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Die Erfindung betrifft ein Schleifwerkzeug, insbesondere eine Schleifscheibe zum Schleifen, insbesondere zum Trennschleifen oder zum Schruppschleifen, deren Schleifkorn in einem Kunststoff, insbesondere einem Kunstharz, gebundenen ist, wobei im Inneren des Schleifwerkzeuges ein stabilisierendes Stützgerüst vorgesehen ist.
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Die bekannten kunstharzgebundenen Schleifwerkzeuge werden nach ihrem Einsatzzweck unterteilt in die zum zerschneidenden Materialabtrag entlang einer Linie geeigneten Trennschleifscheiben und die zum materialabhebenden Schleifen in einer Fläche geeigneten Schrupp- und Schleifscheiben. Trotz ihrer unterschiedlichen Einsatzgebiete sind diese Arten von Schleifwerkzeugen prinzipiell ähnlich aufgebaut und werden nachfolgend unter dem Begriff „Schleifscheiben” subsummiert.
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Bei solchen Schleifwerkzeugen sind die Schleifkörner mit Harz und Füllstoffen ummantelt, so dass aus den zunächst rieselfähigen Schleifkörnern die sogenannte Mischung hergestellt wird. Zudem ist das Schleifwerkzeug von einem stabilisierenden Stützgerüst ganz oder teilweise durchwirkt. Bekanntermaßen wird das Stützgerüst gebildet von einer oder mehreren flächigen Gewebelagen, die in der Mischung aus Kunstharz und Schleifkörnern eingebettet sind. Entsprechend vorgefertigt, werden die Schleifwerkzeuge in einem letzten Fertigungsschritt gepresst und ausgehärtet.
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Ganz generell sind derartige schnell rotierenden Schleifwerkzeuge zum spanenden Bearbeiten von harten Materialien, wie insbesondere von Metallen, nicht nur hohen Fliehkräften sondern auch starken Belastungen durch seitlichem Druck ausgesetzt. Insofern ist es das Ziel, eine hohe Steifigkeit der Scheibe zu erreichen, was durch die Einbringung der Gewebelagen bewerkstelligt wird. Allerdings ist die Einbringung von Gewebe nur in gewissem Rahmen möglich, ohne dass auch das Schneidverhalten zu stark beeinflusst wird. Ist der Gewebeanteil nämlich zu hoch, schneidet die Scheibe nicht mehr. Wird hingegen zu wenig Gewebe eingesetzt, fehlt es an einer ausreichenden Seitenbelastbarkeit.
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Ein weiterer Nachteil zu vieler Gewebelagen ist, dass die Scheiben zu dick werden. Daher enthalten Trennscheiben zur Erzeugung schmaler Schnitte entsprechend nur eine oder ein paar wenige Gewebelagen. Hingegen können herkömmliche Schruppscheiben stärker sein und entsprechend mehrere Gewebelagen enthalten. Im Falle von Schruppscheiben ist dies auch nötig, da diese höheren seitlichen Belastungen als Trennscheiben ausgesetzt sind. Mit wachsender Breite ist somit auch eine höhere Belastbarkeit gegen Seitelast verbunden. Bei stationären Trennschleifscheiben treten noch höhere Seitenlasten auf, als bei handgeführten dünnen Trennschleifscheiben. Diese stationären Trennschleifscheiben haben einen Druckmesser von über 400 mm beispielsweise von 600 mm und Unfangsgeschwindigkeiten von 80–100 m/s im Trockenschnitt. Dabei sind Scheibenbreiten von 7 mm und mehr bekannt. Dabei wäre es von Vorteil, die maximale Scheibenbreite auf unter 7 mm zu begrenzen. Zum einen sinken damit die Energiekosten beim Schneiden, zum andern wird teures Material zerspant, das auf Grund von Verunreinigungen nur schwer wider zu Verwerten ist. Mit einer Reduzierung der Breite bei gleichbleibender Stabilität könnten somit die laufenden Kosten deutlich gesenkt werden.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Schleifscheiben ist die hohe Geräuschemission, die durch die Eigenvibration der Scheiben bedingt ist. Die Schwingungen und damit das Geräusch resultieren bei der Bearbeitung von Metall aus dem Korneingriff in das Metall und der daraus resultierenden Spanbildung. Ein Teil der Schwingungen überträgt sich aus der Eingriffszone in das Schleifwerkzeug und versetzt dieses ebenfalls in Schwingung, so dass es zu einer zusätzlichen Lärm- und Vibrationsbelastungen des Nutzers kommt. Diese Vibrationen werden bei handgeführten Werkzeugen in das Hand-Arm System des Nutzers weitergeleitet und führen langfristig zu Gesundheitsschäden. Erfahrungsgemäß verschlechtert sich die Geräuschemission zusammen mit der Scheibenbreite und dem Eigengewicht der Scheiben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr darin, eine Schleifscheibe zu schaffen, die eine große Stabilität bei geringem Gewicht gewährleistet und die eine signifikant geringere Geräusch- und Vibrationsemission im Betrieb verursacht.
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Diese Aufgabe wird durch die Schleifscheibe mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen genannt.
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Der wesentliche Aspekt der Erfindung liegt darin, die bislang flächigen Gewebelagen innerhalb der bekannten Schleifscheiben, die als flächiges Stützgerüst dienen, durch eine dreidimensionale Wabenstruktur zu ersetzen, die im Fachjargon „Honeycomb” genannt wird und die im Prinzip beispielsweise aus dem Leichtbau bereits bekannt ist. Eine solche Wabenstruktur bildet eine Vielzahl aneinander angrenzender Zellen aus, die seitlich von Zellwänden umschlossen sind und somit stirnseitig offene aber im Prinzip seitliche abgeschlossene und befüllbare Kompartemente bilden. Im Falle der erfindungsgemäßen Schleifscheiben werden diese Zellen mit der Mischung aus Schleifkorn und Kunstharz befüllt.
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Die erfindungsgemäßen Zellen sind auch dadurch charakterisiert, dass ihre Zellenwand im Verhältnis zur Weite, die insbesondere im Bereich einiger Millimeter liegt, und die Tiefe, die in der Größenordnung der Scheibenstärke und damit im Bereich weniger Millimeter liegt, der Zelle dünner ist. Mit dieser Geometrie unterscheiden sich die erfindungsgemäßen Zellen deutlich von dem an sich bekannten Gewebe, dessen Struktur zwar auch in geringem Maße kleine Hohlräume ausbildet, wobei diese jedoch in der Größenordnung der Stärke der einzelnen Gewebefasern liegen. Zudem ist es ein Charakteristikum der erfindungsgemäßen Wabenstruktur, dass sie mit ihrer speziellen Geometrie artifiziell hergestellt werden.
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Je nach dem kann es vorteilhaft sein, eine Wabenstruktur mit einer bestimmten Zellgeometrie einzusetzen. Eine besonders hohe Stabilität wird durch Zellen mit zylindrischem Querschnitt erreicht, da die runde Form bekanntermaßen inhärent stabiler ist, als andere Formen. Solche zylindrischen Zellen können nach dem Prinzip der dichtesten Kugelpackung („Zylinderpackung”) angeordnet werden, wobei die Zellen dann punktuell an ihren Außenwänden aneinander angrenzen. Die Zwischenräume können zum besseren Zusammenhalt zumindest teilweise mit dem Material der Wabenstruktur einstückig befüllt sein.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Wabenstruktur hat eckige Zellen, insbesondere wie Bienenwaben sechseckige Zellen, die flächendeckend unmittelbar aneinander angrenzen. Eine solche Struktur ist bei hoher Stabilität verhältnismäßig leicht und bietet viel Raum zum Befüllen.
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Je nach Anwendung kann es aber auch vorteilhaft sein, über den Durchmesser des Schleifwerkzeugs Zellen mit unterschiedlichen Geometrien, insbesondere in der Art eines Spinnennetzes, vorzusehen. Auf diese Wesie kann das Schwingungs- und Geräuschverhalten sowie die Stabilität des Schleifwerkzeugs gezielt verändert respektive angepasst werden.
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Mit den erfindungsgemäßen Wabenstrukturen ist es möglich, besonders schubsteife Schleifscheiben mit einem besonders niedrigem Gesamtgewicht im Verhältnis zu ihrer Stärke herzustellen. Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Schleifscheiben liegt auch darin, dass sie im Betrieb signifikant leiser sind. Das lässt sich damit erklären, dass die einzelnen Zellen durch die vertikalen Innenwände in gewissem Maße entkoppelt sind und sich die Schwingungen weniger gut über die gesamte Schleifscheibe ausbreiten können.
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Für diesen gewünschten Effekt der Entkopplung kommt es auf die Geometrie der Waben nur insofern an, als vertikale Unterbrechungen der Werkstoffstruktur vorhanden sein müssen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Elastizitäts-Modul des Werkstoffes der Wabenstruktur niedriger ist, als das Elastizitäts-Modul der Schleifscheibe. Vorteilhafterweise weist der Werkstoff der Waben selbst eine dämpfendes Verhalten auf, was beispielsweise mit dem Einsatz thermoplastischer Kunststoffe, Elastomere, Silconen, thermoplastischer Elastomere oder auch durch geschäumte Wabenmaterialien erreicht werden kann.
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In ihrer Fertigung unterscheiden sich die erfindungsgemäßen Schleifscheiben nicht prinzipiell von der Fertigung bislang bekannter Schleifscheiben. So beginnt die Fertigung mit der Bereitstellung einer geeigneten und in ihrer Geometrie vorgefertigten Wabenstruktur. Diese kann in gewünschter Stärke und Form aus einem kommerziellen Produkt ausgeschnitten und/oder ausgestanzt sein. Ganz generell können Waben aus Metall, organischen oder anorganischen Fasern sowie aus Papier oder aus Kunststoff gefertigt sein. Sie können von einem an sich stabilem Matrixsystem gebildet oder aus einem weichen Material hergestellt sein, das mit Kunstharz oder etwas ähnlichem getränkt, benetzt oder imprägniert wird. Als kommerzielle Wabenstrukturen bieten sich Aramid-Waben oder Waben aus Polycarbonaten an. Die vorgefertigte Wabenstruktur wird dann mit der Mischung befüllt, gegebenenfalls unter Rücksicht auf den Erhalt der Struktur gepresst und letztendlich ausgehärtet.
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Um die Biegefestigkeit und die Langlebigkeit der Schleifscheiben zu erhöhen, ist es vorteilhaft, die Deckflächen der mit gebundenem Schleifmittel befüllten Wabenstruktur vor dem Aushärten beidseitig mit einem netzartigen Verstärkungsgewebe zu bedecken respektive zu kaschieren. Als Verstärkungsgewebe bieten sich organische und anorganische Fasern wie beispielsweise Kohle- Aramid- und Glasfasern an. Auf diese Weise entsteht ein leichter Verbundwerkstoff mit einer auf Biegung besonders hohen Festigkeit. Insbesondere bei Schruppscheiben kann es vorteilhaft sein, die Scheibe sandwichartig mit zwei oder mehr Lagen der Wabenstruktur und Verstärkungsgewebe aufzubauen, um eine erhöhte Biegefestigkeit zu erreichen. Es kann auch vorteilhaft sein, auf der Außenfläche der Schruppscheibe und auch bei stationären Trennschleifscheiben noch ein Lage der mit Schleifkörnern versehenen Kunstharzmischung vorzusehen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1 bis 6 näher erklärt. Es zeigen
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1 zwei verschiedene Wabenstrukturen,
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2: einen aus der Wabenstruktur geschnittenen Rohling,
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3: zwei Verfahrensschritte der Herstellung,
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4: eine Variante einer Sandwichanordnung,
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5: eine weitere Variante einer Sandwichanordnung und
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6: eine dritte Variante einer Sandwichanordnung.
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In 1 sind zwei Varianten der Wabenstruktur in Form von Wabenkernen dargestellt, wie sie kommerziell als Meterware oder Blockware in verschiedenen Geometrien und aus verschiedenen Materialien, insbesondere aus Aluminium, Edelstahl, Kunststoff und Papier, erhältlich sind. In 1a ist ein Wabenkern mit zylindrischer Zellform gezeigt, wie er beispielsweise aus einem Polycarbonat gefertigt werden kann. Dieser Wabenkern hat aufgrund der zylindrischen Zellform eine hohe inhärente Stabilität. Der Wabenkern nach 1b hat die typische Bienenwabengeometrie mit den sechseckig aneinander angrenzenden Kernen.
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In 2 ist ein Rohling 1 für eine Schleifscheibe gezeigt, wie er mit einem der späteren Scheibe entsprechenden Durchmesser, aus einem als Meterware vorliegenden Wabenkern mit sechseckigen Zellen entsprechend 1b) ausgeschnitten oder ausgestanzt werden kann. Die Wabenkerne werden in Stärken von wenigen, beispielsweise von etwa 2 mm, angeboten, so dass ein Abtrag der Stärke nicht erforderlich ist. Die Stärke der Wabenkerne richtet sich nach der späteren Verwendung und sollte das Schleifwerkzeug pro Schicht in der gesamten Scheibenbreite durchdringen. Aus der Mitte des Rohlings ist die Bohrung 2 ausgenommen, die der zentralen Bohrung zur Befestigung der Schleifscheibe auf dem Maschinenflansch entspricht.
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Die vorgefertigten liegenden Rohlinge 3 werden entsprechend 3a von oben mit einer Mischung 4 aus Schleifkorn und Matrix, insbesondere Kunstharz oder anderen Kunststoffen, befüllt. Die Deckflächen der befüllten Wabenkerne 5 werden dann mit einem Gewebe 6 kaschiert, wie in 3b gezeigt wird. Um den Transport und die weitere Verarbeitung der gefüllten Wabenkerne zu ermöglichen, kann es vorteilhaft sein, kaschiertes Gewebe einzusetzen. Die Kaschierung kann aus Papier oder bei mehrschichtigen Scheiben auch aus dämpfenden Materialien wie oben bereits beschrieben ausgeführt sein. Im Anschluss wird die Scheibe in bekannter Weise gebrannt.
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Die Wabenkerne können für die Produktion von mehrschichtigen Scheiben, insbesondere von Schruppscheiben, genutzt werden. Dabei können die Wabenkerne an verschiedenen Positionen in verschiedener Anzahl in der Schleifscheibe vorgesehen sein. Ausführungsbeispiele sind in den 4 bis 6 gezeigt.
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4 zeigt einen Ausschnitt aus einer mehrschichtigen Scheibe mit einem einzigen mit Mischung befüllten Wabenkern 7 als Deckschicht. Der Wabenkern 7 ist beidseitig mit einem Gewebe 8 kaschiert. Auf der später zum Schleifen vorgesehenen Seite sind auf den kaschierten Wabenkern zwei Lagen kunstharzgebundener Schleifkörper 9 vorgesehen, die ihrerseits durch ein versteifendes Gewebe 10 getrennt sind.
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5 zeigt einen Ausschnitt aus einer symmetrisch aufgebauten Scheibe mit einem befüllten und mit Gewebe 11 kaschierten Wabenkern 12. Beidseitig sind jeweils eine Lage 13 mit kunstharzgebundenen Schleifkörnern aufgebracht, wobei eine der Lagen mit einem Gewebe 14 kaschiert ist.
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In 6 ist nunmehr einen Ausschnitt aus einer Scheibe mit zwei aufeinandergelegten, befüllten und jeweils beidseitig mit Gewebe 15 kaschierten Wabenkernen 16 gezeigt, wobei beide Wabenkerne 16 über ein gemeinsames zwischenliegendes Gewebe 15a verbunden sind. Auf der später zum Schleifen vorgesehenen Fläche ist eine Lage 17 mit Kunstharz gebundenen Schleifkörnern aufgebracht.
