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Diese Erfindung betrifft Schleifscheiben
zur Verwendung bei hoher Oberflächen-Betriebsgeschwindigkeit.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine auf herkömmliche
Art aus Schleifsegmenten bestehende Schleifscheibe, die bei hohen
Geschwindigkeiten betrieben werden kann, um eine Schleifleistung
zu erreichen, die an die von Hochleistungsschleifmittel-Schleifscheiben heranreicht.
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Schleifwerkzeuge, insbesondere Schleifscheiben,
weisen eine erhebliche kommerzielle Anwendbarkeit für solche
Vorgänge
wie das Schneiden, Formen und Polieren von industriellen Materialien
auf. Diese Scheiben umfassen im Allgemeinen Schleifkorn, das mittels
eines Bindungsmaterial in einer Scheibenstruktur zusammengehalten
wird. Üblicherweise
nimmt eine Mittelbohrungen durch die Scheibe eine Motor betriebene Welle
auf, die es der Scheibe erlaubt zu rotieren, wobei die Schleifoberfläche in Betriebskontakt
mit dem Werkstück
ist.
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Selbstverständlich ist das Schleifmaterial
ein wichtiger Parameter, der die Leistungsfähigkeit eines Schleifwerkzeugs
bestimmt. Heutzutage kennt der Stand der Technik zumindest zwei
breite Kategorien von industriellen Kornmaterialien, nämlich „Hochleistungsschleifmittel" und „konventionelle
Schleifmittel".
Erstere sind ultra-harte Materialien, welche die härtesten
und daher am schwierigsten zu schneidenden Werkstücke abschleifen
können.
Die bekanntesten Hochleistungsschleifmittel sind Diamant und kubisches
Bornitrid („CBN"). Herkömmliche
Schleifmittel sind Schleifmittel, die nicht so hart sind wie die
Hochleistungsschleifmittel, und daher breiten Einsatz. in einer
Vielzahl von normalerweise weniger anspruchsvollen Schleifanwendungen finden.
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Der Aufbau konventioneller Schleifmittel-Schleifscheiben
hat sich anders entwickelt, als der von Hochleistungsschleifscheiben.
Herkömmliche
Schleifscheiben sind im Allgemeinen durch einen einzelnen Bereich von
in einer Bindung eingebetteten Schleifkorn charakterisiert. Das
heißt,
dass der Schleifbereich sich von der Bohrungen nach außen zu der
Peripherie der Scheibe erstreckt. Im Gegensatz dazu enthalten Hochleistungsschleifscheiben üblicherweise
einen Kern, oftmals aus Metall, der sich von der Bohrungen nach
außen
zu einer Schneidoberfläche
erstreckt. Das Hochleistungsschleifmittel ist am Umfang der Schneidoberfläche befestigt, entweder
als eine einzelne Lage, die an den Metallkern gebunden ist, oder
als ein mehrlagiger, kontinuierlicher oder segmentierter, in einer
Bindung eingebetteter Rand aus Korn, der aber geringe Tiefe aufweist.
Der Rand, egal ob kontinuierlich oder segmentiert, ist an dem Metallkern
befestigt. Der Metallkern stellte häufig den Hauptanteil des durch
die Schleifscheibe eingenommenen festen Volumens dar und macht es
daher unnötig die
Scheibe von der Bohrungen bis zur Peripherie mit Hochleistungsschleifkorn
und Bindung zu füllen.
Im Ergebnis vermindert der Kern die Kosten eines Hochleistungsschleifwerkzeugs
dadurch wesentlich, dass das Schleifkorn nur an der Schneidoberfläche platziert
wird.
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Unter der Voraussetzung, dass alle
Variablen beim Betrieb die Gleichen sind, zeigen Hochleistungsschleifmittel
in einer vorgegebenen Schleifanwendungen üblicherweise bessere Ergebnisse
als konventionelle Schleifmittel. Das heißt, Leistungsparameter wie
die Abtragungsgeschwindigkeit, Lebensdauer, d. h. Werkstück-Abtragungsvolumen
pro entfernter Einheit Schleifmittel, benötigte Kraft um das Werkzeug
in das Werkstück
zu drücken,
und notwendige Arbeit, um ein Werkstück mit vorgegebener Härte zu schneiden,
sind üblicherweise
für Hochleistungsschleifmittel
besser als für
konventionelle Schleifmittel. Somit ist es theoretisch wünschenswert
generell Hochleistungsschleifwerkzeuge einzusetzen. Unglücklicherweise
sind üblicherweise die
Kosten. der Hochleistungsschleifmittel um vielfache Größenordnungen
höher als
die der herkömmlichen Schleifmittel.
Als Folge dessen werden Werkzeuge aus Hochleistungs-Schleifkorn
nur für
solche Arbeiten ausgewählt,
in denen das Material des Werkstücks
schwierig für
herkömmliche
Schleifmittel ist und für
Arbeiten, die eine sehr hohe Leistung erfordern.
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Zusätzlich zu den hohen Kosten
haben Hochleistungsschleifscheiben gewisse andere unerwünschte Eigenschaften.
Wesentlich unter diesen ist, dass die Schleifscheibe aufgrund der
dem Hochleistungsschleifmittel eigenen Ultra-Härte sehr schwierig zu richten
sind. Dies beeinflusst die Herstellung der Schleifscheiben und deren
Verwendung auf mehrere Arten. Beispielsweise muss bei der Schleifscheibenherstellung
das vollständig
zusammengebaute Werkzeug abgerichtet werden, um die Schneidoberfläche präzise innerhalb
der Entwurfstoleranzen zu formen. Im Betrieb muss die Scheibe periodisch
gerichtet werden, um die abgestumpften Schneidoberflächen zu
erneuern. Das Abrichten und das Richten der normalerweise so durchgeführt, das die
Scheibe gegen ein anderes präzise
geformtes Schleifmaterial laufen gelassen wird. Diese Arbeitsgänge sind
langsam und schwer, weil die Härte
des Hochleistungsschleifmittels der des geformten Materials ebenbürtig ist.
Es ist ebenfalls schwierig Hochleistungsschleifwerkzeuge mit kompliziert
konturierten Schneidoberflächen
herzustellen, da Werkzeuge, die zum Abrichten und Richten solcher
konturierter Werkzeuge nötig
wären,
nicht allgemein zur Verfügung
stehen.
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Es ist daher sehr wünschenswert
von einer herkömmlichen
Schleifscheibe eine Schleifleistung zu erhalten, die an die Schleifleistung
einer Hochleistungsschleifscheiben in geeigneten Anwendungen, d.
h. für
das Schneiden eines Werkstücks
innerhalb des Härtebereichs,
in dem herkömmliche
Schleifmittel zum Einsatz kommen, heranreicht. Es wurde entdeckt,
dass solche „nahezu-Hochleistungsschleifmittel-Leistung" durch das Betreiben
herkömmlicher
Schleifscheiben im Ultra-Hochgeschwindigkeitsmodus erreicht werden
kann. Das heißt,
dass die tangentiale Kontaktgeschwindigkeit des konventionellen
Schleifsegmenten bezogen auf das Werkstück zumindest etwa 125 m/s betragen
sollte. Die bei dem Betreiben bei solchen Ultra-Hochgeschwindigkeiten
auftretende Belastung verursacht, dass viele Schleifscheiben, insbesondere
traditionelle, herkömmliche
Schleifscheiben, reißen
und zerfallen. Somit es wichtig, dass die herkömmlichen Schleifscheiben, die
gemäß der vorliegenden
Erfindung betrieben werden, derart hergestellt werden, dass sie
minimale Kern-Festigkeits-Parameter und Rand-Festigkeits-Parameter,
wie sie nachfolgend im Detail beschrieben werden, aufweisen.
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Dementsprechend wird nun durch die
vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Schleifen eines harten Materials
bereitgestellt, umfassend:
Bereitstellen eines Schleifwerkzeugs,
dass im Wesentlichen aus
einem Kern mit einem Kern-Festigkeits-Parameter
von mindestens 60 MPa-cm3/g, einem an dem Umfang des Kerns angebrachten
Schleifsegmenten, wobei das Schleifsegment konventionelle, in einer
Bindung eingelassene Schleifkörner
umfasst, und wobei das Schleifsegment einen Rand-Festigkeits-Parameter von mindestens
10 MPa-cm3/g hat, und
einem Zement
zwischen dem Schleifsegmenten und dem Kern,
Bewegen des Schleifsegments
mit einer tangentialen Kontaktgeschwindigkeit von mindestens 125
m/s im Kontakt mit dem Werkstück.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum
Herstellen eines Schleifwerkzeugs, dass ein Schleifsegment, umfassend
ein konventionelles Schleifmittel und eine glasartige Bindung, aufweist,
bereitgestellt, in dem das Schleifwerkzeug so angepasst ist, um
ein Werkstück
mit einer tangentialen Kontaktgeschwindigkeit von mindestens 125
m/s zu bearbeiten.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer segmentierten Schleifscheibe
gemäß dieser
Erfindung.
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Dieser Erfindung schließt grundlegend
die Entdeckung ein, dass Schleifwerkzeuge mit konventionellem Schleifkorn
die Schleifleistung von Hochleistungsschleifmittel tragenden Werkzeugen
erreichen kann, wenn sie bei ultra-hohen tangentialen Kontaktgeschwindigkeiten
betrieben werden. Der Begriff "tangentiale Kontaktgeschwindigkeit" beschreibt das relative
Ausmaß der
Bewegung zwischen dem Schleifwerkzeug und dem Werkstück in tangentialer
Richtung zu dem Schleifvorgang. Beispielsweise würde die tangentiale Kontaktgeschwindigkeit
eines kontinuierlichen Schleifbandsägeblatts, das einen stationären Block
eines Werkstücks schneidet,
die lineare Geschwindigkeit des Blattes in die Richtung des Schnitts
sein. In ähnlicher
Weise würde die
tangentiale Kontaktgeschwindigkeit eines Schwingsägenblatts,
das in einem ruhenden Block schneidet, die lineare Geschwindigkeit
des Blattes in die Richtung der Schwingbewegung sein, wobei bemerkt
wird, dass die Geschwindigkeit des Blattes notwendigerweise am Ende
jeden Streichs auf Null abbremst und sofort wieder beschleunigt,
sobald das Blatt die Richtung umgekehrt. Für eine Schleifscheibe ist die
tangentiale Kontaktgeschwindigkeit die lineare Geschwindigkeit der
Schneidoberfläche,
die sich üblicherweise
an der Peripherie der rotierenden Scheibe befindet. Die tangentiale
Kontaktgeschwindigkeit berücksichtigt
die Bewegung des Werkstückes
relativ zu dem Schneidblatt. Somit trägt die longitudinale Zuführbewegung
der Oberfläche
eines Werkstücks
an einer feststehenden, rotierenden Schleifscheibe vorbei zu der
tangentialen Kontaktgeschwindigkeit bei. Allerdings ist der Beitrag
der Werkzeuggeschwindigkeit der bei ultra-hohen Kontaktsgeschwindigkeiten betriebenen
Schleifwerkzeugen gemäß der vorliegenden
Erfindung im Allgemeinen unverhältnismäßig hoch im
Vergleich mit dem Anteil der longitudinalen Bewegung. Normalerweise
kann die longitudinale Bewegung vernachlässigt werden. Das heißt, dass
die tangentiale Kontaktgeschwindigkeit einer mit ultra-hohen Rotationsgeschwindigkeiten
betriebenen Schleifscheibe in den meisten praktischen Situationen
im Ergebnis gleich der rotationsbedingten Oberflächengeschwindigkeit der schneidenden
Scheibe ist. Beispielsweise beträgt
die tangentiale Kontaktgeschwindigkeit einer Scheibe mit 30 cm Durchmesser,
die mit etwa 9550 U/min rotiert, 150 m/s. Die longitudinale Zuführbewegung
eines Werkstücks
an dieser Scheibe vorbei beträgt üblicherweise
weniger als 1 m/s.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine verbesserte Schleifleistung für konventionelle Schleifmittel
bei einer tangentialen Kontaktgeschwindigkeit von über etwa
125 m/s erhalten. Bezüglich
der Schleifleistung ist die obere Geschwindigkeitsgrenze nicht wesentlich.
Allgemein gilt, je höher
die Geschwindigkeit, um so besser die erhaltene Schleifleistung.
Allerdings werden praktische Erwägungen,
wie Berst-Kraft des Werkzeugs und exzessive Wärmeentwicklung, mit zunehmender
Geschwindigkeit wesentlich. Auf Basis der durch die derzeit zur
Verfügung
stehenden Konstruktionsmaterialien gesetzten Grenzen, sollte die
tangentiale Kontaktgeschwindigkeit vorzugsweise in dem Bereich von
etwa 150–200
m/s liegen.
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Die neue Methode kann zusätzlich zu
den bereits erwähnten
Werkzeugtypen auf alle Arten von Schleifwerkzeugen, wie Bohrer und
rotierenden Sägeblätter, angewandt
werden. Handbetrieb kann im Allgemeinen nicht die ultra-hohe tangentiale
Kontaktgeschwindigkeit, welche die verbesserte Schleifleistung erzeugt,
aufrechterhalten. Für
die meisten praktischen Anwendungen sollte das Werkzeugs und/oder
das Werkstück
motorbetrieben sein und sollten demgemäß strukturell stark genug sein,
um der Belastung einer automatisierten Bearbeitung zu widerstehen.
Somit wird in Erwägung
gezogen, dass bevorzugte Werkzeuge zur Ausführung dieser Erfindung ein
Schleifsegment aufweisen sollten, das durch einen verstärkten Kern
gestützt wird.
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Das Werkzeug sollte stark, haltbar
und dimensionsstabil sein, um den potentiell zerstörerischen
Kräften,
die bei der Bearbeitung bei hoher Geschwindigkeit auftreten, zu
widerstehen. Der Kern sollte einen hohen Kern-Festigkeits-Parameter
aufweisen, was besonders wichtig für Schleifscheiben ist, die
bei sehr hoher Winkelgeschwindigkeit betrieben werden, um eine tangentiale
Kontaktgeschwindigkeit von mehr als 125 m/s zu erreichen. Der bevorzugte
minimale Kern-Festigkeits-Parameter für den in dieser Erfindung verwendeten
Kern sollte etwa 60 MPa-cm3/g betragen.
Der Kern-Festigkeits-Parameter ist definiert als das Verhältnis aus
Zugfestigkeit des Kernmaterials geteilt durch die Dichte des Kernmaterials.
Die Zugfestigkeit eines Materials ist die kleinste unter Zug einwirkende
Kraft, bei der die Dehnung ohne weitere Zunahme der Kraft zunimmt.
Beispielsweise hat ANSI 4140 Stahl, der über etwa 240 (Brinell Skala)
gehärtete
wurde, eine Zugfestigkeit von mehr als 700 MPa. Die Dichte dieses
Stahls ist etwa 7,8 g/cm3 somit ist der
Kern-Festigkeits-Parameter größer als
etwa 90 MPa-cm3/g. Auf ähnliche Weise haben bestimmte
Aluminiumlegierungen, beispielsweise Al 2024, Al 7075 und Al 7178,
die auf Brinell-Härten
von über
etwa 100 hitzebehandelbar sind, Zugfestigkeit in von mehr als 300 MPa.
Solche Aluminiumlegierungen haben niedrige Dichten von etwa 2,7
g/cm3 und weisen daher einen Kern-Festigkeits-Parameter von mehr
als 110 MPa-cm3/g auf. Titanlegierungen
sind ebenfalls zur Verwendung geeignet.
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Das Kernmaterial sollte bei in der
Schleifzone erreichten Temperaturen duktil und thermisch stabil,
gegenüber
chemischen Reaktionen mit beim Schleifen verwendeten Kühl- und
Schmiermitteln resistent und gegenüber Abnutzung durch Erosion
aufgrund von Bewegung von Schneidabrieb in der Schleifzone resistent sein.
Obwohl einige Aluminiumoxide und andere Keramiken mehr als 60 MPa-cm3/g ergeben, sind sie im Allgemeinen spröde und versagen
als Kern beim Schleifen bei hoher Geschwindigkeit strukturell durch
Brechen. Somit werden Keramiken nicht als Kern für einen Hochgeschwindigkeits-Schleifwerkzeug
empfohlen. Metall, insbesondere gehärtetes, und Stahl mit Werkzeugqualität ist bevorzugt.
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Vorzugsweise ist das Schleifsegment
der Schleifscheibe zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
ein segmentierter oder kontinuierlicher Rand, der auf einem Kern
angebracht ist. Ein segmentierter Schleifrand ist in 1 gezeigt. Der Kern 2 hat
eine Mittelbohrung 3, um die Scheibe auf einer Welle eines Motorantriebs
(nicht gezeigt) anzubringen. Der Schleifrand der Scheibe umfasst
konventionelle Schleifkörner 4 ,
die mit einheitlicher Konzentration in eine Matrix einer Bindung 6 eingebunden
sind. Eine Mehrzahl an Schleifsegmenten 8 ergeben den Schleifrand.
Obwohl die dargestellte Ausführungsform
zehn Segmente zeigt, ist die Anzahl der Segmente nicht entscheidend.
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Allgemein beschrieben weist ein individuelles
Schleifsegment eine abgeschnittene, rechteckige Ringform auf, die
durch eine Länge,
l, eine Breite, w, und eine Tiefe, d, charakterisiert ist. Die Scheibe
kann hergestellt werden, indem zuerst individuelle Segmente mit
vorab ausgewählter
Abmessung geformt werden und dann die vorgeformten Segmente mit
einem geeigneten Kleber an den Umfang 9 des Kernes angebracht
werden. Ein anderes bevorzugtes Herstellungsverfahren schließt das Formen
von Segmentvorläufereinheiten
aus einer Mischung aus Schleifkorn und Bindungs-Zusammensetzung
um den Kern herum und das Anwenden von Hitze und Druck, um so die
Segmente in situ zu bilden und anzubringen, ein.
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Die in 1 gezeigten
Ausführungsform
einer Schleifscheibe wird als repräsentativ für Schleifscheiben angesehen,
die erfolgreich gemäß der vorliegenden
Erfindung betrieben werden können,
und sollte nicht als einschränkend
angesehen werden. Die zahlreichen geometrischen Variationen für segmentierte
Schleifscheiben, die als geeignet angesehen werden, umfassen topfförmige Scheiben,
Scheiben mit Öffnungen
durch den Kern und/oder zwischen aufeinanderfolgenden Segmenten
und Scheiben mit Schleifsegmenten, die eine andere Breite aufweisen
als der Kern. Öffnungen
werden manchmal verwendet, um Wege bereitzustellen, über die
Kühlmittel
zur Schleifzone geführt
werden kann und Schneidabrieb von dieser Zone wegzuführen. Ein
breiteres Segment als die Kernbreite wird gelegentlich verwendet,
um die Kernstruktur gegenüber
Erosion aufgrund von Kontakt mit Schleifstaubmaterial beim radialen
Eindringen der Scheibe in das Werkstück zu schützen.
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Eine grundlegende, definierende Eigenschaft
jedes Schleifmittels ist, dass das Material des Schleifmittels härter ist
als das Material, das geschliffen wird. Unter Berücksichtigung
dieser Einschränkung
kann das konventionelle Schleifmittel dieser Erfindung jedes Schleifmittel
sein, außer
einem Hochleistungsschleifmittel, wie es im Bereich der Schleiftechnik
verstanden wird. Demgemäß kann das
konventionelle Schleifmittel in Abhängigkeit der Härte des
Werkstücks
in irgendeiner bestimmten Schleifanwendungen eine äußerst breite
Vielfalt an Materialien einschließen. Das konventionelle Schleifmittel
dieser Erfindung kann somit mäßig harte, üblicherweise
anorganische Mineralzusammensetzungen wie Korund, Schmirgel, Flint,
Granat, Bimsstein, Aluminiumoxid und Siliziumoxid einschließen und
kann sogar sehr harte Metallegierungen wie Carbide des Wolframs,
Silizium und Molybdäns
umfassen sowie verschiedene Mischungen von mehr als einem dieser
Materialien, um nur einige Beispiele zu nennen. Bevorzugte konventionelle
Schleifmittel schließen
Aluminiumoxid (z. B. Schmelz- oder gesintertes Aluminiumoxid, einschließlich beimpftes
und unbeimpftes Sol-Gel-Aluminiumoxid), Siliziumdioxid, Eisenoxid,
Molybdänoxid,
Vanadiumoxid, Wolframcarbid, Siliziumcarbid, und Mischungen aus
einigen oder allen der Vorgenannten.
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Sol-Gel-Aluminiumoxid ist ein bevorzugtes
konventionelles Schleifkorn zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung. „Sol-Gel-Aluminiumoxid" bedeutet gesintertes
Sol-Gel-Aiuminiumoxid,
in dem die alpha-Aluminiumoxid-Kristalle eine im Wesentlichen einheitliche
Größe aufweisen,
die im Allgemeinen einen Durchmesser von weniger als etwa 10 μm, vorzugsweise
weniger als 5 μm,
und insbesondere bevorzugt weniger als 1 μm. Das hier geeignete Sol-Gel-Aluminiumoxid
kann durch ein Verfahren mit Beimpfung oder ein Verfahren ohne Beimpfung
hergestellt werden.
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Sol-Gel-Schleifmittel werden herkömmlicherweise
hergestellt durch Trocknen eines Sols oder eines Gels eines alpha-Aluminiumoxid-Vorläufermaterial,
das üblicherweise,
aber nicht notwendigerweise Boehmit ist; Formen des getrockneten
Gels in Partikel mit der gewünschten
Größe und Form;
dann Brennen der Stücke bei
einer Temperatur, die ausreicht, um sie in die alpha-Aluminiumoxidform
umzuwandeln. Das Aluminiumoxid-Gel kann so gesintert werden, dass
die Porosität
eingestellt wird, und die Partikel können weiter gebrochen und gesiebt
und nach der Größe sortiert
werden, um polykristalline Körner
aus alpha-Aluminiumoxid-Mikrokristallen
zu bilden. Einfache Sol-Gel-Verfahren zur Herstellung von Körnern, die
geeignet sind in der vorliegenden Erfindung verwendet zu werden,
sind beispielsweise in den US-Patenten mit den Nummern 4,314,827, 4,518,397
und 5,132,789 und in der britischen Patentanmeldung Nr. 2,099,012
beschrieben.
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In einer Ausgestaltung eines Sol-Gel-Verfahrens
wird der Aluminiumoxid-Vorläufer
mit einem Material „beimpft", das die gleiche
Kristallstruktur und möglichst ähnliche
Kristallgitter-Parameter wie Aluminiumoxid selbst hat. Die Menge
an Impfmaterial sollte nicht mehr als 10 Gew.-% des hydratisierten
Aluminiumoxids betragen, und normalerweise wird durch Mengen von
mehr als 5 Gew.-% kein Vorteil erreicht. Wenn das Impfmaterial ausreichend
fein ist (eine Oberfläche
von mehr als etwa 60 m2 per Gramm oder mehr),
können
vorzugsweise Mengen zwischen von etwa 0,5 bis 10 Gew.-%, insbesondere
zwischen 1 bis 5 Gew.-%, verwendet werden. Das Impfmaterial kann
auch in der Form eines Vorläufermaterials,
das sich bei einer Temperatur unterhalb der Bildungstemperatur von
alpha-Aluminiumoxid in die aktive Impfform umwandelt. Die Funktion
des Impfmaterials besteht darin, die Umwandlung in die alpha-Form
einheitlich im gesamten Vorläufer
bei einer wesentlich geringeren Temperatur ablaufen zu lassen, als
der Temperatur, die benötigt
wird, wenn kein Impfmaterial anwesend ist. Dieses Verfahren erzeugt
eine mikrokristalline Form, in der die einzelnen alpha-Aluminiumoxidkristalle
sehr einheitliche Form und vorzugsweise alle einen Durchmesser im
Submikronbereich aufweisen. Geeignete Impfmaterialien schließen alpha-Aluminiumoxid
selber, aber auch andere Verbindungen wie alpha-Eisen(III)oxid,
Chromsuboxid, Nickeltitanat und eine Vielzahl anderer Verbindungen
ein, die ausreichend ähnliche
Gitterparameter zu denen des Aluminiumoxids aufweisen, um die Erzeugung
von alpha-Aluminiumoxid aus einem Vorläufer bei Temperaturen erzeugen
zu können,
die unterhalb der Temperaturen liegen, bei der die Umwandlung normalerweise
ohne eines solchen Impfmaterials stattfindet.
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Beispiele für Sol-Gel-Verfahren zur Herstellung
von Schleifkorn, das zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
geeignet ist, schließen
die in
US 4,623,364 ,
4,744,802 ,
4,788,167 ,
4,881,971 ,
4,954,462 ,
4,964,883 ,
5,192,339 ,
5,215,551 ,
5,219,806 und
5,453,104 beschriebenen Verfahren
ein, ohne darauf beschränkt
zu sein.
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Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkörner können von
vielfältiger
Form sein, beispielsweise blockige oder faserartige Körner. Faserartige
Körner,
die hier gelegentlich als langgezogenen oder als „TG" beschrieben werden,
haben ein hohes Aspektverhältnis,
dass als der Quotient aus einer charakteristischen langen Abmessung geteilt
durch eine wahrnehmbar kleinere, charakteristische kurze Abmessung.
Das Aspektverhältnis
von faserartigen, beimpften Sol-Gel-Aluminiumoxid-Partikeln
in der Mischung beträgt
zumindest etwa 3 : 1 und vorzugsweise zumindest etwa 4 : 1. Solche
faserartigen beimpften Sol-Gel-Aluminiumoxidkörner sind in den US-Patenten
Nr. 5,194,072 und 5,201,916 offenbart. Blockige Sol-Gel-Aluminiumoxidkörner, die
hier gelegentlich „SG"-Material bezeichnet
werden, sind im Allgemeinen von körnigem Aussehen und haben ein
Aspektverhältnis
von etwa 1 : 1. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines Schleifkorns,
dass eine Mischungen aus blockigen und faserartigen Sol-Gel-Aluminiumoxidkörnern umfasst.
In dieser binären
Mischungen sind vorzugsweise etwa 40–60 Gew.-% der Partikel Langgezogen
und eine ergänzende
Menge blockig, und besonders bevorzugt liegen langgezogene und blockige
Partikel in etwa gleichen Gewichtsanteilen vor.
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Über
viele Modifikationen von gesintertem Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkorn
wurde berichtet. Alle polykristallinen Schleifkörner innerhalb dieser Klasse
sind dadurch definiert, dass das Korn zumindest 60% alpha-Aluminiumkristalle
mit einer Dichte von mindestens etwa 95% der theoretischen Dichte,
eine Kristallgröße von weniger
als etwa 10 μm,
und vorzugsweise einheitliche mikrokristalline Kristalle von weniger
als 1 μm
oder einheitliche Kristalle von etwa 1 bis 5 μm, umfassen und eine Vickers-Härte von
mehr als 16 Gpa, vorzugsweise 18 Gpa, bei 500 Gramm aufweisen, sind
geeignet zur Verwendung in dieser Erfindung.
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Bei der Herstellung von Sol-Gel-Aluminiumoxidkorn
ohne Beimpfung werden häufig
Modifikatoren eingesetzt, um die Kristallgröße und andere Materialeigenschaften
zu beeinflussen. Typische Modifikatoren können bis zu 15 Gew.-% Spinell,
Mullit, Mangandioxid, Titanoxid, Magnesiumoxid, Metalloxide der
Seltenerden, Zirkoniumdioxid oder Zirkoniumdioxid-Vorläufer (die
in größeren Mengen,
beispielsweise etwa 40 Gew.-% oder mehr, zugegeben werden können) enthalten.
Der Modifikator ist in dem ursprünglichen
Sol enthalten, wie in den oben genannten US-Patenten Nr. 4,314,827,
5,192,339 und 5,215,551 beschrieben. Weitere Modifikationen beinhalten
den Einschluss verschiedener Mengen von Modifikatoren, beispielsweise
Yttriumoxid, Oxiden der Seltenerdmetalle sowie Lanthan, Praseodymium,
Neodynium, Samarium, Gadolinium, Erbium, Ytterbium, Dysprosium und
Cer, Übergangsmetalloxide
und Lithiumoxide, wie in den US-Patenten Nr. 5,527,369 und 5,593,468
beschrieben. Diese Modifikatoren sind oft enthalten, um solche Eigenschaften
wie Bruchzähigkeit, Härte, Zerreibbarkeit,
Bruchmechanik oder Trockenverhalten zu beeinflussen.
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In einem anderen Aspekt dieser Erfindung
wird es in Erwägung
gezogen, eine Kombination aus Schleifmaterialien zu verwenden, die
eine Komponente aus konventionellem Schleifmittel und eine Komponente
aus Hochleistungsschleifmittel umfasst. Die Verbesserung der Schleifkapazität durch
das Schleifen bei ultra-hoher Geschwindigkeit ist von solch einer
Größenordnung,
dass ein wesentlicher Anteil an Hochleistungsschleifkorn durch konventionelles
Schleifmittel ohne Verlust an Leistungsfähigkeit ersetzt werden kann. Die
vorliegende Erfindung stellt somit eine Technik zum Erhalt eines
Schleifsegments bereit, dass einen geringeren Anteil (<50%) Hochleistungsschleifmittel
aufweist, die Schleifrate und die Lebensdauer des Werkzeugs nahe
denen sind, die von Werkzeugen mit 100% Hochleistungsschleifmittel
erwartet werden. Vorzugsweise stellt die Komponente aus konventionellem
Schleifmittel einen größeren Anteil
(>50%) des gesamten
Schleifmittels in dem Schleifsegment dar, vorzugsweise zumindest
etwa 80% des gesamten Schleifmittels. Das konventionelle Schleifmittel
und die Komponente aus Hochleistungsschleifmittel können innerhalb
des Schleifsegments einheitlich vermischt werden. Sie können auch
in unterschiedliche Bereiche des Schleifsegments getrennt werden,
oder Kombinationen aus gemischten und getrennten Bereichen können in
einem einzigen Werkzeug vereinigt werden.
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Das Schleifsegment sollte so konstruiert
werden, um strukturelle Integrität
bereitzustellen, die Bruch oder Zerfall beim Betrieb des Werkzeugs
bei ultra-hoher tangentialer Kontaktgeschwindigkeit, d. h. oberhalb 125
m/s, widerstehen kann. Dementsprechend sollte das Schleifsegment
einen minimalen Rand-Festigkeits-Parameter aufweisen, der definiert
ist als die Zugfestigkeit geteilt durch die Dichte des konventionellen Schleifmittels.
Angesichts der Tatsache, dass, bezogen auf das Zentrum der Scheibe,
die Belastungen, die auf ein Schleifsegment einer Schleifscheibe
an der Peripherie auftreten, reduziert sind, kann der minimale Rand-Festigkeits-Parameter
des Schleifsegments zur Verwendung gemäß dieser Erfindung kleiner
sein als der Kern-Festigkeits Parameter des Kerns. Der Rand-Festigkeits-Parameter sollte
zumindest 10 MPa-cm3/g betragen.
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Die Zusammensetzung für das Bindungsmaterial
kann jede der allgemeinen Typen sein, die in der Technik verwendet
werden. Beispielsweise können
wirksam Glas- oder glasartige Bindungen, Kunstharz- oder Metallbindungen
sowie Hybrid-Bindungsmaterialien wie metallgefüllte Kunstharzbindungsmaterialien
und mit Kunstharz imprägnierte,
glasartige Bindungen verwendet werden. Eine glasartige Bindung ist
bevorzugt.
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Kunstharzbindungen können ebenfalls
verwendet werden, selbstverständlich
vorausgesetzt, dass die Bindungen eine ausreichende Festigkeit und
Hitzebeständigkeit
aufweist. Jedes der wohlbekannten, vernetzten Polymere wie Phenol-Aldehyd,
Melamin-Aldehyd, Harnstoff-Aldehyd,
Polyester, Polyimid und Epoxy-Polymere können eingesetzt werden. Die
Kunstharzbindung kann Füllstoffe
wie Kryolith, Eisensulfid, Calciumfluorid, Zinkfluorid, Ammoniumchlorid,
Copolymere von Vinylchlorid und Vinylidenchlorid, Polytetraflourethylen, Kaliumfluoroborat,
Kaliumsulfat, Zinkchlorid, Kyanit, Mullit, Graphit, Molybdänsulfid
und deren Gemische.
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Jede der wohlbekannten glasartigen
Bindungen kann verwendet werden. Für konventionelle Schleifscheiben,
die Sol-Gel-Aluminiumoxidkorn enthalten, wurde herausgefunden dass
es wichtig ist, glasartige Bindungen zu verwenden, die bei relativ
geringen Temperaturen gebrannt werden können. Im Zusammenhang mit dem
Brennen von glasartigen Bindungen meint Tief-Temperatur-Brennen
nicht mehr als etwa 1100°C.
Die Brenntemperaturen betragen vorzugsweise weniger als 1000°C. Glasartige
Bindungen umfassen im Allgemeinen Schmelz-Metalloxide, so wie Oxide
von Silizium, Aluminium, Eisen, Titan, Calcium, Magnesium, Natrium, Kalium,
Lithium, Bor, Mangan und Phosphor, und schließen üblicherweise Mischungen der
Oxide dieser Metalle ein. Repräsentative
Metalloxide, die in glasartigen Bindungen eingesetzt werden, sind
SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, CaO, MgO, Na2O,
K2O, Li2O, B2O3, MnO2 und
P2O5. Die glasartige
Bindung kann durch den Einsatz der Metalloxid-Komponenten in feiner,
partikulärer
Form bewirkt werden. Wenn eine Vielzahl Metalloxide enthalten sind,
sollten die Partikel bis zur Einheitlichkeit gemischt werden. Ein
Vorteil kann sich durch das Herstellen der Fritte aus den rohen
Komponenten der Zusammensetzung der glasartigen Bindung, dem Mahlen
der Fritte in ein Pulver und Verwendung der Fritte zur Bindung des
Schleifkorns ergeben. Eine Fritte kann durch Vorbrennen der rohen
Vorläufer
der Metalloxid-Komponenten der Zusammensetzung bei einer Temperatur
und für
eine Zeitdauer, die ausreichend ist, um ein homogenes Glas zu bilden,
erhalten werden. Temperaturen im Bereich von etwa 1100°C–1800°C sind typisch.
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Das Schleifsegment der Scheibe kann
durch Mischen der feinen Partikel des Schleifmittels und der Komponenten
der Zusammensetzung der Bindung, um eine trockene Mischungen zu
bilden, geformt werden. Das Mischen wird fortgesetzt, bis eine einheitliche
Konzentration an Schleifmittel und Bindung erreicht ist. Als Alternative
kann eine nassen Mischung unter Einschluss eines optionalen, flüchtigen,
flüssigen
Bindemittels zusammen mit den trockenen Partikeln gebildet werden.
Der Begriff „flüchtig" bedeutet, dass das
flüssige
Bindemittel die Mischung verlässt,
wenn die Bindungen, wie nachfolgend erklärt, durch Härten gebildet wird. Das Bindemittel
ist typischerweise eine mittel bis hoch-siedende, organische Flüssigkeit,
die zur Mischungen mit den Komponenten aus trockenen Partikeln unter
Bildung einer viskosen Paste befähigt
ist. Die Flüssigkeit
erleichtert die Herstellung einer einheitlichen Bindung und Schleifnetzwerks
und hilft weiterhin, die Bindung und die Schleifzusammensetzung
während
des Segmentbildungsverfahrens zu verteilen. Beispiele für flüchtige, flüssige Bindemittelmaterialien,
die geeignet zur Verwendung in dieser Erfindung sind, schließen Wasser,
tierischen Leim, aliphatische Alkohole, Glykole, oligomere Glykole,
Ether und Ester von solchen Glykolen und oligomeren Glykolen und
wachsartige oder hochmolekulargewichtige Erdölfraktionen, wie Mineralöl und Pertrolat,
ein.
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Repräsentative Alkohole schließen Isopropanol
und n-Butanol ein. Repräsentative
Glykole und oligomere Glykole schließen Ethylenglykol, Propylenglykol,
1,4-Butandiol, Diethylenglykol und Diethylenglykolmonobutylether
ein.
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Porositätsbildner und andere Additive
können
optional zu der Schleifmittelsegmentmischung zugegeben werden. Repräsentative
Porositätsbildner
und andere Additive schließen
hohle keramische Kügelchen
(z. B. blasenförmiges
Aluminiumoxid) und Partikel aus Graphit, Silber, Nickel, Kupfer,
Kaliumsulfat, Kryolit, Kyanit, hohle Glaskügelchen, gemahlene Walnußschalen,
Kügelchen
aus Plastikmaterial oder organischen Verbindungen (z. B. Polytetrafluorethylen)
und geschäumte
Glaspartikel. Porositätsbildner
sind besonders nützlich in Zusammensetzungen
für glasartige
Bindungen und etwa 30–60
Vol.-% an Porositätsbildner
ist bevorzugt. Ein bevorzugtes Schleifsegment mit glasartige Bindung
hat die Zusammensetzung aus etwa 26 Vol.-% blockigen Sol-Gel-Aluminiumoxidpartikeln,
etwa 26 Vol.-% langgezogenen Sol-Gel-Aluminiumoxid-Filamentpartikeln, etwa
10–13
Vol.-% einer Mischung aus Schmelz-Metalloxiden und einer wirksamen
Menge von Porositätsbildnern,
um etwa 35–38
Vol.-% Porosität
zu ergeben. Eine poröse
Struktur mit offenen Zellen ist bevorzugt.
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Die Mischung kann bei niedriger Temperatur
und hohem Druck in einer vorausgewählten Form kalt-kompaktiert
werden, um einen „grünen" Segmentvorläufer zu
bilden. Der Begriff „grün" meint hier, dass
die Materialien eine Festigkeit haben, um die Form während der
nächsten,
folgenden Verfahrenszwischenschritten beizubehalten, aber keine
ausreichende Festigkeit aufweisen, um die Form permanent beizubehalten.
Die grünen
Vorläufer
können
auf einer Vielzahl von Wegen gehärtet
werden, um die volle Festigkeit und endgültige Form zu erhalten. Das
Härtungsverfahren
und dessen Betriebsbedingungen hängen
von der Art des verwendeten Bindungsmaterials ab. Beispielsweise
können
Kunstharzbindungen durch chemische Reaktionen in der Gegenwart chemischer
Katalysatoren, zusätzlicher
Reaktanden, Strahlung und Ähnlichem
gehärtete
werden. Glasartig und metallisch gebundene Segmente werden oft durch
Brennen bei erhöhter
Temperatur und der Kompression des Vorläufers gebildet. Die Komponenten
der Zusammensetzung der glasartigen Bindungen oder Metallbindungen
schmelzen bei hohen Temperaturen und werden dann abgekühlt, um
die Schleifpartikel in einer starken, starren, einheitlichen Matrix
zu umklammern.
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Nachdem die Schleifsegmente hergestellt
wurden, können
sie durch verschiedene bekannte Verfahren wie Hartlöten, Laserschweißen, mechanische
Befestigung oder Kleben mit einem Kleber oder einem Zement an den
Kern angebracht werden. Besonderer Vorzug wird dem Zementieren der
Schleifsegmente an den Kern eingeräumt. Natürlich sollte der Kleber sehr
stark sein, um der destruktiven Kraft, die wahrscheinlich während des
Betriebs auftritt, insbesondere in Drehwerkzeugen wie Schleifscheiben,
standzuhalten. Zweikomponenten-Epoxidharz-
und „Härter"-Zement ist bevorzugt.
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Dieser Erfindung wird nun anhand
von Beispielen von bestimmten repräsentativen Ausführungsformen
der Erfindung erläutert,
wobei alle Anteile, Proportionen und Prozentangaben Gewichtsangaben
sind, sofern nicht anders angezeigt. Alle Gewichtseinheiten und
Maße die
nicht ursprünglich
in SI-Einheiten erhalten wurden, wurden in SI-Einheiten konvertiert.
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Beispiel 1
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Eine 1693 Gramm Schleifkornmischung
aus 50% SG-Korn und 50% TG-Korn, jedes mit einer Korngröße von 125 μm (US Nr.
120 Sieb), die von der Norton Company, Worcester, MA erhalten wurden,
wurden in einem motorbetriebenen Mischer für 5–10 Minuten mit 2 10 Gramm
einer Mischung aus Komponenten einer glasartigen Bindungen gemischt.
Die Bindung ist in US-A-5,401,284 beschrieben und sie enthält einen
Hauptanteil aus SiO2 und einen kleineren
Anteil aus jeweils Al2O3,
K2O, Na2O, Li2O und B2O3. Tierischer Kleber und Wasser in einer
Menge von 48 Gramm waren in der Zusammensetzung enthalten, um eine
benetzte Pulvermischung mit einheitlicher Konzentration zu ergeben.
Die Mischung wurde in Formen gegeben, um gekrümmte Segmente des in 1 gezeigten Typs zu ergeben.
Die Abmessungen der Segmente waren 25 Millimeter Länge, 10
mm Breite und 10 mm Tiefe. Die Formen wurden bei 7–14 MPa
für etwa
20–30
Sekunden kaltgepresst, um „grüne" Segmentvorläufer herzustellen.
Die Vorläufer
wurden in einem Heißluftofen
bei 1000°C
für 8 Stunden
gebrannt, um die fertiggestellten Segmente zu erhalten. Nach dem
Brennen war die Krümmung
der Segmente wohldefiniert und es wurde keine Absenkung festgestellt.
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25 Segmente wurden um den vollständigen Umfang
von jeweils drei zirkulären,
Hochfestigkeits-Schleifscheibenkernen aus niederlegierendem Stahl
mit einem Durchmesser von 38,0 cm, um Schleifscheiben mit einem
nominalen Durchmesser von 40 cm zu ergeben. Die Mittelbohrung dieser
Schleifscheiben betrug 12,7 cm. Der Rand des Stahlkerns wurde sandgestrahlt
um einen Rauhigkeitsgrad vor der Anbringung der Segmente zu erhalten.
Technodyne® HT-18
(Taoka Chemicals, Japan) Epoxidharz und sein modifizierter Amin-Härter wurden durch Mischen per
Hand in einem Verhältnis
von 100 Teilen Harz zu 19 Teilen Härter zubereitet. Ein Füllmittel
aus fein gepulvertem Siliziumoxid wurde in einem Verhältnis von
3,5 Teilen pro 100 Teilen Harz zugegeben, um die Viskosität zu erhöhen. Der
verdickte Epoxid-Zement wurde dann auf die Enden und Böden der
Segmente aufgebracht, die im Wesentlichen wie in 1 gezeigt auf dem Kern positioniert wurden.
Das Aufrauhen des Kerns verbesserte die wirksame Phasengrenzfläche für die Haftung
des Epoxids. Der Epoxid-Zement wurde für 24 Stunden bei Raumtemperatur
und nachfolgend für
48 Stunden bei 60°C
Härten gelassen.
Da die Viskosität
erhöht
wurde, war der Ablauf des Epoxids während des Härtens minimiert.
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Berst-Geschwindigkeits-Tests wurden
durch Spin-Tests bei Beschleunigungen von 45 U/min pro s durchgeführt. Obwohl
die Tiefe des Schleifsegments etwa 2–3 mal so groß war wie
bei einem typischen Hochleistungsschleifrad, zeigten die Test-Schleifscheiben
eine Berst-Bewertung äquivalent
zu 271, 275 und 280 m/s tangentialer Kontaktgeschwindigkeit. Somit
würde sich
die Test-Schleifscheibe für
den Betrieb bei jeweils 200 m/s und 180 m/s tangentialer Kontaktgeschwindigkeit
unter zur Zeit anzuwendenden Sicherheitsstandards in Europa und
den Vereinigten Staaten eignen.
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Beispiel 2
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Drei Schleifscheiben wurden wie in
Beispiel 1 hergestellt, außer
dass der Kern an Stelle von Stahl aus ANSI 7178 Aluminiumlegierung
war. Die Berst-Geschwindigkeiten betrugen 306, 311 und 311 m/s.
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Beispiel 3
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Eine Schleifscheibe wurde wie in
Beispiel 2 hergestellt, außer
dass Redux® 420
Epoxid und Härter (Ciba-Geigy
Polymer Division, Frankreich) verwendet wurde. Der Kleber wurde
für 4 h
bei 60°C
gehärtet.
Die Berst-Geschwindigkeit betrug 346 m/s.
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Beispiel 4
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Eine Schleifscheibe wurde wie in
Beispiel 1 hergestellt, außer
dass die Tiefe der Schleifsegmente auf 25 mm erhöht wurde. Die Geschwindigkeit
beim Bersten wurde im Bereich von 246–264 m/s gemessen, was eine
Eignung zum Betrieb bei einer tangentialen Kontaktgeschwindigkeit
von jeweils bis zu 180 m/s und bis zu 160 m/s in Europa und den
Vereinigten Staaten entspricht.
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Beispiele 5–19
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Die experimentellen Schleifscheiben
5–19 (400
mm Durchmesser, 10 mm Dicke bei 127 mm Bohrungen), jede mit 25 Schleifsegmenten
mit 10 mm Tiefe, wurden im Wesentlichen wie im Beispiel 1 beschrieben hergestellt.
Die Art des in jeder Schleifscheibe verwendeten Schleifkorns ist
in Tabelle I gezeigt. Das CBN-Korn hatte eine Korngröße von 250 μm. Die in
den Beispielen 5, 7, 12–17
und 19 verwendeten konventionellen Schleifkörner hatten eine Korngröße von 250 μm (SG) oder
eine Korngröße von 180 μm (TG). All
das andere in diesen Beispielen verwendete konventionelle Korn hatte
eine Korngröße von 125 μm. Das Schleifkorn
stellte etwa 52% des Volumens des Schleifsegments dar. Jede Schleifscheibe
wurde bei Rotationsgeschwindigkeiten entsprechend 230 m/s tangentialer
Kontaktgeschwindigkeit eignungsgeprüft, und es wurde weder Segmentbruch
oder Nachgeben des Stahlkernes beobachtet.
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Die Schleifscheibe gemäß Beispiel
6 wurde durch Profilschleifen eines 6,4 mm breiten ANSI 52100 oder
UNS G52986 tragenden Stahl mit einer Rockwell C-Härte von
60 bis zu einer Tiefe von 5,18 mm getestet. Die Schleifscheibe wurde
bei einer tangentialen Kontaktgeschwindigkeit von 60 m/s, 90 m/s,
120 m/s und 150 m/s betrieben. Eine Studer CNC S-40 Schleifmaschine
mit wässrigem,
60 Gew.-% Öl
enthaltenden Kühlmittel wurde
verwendet. Die maximale Nennleistung des Studer-Schleifers betrug
9 kW, womit die Schleifscheibe die Maschine bei höherer Geschwindigkeit
und höherer
Metallabtragsrate nahe an oder über
ihre Entwurfs-Leistungsbeschreibung hinaus brachte.
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Die Ergebnisse sind in Tabelle 1
gezeigt. Bei allen Metallabtragsraten zeigte die Schleifscheibe
6 bei 150 m/s verglichen mit 120 m/s einen signifikant verbesserten
G-Faktor bei akzeptablem Leistungsverbrauch. Bei den beiden höchsten Metallabtragsraten
wurde die Leistung der Schleifscheibe 6 nachteilig durch die Beschränkungen
der Schleifmaschine beeinflusst, und für die Schleifscheibe wird eine
bessere Leistung auf einer Maschine, die zu einem Betrieb bei einer
höheren
Rate ausgelegt ist, vorausgesagt. Bei allen Schleifscheiben-Geschwindigkeiten
und allen Metallabtragungsraten wurde nur eine geringfügige Änderungen
der Oberflächengüte beobachtet
und die Qualität
der Oberflächengüte war akzeptabel.
Schleifscheibe 6, die konventionelles Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifmittel
enthielt, wurde während
dieses Tests einfach mit einem stationären, einreihigem Richtblatt
mit sechs Diamantspitzen gerichtet.
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Tabelle
1 Schleifleistung von Schleifscheibe 6
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Ein weiterer Schleiftest wurde unter
den gleichen Bedingungen durchgeführt (außer, dass eine 3,2 mm Schnittbreite
auf dem Werkstück
ausgeführt
wurde), um die Schleifleistungen der Schleifräder der Beispiele 5–19 vergleichen
zu können.
In diesem Test wurden kommerziell annehmbare G-Faktoren, Leistungsaufnahmen
und Oberflächengüte-Qualitäten für alle Schleifscheiben
beobachtet. Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
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Versuche, eine 3,2 mm Schnittbreite
unter diesen Bedingungen bei einer Schleifscheibengeschwindigkeit
von 150 m/s unter Verwendung einer kommerziellen CBN-Schleifscheibe mit
glasartiger Bindung als Kontrolle führte zum Bruch des Schleifrades.
Dies machte es unmöglich,
Hochleistungsschleifscheiben direkt mit den Schleifscheiben der
vorliegenden Erfindung bei der Geschwindigkeit von 150 m/s zu vergleichen.
Diese kommerziellen CBN-Schleifscheiben (die gleiche Form wie die
Versuchsschleifscheiben, mit Schleifsegmenten von 5 mm Tiefe, enthaltend
36 Vol.-% CBN-Schleifkorn mit einer Korngröße von 125 μm und 20 Vol.-% Bindung) konnten
nur bei einer tangentialen Kontaktgeschwindigkeit von 120 m/s getestet
werden. Die CBN-Schleifscheibe zeigte eine maximale Metallabtragungsrate
bei 122 mm3/s·mm bei 120 m/s.
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Die Beispiele 5 und 6 enthielten
keinen Hochleistungsschleifkorn. Das verwendete Korn war eine Mischung
aus konventionellen Schleifkörnern
von Sol-Gel-Aluminiumoxid. Diese Schleifscheiben waren fähig, eine
maximale Metallabtragungsrate von 148 mm3/s·mm zu
leisten, etwa 21 Prozent mehr als die kommerziellen CBN-Schleifscheiben,
die nur bei 120 m/s betrieben werden konnten. Alle Schleifscheiben
mit konventionellem Schleifmittel und konventionellem Schleifmittel/CBN
konnten leicht mittels eines stationären, einreihigen, Richtblatts
mit sechs Diamantspitzen gerichtet werden. Im Gegensatz dazu mussten
die kommerziellen CBN-Schleifscheiben mit einem Rotations-Abrichtwerkzeug
gerichtet werden. Die Hochleistungsschleifscheiben produzieren eine
signifikante Menge an Spänen
und verschmierten, was bei den Schleifscheiben mit konventionellen
Schleifmitteln nicht beobachtet wurde.
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Die Schwierigkeiten beim Richten
von Hochleistungsschleifscheiben die Arbeitsseite der Schleifscheibe
zu öffnen
und die Abmessung der Schleifscheibe zu korrigieren (Richten der
Schleifscheibe, typischerweise vor der ersten Benutzung und, wie
benötigt,
während
des Schleif-Arbeitsvorgangs) sind in der Industrie wohlbekannt und
ein ernsthafter Hinderungsgrund Hochleistungsschleifscheiben, insbesondere
CBN-Schleifscheiben, zu verwenden, trotz ihrer nachgewiesenen Überlegenheit
in vielen Hochgeschwindigkeits-Schleifarbeitsgängen. Keine
dieser Schwierigkeiten wurde bei den erfindungsgemäßen Schleifscheiben
beobachtet.
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Auf der Grundlage dieser Daten wird
für die
maximalen Metallabtragungsraten, G-Faktoren und andere Schleifleistungs-Parameter
der Schleifscheiben der Endung hochgerechnet, dass sie äquivalent
denen von kommerziellen CBN-Schleifscheiben sind, wenn sie bei den
höheren
Geschwindigkeiten (d. h. zumindest 125 m/s), die für den Betrieb
der Schleifscheiben der Erfindung vorgesehen sind, betrieben werden.
Obwohl für
die CBN-Schleifscheiben, wenn sie bei Geschwindigkeiten von 120
m/s oder weniger betrieben werden, höhere G-Faktoren beobachtet
werden als für
die Schleifscheiben der Erfindung, erlaubt es . die beobachtete
Leichtigkeit, mit der die Schleifscheiben der Erfindung gerichtet
werden können,
in Kombination mit den signifikanten Einsparungen bei den Kosten
des Schleifmittels, kommerziellen Anwendungen, Schleifscheiben zu
verwenden, die tiefere Schleifsegmente und mehr Schleifkorn enthalten.
Die größere Tiefe
der Segmente, die mit den Schleifscheiben
der Erfindung möglich
ist, wird die beobachteten niedrigeren G-Faktoren bei geringeren Metallabtragungsraten
kompensieren, um über
die Lebensdauer der beiden Arten von Schleifscheiben hinweg Ergebnisse
zu erzielen, die mit Hochleistungsschleifscheiben gleichwertig sind.
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Die Testergebnisse für die Schleifscheiben
der Beispiele 7–19
zeigen, dass das erfindungsgemäße Betreiben
mit einer tangentialen Kontaktgeschwindigkeit von mehr 125 m/s die
Möglichkeit
eröffnet,
Hochleistungsschleifmittel in erheblichem Maße durch das sehr viel kostengünstigere,
konventionelle Schleifkorn zu ersetzen oder zu verdünnen und
akzeptable Schleifleistungen, um ein Hochleistungsschleifwerkeug
zu ersetzen, zu erhalten.
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Beispiel 20
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Eine Schleifscheibe enthaltend unbeimpftes
Sol-Gel Aluminiumoxid-Schleifkorn (321 Korn, hergestellt durch die
3M Corporation, Minneapolis, MN) wurde auf gleichem Wege hergestellt
wie Beispiel 6, außer
dass kein TG-Aluminiumoxidkorn verwendet wurde. In einem Schleiftests
unter den gleichen Bedingungen, die oben verwendet wurden (Schleifen
eines Schnitts mit 3,2 mm Breite in das Werkstück), zeigte die Schleifscheibe
mit dem unbeimpften Sol-Gel-Aluminiumoxid eine Schleifleistung,
die zumindest gleichwertig der Leistung der Scheiben 6 bei 120 m/s
und 150 m/s war, und vorteilhaft im Vergleich mit der kommerziellen
CBN-Schleifscheibe bei 120 m/s war.
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Somit ist die Verwendung von unbeimpftem
sowie beimpftem, faserartigem, polykristallinem gesintertem Sol-Gel-alpha-Aluminiumoxidkorn
zur Verwendung in den Schleifscheiben der Erfindung bevorzugt.
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Obwohl spezielle Formen der Erfindung
zur Verdeutlichung in den Zeichnungen und Beispielen ausgesucht
wurden, und obwohl die vorangegangene Beschreibung spezielle Begriffe
zum Zwecke der Beschreibung dieser Formen der Erfindung verwendet,
ist es nicht beabsichtigt, durch diese Beschreibung den Umfang der
Erfindung, der in den Ansprüchen
definiert ist, einzuschränken.
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Tabelle
2 Schleifleistung bei 150 m/sek.
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