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Schleifkörper und Verfahren zu seiner Herstellung
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Die Erfindung bezieht sich auf Schleifkörper, insbesondere auf Schleifscheiben.
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Es ist bekannt, daß in vielen Fällen, in denen mit Schleifscheiben
gearbeitet wird, vor allem beim Präzisionsschleifen, das Schleifmittel in der Schleifscheibe
nicht voll ausgenutzt wird. Häufig ist es erforderlich, die Schleifscheibe durch
Abrichten und Abziehen nachzuarbeiten, und das macht nicht selten einen sehr erheblichen
Teil der Schleifarbeit aus.
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Beim Nacharbeiten der Scheibenfläche wird eine Menge Schleifmittel
durch ein Diamantwerkzeug "weggearbeitet", und in manchen Fällen können die Kosten
für diese Werkzeuge höher werden als die Kosten für die Schleifscheiben.
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Genauere Untersuchungen haben erwiesen, daß die Zahl der wirksamen
Schleifkörner (solche Schleifkörner, die tatsächlich an dem Schleifvorgang teilnehmen
können) viel kleiner ist als die Gesamtzahl der in einem üblichen Schleifscheibenquerschnitt
vorhandenen Schleifkörner, manchmal sind es nur etwa 2 Vol.%, verglichen mit 50
Vol.% Schleifkörner in der Scheibe selbst. Wenn eine Schleifscheibe benutzt wird,
werden diese wirksamen Schleifkörner stumpf und nutzen sich ab. Es gelangen weitere
Schleifkörner an die Oberfläche, wodurch die Zahl der wirksamen Schleifkörner größer
wird, aber in Verbindung mit den noch in der Fläche befindlichen Schleifkörnern
beginnt diese Fläche das Aussehen eines typischen Scheibenquerschnitts anzunehmen.
Eine derartige Fläche wird als "blank geworden bezeichnet; sie kann keine wirksame
Schleifarbeit mehr leisten. Es zeigt sich also, daß der Vorgang des Nacharbeitens
im wesentlichen zu einer Herabsetzung der Konzentration aktiven Schleifmittels in
der Scheibenoberfläche führt.
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Mit der Erfindung soll unter anderem eine Schleifscheibe angegeben
werden, bei der die Schleifkornkonzentration mehr der in der Scheibenoberfläche
auftretenden Konzentration aktiver Schleifkörper ähnelt, wie es für eine gute Schleifleistung
erforderlich ist.
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Jedoch ist die Herstellung von Schleifscheiben mit niedriger Schleifmittelkonzentration
(d.h. einer Volumenkonzentration unter 20 %) nicht einfach.
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Die Masse der üblichen Schleifmittel (z.B. Aluminiumoxid und dessen
verschiedene Derivate sowie Siliciumkarbid) wird zu keramisch-, kunstharz- oder
gummigebundenen Schleifmitteln verarbeitet, die vielfach poröses Gefüge zeigen.
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Die meisten derartigen Gefüge werden hergestellt, indem
die
Bindemittelmatrix während des Herstellungsprozesses einen fließfähigen Zustand durchläuft.
Wenn das Schleifmittelkorn nicht in der Lage ist, ein selbsttragendes Brückensystem
aufzubauen, während die Masse sich in fließfähigem Zustand befindet, könnte das
Gefüge zusammenfallen.
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Die Zahl von Gefügen für übliche Schleifmittel wird durch dieses Verfahrenserfordernis
eingeschränkt, und wegen des vergleichsweise niedrigen Preises für die üblichen
Schleifmittel im Vergleich zu beispielsweise Diamant ist der Notwendigkeit, über
eine Schleifscheibe niedriger Schleifmittelkonzentration verfügen zu müssen, keine
Beachtung geschenkt worden. Zwar hat die Schleifscheibenindustrie erkannt, daß es
erforderlich ist, zur Aufnahme und Wegschaffung von Schleifabrieb ein offeneres
Gefüge zu haben, man hat aber nicht erkannt, daß niedrigere Schleifkornkonzentrationen
das Haupterfordernis dafür sind und hat die Konzentration in der Praxis auch nur
in begrenztem Ausmaß verändert.
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Ein Erfindungsziel ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung
eines Schleifkörpers mit in eine Matrix eingebetteten Schleifmittelteilchen, bei
dem die Matrix mit einem in Teilchenform vorliegenden, hoch wärmefesten Streckmaterial
versehen ist, dessen Porosität mindestens 30 % beträgt und das eine geringere- Schleifwirkung
ausübt als die in die Matrix aufgenommenen Schleifmittelteilchen.
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Ein weiteres Erfindungsziel ist die Entwicklung eines Schleifkörpers
mit Schleifmittelteilchen, die durch eine Matrix verbunden sind, die ein in Teilchenform
vorliegendes Streckmaterial enthAlt, dessen Porosität mindestens 30 % beträgt und
das eine geringere Schleifwirkung ausübt als die genannten Schleifmittelteilchen.
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Mit dem Ausdruck "Streckmaterial" ist hier ein Füllstoff
gemeint,
der weder als Schleifmittel wirken noch unmittelbar die Schleifmittelteilchen miteinander
verbinden soll, sondern der nur dazu beiträgt, die Volumenkonzentration der Schleifmittelteilchen
herabzusetzen.
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Das Streckmaterial braucht keinerlei Schleifwirkung zu haben, es kann
aber auch eine im Vergleich zu den eigentlichen Schleifmittelteilchen begrenzte
Schleifwirkung ausüben.
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Durch die Verwendung des Streckmaterials kann in dem fertigen Erzeugnis
eine viel geringere Volumenkonzentration der aktiven Schleifmittel herbeigeführt
werden als sonst vorgefunden wird.
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Eine wesentliche Eigenschaft des Streckmaterials ist die Leichtigkeit,
mit der es abgerieben oder weggespült werden kann, wenn es an die schleifend wirkende
Oberfläche gelangt, wodurch sich die gewünschte selbsttätige Nacharbeitung einstellt,
ohne daß der Schleifprozeß dadurch beeinträchtigt würde. Wenn die Streckmittelsubstanz
die Schleifscheibenoberfläche zu schwer verläßt, sind die durch die niedrige Schleifmittelkonzentration
zu erwartenden Vorteile nicht zu erreichen.
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Ein Faktor, der bei dem Einsatz von Streckmaterial bedacht werden
muß, ist die Festigkeit des Schleifkörpers. In vielen Fällen ist die Festigkeit
eines Schleifkörpers ausserordentlich wichtig, vor allem, wenn der Schleifkörper
als schnell rotierendes Rad ausgebildet ist. Bei den üblichen Schleifkörpern hängt
die Festigkeit von dem engen Kontakt der Schleifkörner untereinander und von der
Art der als Bindemittel verwendeten Matrix ab.
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Die Anwendung von Streckmaterial kann dieser Forderung nach ausreichender
Festigkeit zuwiderlaufen. Werden als Streckmaterial Feststoffe oder Stoffe mit begrenzter
Porosität verwendet, die so weich sind, daß sie von der Oberfläche weggerieben werden
können, so entstehen Schleifkörper mit unzureichender Festigkeit, insbesondere wenn
Schleifmittel in niedriger Konzentration verwendet werden muß. Streckmaterial wie
Talkum, Dolomit, Kalkstein und Graphit fällt unter diese Kategorie. Dagegen können
Stoffe mit einem höheren Porositätsgrad, d.h. mit einer über mindestens 30 % liegenden
Porosität, einen brauchbaren Kompromiß darstellen, dabei insbesondere geschlossenporiges
Material. Kugelförmiges Material mit dünner Wand, bei dem der Mantel im wesentlichen
intakt bleibt, kann wegen seiner Kugelform die erforderliche hohe Festigkeit bieten,
aber diese Form ist an der Oberfläche wenig dauerhaft, wenn einmal der Mantel beim
Erreichen der Oberfläche zerstört ist, und besitzt somit die wesentliche Eigenschaft
eines Streckmaterials.
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Während poriges feuerfestes Ziegelmehl und zerstoßener Schamottestein
einige Vorteile bieten können, wird das eigentliche Ziel am besten erreicht durch
die Verwendung von kugelförmigem, dünnwandigem Alumosilikat-Material, das unter
den Handelsnamen Ash Cenospheres Fillite, Armospheres und Eccospheres vertrieben
wird. Diese Substanzen haben den Vorzug, bei sehr verschiedenartigen, schon bisher
bei der Herstellung von Schleifkörpern eingesetzten Bindemitteln verwendbar zu sein,
d.h. bei Kunstharz- und Polymermaterial, bei Bindemitteln auf anorganischer Basis,
etwa Phosphat, Silikat, Magnesia und Aluminiumchlorphosphathydrat, und insbesondere
bei keramischen Bindemitteln, weil sie verhältnismässig reaktionsträge und hitzebeständig
sind.
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Ausser durch die Verwendung von Streckmaterial als Möglichkeit
zur
Herabsetzung der Schleifmittelkonzentration läßt sich bei keramischen Bindemitteln
eine weitere Konzentrationsherabsetzung durch den Einbau von brennbaren, teilchenförmigen
Füllstoffen erzielen, die eine Porosität hervorrufen. Die Verwendung derartiger
vorübergehend anwesender Füllstoffe ist bei der Herstellung von offenen Gefügen
bereits gebräuchlich. Zu den verwendbaren brennbaren Füllstoffen gehören Naturstoffe
wie zerstossene Kokosnußschale, Walnußschale, Olivenkerne, Sägemehl, und verschiedene
Samen, ausserdem auch andere kohlenstoffhaltige oder organische Substanzen wie z.B.
Graphit, Koks, Naphthalin und Zuckerarten.
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Diese Füllstoffe brennen weg, wenn sie in einem bei hoher Temperatur
gebrannten Bindemittelsystem eingesetzt werden, und hinterlassen ein Porenbild,
das für grössere Abstände zwischen den Schleifmittelteilchen sorgt und damit eine
niedrige Schleifmittelkonzentration herbeizuführen hilft.
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Wahlweise kann dem feuerfesten Streckmaterial blasiges Aluminiumoxid
zugesetzt werden. Blasiges Aluminiumoxid ist in begrenztem Umfang bereits bei Schleifscheiben
verwendet worden, und es übt seinerseits eine gewisse Schleifwirkung aus. Man hat
es für die Gewinnung von Schleifscheiben mit offenem Gefüge in der schon erwähnten
Art eingesetzt, und es hat sich gezeigt, daß es zur Erzielung von niedrigen Schleifmittelkonzentrationen
verwendbar ist, wenn es als Streckmaterial der Matrix eines Schleifkörpers zugefügt
wird, die in eine Matrix gebundene Schleifmittelteilchen enthält. Es ist bekannt,
daß blasiges Aluminiumoxid als solches für bestimmte Schleifzwecke, beispielsweise
zum Schleifen von Gummi, eingesetzt wird, wenn kein anderes Schleifmittel verwendet
wird, aber zum Maßschleifen von im Ingenieurbau eingesetzten Werkstoffen bleibt
die Leistung einer solchen Schleifscheibe zurück hinter der Leistung der den Gegenstand
der Erfindung bildenden Materialien.
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Zu den erfindungsgemäßen Schleifkörpern gehören solche, bei denen
das Bindemittel, das als keramisches Bindemittel oder als Polymer oder als Bindemittel
auf anorganischer Grundlage vorliegen kann, so verteilt ist, daß die Bindung des
Schleifmittels in die Matrix stärker ist als die Bindung des Streckmaterials unter
sich innerhalb der Matrix. Mit anderen Worten: das Schleifmittel ist fest gebunden,
während das Streckmaterial nicht so fest gebunden ist. Diesesspezielle Merkmal trägt
wesentlich zu der Leistungsfähigkeit des Schleifkdrpers bei und läßt sich im Falle
von keramischen Bindemitteln beispielsweise durch ein Vorgehen wie das vorherige
Beschichten der Schleifmittelteilchen mit einer Schicht von keramischem Bindemittel
erreichen, die auf das Schleifmittel vor dem eigentlichen Herstellungivorgang aufgeschmolzen
wird. In ähnlicher Weise kann bei einem Polymer-Bindemittel eine Vorbeschichtung
mit einem geeigneten Polymermaterial vorgenommen werden, das teilweise aus den Schleifmittelteilchen
zur Aushärtung gebracht wird. Das zum Vorbeschichten dienende Material kann, muß
aber nicht die gleiche Zusammensetzung haben wie die Bindemittelmatrix, es ist aber
so auszuwählen, daß es sich Letztlich bei der Herstellung des Schleifkörpers selbst
eng mit dem eigentlichen Bindemittelmaterial zu einer ganz einheitlichen Bindemittelsubstanz
verbindet.
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Als geeignete wärmehärtende Polymer-Bindemittel sind anzusehen: Epoxidharz,
Polyurethanharz und Phenol-Formaldehydharz sowie geeignete Bindemittelsubstanzen
auf anorganischer Grundlage wie Phosphat, Silicat, Magnesiumoxychlorid und Aluminiumchlorphosphathydrat.
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Mit den oben angegebenen Empfehlungen lassen sich Schleifkörper mit
einer Volumenkonzentration der Schleifmittelteilchen im Bereich zwischen 0,5 und
20 l, insbesondere
zwischen 1 und 10 % oder sogar zwischen 2 und
5 % leicht herstellen. Daraus resultiert unmittelbar ein Kostenvorteil. Darüber
hinaus haben sowohl Aluminiumoxid als auch Siliciumkarbid hohes spezifisches Gewicht
im Vergleich zu 3 dem üblichen Bindemittel (z.B. 3,2 bis 3,9 g/cm3). Daher weisen
Körper mit niedriger Konzentration dieses Schleifmittels eine sehr erheblich niedrigere
Dichte auf als die 3 üblichen Schleifkörper, in manchen Fällen weniger als 1 g/cm3.
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Im Falle einer Schleifscheibe ist die Anforderung an die Massenfestigkeit
einer rotierenden Scheibe direkt proportional der Eigenmasse, und daraus ergibt
sich der Vorteil, daß Scheiben mit geringerer Festigkeit mit spezifischen Drehzahlen
verwendet werden können, ohne daß der Sicherheitsfaktor des Schleifkörpers herabgesetzt
wird.
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Als Schleifmittel können benutzt werden: Aluminiumoxid, Zirkon-Aluminiumoxid
oder sonstige aluminiumhaltige Schleifmittel oder Siliciumkarbid.
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Nachstehend werden einige Beispiele für erfindungsgemäß aufgebaute
Schleifscheiben gegeben: Beispiel 1: Mischung, bestehend aus: 1 Teil 150 Schleifkorn-Grün-Siliciumkarbid-Schleifmittel
0,81 Teilen keramisches Bindemittelgemisch 1,75 t' Fillite 52/7/S 0,13 " Glukose-Bindemittel
0,05 n Wasser wurde mit 1 t je inch2 gepreßt und mit 10400C gebrannt. Beim
Brennen
wurde eine Linearkontraktion zwischen 2 und 3 % beobachtet, und das fertige Gefüge
hatte eine Dichte von 1,24 g/cm3 und eine Zusammensetzung (in Vol.%) Schleifmittelkörner
10,9 % Bindemittel 11,1 % Streckmaterial 76,4 % Porosität 1,6 % Bei einem Schleiftest
mit Einstechzylinder aus niedriglegiertem ENl6T-Stahl wurde ein M/W-Wert von 10,0
und eine Oberflächengüte von 50 /u" ermittelt.
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Beispiel 2: Mischung, bestehend aus: 1 Teil 180 Schleifkorn Aluminiumoxid-Schleifmittel
8,35 Teilen keramisches Bindemittelgemisch 7,35 " Fillite 52/7/S 1,33 " Wasser wurde
mit 1 t je inch gepreßt und mit 1040°C gebrannt. Beim Brennen wurde eine Linearkontraktion
zwischen 2 und 3 % beobachtet, und das fertige Gefüge hatte eine Dichte von 3 1,25
g/cm3 und eine Zusammensetzung (in Vol.%): Schleifmittelkorn 2 % Bindemittel 25
% Streckmaterial 70 % Porosität 3 %.
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Bei einem Schleiftest mit Einstechzylinder aus niedriglegiertem EN16T-Stahl
wurde ein M/W-Wert von 18 und eine Oberflächengüte
von 35 /U"
ermittelt.
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Beispiel 3: Mischung, bestehend aus: 1 Teil 180 Schleifkorn Aluminiumoxid-Schleifmittel
1,91 Teilen Epoxidharz 0,36 " Fillite 52/7/S wurde in eine Form gegossen und 24
Stunden abgestellt, anschliessend 6 Stunden lang auf 65 0C erhitzt. Das fertige
3 Gefüge hatte eine Dichte von 1,24 g/cm und eine Zusammensetzung (in Vol.%): Schleifmittelkörner
9,6 % Bindemittel 63,0 % Streckmaterial 17,0 % Porosität 10,4 %.
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Bei einem Schleiftest mit Einstechzylinder aus niedriglegiertem ENl6T-Stahl
wurde ein M/W-Wert von 2 und eine Oberflächengüte von 25 1u" ermittelt.
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Beispiel 4: Mischung, bestehend aus: 1 Teil 180 Schleifkorn Aluminiumoxid-Schleifmittel
0,42 Teilen Phenolformaldehydharz 1,41 Teilen Fillite 52/7/S
wurde
mit 1 t je inch2 gepreßt und bei 2000C gehärtet.
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3 Das fertige Gefüge hatte eine Dichte von 1,14 g/cm3 und eine Zusammensetzung
(in Vol.%): Schleifmittelkorn 10,3 % Bindemittel 10,4 % Streckmaterial 71,9 % Porosität
7,4 %.
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Bei einem Schleiftest mit Einstechzylinder aus niedriglegiertem ENl6T-Stahl
wurde ein M/W-Wert von 3 und eine Oberflächengüte von 100 /u" ermittelt.
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Zwar müssen auch noch andere Faktoren berücksichtigt werden, aber
eine niedrige Volumenkonzentration von Schleifkorn in einer Schleifscheibe kann
zur Folge haben, daß die Scheibe Selbstreinigungswirkung erhält. Eine selbstabrichtende
Scheibe hat im wesentlichen die Eigenschaft, daß sie während der Schleifarbeit automatisch
nachgearbeitet wird, so daß die Oberfläche eine gute Schleifleistung erbringt, ohne
daß ein besonderer Abrichtschritt eingeschaltet werden müßte.
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Es ist einzuräumen, daß die Fähigkeit zum selbsttätigen Abrichten
die Exaktheit der Schleifscheibe ein wenig zu beeinträchtigen vermag, insbesondere
wenn es sich um Einstechschleifarbeiten handelt. Andererseits kann eine zum Einstechschleifen
benötigte Schleifscheibe leicht mittels einer Diamantrollvorrichtung zum Abrichten
abgerichtet und bearbeitet werden. Eine Diamantrollvorrichtung zum Abrichten ist
eine kleine Diamant-Formschleifscheibe, die die Oberfläche der Schleifmittel-Schleifucheibe
auf die erforderliche Form schleift, jedoch die Schleifscheibe nicht wirksam nachzuarbeiten
vermag. Bei der praktischen Anwendung vermindert diese Diamantvorrichtung die Schleifkornkonzentration
in der
Oberfläche der Schleifscheibe nicht so weit, wie es für
einwandfreie Schleifarbeit erforderlich ist, und daher besteht bei einer Schleifscheibe
die Neigung, wie eine blank gewordene Scheibe zu wirken, wenn die erste Schleifarbeit
vorgenommen wird. Eine Schleifscheibe mit passend gewähltem niedrigeren Schleifmittelgehalt
weist aber diesen Nachteil nicht auf.
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Patentansprüche: