DE2829609C2 - Schleifscheibe - Google Patents

Description

r ~ ^T

D \ p(l-v²)

Hierbei bedeuten fden Elastizitätsmodul, ρ die Dichte und vd\e Poissonzahl der Scheibe.

T, D,ρ und »»sind in der Praxis praktisch fest vorgegebene Größen, so daß eine Erhöhung der Stabilität nur über eine Steigerung des Elastizitätsmoduls (kurz Ε-Modul) möglich ist.

Dieser E-Modul ist aber ebenso wie die mechanische Festigkeit bei den üblichen Korn-Harz-Kombinationen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schleifscheibe, bestehend aus Schleifkorn, einem auf Kuastbarzbasis aufgebauten, vorzugsweise duroplastischen Bindemittel und vorzugsweise Füllstoff mit einer in den Schleifkörper eingebetteten Faserarmierung aus hochfesten Fasern, die mit einem Überzug versehen sind, der aus Korn- |

material und einem Bindemittel, das auf der Faser gut haftet und mit der Scheibenbindung eine mechanisch I

ausreichende chemische und/oder physikalische Verbindung eingeht, und beispielsweise von einem Harz oder ■

einer Mischung aus Harz und der im Schleifkörper verwendeten Bindung gebildet wird, besteht

Beim Schleifen, insbesondere beim Trennschleifen, ist man bestrebt, möglichst hohe Umfangsgeschwindigkeiten des Schleifkörpers zu erzielen.

Dabei versteht man unter dem Trennschleifen das Durchschleifen von vorzugsweise stabförmigen Materialien mit Schleifscheiben mit relativ geringer Stärke; d. h. die Stärke Tliegt im allgemeinen unter 0,01 des Durchmessers D:

T< 0,01 - D

In der technischen Anwendung kommt man derzeit auf maximale Umfangsgeschwindigkeiten von 100 m/sec, man hat jedoch im Versuchs- bzw. Laborstadium bereits Umfangsgeschwindigkeiten von 130 m/sec und mehr erreicht

Die Erhöhung der Geschwindigkeit auf das 1,5-fache führt nach den Gesetzen der Mechanik zu einer Erhöhung der in der Scheibe auftretenden maximalen Spannungen auf das 2,25-fache. Dies folgt daraus, daß die Tangentialspannung an der Bohrung einer rotierenden Scheibe nicht linear sondern quadratisch mit der Umfangsgeschwindigkeit ν anwächst, d. h.

a tang, max = prop, ν²

Die Vorteile des Hochgeschwindigkeitsschleifens sind jedoch so groß, daß sich dieses Verfahren in der Praxis immer mehr durchsetzt Die wichtigsten Vorteile sind: Die Schnittkräfte am Korn nehmen mit zunehmender Geschwindigkeit ab und der Leistungsfaktor sowie die spez. Zerspanleistung (Zeitspanvolumen) und die Kanten- bzw. Profilhaltigkeit steigen überproportional an.

Weiters ist man bestrebt, Trennscheiben mit möglichst geringer Scheibenstärke T herzustellen. Dies bringt einmal den Vorteil, daß eine geringere Antriebsleistung der Trennmaschine erforderlich ist und daß andererseits der Materialverlust (Schnittverlust = zerspantes Volumen je Schnitt) abnimmt.

Dies ist besonders bei teuren Werkstoffen, wie hochlegierten Stählen, Titan, Wolfram und dgl, von Bedeutung. Überdies wird die Erwärmung der Werkstücke geringer, was einerseits bei hitze- bzw. rissrempfindlichen Werkstoffen sowie andererseits im Hinblick auf den Umweltschutz (Verringerung des erforderlichen Gehaltes an schleifaktiven Füllstoffen in den Scheiben) vorteilhaft ist.

Eine weitere Anforderung, die an Trennschleifscheiben gestellt wird ist die, daß der Scheibendurchmesser D und damit die ausnutzbare Scheibenfläche möglichst groß sein soll. Eine derartige Scheibe bietet die Möglichkeit des Trennens großer Querschnitte bzw. langer Einsatzzeiten (Verringerung der Scheibenwechselkosten). Derzeit können Trennscheiben bis 1200 mm Durchmesser serienmäßig und solche bis zu 1800 mm labormäßig hergestellt werden.

Gefordert wird eine hohe Steifigkeit der Trennscheibe.

Aus den Gesetzen der Mechanik folgt, daß eine hohe Steifigkeit mit einer hohen Resonanzfrequenz f_rcs verbunden ist Für ebene Kreisplatten gilt die Formel:

praktisch vorgegeben, da die Auswahl (Kornart, Korngröße, Harzanteil usf.) primär nach schleiftechnischen Gesichtspunkten zu erfolgen, hat Um nun die bei den genannten hohen Umfangsgeschwindigkeiten auftretenden Flieh- und Tangentialkräfte aufzunehmen und den Elastizitätsmodul und damit die Steifigkeit und Stabilität der Scheiben zu steigern, ist es bei den derzeit im technischen Einsatz stehenden Schleifkörpern üblich, eine Faserstoffarmierung vorzusehen.

Vor allem werden nach dem heutigen Stand der Technik Glasfasern verwendet, da gewöhnliche organische Fasern im allgemeinen zu geringe thermische Beständigkeit aufweisen.

Der Einsatz der Glasfasern erfolgt dabei

a) als Kurzfaser statistisch in der Bindung verteilt ι ο

b) als Wirrfaservliese

c) als Gewebe.

Dabei werden die Vliese und Gewebe mit einer Harzimprägnierung versehen, die im allgemeinen aus Phenolharzen besteht, damit eine einwandfreie Kraftübertragung von der Schleifmasse auf die Armierung erfolgt, bzw. damit alle Einzelfasern gleichmäßig belastet werden (»mittragen«). Im Zuge der technischen Entwicklung kam es zu zahlreichen Versuchen, die Wirksamkeit der Glasfasergewebe zu erhöhen, einige dieser Arbeiten sind auch bereits in der Patentliteratur beschrieben, so z. B. Gewebe mit Rovingfäden (keine bzw. geringe Drehung der Einielfasern im Gewebestrang), spezielle Gewebetypen, wie dreidirektionale Gewebe, Geweberonden mit vorzugsweise radialer Fadenrichtung und Verbesserungen der Haftung durch spezielle Oberflächenbehandlung der Glasfaser (?. it. durch Silane).

in der Praxis zeigt es sich aber, daß die erwähnten Fortschritte, die durch die Faserstoffarmierung erzieh werden können, zu einem beträchtlichen Teil durch die Beschädigung der Fasern bei der Herstellung der Schleifkörper aufgehoben werden. Die scharfen Kanten der Schleifkörper zerschneiden die Fasern bzw. erzeugen Kerben in der Faseroberfläche bereits beim Pressen. Diese Effekte treten umso stärker auf, je splittriger und scharfkantiger das Schleifkorn ist (z. B. Siliciumkarbid, Edelkorund) und je dichter die Scheibenstruktur ist, da bei der Herstellung dieser Scheiben ein hoher Preßdruck erforderlich ist Z. B. zeigen aus unausgehärteten Scheiben wieder herausgelöste Glasgewebe Rückgänge der Festigkeit zwischen 5 und 90%.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zerstörung der Fasern bei der Scheibenherstellung beim Einsatz von hochfesten Fasern als Armierung zu verhindern.

Die US-PS 26 43 945 beschreibt zwar die Herstellung von Schleifkörpern, bei denen auf das Armierungsgewebe aus synthetischen Fasern (z. B. Nylon- oder Rayonfasern) Schleifkorn aufgetragen wird. Dieses Schleifkorn ist jedoch das den Abrieb bewirkende Schleifkorn des Schleifkörpers.

An einen Schutz der Fasern gegen Einkerbung ist bei dem Herstellungsverfahren gemäß der Patentschrift nicht gedacht und es wird auch aufgrund der Größe des Schleifkornes kein Schutz bewirkt Ein solcher ist auch nicht notwendig, da die Fasern, die gemäß der US-Patentschrift Verwendung finden, nicht besonders kerbempfindüch sind.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Körnung des Kornmaterials des Überzuges der Fasern, welches Schleifkornmaterial und/oder feinkörniger, schleifaktiver Füllstoff ist, feiner als die Körnung des Schleifkornes der Schleifscheibe ist.

Als Feinkorn kommen die bekannten Schleifmittel, wie z. B. Korunde, Siliciumkarbid, Borkarbid, und als schleifaktive Füllstoffe z. B. Kryolith, Pyrit etc. in Frage.

Als Armierungsfasermaterial sind hochfeste Glasfasern, Einkristallwhisker, polykristalline Metallwhisker, hochfeste Kohlenstoffasern mit anoxidierten Oberflächen, Borfasern und gezogene Metalldrähte vorgesehen, weiters Bornitrid, Siliciumkarbid sowie hochfeste hitzebeständige organische Fasern mit hohem Ε-Modul (z. B. Polyaramide). Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Fasern aus gezogenen Metalldrähten aus hochlegiertem C-Stahl bestehen, und daß die Metalldrähte mit einem Primer versehen sind.

Dabei kann das Einlegen der Armierung in das Feinkorn sowohl beim Imprägnieren der Armierung als vorbereitendem Arbeitsgang oder erst beim Fertigen des Schleifkörpers erfolgen.

Durch diese feinkörnige Umhüllung, die selbstverständlich beim Herstellprozeß, der nicht Gegenstand dieser Erfindung ist vom erwähnten Überzugsmaterial durchtränkt wird, werden die Armierungsfasern einerseits beim Herstellprozeß der Schleifkörper (Pressen) geschützt andererseits wird der erwähnte Effekt des Verschmierens der Schieifscheibenoberfläche beim Schleifen verringert. Die iiohen mechanischen Festigkeits- und E-Modul-Werte bleiben erhalten, auch bei sehr kerbempfindlichen Armierungen, wie z. B. Kohlenstoffasern.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Schleif- bzw. Trennschleifscheibe wird eine hohe zulässige Umfangsgeschwindigkeit bei geringer Flatterneigung, hohe dynamische Stabilität und damit ein möglichst geringer Schnittverlauf erzielt. Außerdem wird die Gefahr eines Scheibenbruches wesentlich verringert.

Nachstehend eine Aufstellung der erzielten Ε-Modul- und Festigkeitswerte von faserarmierten Prüfkörpern.

Die Probeschleifkörper wurden in üblicher Weise aus Schleifkorn und einer Mischung aus Phenolharzen mit anorganischen Füllstoffen als Bindemittel hergestellt Dabei war das (Gewichts-)Verhältnis von Harz zu Füllstoff 1:1.

Der Anteil der Armierung betrug bei allen Fasertypen 20 Volumprozent der Schleifmasse (Korn + Bindung). Die Fasern wurden in Form von unidirektionalen Geweben verwendet, um die Einflüsse des Webens zu verringern bzw. die Gewebe möglichst einfach herstellen zu können.

Die Oberflächen der Fasern wurden mit haftverbessernden Oberflächenschichten versehen, so die C-Fasern anoxidiert und die Stahldrähte und Glasfasern mit einem Primer versehen.

Daten der verwendeten Armierungsfasern:

73 85	2,2 4,4
200	4,0
300	2,5
420	3,0

Bezeichnung genauere Kennzeichnung Ε-Modul Reißfestigkeit

GN/m² GN/m²

Glas Ε-Glas, alkaliarm

S-GIas

Stahl Kohlenstoffstahl

\ ίο

^; C-Faser Kohlenstoffaser mittlerer Festigkeit und E-Modul

V B-Faser Borfilament mit Wolframseele

15 Die Imprägnierung der Gewebe und Dichte der Fasern war gleich aufgebaut wie die Bindung der Scheiben aus Phenolharz und feinkörnigem anorganischen Füllstoff. Dabei wurde das Gewebe mit Phenolharzlösung durchtränkt, in den Füllstoff eingelegt und sodann in üblicher Weise so weit vorgetrocknet, daß es die notwendige Verarbeitungskonsistenz aufwies.

j i 20 Richtrezeptur:

K Normalkorund Nr. 30 70 Teile

p Phenolresol (flüssig) 10 Teile

ψ Phenolharz/Novolak (pulverförmig) 4 Teile

φ, 25 Kryolith (pulverförmig) 14 Teile

gä Preßdichte (ohne Armierung) = 2,70

H ' In die Schleifkörper wurden 2 gekreuzte Gewebe als Innenarmierung eingebaut, und zwar so, daß die beiden

H 30 äußeren Schleifmasseschichten jeweils die halbe Stärke der Mittelschicht aufwiesen. Die Scheiben wurden in

j|| üblicher Weise gepreßt und ausgehärtet.

„^rif Sodann wurden der Ε-Modul und die Festigkeit gemessen und aus dem Ε-Modul die Resonanzfrequenz

% berechnet Diese ist, wie bereits ausgeführt, ein Maß für die Seitensteifigkeit und dynamische Stabilität der

' Scheibe und damit ein Kriterium für die mögliche Umfangs- (Arbehs-) geschwindigkeit beim Schleifen.

35 Die Ergebnisse sind in der folgenden Aufstellung schematisch zusammengefaßt. Die Meßwerte der erfin-

h dungsgemäßen Schleifkörper mit Glasfasern als Armierung wurden jeweils als Basis (100%) genommen.

* Werkstoff der Armierung E-Modulder Resonanzfrequenz der mögliche

₄₀ Probekörper in % Probekörper in Vo *) Umfangsgeschwindigkeit

_r j beim Schleifen in %

f Glas 100 100 100

h Stahl-Feindraht 250 150 150

(. 45 C-Faser 400 200 200

I B-Faser 500 220 220

¹ *) Aus den gemessenen E-Modul-Werten berechnete Werte der Resonanzfrequenz.

50 Es zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen den über die berechneten Resonanzfrequenzen ermittelv,i ten möglichen Umfangsgeschwindigkeiten und dem beim Schleifversuch ermittelten dynamischen Verhalten.

Ein weiteres Kriterium ist natürlich die aus den Bruchumfangsgeschwindigkeiten und den Sicherheitsvorschriften fixierte zulässige Geschwindigkeit. Diese wäre z. B. bei der Verwendung von S-Glas um ca. 30% höher als beim Ε-Glas, doch ist die dynamische Stabilität bei beiden Glastypen annähernd gleich. Es lassen sich also hohe 55 Festigkeiten nur bei Fasern ausnützen, die auch einen hohen Ε-Modul besitzen. Eine weitere Voraussetzung ist j die Erhaltung des Ε-Moduls während des Herstellungsprozesses der Schleifkörper.

Beim Schleifen mit den Versuchsschleifkörpern wurde ein wesentlich geringeres Belegen der Scheibenoberfläche festgestellt als bei üblichen Scheiben.

Durch die vorliegende Erfindung ist es also einerseits möglich, mit hochfesten Faser, wie Kohlenstoffasern, 60 Stahl-Fasern, Borfasern etc., Steigerungen der Arbeitsgeschwindigkeit zu erreichen, ohne daß der relative Volumanteil der Armierung in der Schleifscheibe steigt, und andererseits kann der bei üblichen Herstellverfahren auftretende Festigkeitsverlust, der, wie schon erwähnt, zwischen 5 und 90% liegt, durch die erfindungsgemäße Einbettung stark verringert werden.

Letzteres bringt also auch bei der Verwendung der üblichen Glasfasern große Vorteile.

65

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schleifscheibe, bestehend aus Schleifkorn, einem auf Kunstharzbasis aufgebauten, vorzugsweise duroplastischen Bindemittel und vorzugsweise Füllstoff mit einer in den Schleifkörper eingebetteten Faserarmierung aus hochfesten Fasern, die mit einem Oberzug versehen sind, der aus Kornmaterial und einem Bindemittel, das auf der Faser gut haftet und mit der Scheibenbindung eine mechanisch ausreichende chemische und/oder physikalische Verbindung eingeht, und beispielsweise von einem Harz oder einer Mischung aus Harz und der im Schleifkörper verwendeten Bindung gebildet wird, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Körnung des Kornmaterials des Oberzuges der Fasern, welches Schleifkornmaterial und/oder

   ίο feinkörniger, schleifaktiver Füllstoff ist, feiner als die Körnung des Schleifkornes der Schleifscheibe ist