DE19924253A1

DE19924253A1 - Honwerkzeug

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Publication number: DE19924253A1
Application number: DE1999124253
Authority: DE
Original assignee: Hermes Schleifmittel GmbH and Co KG
Current assignee: Hermes Schleifmittel GmbH and Co KG
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2000-11-30

Abstract

Honwerkzeug mit keramischer Bindung der Schleifkörner. Hohe Abtragsleistung bei guter Oberflächenqualität wird dadurch erzielt, daß das Werkzeug zusätzlich Kunstharz enthält.

Description

Das Honen wird bislang hauptsächlich zur Verbesserung der Oberflächengüte eines Werkstücks eingesetzt. Beim Zahnflan kenhonen ist eine Änderung der Oberflächengeometrie mit die sem Verfahren nur sehr begrenzt möglich, weil die Bearbei tungsdauer zu groß ist oder hohe Kräfte auftreten, die zum Zusetzen, Profilverlust oder zu starken Verformungen bis zum Bruch des Werkzeugs führen können. Zwar haben kunstharzgebun dene Honringe eine hohe Festigkeit, so daß hohe Kräfte ohne Beschädigung aufgenommen werden; jedoch ist die Zerspanlei stung für eine effiziente geometrische Zahnflankenkorrektur unzureichend.

Es ist bekannt (DE-U 94 11 326), in einem Honwerkzeug außer Feinkorn, dessen Körnung der gewünschten Oberflächenqualität entspricht, Grobkorn einzusetzen, das die Abtragleistung ver bessern soll. Jedoch wird dadurch die Oberflächenqualität be einträchtigt. Ferner ist es bekannt (DE-C 44 47 036), als abrasiv wirkende Strukturelemente innerhalb eines kunstharz gebundenen Honrings Schleifkörper zu verwenden, welche aus feinem Schleifkorn und einem keramischen Bindemittel beste hen. Dieses Werkzeug erlaubt bei guter Oberflächenqualität eine deutliche Verbesserung der Zerspanleistung, stellt aber hohe Ansprüche an das Produktionsverfahren, um eine gleichmä ßige Verteilung der Schleifkörper innerhalb der Kunstharzma trix und damit gleichbleibende Bearbeitungsergebnisse zu er halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feinschleif- oder Honwerkzeug zu schaffen, das bei hoher Oberflächengüte eine hohe Abtragleistung gestattet. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung sowie ein Verfahren zur Verwendung solcher Werkzeuge vorgesehen. Die Lösung besteht in den Merkmalen der Ansprüche.

Demgemäß wird ein keramisch gebundenes Honwerkzeug mit aus härtbarem Kunstharz getränkt. Die Porenräume zwischen der aus keramischem Bindemittel und Schleifkorn bestehenden Matrix enthalten einen Anteil von mindestens 5% Kunstharz bezogen auf das Porenvolumen. Lediglich keramisch gebundene Honwerk zeuge haben eine zu geringe Festigkeit und Zähigkeit, um den hohen mechanischen Belastungen, insbesondere beim Abrollhonen von Zahnrädern, standzuhalten. Die zusätzliche Kunstharzbin dung bewirkt eine Erhöhung der Bruchfestigkeit, ohne dabei die für die keramische Bindung typische, hohe Zerspanleistung herabzusetzen.

Schon geringe Kunstharzbeimengungen bewirken eine wesentliche Verbesserung, weil sie eine zusätzliche Verbindung zwischen den einzelnen Schleifkörnern und dem keramischen Bindemittel schaffen und Schwachstellen verfestigen. Letzteres gilt ins besondere für etwaige Spalten und Kerben in der Keramik, die sich auf die Festigkeit bzw. das Zerspanverhalten desselben ungünstig auswirken würden, aber durch den flüssigen Kunst stoff infolge von Kapillarwirkung bevorzugt gefüllt werden.

Grundsätzlich sind alle Kunstharze geeignet, die im flüssigen Zustand hinreichend niedrige Viskosität aufweisen, hohe Fe stigkeit im ausgehärteten Zustand entwickeln und eine hinrei chend hohe Warmfestigkeit besitzen.

Damit das im flüssigen Zustand befindliche Kunstharz den zu tränkenden Bereich hinreichend durchdringen kann, soll der keramisch gebundene Körper mit einer hinreichend offenen Po rosität gebrannt und das Kunstharz entsprechend niedrig vis kos sein. Je offenporiger die keramische Matrix ist, um so höher viskos darf das Kunstharz sein und umgekehrt. Geeignete Verhältnisse lassen sich durch Versuch leicht ermitteln. Die Durchdringung des Werkzeugkörpers läßt sich dadurch verbes sern, daß dieser vor der Tränkung durch Vakuum entlüftet wird. Der Porenanteil des keramisch gebundenen, noch mit Kunstharz zu tränkenden Rohlings liegt zweckmäßigerweise in einem Bereich von 15 bis 50 Vol.-%, weiter vorzugsweise von 25 bis 45 Vol.-%.

Die vorhandenen Poren können mit Kunststoff vollständig oder nahezu vollständig - also jedenfalls zu mehr als 50% - ge füllt werden. Vorteilhafter ist es für den Schleifvorgang im allgemeinen, wenn ungefülltes Porenvolumen erhalten bleibt, indem die Poren nur teilweise gefüllt werden. Das läuft dar auf hinaus, daß nur die kleinen Poren und Spalten infolge von Kapillarwirkung vollständig gefüllt werden und bleiben, wäh rend das Kunstharz in größeren Porenräumen lediglich deren Wänden anhaftet, die teilweise von Schleifkorn und teilweise von Keramikbindung gebildet sind. Dieses Ergebnis stellt sich als Funktion der Kapillarwirkung selbsttätig ein, wenn das zur Verfügung gestellte Kunstharzvolumen geringer ist als das Porenvolumen. Eine bestimmte Endporosität eines für hohe Zer spanleistung ausgelegten Werkzeugs kann auch dadurch erreicht werden, daß zunächst die Poren weitgehend gefüllt werden und anschließend der Volumenanteil der Kunstharzkomponente vor dem Aushärten oder während desselben reduziert wird. Die Re duzierung läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß das flüssige Kunstharz mindestens eine sich beim Aushärten ver flüchtigende Komponente enthält, beispielsweise ein verdamp fendes Lösungsmittel oder Reaktionsprodukt. Auch durch Be schleunigungskräfte kann ein Kunstharzüberschuß aus dem Werk zeug wieder entfernt werden, indem man ihn beispielsweise un ter der Erdbeschleunigung oder unter einer durch Rotation er zeugten Fliehbeschleunigung abtropfen läßt. Der verbleibende Kunstharzanteil kann durch die Abtropfdauer und/oder die Drehzahl beeinflußt werden. Zweckmäßigerweise wird der Volu menanteil des Kunstharzes, bezogen auf vollständige Porenfül lung, um mehr als 20% reduziert. Weiter zweckmäßigerweise liegt die Reduktion über 50%, insbesondere im Bereich von 60% bis 80%. Der Porenanteil des fertigen Werkzeugs im Be reich seiner Schleiffläche liegt (unabhängig davon, wie die Poren erzeugt werden) zweckmäßigerweise in der Größenordnung von 2% bis 30%. Auch bei nur teilweiser Auskleidung der Po reninnenflächen mit Kunstharz wird eine erhebliche mechani sche Verfestigung erreicht, ohne daß die Zerspanleistung durch eine wesentliche Reduzierung des Porenvolumens herabge setzt wird.

Als geeignet haben sich Epoxidharz und Phenolharz erwiesen. Es sind aber auch andere Harze geeignet, insbesondere wenn sie eine vergleichbare oder höhere Festigkeit und Temperatur beständigkeit haben.

Das Kunstharz kann weitere Komponenten enthalten, beispiels weise Füllstoff (insbesondere schleifaktiven Füllstoff) oder andere Schleifhilfsstoffe.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs werden zu nächst Schleifkorn, keramische Bindungsanteile sowie temporär wirkende Bindemittel miteinander vermischt, in eine Form ein gefüllt und gleichmäßig verpreßt. Der sich dabei ergebende Grünkörper wird anschließend über einen Zeitraum von mehreren Stunden bei Höchsttemperaturen zwischen 800 und ca. 1.400°C gebrannt. Das erkaltete und nun keramisch gebundene Werkzeug wird in flüssiges Kunstharz gelegt, wobei dieses infolge der Kapillarwirkung der Poren in das Werkzeug eindringt. Bei ge eigneter Wahl des Kunstharzes im Hinblick auf seine Viskosi tät und Oberflächenspannung und bei geeigneter Porengröße und Porendurchlässigkeit des keramisch gebundenen Rohlings kann dieser gleichmäßig mit Kunstharz durchtränkt werden. Bei gro ßen Abmessungen oder ungünstigen Durchlässigkeitsbedingungen wird zusätzlich Vakuum angewendet. Nach der Entnahme aus dem Kunstharzbad und dem Erreichen einer Anfangsfestigkeit wird das Werkzeug bei der für das jeweilige Harz vorgeschriebenen Temperatur ausgehärtet. Die Endbearbeitung erfolgt in bekann ter Weise. Eine der gewünschten Form angenäherte Formgebung kann schon im grünen Zustand vorgenommen werden. In diesen Fällen ist lediglich eine Nachbearbeitung erforderlich, bei spielsweise eine Nachverzahnung an Honringen, die zur Bear beitung von Zahnrädern bestimmt sind.

Die Eignung des erfindungsgemäßen Werkzeugs sowohl für die geometrische Oberflächenkorrektur als auch für die Verbesse rung der Oberflächengüte kann nach der Erfindung in noch stärkerem Maße dadurch zur Geltung gebracht werden, daß das Werkzeug gesonderte Bearbeitungsbereiche aufweist, die in be zug auf diese beiden Aufgaben unterschiedlich zusammengesetzt sind und nacheinander am Werkstück zum Einsatz gebracht wer den. Dies setzt im allgemeinen voraus, daß das Werkzeug eine größere Breite aufweist als das Werkstück, so daß die Mög lichkeit besteht, zunächst einen ersten Breitenabschnitt des Werkzeugs, der eine erste Bearbeitungsqualität aufweist, am Werkstück zum Einsatz zu bringen, und danach einen anderen Breitenabschnitt mit einer anderen Bearbeitungsqualität. Dies gilt insbesondere für die Bearbeitung von Zahnrädern im Ab wälzverfahren mittels Honringen auf Maschinen, die außer der Abwälzbewegung in Umfangsrichtung eine Relativbewegung zwi schen Werkzeug und Werkstück in Axialrichtung oder Breiten richtung zulassen oder verlangen. In diesen Fällen kann man ein ringförmiges Werkzeug verwenden, das lotrecht zur Achse orientierte Schichten aufweist, die sich durch unterschiedli che schleiftechnisch wirksame Parameter unterscheiden, insbe sondere durch die Schleifmittelkörnung, durch den Kunstharz gehalt und/oder durch die Porosität. Vorzugsweise ist jede dieser Schichten mindestens ebenso breit wie das Werkstück und wechseln die Schleifeigenschaften beim Übergang von der einen Schicht zur anderen diskontinuierlich. Während des Schleif- bzw. Honverfahrens wird dann zunächst diejenige Schicht des Werkzeugs zum Einsatz gebracht, die die höhere Zerspanleistung bietet, während anschließend sprunghaft ge wechselt wird zur Bearbeitung durch diejenige Schicht des Werkzeugs, die die höhere Oberflächenqualität verspricht. Beispielsweise oszilliert der Honring bei der Bearbeitung von Zahnrädern in axialer Richtung. Durch entsprechende Maschi neneinstellung wird die Oszillation jeweils auf eine der bei den Schichten des Honrings begrenzt, so daß diese in zeitli cher Abfolge in Eingriff gelangen. Im ersten Bearbeitungsab schnitt wird eine geometrische Korrektur der Zahnflanken vor genommen, während nachfolgend die gewünschte Oberflächenqua lität zum Beispiel mit einer feineren Körnung erzielt wird. Es ist aber auch denkbar, daß die schleiftechnischen Eigen schaften sich kontinuierlich über die Breite des Werkzeugs ändern und der Übergang von der Bearbeitung des Werkstücks durch einen Werkzeugbereich mit höherer Zerspanleistung zu einem Bereich, der höhere Oberflächenqualität liefert, all mählich durchgeführt wird.

In dem ersten Bereich können beispielsweise ein größerer Po renanteil und/oder gröberes Korn (beispielsweise der FEPA- Korngröße F 80 bis F 100) für das Honen und im anderen Be reich eine geringere Porosität und/oder feinere Körnung (z. B. F 180 bis F 220) für das Nachhonen vorgesehen sein.

Beispiel

Herstellung eines Honrings (300 mm × 30,5 mm × 260 mm):

Aus einer Mischung bestehend aus

- 76 Gew.-% Schleifkorn, bestehend aus weißem Edelkorund, Körnung F 100/F 120 zu gleichen Anteilen (Treibacher Schleifmittel Korund Laufenburg GmbH, 79719 Laufenburg)
- 24 Gew.-% keramischem Bindemittel

und zusätzlich zu den vorgenannten 100%

- 2 Gew.-% temporärem Bindemittel Dextrin (Avebe Deutschland GmbH, 40644 Meerbusch)
- 2,2 Gew.-% Leitungswasser

wird in einer Form ein Grünkörper mit einer Dichte von 2,298 g/cm³

verpreßt. Er wird anschließend über einen Zeitraum von 34 Stunden gebrannt, wobei folgende Temperaturfolge eingehal ten wurde:
1 h Aufheizen auf 100°C, Haltezeit 1 h
6 h Aufheizen auf 600°C, Haltezeit 2 h
8 h Aufheizen auf 1250°C, Haltezeit 1 h
15 h Abkühlen.

Der gebrannte Rohling weist folgende Eigenschaften auf:
Dichte: 2,26 g/cm³
E-Modul: 64 GPa
Porenanteil: 35 Vol.-%.

Zum Tränken wurde der Rohling ohne Einwirkung eines Vakuums in flüssiges Kunstharz gelegt, nach ca. 45 Min, entnommen und bei 60°C über einen Zeitraum von 6 Stunden ausgehärtet. Als Kunstharz wurde Epoxidharz verwendet, nämlich eine Mischung der Produkte EP 116 und EP 080 der Firma Riedel de Haen AG sowie Triethylentetramin (Härter), wobei ein Gewichtsverhält nis 57,6 : 27,1 : 15,3 eingesetzt wurde. Schließlich wurde der Rohling entsprechend den Vorgaben des Anwenders endbear beitet und verzahnt.

Zum Einsatz gelangte der so gefertigte Honring auf einer Hon maschine vom Typ Fässler D-250 C (Spindeldrehzahl 200 min^-1, Kühlschmierstoff Öl) zur Endbearbeitung einer geschabten An triebswelle mit einem Aufmaß von 15 µm. Im Vergleich mit kunstharzgebundenen Honringen (der oben unter Bezugnahme auf DE-C 44 47 036 geschilderten Art) zeigt ein derart herge stellter Honring folgende Vorteile:

- Die Anzahl der innerhalb einer Abrichtperiode bearbeit baren Teile ist mehrfach größer, nämlich 365 Teile ge genüber 60 Teilen
- sehr gutes Schneidverhalten, dadurch bessere geometri sche Zahnflankenkorrektur
- ruhigerer Lauf, besseres Profilstandvermögen.

Claims

1. Honwerkzeug, insbesondere Honring, das keramisch gebun denes Schleifkorn und Poren enthält, dadurch gekenn zeichnet, daß die Poren Kunstharz in einem Anteil von mindestens 5% des Porenvolumens enthalten.

2. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunstharzanteil des getränkten Bereichs minde stens 2 Gew.-% beträgt.

3. Schleifwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunstharzanteil die Porenräume im Mittel zu mehr als 50% füllt.

4. Schleifwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunstharzanteil die Porenräume zu weniger als 50% füllt.

5. Schleifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß das Kunstharz hauptsächlich den Wänden der Porenräume anhaftet.

6. Schleifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß lediglich eine an die Schleiffläche angrenzende Schicht Kunstharz enthält.

7. Schleifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß lotrecht zur Achse des ring förmigen Werkzeugs orientierte Schichten unterschiedli chen Kunstharzgehalt und/oder unterschiedliche Porosität aufweisen.

8. Schleifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß lotrecht zur Achse des ring förmigen Werkzeugs orientierte Schichten Schleifmittel körnungen unterschiedlicher mittlerer Größe oder Art aufweisen.

9. Verfahren zum Herstellen eines Schleifwerkzeugs, insbe sondere eines Honwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß ein porenhaltiges Werkzeug mit keramischer Bindung her gestellt und zumindest angrenzend an die vorgesehene Schleiffläche mit flüssigem Kunstharz getränkt und die ses aushärten gelassen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Tränken unter Einsatz von Vakuum erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich net, daß das Werkzeug mit Überschuß getränkt und dieser anschließend entfernt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Kunstharz mindestens eine sich beim Aushär ten verflüchtigende Komponente enthält.

13. Verfahren zum Schleifen oder Honen eines Werkstücks vor gegebener Breite mittels eines Werkzeugs, dessen Breite größer als die des Werkstücks ist und das in Breiten richtung beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug, das mehrfach breiter als das Werkstück ist, in Breitenrichtung Zonen unterschiedlicher Schleif- bzw. Honeigenschaften umfaßt und in einer ersten Bearbei tungsphase im wesentlichen nur mittels einer ersten Zone und in einer zweiten Bearbeitungsphase im wesentlichen nur mittels einer zweiten Zone auf das Werkstück ein wirkt.