in Schleifkörpern ist bekannt. Füllstoffe im klassischen bzw. üblichen Sinne in Schleifkörpern können folgende Wirkung haben:

1. Herabsetzung der Reibung zwischen Schleifkornwerkstück und Spänen, d. h. die Füllstoffe bzw. ihre Folgeprodukte wirken als Hochtemperatur- und Hochdruckschmiermittel,
2. Schlammschutzwirkung durch Bildung von primärem bzw. sekundärem Oberflächenfilm auf der Schneidfläche,
3. Kühleffekt von Füllstoffen im Mikrobereich, die bei relativ niedrigen Temperaturen Wasser abspalten und damit den thermischen Abbau des organischen Bindemittels verlangsamen,
4. Versteifungswirkung und damit Erhöhung der Festigkeit des Bindungssteges zwischen den Schleifkörnern,
5. Katalytische Beeinflussung der thermischen Aushärtung des Bindemittels,
6. Streckmittel zur Harzersparnis.

Schrupp- oder Trennscheiben werden beim Spanabnahmeprozess mechanisch beansprucht und verschleißen. Beispielsweise ist bei einer durch die Praxis bekannten Trennscheibe die maximale durchführbare Zahl von standardisierten Schnitten in einem Werkstück, also deren Werkzeugstandzeit, sehr ausgeprägt von der Steifigkeit.
Eine Schleiftrennscheibe ist beispielsweise aus der US 6,632,130 B1 bekannt, die sowohl für das Trennen als auch für das Schleifen verwendet werden kann und hierfür eine ausgeprägte Schleiffläche an einer Breitseite besitzt.
Aus der WO 2007/087820 A1 ist eine Schleif- und/oder Trennscheibe bekannt, die eine durch den Koppelbereich verlaufende Drehachse besitzt und einen mit Schleifmittel versehenen, den zentralen Koppelbereich wenigstens teilweise umgebenen Arbeitsbereich besitzt, wobei die Scheibenstärke des Arbeitsbereichs, die auch als Scheibendicke des Arbeitsbereichs bezeichnet werden kann, in zur Drehachse radialer Richtung von Innen nach Außen von einer Innendicke IS zu einer Außendicke AS zunimmt.
Aus der WO 2008/034056 A1 ist eine Zusammensetzung bekannt, die zum abrasiven Bearbeiten eingesetzt werden kann, wobei ein organisches Bindemittel bekannt ist und abrasive Materialien, die in dem organischen Bindemittel verteilt sind, wobei zusätzlich eine Mehrzahl von Mikrofasern uniform in dem Bindemittel verteilt sind, vorhanden sein sollen.
Aus der DE 31 12 953 C2 ist ein Schleifkörper bekannt, der aus einem Schleifkorn besteht, einem organischen oder kaltbindenden anorganischen Bindemittel und gegebenenfalls mit einem Überzug versehenen schleifaktiven Graphitfüllstoffkörnern in Verbindung mit Metallsulfiden oder Halogeniden, wobei die Metallsulfide oder Halogenide in das Trägergitter des Graphits eingelagert sein sollen. Hierbei soll von Vorteil sein, dass die Kombination von Graphit mit Füllstoffen, die bei relativ niedrigen Temperaturen Wasser abspalten, günstige Schleifeigenschaften der damit gefertigten Schleifkörper, insbesondere kühles Schleifverhalten ergibt.
Aus der EP 1 126 003 B1 ist ein harzgebundenes Schleifwerkzeug bekannt, worin superabrasive Teilchen und amorpher Kohlenstoff in einer Harzbindebasis verteilt sein sollen, wobei der amorphe Kohlenstoff eine ungleichförmige Form, einen Teilchendurchmesser von 20 μm oder weniger und eine Schorhärte von 100 bis 200 aufweisen soll, und worin der amorphe Kohlenstoff in einer Menge von 5 Vol.-% bis 60 Vol.-% in Bezug auf das Gesamtvolumen des amorphen Kohlenstoffs und der Harzbindephase (ohne superabrasive Teilchen) enthalten sein soll. Dabei soll der amorphe Kohlenstoff mit ungleichmäßiger Form durch das Zerbrechen amorpher, sphärischer Kohlenstoffteilchen hergestellt worden sein, wobei Kupfer, Silber, Nickel oder Kobalt unter Legierung dieser Metalle auf der Oberfläche der amorphen Kohlenstoffkörner aufgeschichtet sein sollen.
Aus der US 4 989 375A ist ein Schleifwerkzeug mit einer Arbeitsfläche und einer Peripherie bekannt, wobei an der Arbeitsfläche und der Peripherie unterschiedliche Schleifoberflächen vorhanden sind.
DE 10049 317 A1 offenbart eine Trennscheibe zum Trockenschneiden von Hartstoffen, deren gehärteter Korpus körniges Schleifmittel, Füllstoff, Versteifungsgewebe, Polymer als Feinsträume bildende Bindemittelmatrix und Gefügeporen aufweist.
DE 10 2004 016 874 A1 beschreibt einen Verbundwerkstoff, welcher für Schleifwerkzeuge verwendet werden kann. Dieser Verbundwerkstoff weist eine nichtmetallische anorganische Matrix und eine metallisches Netzwerk auf. Die netzartige Metallverstärkung ist in das Matrixmaterial, welches aus einer anorganischen, nicht-metallischen Rinderphase und Füllstoff besteht, eingebettet.
DE 41 06 005 A1 bezieht sich auf ein Schleif- oder Trennwerkzeug, welches einen faserverstärkten Grundkörper mit einer Kunststoffmatrix sowie einen Belag aus Diamant- oder Bornitridschleifkörnern, die in einer Bindung gehalten sind, aufweist. Um die Verbindung zwischen den Grundkörpern und dem Schleifbelag zu verstärken, ist eine Zwischenschicht aus Metall auf dem Grundkörper galvanisch oder stromlos aufgetragen, in welcher nach außen über den Kunststoff vorstehende und in dem Kunststoff verankerte elektrisch leitfähige Fasern eingebettet sind.
Gegenüber dem genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schrupp- und/oder Trennscheibe zu schaffen, die bessere mechanische Eigenschaften hat.
Die Aufgabe wird mit einer Schrupp- und/oder Trennscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweils abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schrupp- und/oder Trennscheibe zum spanenden Bearbeiten von Werkstücken und/oder Trennen von Werkstücken, wobei die Schrupp- und/oder Trennscheibe einen gehärteten Corpus besitzt, wobei der gehärtete Corpus zumindest körniges Schleifmittel, Füllstoff und Polymer als Bindemittelmatrix besitzt, wobei der Füllstoff expandierten Graphit und/oder Graphene umfasst.
Erfindungsgemäß werden vorteilhafterweise die mechanischen Eigenschaften dadurch verbessert, dass das Bindemittel versteift wird, wobei zur Versteifung des Bindemittels expandierter Graphit als Füllstoff in die organische Bindemittelmatrix eingelagert wird.
Expandierter Graphit ist hierbei ein graphitbasiertes Material, dessen Kohlenstoffebenen ganz oder teilweise voneinander getrennt wurden.
Vorzugsweise erfolgt die Exfolierung der Kohlenstoffebene über die Zwischenstufen von Graphitsalzen, die in der Folge einer schlagartigen Erhitzung unterworfen werden. Beispielsweise kann auch eine Oberflächenmodifikation der Kohlenstoffschichten vorliegen.
Der vorteilhafte Versteifungseffekt zeigt sich in der Regel durch veränderte, insbesondere verbesserte mechanische Kennwerte des gehärteten Zwei-Phasen-Systems Bindemittel/expandierter Graphit im viskoelastischen und nichtviskoelastischen Bereich.
Des Weiteren hat sich überraschenderweise gezeigt, dass Wärme, die beim Einsatz der Schrupp- oder Trennscheibe entsteht, durch den expandierten Graphit vorteilhafterweise besser nach außen und somit von der Schrupp- oder Trennscheibe abgeführt wird. Dadurch sinkt vorteilhafterweise die thermische Belastung des organischen Bindemittels und die Standzeit verbessert sich. Vorteilhaft kann auch innerhalb der Schrupp- oder Trennscheibe Wärme besser verteilt werden, wodurch lokale thermische Spitzen schneller ausgeglichen werden. Auch dadurch kann vorteilhafterweise die thermische Belastung des organischen Bindemittels sinken und die Standzeit verbessert sich.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schrupp- und/oder Trennscheibe ist der expandierte Graphit ein pulverförmiges Material mit einem d₅₀-Wert zwischen 1 μm und 550 μm.
Vorteilhafterweise ist die Schrupp- und/oder Trennscheibe dadurch gekennzeichnet, dass der Graphit ein pulverförmiges Material mit einer Korngröße zwischen 5 μm und 55 μm ist, wobei das Material mit einem d₅₀-Wert von 5 μm durch ein Schüttgewicht zwischen 115 g/l bis 135 g/l und eine Feuchtigkeit > 1% gekennzeichnet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schrupp- und/oder Trennscheibe sind die Graphene durch Exfolierung der Kohlenstoffebenen über entsprechende Zwischenstufen von Graphitsalzen und/oder Graphitoxiden hergestellt oder über mechanische Verfahren hergestellte Graphene.
Vorteilhafterweise liegen die Schichten der Graphene oder von Graphenpaketen im Bereich von > 1 nm bis 250 nm. Größere Pakete sind danach als Übergang zwischen expandiertem Graphit und Graphen-Paketen zu sehen, wobei die Graphen-Pakete auch agglomeriert sein können. Diese können beispielsweise im Bereich von 250 nm bis 5 μm liegen.
Weiter kann vorteilhafterweise die Schrupp- und/oder Trennscheibe neben polymeren Bindemittel, Schleifkorn und Graphit und/oder Graphenen Versteifungsgewebe umfassen.
Zudem können vorteilhafterweise die Graphite oberflächenmodifizierte Graphite und/oder die Graphene oberflächenmodifizierte Graphene sein.
Hierbei können die Graphite und/oder Graphene durch milde Oxidation oberflächenmodifiziert sein.
In vorteilhafter Weise wird die Schrupp- und/oder Trennscheibe mit Versteifungsgewebe im Sandwich-Aufbau in Form zu Grünlingen gepresst und in Öfen bei Wärmeeinwirkung ausgehärtet.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
1: eine Draufsicht auf eine Schleifscheibe;
2: einen Querschnitt der Schleifscheibe nach 1;
3: eine gekröpfte Trennscheibe in einer Draufsicht;
4: die gekröpfte Trennscheibe nach 3 in einem Querschnitt;
5: eine erfindungsgemäße Schleifscheibe in einer teilzerlegten Ansicht und den entsprechenden Komponenten;
6: eine mikroskopische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Trennscheibe;
7: einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Trennscheibe.
Eine erfindungsgemäße Schleifscheibe 1 oder Trennscheibe 1 ist beispielsweise eine ebene bzw. gerade Trennscheibe 1 (1, 2) mit einem kreisscheibenförmigen Corpus 2 und einem zentralen Kopplungsbereich 3, wobei der Kopplungsbereich 3 insbesondere ein Loch 4 umfasst, mit dem die Trennscheibe auf eine Spindel aufsteckbar ist, sowie gegebenenfalls einen Verstärkungsring aus Stahl 5 um das Loch herum.
In an sich bekannter Weise kann die Trennscheibe auch als gekröpfte Trennscheibe mit einem bombierten Bereich 6 ausgebildet sein, der sich kreisförmig um den Kopplungsbereich erstreckt.
Bei einer erfindungsgemäßen Trennscheibe 1 (1 bis 4) mit einem Durchmesser von 125 mm und einer Dicke von 1 mm erhöht sich die Maximalschnittzahl von 48 auf 60 standardisierte Schnitte, bei einem Durchmesser von 115 mm und einer Dicke von 1 mm von 34 auf 42 standardisierte Schnitte. Diese ausgeprägte Erhöhung der Maximalschnittzahl tritt auf, obwohl keine weitere wesentliche Materialänderung des Corpus, also z. B. keine beachtliche chemische oder stoffliche Änderung erfolgt. Insofern ist die gravierende Verbesserung der mechanischen Eigenschaften auf die Beimischung des expandierten Graphits zurückzuführen.
Insbesondere kann eine Versteifung und/oder eine verbesserte Wärmeableitung zu einer Erhöhung der Standzeit der Trennscheibe 1 beitragen.
Zur Herstellung der Schrupp- und/oder Trennscheibe wird beispielsweise ein Versteifungsgewebe und Etikett im Sandwichaufbau (4) in Form zu Grünlingen gepresst und in Öfen bei ca. 200°C ausgehärtet.
Im Querschnitt (6 und 7) einer derartigen Schrupp- oder Trennscheibe 1 erkennt man in einer Bindemittelmatrix 7 eingebettete Schleifkörner 8, z. B. aus Al₂O₃ oder SiC oder Mischungen hieraus, sowie Füllstoffpartikel 9 erfindungsgemäß, insbesondere expandierten Graphit, sowie Poren 10.
Es hat sich gezeigt, dass bei der erfindungsgemäßen Schrupp- und/oder Trennscheibe die Festigkeit des Grünlings, also der Schrupp- und/oder Trennscheibe im nicht gehärteten Zustand, verändert ist und insbesondere die Sprödigkeit verringert ist.
Der Grünling hat sich insbesondere als besonderes widerstandsfähig gegenüber mechanischen Belastungen während der Prozesskette erwiesen, mit dem Merkmal der Reduktion der Ausschussrate, die bei der bevorzugten Ausführungsform von Trennscheiben der Durchmesser 115 mm/125 mm und der Dicke 1 mm 60% beträgt.
Der Bereich des expandierten Graphits umfasst ein pulverförmiges Material mit einem d₅₀-Wert zwischen 1 μm und 550 μm. Bevorzugt verwendet wird ein Material mit einer Korngröße d₅₀ zwischen 5 μm und 55 μm, wobei das Material mit einem d₅₀-Wert von 5 μm durch ein Schüttgewicht zwischen 115 g/l bis 135 g/l und einer Feuchtigkeit > 1% (nach DIN 38414) gekennzeichnet ist. Der Kohlenstoffgehalt liegt bei ≤ 98%.
Die bei der Herstellung von expandiertem Graphit erfolgte Exfolierung der Kohlenstoffebenen über die entsprechende Zwischenstufe der Graphitsalze oder Graphitoxide kann ebenso gezielt in einer vollständigen Trennung der Graphitschichten enden. Die so entstandenen Graphene können ebenso vorteilhaft in die Bindemittelmatrix eingebracht werden, wobei sie aufgrund ihrer hohen Oberfläche und guten mechanischen Eigenschaften die Versteifungswirkung vorteilhaft verbessern können. Sie können des Weiteren ebenso vorteilhaft die thermische Belastung des Bindemittels durch eine verbesserte Wärmeabfuhr verringern. Über mechanische Verfahren hergestellte Graphene (z. B. Mahlen von Graphitpulvern) sind im Sinne der Erfindung als gleichwertig für die Anwendung anzusehen. Als typische Schichten der Graphene oder von Graphenpaketen sind dabei Bereiche von > 1 nm bis 250 nm zu nennen. Größere Pakete sind danach als Übergang zwischen expandiertem Graphit und agglomerierten Graphenpakten zu sehen, die beim Einbringen in die Bindemittelmatrix diese auch vorteilhaft versteifen können und/oder die Wärmeableitung vorteilhaft verbessern können.
Weiterhin vorteilhaft für die Anwendung sind auch oberflächenmodifizierte expandierte Graphite, die durch bessere Ankopplung an die Bindemittelmatrix eine leichtere Dispersion ermöglichen und die Steifigkeit und Wärmeabfuhr vorteilhaft erhöhen. Die Oberflächenmodifizierung kann beispielsweise über milde Oxidation erzielt werden.

Claims

Schrupp- und/oder Trennscheibe zum spanenden Bearbeiten von Werkstücken und/oder Trennen von Werkstücken, wobei die Schrupp- und/oder Trennscheibe (1) einen gehärteten Corpus (2) besitzt, wobei der gehärtete Corpus (2) zumindest körniges Schleifmittel (8), Füllstoff (9) und Polymer als Bindemittelmatrix (7) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (9) expandierten Graphit und/oder Graphene umfasst.
Schrupp- und/oder Trennscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierte Graphit (9) ein pulverförmiges Material mit einem d₅₀-Wert zwischen 1 μm und 550 μm ist.
Schrupp- und/oder Trennscheibe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphit (9) ein pulverförmiges Material mit einer Korngröße zwischen 5 μm und 55 μm ist, wobei das Material mit einem d₅₀-Wert von 5 μm durch ein Schüttgewicht zwischen 115 g/l bis 135 g/l und eine Feuchtigkeit > 1% gekennzeichnet ist.
Schrupp- und/oder Trennscheibe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphene (9) durch Exfolierung der Kohlenstoffebenen über entsprechende Zwischenstufen von Graphitsalzen und/oder Graphitoxiden oder über mechanische Verfahren hergestellte Graphene sind.
Schrupp- und/oder Trennscheibe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten der Graphene (9) oder von Graphenpaketen (9) im Bereich von > 1 nm bis 250 nm liegen.
Schrupp- und/oder Trennscheibe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrupp- und/oder Trennscheibe (1) neben polymerem Bindemittel (7), Schleifkorn (8) und Graphit (9) und/oder Graphenen (9) Versteifungsgewebe umfasst.
Schrupp- und/oder Trennscheibe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphite oberflächenmodifizierte Graphite (9) und/oder die Graphene oberflächenmodifizierte Graphene (9) sind.
Schrupp- und/oder Trennscheibe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphite (9) und/oder Graphene (9) durch milde Oxidation oberflächenmodifiziert sind.