DE4106005A1 - Schleif- oder trennwerkzeug und verfahren seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schleif- oder Trennwerk­ zeug mit einem faserverstärkten Grundkörper mit einer Kunststoffmatrix und einem Belag aus Hartstoff wie Diamant- oder Bornitridkörnern, die in einer Bindung gehalten sind.

Schleifwerkzeuge und Trennwerkzeug wie Sägen bestehen im allgemeinen aus einem Belag, der den aktiven Hart­ stoff trägt, und einem Grundkörper auf dem der Belag aufgebracht ist. Für das Schleifen von Hartmetallen oder anderen Werkstoffen kommen als Hartstoffe insbe­ sondere Diamanten in Betracht und für die Bearbeitung wie das Sägen von harten Stählen Werkzeuge mit kubisch - kristallinem Bornitrid. Neben diesen Hartstoffen enthält der Schleifbelag ein Bindemittel für die Hart­ stoffe, bei dem es sich um ein Metall, ein Kunstharz oder Keramik handeln kann. Unter Umständen enthält der Schleifbelag darüber hinaus verschiedenartige Füll­ stoffe, die das Einsatzverhalten des Diamantwerkzeuges mitbestimmen.

Die Grundkörper, die keine Hartstoffe enthalten, son­ dern lediglich als Träger des Hartstoffbelages dienen, bestehen entweder aus Metall wie z. B. Aluminium oder Stahl oder aus Kunstharz wie z. B. Phenol -, Epoxyd- oder Polyamidharz, wobei es auch bekannt ist, die Kunstharze mit Zusatzstoffen zu versehen, wie Metall­ pulver, Graphitpulver oder faserförmigen Komponenten wie Kohle- oder Glasfasern.

Sowohl die Schleifbeläge wie auch die Grundkörper müs­ sen hohen Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit, der Temperatur-, Hydrolyse- und Chemiekalienbestän­ digkeit entsprechen. Darüber hinaus werden Ansprüche an die Wärmeleitfähigkeit und das Schwingungsdämp­ fungsverhalten gestellt. Diese Ansprüche können teil­ weise erfüllt werden durch die Verwendung von tempera­ turbeständigen Duroplastkunstharzen mit Zusätzen aus Metallpulvern oder Graphit.

In jüngerer Zeit richtet sich die Entwicklung auf eine Steigerung der Schnittgeschwindigkeit bzw. der Um­ fangsgeschwindigkeit insbesondere von Umfangsschleif­ scheiben und Sägen. Die Entwicklung von Hochgeschwin­ digkeitsschleif- und Trennwerkzeugen führt in der Re­ gel zu größeren Durchmessern der Scheiben, da anderen­ falls mit herkömmlichen Maschinen sehr hohe Umfangs­ geschwindigkeiten von mehr als 250 m/s nicht problem­ los zu erreichen sind. Andererseits lassen sich hohe Umfangsgeschwindigkeiten nur erzielen, wenn der Grund­ körper einen hohen E-Modul (Elastizitätsmodul) bei geringer Dichte aufweist, damit sich das Werkzeug nicht wesentlich ausdehnt oder gesprengt wird, sondern vielmehr relativ niedrige Spannungen und Dehnungen in Kauf zu nehmen sind. Die jüngere Entwicklung geht des­ halb zu der Verwendung von faserverstärkten Verbund­ werkstoffen, die eine hohe Festigkeit bei geringem Ge­ wicht ergeben. Dies gilt insbesondere für die Verwen­ dung von kohlefaserverstärkten Kunstharzverbundwerk­ stoffen, wie sie auch allgemein als CFK benannt wer­ den.

Bei derartigen faserverstärkten Grundkörpern aus Kunststoff für Hochgeschwindigkeitswerkzeuge ergibt sich regelmäßig jedoch ein Problem hinsichtlich der Verbindung des Grundkörpers mit dem Schleifbelag. Be­ kannt ist die Möglichkeit, die Schleifbeläge mit Hilfe von Klebstoffen unmittelbar auf dem Grundkörper auf zu­ bringen. Dabei lassen sich jedoch nur Festigkeiten er­ zielen, die vielfach den Erfordernissen des Hochge­ schwindigkeitsschleifens nicht genügen. Es ist deshalb auch versucht worden, die Schleifbeläge mechanisch im Grundkörper zu verankern bzw. mit einem Steg in dem Grundkörper einzulaminieren. Derartige Lösungen sind jedoch aufwendig und führen zu einer Erhöhung der Masse des Werkzeuges und gegebenenfalls zu ungleichmä­ ßigen Masseverteilungen, für die ein zusätzlicher Aus­ gleich geschaffen werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Verbindung zwischen dem Schleifbelag und dem faserverstärkten Grundkörper eines Hochgeschwindigkeitswerkzeuges gegenüber vorbe­ kannten Lösungen zu verbessern, um dadurch die Gefahr eines Absprengens des Schleifbelages vom Grundkörper zu verhindern.

Um die Haftfestigkeit zwischen dem Belag und dem Grundkörper zu erhöhen sieht die Erfindung vor, daß zwischen dem Belag und dem Grundkörper eine auf dem Grundkörper galvanisch oder stromlos aufgetragene Zwi­ schenschicht aus Metall angeordnet ist, in der nach außen über den Kunststoff vorstehende und in dem Kunststoff verankerte elektrisch leitfähige Fasern eingebettet sind, denn durch die mechanischen Eigen­ schaften, die Anordnung, Dichte und Dicke der verbin­ denden Fasern läßt sich die Haftfestigkeit wesentlich verbessern.

Auf die galvanisch oder stromlos aufgetragene Zwi­ schenschicht läßt sich zwar ein Schleifbelag aufkle­ ben, wobei eine bessere Haftung erzielt wird, als wenn ein Aufkleben auf dem Grundkörper aus Kunststoff stattfindet. Besonders vorteilhaft wirkt sich die me­ tallische Zwischenschicht jedoch aus, wenn ein Schleifbelag galvanisch aufgebracht wird, bei dem die Hartkörner aus Diamant oder Bornitrid mit Hilfe des elektrischen Stromes in einer Metallmatrix verzugs­ weise aus Nickel oder Kupfer gebunden sind.

Statt einer elektrolytischen Metallabscheidung der Zwischenschicht auf dem Grundkörper kann eine strom­ lose Metallabscheidung durch reduktive Verfahren An­ wendung finden. Eine stromlose Metallabscheidung läßt sich durchführen bei einer Beschichtung der Hartstoff­ körner mit Nickel oder Kupfer in einer wäßrigen Lö­ sung, die aus Nickel oder Kupfersalzen besteht und ein Reduktionsmittel enthält wie z. B. Hypophosphit, wobei es sich letzthin um eine chemische, stromlose Abschei­ dung handelt.

Die für die Verbindung auszunutzenden elektrisch leit­ fähigen Fasern können aus Metall bestehen wie Stahl oder Aluminium oder Kupfer. In Betracht kommen jedoch insbesondere elektrisch leitfähige Kohlefasern, die durch ein Zurücksetzen der Kunststoffmatrix des Grund­ körpers freizulegen sind. Dies kann durch Ätzen vor­ zugsweise unter Anwendung einer Säure wie Schwefel­ säure erfolgen, wobei eine Rückversetzung der Kunst­ stoffmatrix des Grundkörpers gegenüber den Spitzen der Fasern in einer Größenordnung von 20 bis 300 ym zweck­ mäßig sein kann. Der dadurch freigesetzte Raum wird bei einer Ausbildung der Zwischenschicht galvanisch metallisiert, wobei die vorrübergehend freiliegenden Faserabschnitte in der Art einer Verankerung wirksam sind.

Die Fasern können dafür in unterschiedlicher Ausrich­ tung angeordnet sein und zwar vorzugsweise unter Ver­ wendung von Fasergeweben oder Fasermatten, die neben­ einander liegend im Kunststoff eingebettet sind.

Um die Fasern definiert auszurichten und dadurch er­ höhte Festigkeitseigenschaften zu erreichen, können vorimprägnierte Gewebe schichtweise angeordnet sein, die zusammen mit dem Kunststoff des Grundkörpers er­ hitzt werden, nach dem sie vom Kunststoff durchtränkt und mit diesem zusammengepreßt sind. Dabei läßt sich zunächst einmal eine größere Scheibe herstellen, aus der dann eine Mehrzahl von kleinen Grundkörpern gewon­ nen wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Eine Umfangsschleifscheibe im Schnitt;

Fig. 2 den Außenrandabschnitt der Schleifscheibe in vergrößerter Darstellung;

Fig. 3 einen Schnitt durch den Außenrand der Schleifscheibe in mehrhundertfacher Vergrößerung und

Fig. 4 eine mikroskopische Darstellung der Zwischen­ schicht.

Die in der Zeichnung wiedergegebene Umfangsschleif­ scheibe 1 besteht aus einem kohlefaserverstärkten Grundkörper 3 aus Kunststoff, welcher Diamantkörner 5 trägt. Die Diamantkörner 5 sind in einer metalli­ schen Bindung gehalten, die beispielsweise aus Nickel oder Kupfer besteht und getragen wird von einer Zwi­ schenschicht 9, welche galvanisch aufgetragen ist auf dem Grundkörper 3. In dem aus einem Epoxyd-Polyamid - oder einem Phenolharz bestehenden Grundkörper 3 sind Gewebematten 11, 13 und 15 aus elektrisch leitfähigen Kohlefasern eingebettet. Die Fasern der verschiedenen Gewebematten sind unterschiedlich zueinander ausge­ richtet, das heißt die Fasern der Matte 11 sind bei­ spielsweise anders ausgerichtet zu den Fasern der Matte 13 und den Fasern der Matte 15.

Für eine Verbesserung der Haftfähigkeit zwischen dem Grundkörper 3 und dem aus den Hartkörnern 5 und der Bindung 7 bestehenden Belag ist eine auf den Grundkör­ per 3 galvanisch niedergeschlagene Zwischenschicht 9 vorgesehen, in die sich frei aus dem Grundkörper 3 vorstehende Faserabschnitte hinein erstrecken. Dafür ist die Kunststoffmatrix des Grundkörpers 3 durch Ät­ zen beispielsweise unter Anwendung einer Schwefelsäure um ein Ausmaß von beispielsweise bis zu 300 ym gegen­ über den Faserendabschnitten zurückversetzt. In diesen Freiraum zwischen den freiliegenden Faserendabschnit­ ten und der zurückgesetzten Kunststoffmatrix des Grundkörpers 3 erstreckt sich die galvanisch nieder­ geschlagene Zwischenschicht 9, die infolge der vergrö­ ßerten Haftoberfläche innig mit dem Grundkörper ver­ bunden ist und geeignet ist für die Aufnahme des Bela­ ges aus Körnern 5 und Bindung 7. Sofern als Bindung ein Metall wie Nickel Anwendung findet, kann der Belag galvanisch auf dem Zwischenträger 9 aufgebracht wer­ den. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit nach dem Aufbringen der Zwischenschicht 9 ihre Außen­ seite zu bearbeiten, um anschließend einen Belag aus einem anderen Material aufzukleben oder aufzupressen. In allen Fällen ist der Vorteil gegeben, daß die Haf­ tung zwischen dem Belag und dem Grundkörper 3 aus Kunststoff durch die Zwischenschicht größer ist, als bei einer Verbindung des Belages unmittelbar mit dem Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff.

Dem Schnittbild der Fig. 3, das eine mikroskopische Darstellung in mehrhundertfacher Vergrößerung wieder­ gibt, ist zu entnehmen, daß die einzelnen Fasern in den verschiedenen Gewebematten 11, 13 und 15 jeweils gleichartig, jedoch zueinander unterschiedlich ausge­ richtet sind und daß die Gewebematten durchtränkt sind von Kunststoff 17. Das Zurücksetzen der Kunststoffma­ trix gegenüber den außenliegenden Faserabschnitten 19 erfolgt durch ein Ätzen in dem Ausmaß, daß sich eine Kunststoffaußenseite 21 ausbildet, über der die ein­ zelnen Fasern 19 der verschiedenen Fasermatten frei­ liegend vorstehen. Der sich dabei ergebende zunächst freie Zwischenraum wird ausgefüllt durch einen galva­ nischen Niederschlag der Zwischenschicht 9, die aus Nickel aber auch beispielsweise aus Cobalt oder einem anderen Metall bestehen kann. Das setzt eine elektri­ sche Leitfähigkeit der einzelnen Fasern der Gewebemat­ ten voraus, die vorzugsweise aus Kohle bestehen, das heißt als Kohlefasern ausgebildet sind und dadurch auch hohen mechanischen Beanspruchungen standhalten.

In der Fig. 4 ist eine mikroskopische Darstellung desjenigen Abschnittes der Zwischenschicht gegeben, in welche sich die einzelnen Fasern 19 des Grundkör­ pers 3 erstrecken. Nach einem Ablösen eines kleinen Teiles einer Zwischenschicht vom Grundkörper ist mi­ kroskopisch erkennbar, daß sich röhrenartige Gebilde bzw. Kanäle 23 in der Zwischenschicht 9 ausgebildet haben, die durch Fasern 19 des Grundkörpers 3 gebildet sind.

Claims (15)

1. Schleif- oder Trennwerkzeug mit einem faserver­ stärkten Grundkörper mit einer Kunststoffmatrix und einem Belag aus Diamant oder Bornitridschleifkörnern, die in einer Bindung gehalten sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Belag (5, 7) und dem Grund­ körper (3) eine auf den Grundkörper galvanisch oder stromlos aufgetragene Zwischenschicht (9) aus Metall angeordnet ist, in der nach außen über den Kunststoff vorstehende und in dem Kunststoff verankerte elek­ trisch leitfähige Fasern (19) eingebettet sind.

2. Schleifscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vorstehenden Faserabschnitte (19) durch Zurücksetzen der Kunststoffmatrix des Grundkör­ pers (3) freigelegt sind.

3. Schleifscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Faserabschnitte (19) durch Ätzen der Kunststoffmatrix freigelegt sind.

4. Schleifscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern (19) im Grundkörper (3) defi­ niert angeordnet sind.

5. Schleifscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern (19) in Fasermatten (11, 13, 15), Fasergeweben oder als Einzelfasern unterschied­ lich ausgerichtet angeordnet sind.

6. Schleifscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern (19) Kohlenstoffasern sind.

7. Schleifscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern aus einem elektrisch leitfä­ higen Kunststoff bestehen.

8. Schleifscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bindung (7) der Schleifkörner (5) aus dem Metall der Zwischenschicht (9) besteht.

9. Schleifscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenschicht (9) aus Nickel, Co­ balt oder Kupfer besteht.

10. Schleifscheide nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schleifbelag (5, 7) galvanisch auf der Zwischenschicht (9) aufgebracht ist.

11. Schleifscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schleifbelag (5, 7) auf der Zwi­ schenschicht (9) aufgeklebt oder aufgepreßt ist.

12. Verfahren zum Herstellen von Schleif- oder Trenn­ werkzeugen, die einen faserverstärkten Grundkörper mit einer Kunststoffmatrix und einen Belag aus Diamant- oder Bornitridschleifkörnern aufweisen, welche in ei­ ner Bindung gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffmatrix (17) durch Ätzen zurückversetzt wird und die dadurch freigelegten elektrisch leitfähi­ gen Faserabschnitte (19) in einer galvanisch nieder­ geschlagenen Zwischenschicht (9) eingebettet werden, welche die Fasern (19) überdeckt, und daß anschließend der Schleifkornbelag (5, 7) auf der Zwischenschicht (9) aufgebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schleifbelag (5, 7) galvanisch auf der Zwischenschicht (9) niedergeschlagen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schleifbelag (5, 7) auf der Zwischen­ schicht (9) durch Kleben oder Pressen aufgebracht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kunststoffmatrix (17) durch Atzen mit ei­ ner Säure wie Schwefelsäure zu den außenliegenden Fa­ sern (19) zurückversetzt wird.