DE1940597A1

DE1940597A1 - Schleifwerkzeug

Info

Publication number: DE1940597A1
Application number: DE19691940597
Authority: DE
Inventors: Ferchland Harold William
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1968-08-09
Filing date: 1969-08-08
Publication date: 1970-09-17
Also published as: FR2015377A1; JPS5011118B1; DE1940597C3; DE1966764A1; CH502165A; GB1229512A; SE344422B; DE1940597B2

Description

DR. MÖLLER-BORG D I PL.-I N G. G RALFS DR. MANITZ DE. DEUi¹EL PATENTANWÄLTE

Braunschweig, den 6« August 1969 Unser Zeichen: G 1798 - Al/Lie

General Motors Corporation Detroit / Michigan - U.S.A»

Priorität: USA vom 9· August 1968 Nr.: USSN. 751, 4-79

Schleifwerkzeug

Die Erfindung betrifft allgemein Schleifwerkzeuge oder abtragende Schneidwerkzeuge. Έβηη auch die Erfindung in erster Linie anhand von galvanisch mit Diamanten versehenen Umfangsscheiben erläutert wird, so ist doch klar, daß die erläuterten Prinzipien in gleicher V/eise auf andere Diamant scheiben anwendbar sind, wie beispielsweise Schneidwerkzeuge, Trennscheiben, spanabhebende Scheiben, ebene und kegelige Schmirgelscheiben, Scheiben zum Abfasen von Glas, Innenschleifscheiben, Schleifscheiben für optische Geräte, Steinsägen, Oberflächenschleifscheiben, Einstechschleif scheiben usw.·

Bisher gibt es im allgemeinen zwei Arten von Schleifscheiben. Die erste Art sind keramische Scheiben, die im allgemeinen große

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Maße besitzen, und die mit einer geschmolzenen Zellenstruktur dadurch hergestellt werden, daß Teilchen, wie AIpO^, in einem Glasgefüge. gebunden werden. Einige dieser Scheiben ermöglichen einen begrenzten Durchfluß eines Kühlmittels durch die Scheibe, da sich bei der Herstellung der Scheibe einige feine Kanäle ausbilden. Jedoch ist bei Scheiben dieser Art das Kühlmittel im wesentlichen in der Nähe der Seitenflächen konzentriert, wobei nur eine sehr begrenzte Menge tatsächlich, durch die Scheibe hindurchtritt. Scheiben dieser Art sind im allgemeinen in der Drehzahl begrenzt, da sie den bei hohen Drehzahlen auftretenden Kräften und den Spannungen beim Schleifen nicht widerstehen können. Davon unabhängig wird bei einer Erhöhung der Drehzahl mehr Wärme in das Werkstück und in die Scheibe eingeleitet. Diese Wärme verkürzt die Lebensdauer der Scheibe und verursacht Schaden am Werkstück wie Rissigkeit der Oberfläche, ein starkes Ansteigen der Oberflächenspannung, Balligkeit usw·

Die zweite Art von Schleifscheiben sind die massiven Scheiben. Diese Art von Scheiben ist üblicherweise aus einem massiven Metall (z.B. Aluminium) hergestellt und weist eine abtragende oder schleifende Arbeitsfläche auf. Diese Arbeitsfläche kann durch metallgebundene Diamanten oder Diamanten in einer Phenolharzbindung dargestellt sein. Die massiven Scheiben sind sehr kräftig ausgebildet und können dementsprechend höhere Drehzahlen aushalten als die zuerst erwähnten Scheiben. Wenn nun aber auch aus Festigkeitsgründen höhere Drehzahlen möglich sind, so tritt doch durch die hohen Drehzahlen eine übermäßige Wärme in das Werkstück und in die Scheibe ein. Wenn bei fortgesetztem Betrieb mehr Wärme erzeugt wird, steigt die Temperatur in der Scheibe und im Werkstück soweit an, bis bei den harzgebundenen Scheiben die Bindung zerstört wird. Bei den metallgebundenen Scheiben bewirkt das Ansteigen der Temperatur ein Quellen der Scheibe und des Werkstücks, das - wenn es übermäßig auftritt--

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die Scheibe, das Werkstück und die SchleifmascMne beschädigen kann. Es ist bisher nicht möglich gewesen, die an der Berührungs· stelle von Scheibe und Werkstück erzeugte Wärme in einem solchen Maße abzuführen, daß die Schnittgeschwindigkeiten der heute handelsüblichen Scheiben wesentlich erhöht werden konnten. In diesem Sinne können diese Scheiben als durch die Wärme begrenzte Werkzeuge angesehen werden. Das bedeutet, daß es eine obere Grenze der Schnittgeschwindigkeit'gibt, die wegen der Unmöglichkeit, die erzeugte Wärme abzuleiten, nicht überschritten werden kann.

Ziel der Erfindung ist es, sowohl die Drehzahlbegrenzung als die Wärmebegrenzung, die bei den bekannten Schleifscheiben gegeben sind, zu überwinden und eine Scheibe zu schaffen, die . nicht nur schneller und kühler arbeitet als irgendeine bisher bekannte Scheibe, sonde??n die auch hierbei weniger Leistung verbraucht und eine längere Lebensdauer besitzt.

Scheiben gemäß der Erfindung weisen eine Arbeitsfläche auf, die durch eine Schicht Diamanten dargestellt wird, die in ein poröses, wärmeleitendes Gefüge eingeschlossen sind, sowie einen Wärmeableitungsbereich, der an die genannte Arbeitsfläche anschließt. Diamanten besitzen im Gegensatz zu anderen Schleifmitteln den Vorzug, daß sie nicht nur hervorragende Schnitteigenschaften, sondern auch noch eine außerordentlich hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die etwa das fünffache der von Kupfer beträgt. Der Wärmeableitungsbereich der Scheiben besteht aus einem Material, das groß bemessene Kühlmittelkanäle zum Durchfluß einer größeren Kühlmittelmange zur Arbeitsfläche hin aufweist. Zweckmäßigerweise bestehen der Wärmeableitungsbereich

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und das Gefüge zur Aufnahme der Diamanten aus Metallen, die eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens etwa 0,05 cal/sec/cm / C/ci und vorzugsweise wenigstens 0,1 cal/sec/cm / G/cm besitzen. Der Wärmeableitungsbereich weist ein solches Porositätsprofil auf, daß die Zwischenporen, die die Kühlmittelkanäle· bilden, eine ausgedehnte Wärmeübertragungsfläche bilden. Durch, das Porositätsprofil soll die Art, die Ausbildung, Größe und Verteilung der Zellen oder Poren angegeben werden, "die die Kühlmittelkanäle bilden und das Porenvolumen des.Wärmeableitungsbereichs darstellen, ausgedrückt beispielsweise als Zellen je Zoll Längeneinheit ο Der Ausdruck "groß bemessen" in Verbindung mit den Kühlmittelkanälen soll andeuten, daß es sich hier um genügend große Kanäle handelt, die eine größere Kühlmittelmenge durchlassen im Gegensatz zu den durch feinste Poren und/ oder im wesentlichen geschlossene Zellenstrukturen, die nur mit Kapillarkanalen versehen sind, durchsickernden Kühlmittelmen- . ■ gen. Die gesamte Scheibe kann.aus demselben Material wie der Wärmeableitungsbereich bestehen. Wenn die gesamte Scheibe in dieser Weise aufgebaut ist, dann wirkt nur der Teil, der unmittelbar an die Arbeitsfläche angrenzt, als Wärmeableitungsbereich. Bei einer Ausbildung in dieser Art ergeben sich zusätzliche Vorteile·, so z.B. eine Gewichtsverminderung, die weiterhin eine Einsparung von Leistung zur Folge hat. Vorzugsweise besteht der Wärmeableitungsbereich aus einem porösen Metall wie beispielsweise Kupfer, das eine Wärmeleitfähigkeit von 0,9 cal/sec/cm / C/cm besitzt. Selbstverständlich können auch andere Metalle und Legierungen, wie Nickel, Eisen, Aluminium, Magnesium usw. verwendet werden. Es wurde festgestellt, daß Taei zunehmender Wärmeleitfähigkeit und Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche des Wärmeableitungsbereichs das Werkstück weniger Wärme aufnimmt und die Scheibe bei fortgesetztem

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Betrieb kühler bleibt. Das gilt insbesondere dann, wenn ein schlechtes Kühlmittel wie beispielsweise Luft verwendet wird. Wenn die Qualität des Kühlmittels verbessert wird, kann die Wärmeübertragungsfläche verkleinert werden. Durch ein schnelles Abführen der erzeugten Wärme können das Werkstück und die Scheibe unterhalb der entsprechenden Zerstörungstemperaturen gehalten werden.

Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung in mehreren Ausführungsformen dargestellt und wird im folgenden im einzelnen erläutert.

Fig. 1 zeigt in radialer Hichtung eine Ansicht einer Schleifscheibe gemäß der Erfindung, die in Figur 3 teilweise geschnitten dargestellt ist.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Teilstirnansicht, die den Schnitt längs der Linie 2-2 der Figur 1 zeigt.

Fig. 3 zeigt eine Teilvorderansicht einer anderen Ausführungsform einer Scheibe gemäß der Erfindung in axialer Hichtung.

Fig. 4 ist ein Schnitt nach der Linie 4-4 der Figur 3.

Fig. 5 zeigt vergrößert einen Teil des Schnittes der Figur

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zeigt eine Teilvorderansicht einer anderen Ausführungsform einer Scheibe gemäß der Erfindung in axialer Richtung· -

Fig. 7 ist ein Schnitt nach der Linie 7-7 durch die Scheibe der Figur 6_O

Fig. 8 zeigt vergrößert einen Teil des Schnittes der Figur 7«

Figo 9 zeigt teilweise im Schnitt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Schleifscheibe gemäß der Erfindung.

Fig. 10 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung einer Polierscheibe, die entsprechend der Erfindung ausgebildet ist.

Fig. 11 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 12 und 13 zeigen in Diagrammen einen Vergleich der Werkstücktemperatur in Abhängigkeit von der Schleifscheibenzustellung, von der Wärmeleitfähigkeit und der Porosität unterschiedlicher Diamantscheiben.

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Fig. 14 und 15 zeigen unter anderen Bedingungen als die Fig. 12 und 13 einen Vergleich der Werkstücktemperatur in Abhängigkeit von der SchleifScheibenzustellung, von der Wärmeleitfähigkeit und der Porosität unterschiedlicher Diamantscheiben.

Fig. 16 und 17 vergleichen graphisch die Werkstücktemperaturen bei verschiedenen Schnittiefen in Abhängigkeit von den Wärmeübertragungsflächen, die für die konvektive ' Wärmeableitung aus dem Wärmeableitungsbereich der unterschiedlichen porösen Diamantscheiben gemäß der Erfindung zur Verfugung stehen.

Fig. 18 vergleicht graphisch die in unterschiedlichen radialen Tiefen gemessene Temperatur von Schleifscheiben, die innerhalb der Schneidfläche mit unterschiedlich großen Wärmeübertragungsflächen versehen sind.

Fig. 19 vergleicht graphisch bei unterschiedlichen Schnittie— fen die Werkstücktemperaturen beim Bearbeiten mit einer bekannten, massiven Diamantscheibe und einer porösen Diamantscheibe gemäß.der Erfindung.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform einer Schleifscheibe gemäß der Erfindung. Die Scheibe 2 besteht aus Seitenplatten 6, die voneinander durch eine Anzahl von gefalteten . Metallbändern getrennt sind, die mit 4a, 4b, 4c und 4d bezeichnet sind. Die Seitenplatten 6 sind beispielsweise durch Lötung mit den gefalteten Bändern verbunden. Wie am besten aus Figur

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hervorgeht, kann das Metallvolumen der Scheibe in radialer Richtung einfach .dadurch geändert werden, daß die Anzahl der Paltungen ge Längeneinheit geändert wird, die zwischen den Seitenplatten 6 angeordnet werden. Das Gesamtgewicht der Scheibe, die Festigkeit und die Wärmeableitungseigenschaften können in dieser Weise gesteuert werden. Das in unmittelbarer Nachbarschaft des Seheibenumfangs liegende Metallband 4a dient hierbei als Hauptschicht zur Wärmeableitung. In den Seitenflächen 6 sind radial innen an der Scheibe mehrere Löcher 8 vorgesehen, durch die während des Betriebes ein Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, in die Zwischenräume der Scheibe eingeleitet werden kann. Durch die Fliehkraft strömt das Kühlmittel in radialer Richtung nach außen zur Arbeitsfläche Die Seitenflächen 6 begrenzen den Durchfluß des Kühlmittels durch die Scheibe und verhindern den Austritt durch die Stirnflächen. Die Nabe 1.0 der Scheibe kann bei dieser Ausführungsform von,beliebigem Aufbau sein und steht in keinem Zusammenhang mit der Erfindung. Der Umfang der Scheibe 2 ist die Arbeitsfläche der Schleifscheibe, die durch einen überzug aus galvanisch aufgebrachten Diamanten besteht. Bin solcher Überzug ergibt sich durch eine vorbestimmte Lage von Diamanten beim galvanischen Niederschlagen von Metall in der iVeise, daß die Diamanten in dem niedergeschlagenen metall (z.B. Nickel) eingeschlossen sind, das als Haltegefüge oder -material für die Diamanten dient. Die Arbeitsfläche 12 wird in der Zeichnung als eine besondere Schicht dargestellt, da sie eine endliche, wenn auch geringe Dicke besitzt. Durch das Stricheln sollen die Teilchen angedeutet werden. Die Verwendung des Ausdrucks "Arbeitsfläche" soll im folgenden diese bestimmte Schicht unabhängig von ihrer Dicke bezeichnen..

: ■ ' .-. : ' .'■ OBWSiNALiNSPECTED;

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Die Figo 3» 4- und 5 zeigen eine vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Schleifscheibe aus einer Anzahl von Drahtgeflechten 16 aufgebaut. Wie am besten aus den Fig. 4- und 5 hervorgeht, sind die Geflechte fluchtend ausgerichtet, gestapelt und an den Stellen 24, an denen sie sich berühren, durch Lötung miteinander verbunden. Wie weiter unten erläutert wird, werden die Geflechte vorzugsweise vorher gewellt. Die einzelnen Geflechte sind gegeneinander um einen Winkel verdreht angeordnet, wozu die einzelnen Geflechte zum -nächsten um einen bestimmten Winkel um die durch den Mittelpunkt der Scheibe verlaufende Achse gedreht werden. Die Scheibe weist weiterhin eine in der Zeichnung nicht dargestellte Nabe auf. Bevor die Nabe an der Scheibe angebracht ■ wird, ist es wünschenswert, den Mittelteil der Scheibe zu versteifen. Diese Versteifung wird in der Weise erreicht, daß ein Hing mit einer Breite von etwa 1" (25j4 mm) um das Mittelloch der Scheibe herum mit einer in der Wärme aushärtenden Flüssigkeit imprägniert wird. Dieser Vorgang soll weiter unten noch im einzelnen erläutert werden,. Die Schleifscheibe weist eine Arbeitsfläche 20 auf, die durch eine schleifende Schicht 18 aus galvanisch aufgebrachten Diamanten besteht. Die Teile der Drähte, die unmittelbar an die. Arbeitsfläche 20 angrenzen, dienen als wärmeleitende Teile des Wärmeableitungsbereichs.

Bei der in den Fig. 6, 7 und 8 dargestellten Ausführungsform besteht die Schleifscheibe 26 aus einer Anzahl Schichten perforierter Bleche 28, die voneinander durch Distanzstücke 34· getrennt sind«. Bei der dargestellten Ausführungsform bilden die Distanzstücke 34 integrale Bestandteile der Bleche 28 und werden beim Perforieren der Bleche hergestellte Andere Distanzstücke,

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wie "beispielsweise Drähte oder Eindellungen, die in den Blechen 28 vorgesehen sind, können ebenfalls benutzt werden. Die Schleifscheibe 26 ist mit einer Arbeitsfläche 32 versehen, die durch eine schleifende Schicht 30 dargestellt wird. Die einzelnen Bleche 28 sind gegeneinander in radialer Richtung versetzt, wie es am besten aus den Figuren 7 und 8 hervorgeht. Weiterhin sind die Bleche relativ zur Mittelachse der Scheibe auch unter Winkeln zueinander angeordnet, wie es S¹Ig. 6 zeigt. Diese Versetzung der einzelnen Schichten stellt einen im wesentlichen kontinuierlichen Weg für das Kühlmittel von der Mitte der Scheibe bis zur Arbeitsfläche 32 hin sicher, wenigstens aber durch den unmittelbar an die Arbeitsfläche angrenzenden WärmeableitungsbereichV Die Perforierungsdichte, d.h. die Anzahl der Löcher je Flächeneinheit - besonders im Wärmeableitungsbereich unmittelbar unterhalb der Arbeitsfläche - hängt von der Wärmemenge ab, die von der Stelle, wo Werkstück und Scheibe zusammentreffen, abgeleitet werden muß. Die Perforierungsdichte und die Verteilung der Löcher in Fig. 6 soll nur als Beispiel dienen und stellt keine bestimmte, kritische Ausführungsform dar.

Die Fig. 9, 10 und 11 zeigen weitere Ausfahrungsformen von Werkzeugen gemäß der Erfindung. In Figur 9 besteht die gesamte Scheibe 38 aus einem offenzelligen, porösen Metall 40 (z.B. Nickel). Solche Scheiben sind erfolgreich mit 15 Volumenprozent Nickel hergestellt worden und besaßen ein Porositätsprofil von etwa 45 Zellen je Zoll Länge, (etwa 18 Zellen je cm). Dabei

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wurden große Wärmeübergangsflächen von etwa 75 in /in oder

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29,5 cm je cnr Material erzielt. Die Schleifscheibe wird durch eine Arbeitsfläche 42 und eine nicht dargestellte Harzhalterung wie bei den Figuren 3, 4 und 5 vervollständigt. Ein Nabeneinsatz w.ird durch zwei Teile 44 und 46 dargestellt, die von den beiden Seiten der Scheibe eingepreßt und mit der Scheibe verbunden sind. -PRiGlNAL INSPECTED

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Die in Figur 10 dargestellte Scheibe 48 entspricht insofern im wesentlichen der der Figur 9j als sie grundsätzlich aus einem porösen Metall 54 besteht. Hier ist Jedoch die schleifende · Schicht 50, durch die die Arbeitsfläche 52 dargestellt wird, nicht auf dem Umfang der Scheibe vorgesehen, sondern auf der Stirnfläche der Scheibe 48. Mit dem auf der Stirnfläche ange-' brachten Schleifmittel kann das Werkzeug als Schmirgel- oder Polierscheibe oder dergleichen verwendet werden. Die Scheibe ist dabei so ausgebildet, daß die Umfangskante dünner ist als der Scheibenkörper, so daß am Scheibenumfang eine erhebliche Flexibilität erhalten wird. Eine solche Form ist besonders gut für das Schmirgeln und Polieren geeignet. Bei dieser Art von " Bearbeitung; wird das Material vom Werkstück unter weniger schwierigen Bedingungen abgetragen als es beim Schleifen und Trennen mit dem Scheibenumfang der Fall ist, wo die Scheiben nicht biegsam sind, in das Werkstück hineingedrückt werden und eine verhältnismäßig geringe Berührungsfläche mit dem Werkstück besitzen. Gerade an dieser kleinen Fläche tritt die außerordentlich große Wärmeentwicklung auf, die schnell abgeleitet' werden muß..Ein anderer Aufbau einer in der beschriebenen Weise gestalteten Scheibe kann dadurch erreicht werden, daß eine Scheibe entsprechend den Figuren 3 bis 5 verwendet wird, bei der der Außendurchmesser der Drahtgeflechte zunehmend von der Arbeitsfläche zur Rückseite der Scheibe verringert wird. An der Scheibe ist schließlich noch in bekannter Weise eine Nabe angebracht. . . - ' '

Bei der Ausführungsform nach Figur 11 ist der Wärmeableitungsbereich .70 vollkommen von Scheibenkörper 66 der Scheibe 58 getrennt ausgebildet. Der Wärmeableitungsbereiöh 7.0 liegt unmit-

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telbar unterhalb der porösen Schleifschient 72, die die Arbeitsfläche 74 der Scheibe darstellt. Der Bereich 70 besteht aus einem porösen Metall der oben erläuterten Art. Praktisch wird sämtliche Wärme, die in die Scheibe eintritt, auf dieser kurzen Entfernung radial innerhalb der Arbeitsfläche 74- entfernt. Man kann annehmen, daß eine Strecke von nicht mehr als 1/16" (etwa 1,6 mm) ausreicht, den größten Teil der Wärme zu entfernen (siehe beispielsweise Figur 18). Der Scheibenkörper 66 kann aus einem beliebigen, ausreichend festen Material bestehen, das die Beanspruchungen des SohleifVorgangs aufnehmen kann. Je leichter dieses Material ist, desto weniger Leistung ist zum Antrieb der Scheibe erforderlich. Für den Scheibenkörper 66 können Materialien wie Metall oder auch bestimmte Kunststoffe verwendet werden. Bei Ausführungsformen entsprechend Figur 11 wird zweckmäßigerweise eine Mehrzahl von radialen Bohrungen 68 im Scheibenkörper 66 vorgesehen. Diese radialen Bohrungen 68 ermöglichen die Einführung eines Kühlmittels im Nabenbereich, von wo das Kühlmittel zur Arbeitsfläche 74-gelangt. Je nach der genauen Art der auszuführenden Arbeit und/ oder nach den Beschränkungen der Einrichtungen des Benutzers kann das Kühlmittel natürlich auch durch andere Mittel in den Wärmeableitungsbereich 70 eingeführt werden, wie beispielsweise als Kühlstrahlen (z.B. mittels der Düse 4J der Fig.'9)» die aus einer beliebigen Anzahl von Eichtungen auf den Wärmeableitungsbereich gerichtet werden. Das gilt selbstverständlich für alle Arten von Schleifscheiben. Die M_enge des Kühlmittels sollte so ausreichend bemessen sein, daß sie die Wärme, die an der Stelle des Zusammentreffens von Werkstück und Schleifscheibe erzeugt und konduktiv in den Wärmeableitungsbereich der Scheibe übertragen wird, konvektiv ableitet.

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Im folgenden soll im einzelnen eine besondere Ausführungsform einer vorzugsweise anzuwendenden Schleifscheibe sowie ein Verfahren zum Herstellen der Scheibe erläutert werden. Dazu wird auf die Figuren 3» 4- und. 5 verwiesen. Es soll eine Scheibe 14 mit 7" (178 mm) Durchmesser und 1/2" (12,7 mm) Breite hergestellt werden. Die einzelnen Schichten, die die Scheibe bilden, bestehen aus Kupferdrahtgeflecht mit der Maschenweite Nr. 8„ Dieses Drahtgeflecht wird aus 0,028" (ca. 0,7 mm) Kupferdraht hergestellt und besitzt Öffnungen zwischen den Drähten mit einer vVeite von etwa 0,097" (ca. 2,46 mm). Dieses Geflecht wird vorzugsweise in Rollen angeliefert. Der Streifen des Geflechts wird durch eine Maschine zum Herstellen von Wellungen geschickt, um im Geflecht Wellungen herzustellen, wie sie am besten in Fig. 5 zu erkennen sind. Das Wellen des Geflechts bietet mehrere Vorteile. Es ist einmal ein einfaches Mittel, um die Schichten im Abstand voneinander zu halten, wenn die Schichten zum Aufbau der Scheibe übereinander gestapelt werden<> Die Anordnung der Schichten mit Abstand voneinander fuhrt zu einer Mehrzahl von im wesentlichen durchgehenden, nicht gewundenen Kanälen von der Innenseite der Scheibe bis zur Arbeitsfläche 20. Weiterhin wird durch die Anordnung der Geflechte im Abstand voneinander die Anzahl der Schichten verringert, die zum Herstellen einer Scheibe mit einer vorgegebenen Dicke erforderlich ist. Dadurch wird wiederum die Masse der Scheibe verringert ρ Wie bei A in i'ig·. 5 angedeutet, wird im allgemeinen und vorzugsweise die Wellung so vorgenommen, daß sie etwa der Dicke der Drähte entspricht, die das Geflecht bilden. Aus dem gewellten Geflecht werden Rohlinge mit entsprechendem Durchmesser ausgestanzte Gleichzeitig wird in jeden Rohling ein zentrales Loch eingestanzt. Dann wer-den die so hergestellten Geflechte mit einem Lötpulver überstäubt. Bei Kupfergeflechten wird vorzugsweise ein Nickel-Phosphor-Lötpulver verwendet, wie es von der Wall Colmonoy Corporation unter der Bezeichnung Nicrobraz 10 vertrieben wird. Dann wird eine geeignete Anzahl

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von Geflechten zusammengelegt und in einer Halterung gestapelt, um sie während des Lötens ausgerichtet zu halten. Für eine Scheibe mit 1/2" Dicke sind etwa 17 Schichten des gewellten *■ Geflechts erforderlich, wodurch eine wirksame V/ärmeübergangs-

o -ζ. ρ

fläche im Wärmeableitungsbereich von etwa 52 in /Ιώτ 20,5 cm je cnr porösen Metalls oder geschichteten Geflechts erhalten wird. Die Metallmenge liegt in diesem Bereich etwa bei 36 Volumenprozent Kupfer. Die Geflechte werden dann um den Scheibenmittelpunkt gegeneinander verdreht, um sicherzustellen, daß am Umfang der Scheibe eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung der Drahtenden erhalten wird. Weiterhin wird durch dieses Verdrehen erreicht, daß die Strömungswege in der Scheibe in axialer Richtung mehr gewunden verlaufen als in der radialen Richtungο Dadurch wird eine bessere radiale Strömung des Kühlmittels sichergestellt. Der Stapel in der Halterung wird dann durch ein Gewicht beschwert, so daß die Schichten während des Lötens eng aneinander gedrückt werden und sichergestellt wird, daß eine Scheibe mit gleichförmiger Dicke erhalten wird. Der Stapel wird in einen Lötofen eingebracht und in der Weise behandelt, daß die Schichten miteinander verbunden werden. Nach dem Löten wird die Scheibe zur Aufnahme der ETabe vorbereitet. Dazu wird das zentrale Loch durch das Imprägnieren eines Ringes mit einer Breite von etwa 1" (25 j⁷·- mm) um das Loch herum mit einer wärmehärtenden Flüssigkeit versteift. Beispielsweise kann hierzu Scottweld EC-2214 verwendet werden. Die wärmehärtende Flüssigkeit wird dann in Übereinstimmung mit den Anweisungen des Herstellers ausgehärtet. Bei Scottweld EC-2215 wird das Aushärten durch ein Aufheizen auf 250 E (121 C) während einer Zeit von 40 Minuten erreicht. Vorzugsweise wird in das zentrale Loch ein Teflonstopfen eingesetzt, um das Loch frei von der wärmehärtenden Flüssigkeit zu halten, während diese

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eingebracht und ausgehärtet wird. Nach dem Aushärten wird der Stopfen entfernt und das Loch wird bis zum gewünschten Durchmesser aufgerieben, bei einer 7"-Scheibe beispielsweise auf 1,25" (ca. 3*1,7 mm). Anschließend wird die Scheibe abgerichtet, um sicherzustellen, daß sie konzentrisch zur Nabe läuft. Dann wird die Scheibe z.B. durch einen Dampfstrom oder einen feinen Sandstrahl gereinigt, um sämtliche kleinen Metallteilchen an den Drahtenden, die beim Abrichten entstanden sind, zu entfernen. Jetzt wird auch ein etwa erforderliches Entfetten der Scheibe vorgenommen. Die Scheibe wird dann in geeigneter Weise'abgedeckt, um sicherzustellen, daß nur der als Arbeitsfläche dienende Bereich die galvanisch niedergeschlagenen Diamanten erhält. Hierzu gibt es zahlreiche geeignete Masken oder Abdeckmaterialien wie Wachse, Lacke und dergleichen. Torzugsweise werden Lacke benutzt. Nach dem Austrockenen des Lackes werden gewisse Stellen freigelegt, so daß die Galvanisierung dort, wo der Lack entfernt wurde, erfolgen kann. Das Entfernen des Lackes wird zweckmäßigerweise mit einer motorgetriebenen, umlaufenden Drahtbürste vorgenommen» Dann werden die Diamanten auf die Scheibe aufgebrachte Vorzugsweise wird das Überziehen bis zu einer Tiefe von etwa 1/4" (6,35 ^⁰¹) i& ä-ie Zwischenräume der Scheibe hinein vorgenommen; Das wird zweckuiäßigerweise in der Weise gesteuert, daß die Boren der Scheibe zeitweise mit einem inerten Füllstoff wie Wachs oder Harz gefüllt werden* Vorzugsweise wird ein Nickel-Diamant-Galvanisierungsverfahren (Nickel-Diamond codeposition process) benutzt, wenn selbstverständlich auch andere Verfahren wie beispielsweise ein Verfahren mit Kupfer-Diamant verwendet werden können«, Im folgenden sind ein typisches GaIvanisierungsbad und die entsprechenden Bedingungen angegeben: ' ■

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1940597	g/l
330	S/1-
45	g/l
37	g/i ■
0,1	g/l
0,1	g/l
100
2,5	σ
60°

Nickelsulphathexahydrat Nickelchloridhexahydrat Borsäure

Glaubersalz (sodium low sulphate) Cumarin

Diamant-Schleifmittel (G!E!Rvg 80-100 grit)

Temperatur

Anoden ' ■ Reines Nickel

Zum Galvanisieren des Umfangs der Scheibe wird die" Scheibe als Kathode im elektrolytischen Bad benutzt. Das Bad wird in Bewegung gehalten, beispielsweise durch einen in die Lösung eintauchenden Flügel, um die Diamanten in der Lösung verteilt zu halten» Die Stromdichte ändert sich während des· Galvanisieren von 60 A/ft²(0,065 A/cm²) bis 10 A/ft² (0,0108 A/cm²), wobei eine genauere Regelung gegen Ende des Vorgangs erforderlich ist, nachdem die Diamantablagerung zugenommen hat. Vorzugsweise soll die Dicke der Nickelablagerung größer als etwa 50 Prozent des mittleren Durchmessers der Diamanten sein, jedoch nicht mehr als 100 Prozent. Daraus ergibt sich eine bessere Haftung der Diamanten. Nach dem Reinigen und deia Entfernen des Abdeck- und Füllmaterials wirddie Scheibe ausgewuchtet.

Schleifscheibenj die in der oben erläuterten Weise hergestellt wurden, wurden in der Weise geprüft, daß ein Stück "KT" Siliziumkarbid geschliffen wurde. Das Prüfstück war ein rohrförmiger Zylinder mit einem Außendurchmesser von 5,788" (147 mm), einem Innendurchmesser von 3,750" (95,3 mm) und einer Länge von 1,625" (41,3 mm). Das Siliziumkarbid hatte eine Härte von 13

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entsprechend der Mohs¹sehen Skala. Das Schleifen wurde am Ende quer über den Durchmesser des Prüfstücks vorgenommen, wobei Wasser als Kühlmittel diente. Das Kühlmittel strömte durch den Wärmeableitungsbereich der Scheibe mit einer Menge von 0,22 gal/min (833 cnr/min). Die Abtraggeschwindigkeit betrug 0,004" (0,1015 mm) je Durchgang der Scheibe bei einer Gesamtabnahme von 2,0 ir (32,77 cnr) in 42,3 Minuten. Ein ähnlicher Versuch wurde mit demselben Material bei Benutzung einer üblichen . harzgebundenen Diamantscheibe durchgeführt, die nur 0,001" (0,0254 nun) je Durchgang abnahm und nur 0,8 in"^ (13^1 cnr) in 6 Stunden abschleifen konnte.

Es scheint so, daß die überlegene Leistung der erfindungsgemäßen Scheiben durch ein Zusammenwirken zwischen dem konduktiven und dem konvektiven Wärmeübergangsmechanismus in der Arbeitsfläche der Scheibe und in dem Wärmeableitungsbereich entsteht. Es konnte beobachtet werden, daß Diamantscheiben, die sonst im wesentlichen den gleichen Aufbau zeigten, jedoch aus Material mit anderen Wärmeleitfähigkeiten hergestellt waren, sich hinsichtlich der Wärmemenge, die in das Werkstück übertragen wurde, unterschiedlich verhielten. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials, das den Wärmeableitungsbereich der Scheiben bildet, scheint ein sehr wesentlicher Parameter zu sein. Die Figuren 12 bis 15 zeigen, daß während eines kontinuierlichen Schleifens mit einer konstanten Scheibendrehzahl und konstantem Kühlmittelfluß (Luft oder Wasser) die Wärmemenge, die in das Werkstück übertragen wurde, im wesentlichen umgekehrt proportional der Wärmeleitfähigkeit des Materials ist, aus dem die Wärmeableitungszone der Scheibe besteht. Beispielsweise lassen die Fig. 12 bis 15 erkennen, daß poröse Wärmeableitungsbereiche, die aus Kupfer bestehen, weniger Wärme in das Werkstück übertragen als

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die aus Nickel bestehenden. Figuren 12 bis 15 zeigen weiterhin, daß allein die Schleifscheiben gemäß der Erfindung die Wärme schnell genug ableiten können, um genaue, tiefere Einschnitte herstellen zu können* Das gilt sowohl für die trockenen (luftgekühlten) als auch die nassen (wassergekühlten) Versuche. Beispielsweise konnten bei den durch die Figuren 12 bis 15 dargestellten Versuchen weder die massiven noch die harzgebundenen Schleifscheiben der Wärmebeanspruchung bei tieferen Einschnitten in einen Prüfblock widerstehen. In den in den Figuren 12 und 13 wiedergegebenen Versuchen wurden poröse Scheiben gemäß der Erfindung mit 1/2" (12,7 mm) Breite und einem Durchmesser von 7" (178 mm) verwendet, die aus Nickel bzw. Kupfer bestanden und am Umfang mit Diamanten versehen waren. Diese porösen Scheiben wiesen etwa 36 Volumenprozent Metall auf und besaßen im Wärmeableitungsbereich eine Wärmeübertragungsfläche

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von etwa 50 in /xxr (19»7 cm je cnr Material). Die massive Kupferschleif scheibe war am Umfang mit Diamanten versehen und kennzeichnete Scheiben, die eine maximale Fähigkeit der konduk— tiven Wärmeableitung, jedoch eine minimale Fähigkeit der konvektiven Wärmeableitung besitzen· Die harzgebundene Scheibe war eine im Handel erhältliche Scheibe des Typs D-120 P10Q Bl/8, bei der die Diamanten in einer 1/8" (3,17 mm) dicken Schicht aus Phenolharz auf einer Scheibe aus einer Aluminiumlegierung gehalten wurden. Die Scheiben wurden naß (wassergekühlt) und trocken (luftgekühlt) untersucht. Bei den Versuchen wurde eine der 2" χ 4" (50,8 mm χ 101,6 mm) großen Flächen eines 1" χ 2" x 4" (25,4 mm χ 50,8 mm χ 101,6 mm) messenden Prüfblocks aus GM46M-Werkzeugstahl abgeschliffen, der durch Wärmebehandlung eine Härte von 60 bis 62 Rc besaß. In die Mitte der einen 2" χ 4" (50,8mm χ 101,6mm) Stirnfläche war ein Sac kl och

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gebohrt, das bis auf 0,025" (0,6^5 mm) bis an die zu schleifende Fläche heranreichte. In diese Löcher in den Prüfblöcken waren Konstantan-Thermoelemente eingesetzt. Dann wurden nach Anzeige der Vorschubeinrichtung Schnitte von 0,001", 0,002" und 0,003" (0,025 mm Ό,051mm und 0,076 mm) ausgeführt, wobei jeweils die sich einstellende Temperatur aufgezeichnet wurde. Die tatsächliche Materialabnahme wurde nach jeder Versuchsserie festgestellte Die Maschine, eine "Do All"—Naß- und Trockenoberflächenschleif maschine, arbeitete mit einer Drehzahl von 3^-00 U/min., einer Translationsbewegung von 38 Perioden je Minute und einer Querverschiebung von 0,020" (0,508 mm) je Periode. Bei den nassen Versuchen wurde Wasser verwendet, dessen Menge 0,22 gal/min (833 cnr/miD..) betrug. Dann wurden ähnliche Versuche ausgeführt, die die Ergebnisse der Fig. 14- und 15 zur Folge hatten. Dabei waren die Thermoelemente 0,062" (1,57 mm) von der zu schleifenden Oberfläche entfernt angeordnet und das Abtragen wurde in Stufen von 0,0005" (0,0127 mm) zwischen 0,0005" (0,0127 mm) und 0,003" (0,076 mm) vorgenommene Wegen der neuen Lage der Thermoelemente ergab sich eine Verschiebung der aufgezeichneten Temperaturen nach unten. Weiterhin wurde bei der zweiten Versuchsserie die massive Kupferscheibe mit einer Nylonhülse in der sonst metallischen Nabenbohrung versehen. Durch diese "Hülse wurde ein gewisser schützender Federungseffekt erzielt, der bei der ersten VersuchsSerie nicht vorhanden war. ■-■■■-

Bei dem ersten Trockenversuch mit der porösen Nickelschleif— scheibe (Fig. 12) wurde die Scheibe aufeinanderfolgend 0,001", 0,002" und 0,003" (0,025mm, 0,051 und 0,076 mm) in der geschilderten Weise in den Block zugestellt« Wenn der Block die

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Raumtemperatur wieder angenommen hatte, wurde er vermessen, wobei eine Ge samt abnähme von 0,0058" (0,14-7 mm) festgestellt wurde gegenüber einer Zustellung der Schleifscheibe von insgesamt 0,006" (0,152 mm). Es zeigte sich eine geringe Abnutzung an der Schleifscheibe, die aber für alle Schleifscheiben während des anfänglichen Gebrauchs normal ist. Die angezeigten Temperaturen entsprechen den. in der Zeichnung aufgetragenen Werten.

Beim ersten Trockenversuch mit der porösen Kupferschleifscheibe (Fig. 12) wurde die Scheibe aufeinanderfolgend wieder 0,001", 0,002" und 0,003" in der geschilderten Weise zugestellt. Die tatsächliche Materialabnahme wurde nach dem Abkühlen zu 0,0057" (0,145mm) bestimmt. Wie bei der Nickelscheibe war auch hier eine geringe Abnutzung festzustellen,, Die gemessenen Temperaturen sind in Fig. 12. eingetragen.

Beim, ersten Trockenversuch mit der massiven Kupferschleif scheibe (Fig. 12) wurde der Versuch nach dem ersten Zustellen von 0,001" abgebrochen. Die Wärme wurde derart schnell erzeugt, daß die Scheibe in radialer Richtung wuchs und um mehr als 0,001" (0,025 mm) tiefer eindrang. Obwohl die Zustellung der Scheibe nur 0,001" betrug, wurden tatsächlich 0,003" (0,076mm) an Material abgenommen. Es konnte hierbei kein vernünftiger Zusammenhang zwischen der Materialabnahme und der Temperatur festgelegt werden, da der Unterschied zwischen der Scheibenzustellung und der tatsächlichen Materialabnahme derart groß war.

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Beim ersten Trockenversuch mit der harzgebundenen, üblichen Schleifscheibe (Figo 12) wurde der Versuch ebenfalls nach der ersten Zustellung von 0,001" abgebrochene Die durch diese Zustellung erzeugte Wärme bewirkte, daß sich der Phonolharzbinder zersetzte und die Diamanten freigab. Die tatsächliche Materialabnahme betrug 0,0004" (0,01 mm).

Beim ersten Naßversuch mit der porösen Nickelschleifscheibe (Fig. 13) wurde die Scheibe aufeinanderfolgend 0,001", 0,002" und 0,003" zugestellt. Die gesamte Materialabnahme wurde zu 0,0058" (0,147 mm) festgestellt im Vergleich zur gesamten Zustellung von 0,006" (0,152 mm). Die Scheibe zeigte eine geringere Abnutzung als bei den Trockenversuchen. Die gemessenen Temperaturen entsprechen den in Fig. 13 aufgetragenen Werten. '

Beim ersten Naßversuch mit der porösen Kupferschleifscheibe (Fig. 13) wurde die Scheibe wieder aufeinanderfolgend 0,001", 0,002" und 0,003" zugestellt« Die gesamte Materialabnähme betrug auch hier 0,0058" im Vergleich zur gesamten Zustellung von 0,00b". Die gemessenen Temperaturen sind in Fig. 13 eingetragen.

Beim ersten Naßversuch mit der massiven Kupferscheibe (Fig. 13) wurde die Scheibe aufeinanderfolgend 0,001" und 0,002" zugestellt. Bei diesem Versuch wuchs die Scheibe in radialer Richtung und der Versuch wurde nach der zweiten Zustellung von 0,002" abgebrochen. Hierbei betrug nach dem Zustellen der

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Scheibe um 0,002" die gesamte Materialabnähme 0,0048" (0,122mm). Die gemessenen Temperaturen entsprechen den in Fig. 13 eingetragenen Werten, jedoch ließ sich hier keine vernünftige Beziehung zwischen der Temperatur und der Eindringtiefe herstellen, da die Maßhaltigkeit vollkommen verloren gegangen war.

Beim ersten Naßversuch mit der harzgebundenen, üblichen Schleifscheibe (Fig. 13) wurde die Scheibe um 0,001" in den Block zugestellt. Bei diesem Versuch bewirkte die erzeugte Wärme ein Erweichen der Phenolharzbindung, so daß die Diamanten freigegeben wurden«. Die Zustellung um 0,001" (0,025 mm) führte nur zu einer tatsächlichen Materialabnähme von 0,0006" (0,0152 mm). Weiterhin entstand die Wärme mehr durch Reibung als durch das Schleifen. Die gemessenen Temperaturen entsprechen der Auftragung in Fig. 1J, jedoch ließ sich keine vernünftige Verbindung zwischen der Temperatur und der Schleiftiefe herstellen.

Beim zweiten Trockenversuch mit der porösen · Nickelschleifscheibe (Fig. 14) wurde die Scheibe nacheinander 0,0003", 0,0010", 0,0015", 0,0020", 0,0025" und 0,0030" (0,0127 mm, 0,0254mm, 0,0381mm, 0,0508mm, O,O635mm und 0,0762 mm) zugestellt. Das ergibt eine gesamte Zustellung von 0,0105" (0,2667 mm); gemessen wurde eine Abtragung von 0,0100" (0,254mm). Die gemessenen Temperaturen sind in Fig. 14 eingetragen.

Beim zweiten Trockenversuch mit der porösen Kupferscheibe (Fig. 14) wurde die Scheibe nacheinander wieder 0,0005", 0,0010", 0,0015", 0,0020", 0,0025" und 0,0030" zugestellt. Bei dieser Gesamtzustellung von 0,0105" wurden wieder 0,0100" Material abgetragen. Die gemessenen Temperaturen entsprechen wieder den in Fig. 14 eingetragenen Werten.

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Beim zweiten Troekenversuch mit der massiven Kupferschleifscheibe (Fig. 14) wurde die Scheibe ebenfalls nacheinander 0,0005", 0,0010", 0,0015",. 0,0020", 0,0025" und 0,0030" zugestellt, so daß die Gesamtzustellung wieder 0,0105" betrug. Die tatsächliche Materialabnahme betrug bei diesem Versuch 0,0155" (0,3937 mm). Der Einbau der oben erwähnten Nylonbüchse gestattete es, daß die massive Kupferschleifscheibe über den gesamten Versuch benutzt werden konnte, da sie offensichtlich als eine Art Puffer wirkte und die Wirkungen der in radialer Richtung wachsenden Scheibe ausglich. Jedoch ergab sich wie vorher eine beträchtlich größere Materialabnähme und ein Verlust der Maßhaltigkeit, so daß keine vernünftige Beziehung zwischen der Temperatur und der Abtragtiefe hergestellt werden konnte»

Beim zweiten Trockenversuch mit der harzgebundenen, üblichen Schleifscheibe (Fig. 1m-) wurde die Scheibe wieder 0,0005", · 0,0010", 0,0015", 0,0020", 0,0025" und 0,0030" nacheinander zugestellt, wobei sich wieder eine Gesamtzustellung von 0,0105" ergibt. Die tatsächliche Materialabnahme betrug hierbei aber nur 0,0035" (0,0889mm), was erkennen läßt, daij die Scheibe nach der Zustellung um 0,0015" bereits gebrochen war und keine Wirkung mehr hatte. Die gemessenen Temperaturen entsprechen den Werten in Fig. 14-.

Beim zweiten Naßversuch mit der porösen Nickelschleifscheibe (Fig. 15) wurde die Scheibe aufeinanderfolgend 0,0005", 0,0010", 0,0015",. 0,0020", 0,0025" und 0,0030" in der geschilderten Y/eise zugestellt. Die Gesamt zustellung beträgt dabei 0,0105"« Die tatsächliche Materialabnähme wurde zu 0,0100" (0,254mm) gemessen. Die gemessenen Temperaturen sind in Fig. 15 eingetragen. ■ ...

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Beim zweiten Naßversuch mit der porösen Kupferschleifscheibe (Fig. 15) wurde wieder nacheinander die Scheibe um 0,0005"» 0,0010", 0,0015", 0,0020", 0,0025" und 0,0030" zugestellt mit einer Gesamtzustellung von 0,0105"· Hier betrug die tatsächliche Material abnähme 0,0095" (0,24-13mm). Die gemessenen Temperaturen entsprechen den in Fig. 15 eingetragenen Werten.

Beim zweiten Naßversuch mit der massiven Kupfenschleifscheibe (Fig. 15) wurde die Scheibe wieder nacheinander um 0,0005", 0,0010", 0,0015", 0,0020", 0,0025" und 0,0030" zugestellt mit einer Gesamtzustellung von .0,0105"· Hierbei wurde als tatsächliche Materialabnahme 0,018" (O,4-57mm) gemessen. Die gemessenen. Temperaturen sind wieder in Fig. 15 eingetragen.

Schließlich wurde im zweiten Naßversuch die harzgebundene, übliche Schleifscheibe (Fig. 15) untersucht, die ebenfalls nacheinander 0,0005", 0,0010", 0,0015", 0,0020", 0,0025" und 0,0030" zugestellt wurde. Die tatsächliche Materialabnaiime betrug in diesem Falle 0,0025" (0,0635mm); die Zerstörung der Ehonolharzbindung begann bei der 0,001"-Zustellung.

Aus den durchgeführten Versuchen wurde geschlossen, daß bei einem fortgesetzten Schleifen die massiven Kupferschleifscheiben als sogenannte "Wärmesenken" wirken. Die massive Kupferschleifscheibe entfernt anfänglich eine beträchtliche Wärmemenge von der Arbeitsfläche der Schleifscheibe. Auch das Werkstück selbst nimmt einiges von der Wärme auf. Jedoch erhöht bei einer längeren Beärbeitungszeit die absorbierte Wärme die Temperatur der Scheibe, wodurch ein radiales Aufquellen oder Wachsen der Scheibe hervorgerufen wird. Dieses Aufquellen bewirkt sowohl ein Überschneiden oder Zuviel-Bearbeiten des W_ork-

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Stücks wie auch eine möglicherweise gefährliche Situation, in der entweder die Spindel beschädigt, das Werkstück zum Wegfliegen gebracht wird oder auch beides auftreten kann. Die' Verwendung der Nylonbüchse bei der zweiten Versuchsserie verringert diese Gefahr, fügt jedoch den Versuchsbedingungen eine weitere veränderliche hinzu. Bei Zunahme der Temperatur in der massiven Scheibe nimmt die Wärme aufnahme der Scheibe ab und die Temperatur des Werkstücks nimmt zu. Bei den größeren Scheibenzusteilungen ging praktisch jede Maßhaltigkeit verloren. Es wurde geschlossen, daß dieses-deshalb auftrat, weil die Temperaturdiffe"renz &T zwischen der Arbeitsfläche und dem Bereich angranzend an die Arbeitsfläche/kontinuierlich abnahm und dadurch die Ableitung der Wärme verringerte, so daß sowohl das Werkstück als auch die Schleifscheibe zu quellen begannen,. Das massive Scheibe wuchs dadurch unkontrollierbar in radialer Richtung, vergrößerte die Sclmittiefe und bewirkte eine Überhitzung des Werkstücks.

Bei den Schleifscheiben gemäß der Erfindung sind die Diamanten Wärmeleiter und der Wärmeableitungsbereich unmittelbar unterhalb der Arbeitsfläche besteht aus einem Material, das eine verhältnismäßig große Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Porosität und ein entsprechendes Porositätsprofil zum schnellen Ableiten der Wärme besitzt.

Scheiben gemäß der Erfindung wachsen nicht wie die massiven Scheiben. Schon die Versuchsergebnisse zeigen, daß sich bei Schleifscheiben gemäß der Erfindung eine verbesserte Kühlung einstellt, und zwar durch eine schnelle konduktive Ableitung der Wärme aus

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— dX> —

dem Werkstück über die Diamanten und das wärmeleitende Gefüge, das die Arbeitsfläche bildet, und aus der Arbeitsfläche über den wärmeleitenden Wärmeableitungsbereich, der sich an die Arbeitsfläche anschließt; es zeigt sich weiter, daß diese Wärme tief, z.B. etwa 1/16" (1,59™n) in den Wärmeableitungsbereich eindringt, und dais darin eine beträchtliche konvektive Wärmeabfuhr erfolgt, die auf der großen Wärmeübertragungsfläche im Wärmeableitungsbereich beruht. Die außerordentlich große Wärmemenge, die an der Berührungsstelle zwischen dem Diamanten und dem Werkstück erzeugt wird, wird schnell durch den wärmeleitenden Diamanten mit Beträgen von mehr als 4-. (—dt/dx) je Einheitsfläche des Diamanten übertragen statt daß sie von der Wärmeableitungszone durch wesentlich weniger leitfähige Teilchen wie Al₀O₂ oder ein Karbid isoliert sind. Es wxrd auf diese Weise nicht nur eine beträchtliche Wärmemenge durch die Teilchen geleitet, sondern es ergibt sich auch noch eine kumulative Wirkung dadurch, daß die Temperatur des Metalls im Wärmeableitungsbereich gering gehalten wird, wodurch sich ein höherer Temperaturgradient (-dt/dx) zwischen der Arbeitsfläche und dem Wärmeableitungsbereich ergibt. Um diese Vorteile zu erhalten, sollte nicht nur das Schleifmittel durch wärmeleitende Diamanten dargestellt sein, sondern sollte auch das Gefüge, das die Teilchen festhält, sowie die Wärmeableitungszone aus Materialien bestehen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, wobei weiterhin eine ausgedehnte Wärmeübergangsfläche im Wärmeableitungsbereich vorgesehen werden sollte, um die konduktiv in diesen Bereich übertragene■Wärme konvektiv abzuleiten, i'ür den Wärmeableitungsbereich wird somit die Verwendung von Kupfer vorzuziehen sein, das eine Wärmeleitfähigkeit von 0,9 cal/sec/ cm /°C/cm besitzt, was zu zufriedenstellenden Ergebnissen führte. Eisenlegierungen, Stühle und Legierungsstähle haben Leitfähig-

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keiten, die sich niciit wesentlich, von der des Nickels unterscheiden und können ebenfalls als annehmbare Materialien angesehen werden. Auch können andere Legierungen benutzt werden, jedoch sind diese üblicherweise nicht in der geeigneten porösen Form verfügbar. Die legierten Materialien besitzen häufig Wärmeleitfähigkeiten von nur 0,05 cal/sec/cm /°G/cm. Galvanisch aufgebrachte Gefüge.wie nickel oder Kupfer werden vorzugsweise zum Binden der Diamanten benutzt, jedoch können auch andere Metalle und andere Terrahren zum Herstellen des Gefüges, wie beispielsweise Sintern oder Löten, verwendet werden.

Weitere Versuche (Fig. 16 und 17) haben gezeigt, daß die Größe der Wärmeübertragungsfläche im Wärmeableitungsbereich sehr bedeutsam ist und in weitem Maße von der Art des verwendeten Kühlmittels abhängt» Fig. 16 läßt erkennen, daü bei Benutzung eines schlechten Kühlmittels, wie beispielsweise Luft, die innere Wärmeübertragungsfläche von besonderer Bedeutung ist. Wenn geringe Werkstücktemperaturen bei tiefen Schliffen mit Luftkühlung erzielt werden sollen, sollte die genannte Fläche wenigstens

2 3 2 2
40 in je in^ (15,7 cm. Je cm ) des Wärmeableitungsbereichs betragen und vorzugsweise 50 in /iür (1917 cm je cm³ erreichen. Die in Fig. 16 dargestellten Kurven geben die Temperaturen einer Anzahl von identischen Werkstücken wieder, die mit unterschiedlichen Kupfergeflechtschleifscheiben und unterschiedlichen Schlifftiefen bearbeitet wurden. Die Schlifftiefe ist an jeder Kurve angedeutete Die Thermoelemente lagen 0,062" (1,57 mm) von der zu schleifenden Fläche entfernte Die verschiedenen Schleifscheiben waren in jeder Hinsicht im wesentlichen identisch ausgebildet mit Ausnahme der inneren Wärmeübertragungsfläche, die geändert wurde. Bei diesen Versuchen wurden

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fünf poröse Kupferschleifscheiben mit 7" Durchmesser benutzt» Die erste Scheibe wies einen Anteil von 38 Volumenprozent an Metall auf und besaß eine innere Wärmeübertragungsfläche von

p ~z P 3

etwa 19 in /xxr (?,5 cm je cnr) des Wärmeableitungsbereichs. Die zweite Scheibe hatte einen Anteil von 34- Volumenprozent

2 3

Metall und einezWärmeübertragungsfläche von etwa 42 in /in^

2
(16,5 cm je cm ). Bei der dritten Scheibe waren die Werte 37

2 5 2 3

Volumenprozent und etwa 52 in /Ιττ (20,5cm je cm ), während

2 3 P

bei der vierten etwa 34 Volumenprozent und 89 in /in^ (35 cm je cnr) und schließlich bei der fünften 34 Volumenprozent und

2 3 2 3
135 in /in-' (53»1 cm je cet vorgesehen waren.

Die in Fig. 17 dargestellten Ergebnisse wurden in entsprechender Weise gewonnen wie die der Fig. 16 mit.der Ausnahme, daß hier Wasser als Kühlmittel benutzt wurde, das mit einer Menge von 0,22. gal/min (833 cnr/min) durch den Wärmeableitungsbereich strömte. Fig. 17 läßt erkennen, daß das Werkstück bei zunehmend vergrößerten inneren Wärmeübertragungsflächen kühler geschliffen wird* Im Vergleich mit Fig. 16 zeigt die Fig. 17 weiterhin, daß mit einem guten Kühlmittel wie Wasser die Anforderungen an die Größe der inneren Wärmeübertragungsflächen weniger einschneidend sind als bei der Verwendung schlechterer ■Kühlmittel, daß aber trotzdem eine Notwendigkeit für einen konvektiven Auslaß für die Wärme innerhalb der Zwischenräume im Wärmeableitungsbereich besteht. Wenn auch dieser Auslaß für eine wassergekühlte Scheibe geringer sein kann als für eine luftgekühlte Scheibe, so muß er doch wesentlich größer sein als es bei einer massiven Scheibe der Fall ist. Dies läßt sich beispielsweise an den gestrichelten Verlängerungen erkennen» Es ist wesentlich festzustellen, daß die Scheiben mit geringer Wärmeübertragungsfläche große Zwischenporen besaßen und Geflechte

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aus dickem Draht benutzten, wodurch eine Arbeitsfläche erhalten wurde, die große Nester von Diamanten aufwies-, die· von großen Poren umgeben war, und nicht eine mehr gleichförmige Vertei- lung von Diamanten und Poren, die sich bei Verwendung von Material mit kleineren Poren ergibt. Die gleichmäßigere Verteilung führt zu einer besseren und wirksameren Wärmeableitung.

Weitere Vorteile lassen sich erzielen, wenn das Kühlmittel zum Auftreffen aufadas Werkstück an der Berührungsstelle von den Diamanten und dem Werkstück gebracht werden kann, so daß gerade an der Schliffstelle, wo die Temperaturen am höchsten sind, eine vergrößerte konvektive Wärmeabfuhr erhalten wird. Eine Vergrößerung der Kühlmittelmenge vergrößert natürlich die thermischen Vorteile, kann Jedoch in den Bearbeitungsprozess eine hydrodynamische Variable einführen, die unerwünscht sein kann_o Unabhängig hiervon sind Schleifscheiben gemäß der Erfindung wesentlich flexibler hinsichtlich der Qualität und der Quantität des Kühlmittels, das bei tiefen Schliffen wirksam angewendet werden kann, wo die Wärmeerzeugung bisher der begrenzende Faktor war.

Es wurden noch weitere Versuche durchgeführt, um die Wirksamkeit der Wärmeableitungsmechanismen in den Schleifscheiben gemäß der Erfindung im Vergleich zu denen der" üblichen, im Handel erhältlichen harzgebundenen Scheiben zu bestimmen. Ein solcher Versuch wird durch die Fig. 18 wiedergegeben. Die in Fig. 18 wiedergegebenen Werte wurden in der Weise bestimmt, daß Thermoelemente in Jede Scheibe radial innerhalb der Arbeitsfläche an einer 0,0.625" (1,588 mm), einer 0,25" (6,35 ™0 und einer

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0,500" (12,7 mm) entfernten Stelle angeordnet wurden. Dann wurde mit jeder Scheibe ein Schliff von 0,0015" (0,0381 mm) ausgeführt und dabei die Temperatur innerhalb der Scheibe gemessen. Bei der handelsüblichen Schleifscheibe war die Temperatur in der Fähe der Arbeitsfläche am größten. Die Scheibe wurde bei 0,25" und 0,500" Tiefe zunehmend Minier, wie Fig. erkennen läßt» Die in Fig. 18 ebenfalls dargestellten fünf Schleifscheiben gemäß der Erfindung zeigten nur sehr geringe Temperaturdifferenzen zwischen der Tiefe 0,062" und der Tiefe 0,500", wodurch die außerordentlich wirksame Fähigkeit der Wärmeabfuhr dieser Scheiben angedeutet wird, durch die die Wärme in den ersten 1/16" (1,59 mm) der Wärmeableitungszone abgeführt wird. Weiterhin geht aus dieser Figur hervor, daß alle Schleifscheiben gemäß der Erfindung an der 1/16"-MeBstelle wesentlich kühler waren als die handelsübliche Scheibe an der 1/2"-Meßstelleo

Fig. 19 zeigt weitere Versuchsergebnisse, bei denen die Werkstücktemperatur, gemessen in 0,062" (1,57 ») Tiefe, bei unterschiedlichen Schlifftiefen verglichen wird, wenn aufeinanderfolgend Schliffe von 0,0005", 0,0010" und 0,0015" mit einer handelsüblichen Schleifscheibe und der vorzugsweise anzuwendenden Scheibe gemäß der Erfindung ausgeführt werden. Die Versuchsergebnisse zeigen, daß die handelsübliche Schleifscheibe keine tieferen Schliffe aushalten konnte und daß dementsprechend der Versuch nach dem 0,0015" Schliff abgebrochen wurde. Unabhängig davon Jedoch zeigt Fig. 19, daß die Temperatur des Werkstücks bei zunehmender Schlifftiefe erheblich, ansteigt, wenn die handelsübliche Schleifscheibe verwendet wird, da... dagegen aber mit der Scheibe gemäß der Erfindung bei diesen verhältnismäßig geringen Schlifftiefen die Werkstücictemperatur im wesentlichen konstant auf einer Temperatur bleibt, die wesentlich unter der Temperatur liegt, die bei der handelsüblichen Scheibe

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erhalten wurde. Außerdem lassen sich mit einer wassergekühlten Scheibe noch bessere Werkstückkühlung erreichen, die sich aus der großen Kühlmittelmenge ergeben, die die Arbeitsfläche von innen her vollkommen bis zu einem Maße durchströmt, wie es bisher nicht bekannt war. Diese A_rt von Durchfluß verbessert die Wärmeabfuhr derart, daß die Schleifscheiben und die Werkstücke wesentlich strengeren und schwereren Bearbeitungsbedingungen widerstehen können.

Diese Schleifscheiben haben noch einen.weiteren Vorteil. Die poröse Schicht unterhalb der Arbeitsfläche läßt die Metallspäne , die vom Werkstück abgenommen werden, leicht in die Poren eintreten und verhindert damit ein Zusetzen der Scheibe, das zu einer verminderten Schleifwirkung führt und mehr Wärme erzeugt als eine nicht zugesetzte Scheibe. Die Wärme, die in den Spänen enthalten ist, wird noch entfernt, wenn sich diese in den Poren befinden. Sobald rV" a Scheibenoberfläche außer ■ Berührung mit dem Werkstück kommt, werden die Späne durch das Kühlmittel aus den Poren herausgeschwemmt.

Die gesamte Schexbe kann aus dem.porösen Material bestehen, das den Wärmeableitungsbereich bildet. Das bedeutet, daß der Wärmeableitungsbereich eine integrale Verlängerung des Scheibenkörpers sein kann« Wenn die gesamte Scheibe in dieser Weise ausgebildet ist, besitzt sie eine verhältnismäßig geringe Masse· Wegen der geringen Masse ist zum Beschleunigen der Scheibe auch eine geringere Leistung erforderlich. Außerdem kann wegen der verbesserten Schleifwirkung die gleiche Arbeit mit verringerter Leistung ausgeführt werden. Wenn der Leistungsbedarf und

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das Versandgewicht die hauptsächlichen Gesichtspunkte sind, sind Magnesium umd Aluminium ausgezeichnete Materialien für den Warmeableitungsbereich, und zwar wegen ihres geringen Gewichts und ihrer Wärmeleitfähigkeit von 0,4 und 0,5 cal/sec/ cm /°C/cm. Schleifscheiben aus porösem Metall besitzen eine solche strukturelle Integrität, daß sie beträchtlich haltbarer sind als Scheiben mit Bindemittel oder keramischer Bindung, auch bei hohen Drehzahlen, Hohe Drehzahlen sind möglich, weil, die Scheiben aus porösem Metall eine kräftigere Bindung im Verhältnis zur gesamten geringen Masse der Scheibe aufweisen. Diese höheren Drehzahlen führen zu höheren Schleifgeschwindigkeiten. Allerdings neigen höhere Drehzahlen auch dazu, mehr Wärme zu erzeugen. Wenn diese zusätzliche Wärme nicht entsprechend abgeführt werden kann, bringt die Drehzahlerhöhung keinen Vorteil. Wie Jedoch angedeutet,haben die Schleifscheiben gemäß der Erfindung die Fähigkeit, die erzeugte Wärme sehr schnell abzuführen und dadurch übermäßige Temperaturen in der Scheibe und im Werkstück zu vermeiden. Dementsprechend überwin— den- die Schleifscheiben gemäß der Erfindung den durch die Wärmebegrenzung gegebenen Nachteil der massiven Scheiben.

Hinsichtlich der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schleifscheiben wurde festgestellt, daß die mit galvanisch aufgebrachten Diamanten arbeitende Ausführungsform der Erfindung vollkommen zufriedenstellend zum Schleifen von gehortetem Stahl oder Flußeisen wie auch für Karbide, Keramik, Beton, Glas und Kunststoff verwendet werden kann. Die meisten Hersteller der heute im Handel erhältlichen diamantplattierten jScheiben warnen den Benutzer vor dem Schleifen von Stahlen, da die Scheiben zum Zusetzen ("load up") neigen, was schließlich zum Verlust der

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Scheibe führt. Aus diesem Grunde ist Stahl üblicherweise fast ausschließlich mit Aluminiumoxydscheiben geschliffen worden· Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schleifscheiben liegt noch darin, daß die Porosität des Warmeableitungsbereiehs im wesentlichen die Ausbildung eines hydrodynamischen Films zwischen dem Werkstück und der Scheibe verringert, wenn nicht extrem große Kühlmittelmengen durchgesetzt werden. Diese hydrodynamischen Filme, die bei massiven una nahezu massiven Scheiben bekannt sind, verringern die Wirksamkeit der Schleifscheiben. Die Scheiben gemäß der Erfindung sind ebenfalls geeignet für elektrochemische Bearbeitung, wobei durch die Scheiben.ein Elektrolyt geleitet wird. Jedoch werden die gesamten mechanischen und thermischen Möglichkeiten der Schleifscheiben gemäß der Erfindung bei der elektrochemischen Bearbeitung nicht vollkommen ausgenutzt, da hier der Haupttteil des abgetragenen Materials auf elektrolytische und weniger auf mechanische Weise abgenommen wird.

Schneidwerkzeuge nehmen das Material vom Werkstück durch einen Zerspanungsvorgang ab im Gegensatz zur Werkstückerosion infolge Reibung, die für die Schleifwerkzeuge kennzeichnend ist. Trotzdem werden viele Diamantwerkzeuge häufig als Schleifwerkzeuge bezeichnet, auch wenn sie in Wirklichkeit zerspanen und daher besser als Schneidwerkzeuge eingestuft würden. Da jedoch offensichtlich die Industrie hier keinen Unterschied macht und den falschen Ausdruck "Schleifen" hierfür beibehalten hat, soll in dieser Beschreibung der Ausdruck "Schleifen" in dem Sinne verstanden werden, wie er derzeit von der Industrie benutzt wird. Der Ausdruck "Schleifen" soll demzufolge einen Vorgang der Materialabnahme bezeichnen, bei dem mit einer Mehrzahl von

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Schleif körpern ein einziger oder eine Anzahl von kleinen Schnitten in einem Werkstück ausgeführt werden, wobei auch die Vorgänge eingeschlossen sein sollen, die normalerweise von Oberflächenschleifwerkzeugen, Einstechschleifwerkzeugen, Trennscheiben, schleifenden Sägen usw* ausgeführt werden.

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Claims

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A η s,ρ r ü ehe

Schleifwerkzeug mit einer Mehrzahl von Diamanten, die in die Arbeitsfläche des Werkzeugs eingebettet sind, gekennzeichnet durch ein die Arbeitsfläche (12, 20, 32, 42, 52, 74) bildendes, wärmeleitendes Gefüge, durch einen porösen Wärmeableitungsbereich (4a, 16, 28, 40, 54, 70), der unmittelbar unter der Arbeitsfläche liegt und diese trägt, und der aus einem Material besteht, das eine Wärmeleitfähigkeit von. wenigstens 0,05 cal/sec/cm / C/cm besitzt und mit groß bemessenen Kühlmittelkanälen zum Durchfluß größerer Kühlmittelmengen durch den Wärmeableitungsbereieh versehen ist, weiter durch eine ausgedehnte, die Wärme zwischen Kühlmittel und Material übertragende Oberfläche innerhalb des die Kühlmittelkanäle festlegenden Wärmeableitungsbereichs, sowie durch Einrichtunge, (10, 22, 44, 46, 56, 66) zum Abstützen des Wärmeableitungsbereichs, vrobei nur ein kleiner Anteil, der beim Schleifen eines Werkstücks erzeugten Wärme, in das Werkstück übertragen wird.

2. Luftgekühltes Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsfläche wenigstens

40 in² ,

beträgt.

2 -5 2 3
40 in je in^ (15»7 cm je cnr ) des Wärmeableitungsbereichs

Wassergekühltes Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Warmeübertragungsflache wenigstens 19 in je in (7*5 cm je cnr) des Wärmeableitungsbereichs beträgt. " ' ■ . .

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4«, Schleifwerkzeug, nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fifärmeleitfähigkeit des Materials des Wärmeableitu]

trägt.

leitungsbereichs wenigstens etwa 0,1 cal/sec/cm / C/cm be-

5. Schleifwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch'gekennzeichnet, daß der poröse Wärmeableitungsbereich durch ein im wesentlichen offenzelliges Metallgefüge darge- ~ stellt wird.

Schleifscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeableitungsbereich durch geschichtet e^c Drahtgeflechte gebildet wird«,

7« Schleifwerkzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall für den Wärmeableitungsbereich Kupfer oder dessen Legierungen dienen.

8. Schleifwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgeflecht aus einem Metall der Gruppe Eisen, Kupfer, Nickel, Aluminium, Magnesium und deren Legierungen besteht.

9. Schleifwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten (16) aus Drahtgeflecht gewellt sind, so daß sie im Abstand voneinander gehalten werden und zwischen sich Kanäle bilden, die dem Kühlmittelstrom in radialer Eichtung geringeren Widerstand entgegensetzen als in axialer

• Eichtung. '

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Schleifwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug eine Porosität von etwa 64% aufweist, und daß die Porosität eine ausgedehnte

2 3 Wärmeübertragungsfläche von wenigstens 40 in je in-

2 3
(15»7 cm je cm ) porösem Volumen in wenigstens dem Bereich besitzt, der unmittelbar unterhalb des die Diamanten enthaltenden Gefüges liegt.

11. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug durch ein dreidimensionales, auf elektrischem Wege hergestelltes maschiges Gitterwerk gebildet wird*

12. Schleifwerkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug einen Metallanteil von etwa 15 Volumenprozent besitzt, und daß die groß bemessenen Kühlmittelkanale ein Porositätsprofil von etwa 45 Zeilen je Zoll (etwa 18 Zellen je cm) aufweisen und eine ausgedehnte Wärmeübertragungsfläche zwischen Material und Kühlmittel von etwa

2 ·5 2 3
7^ in je in^ (29_}5 cm je cnr) des porösen Materials besitzt.

ORIGINAL

009838/1315