DE69901438T2 - GRINDING TOOLS - Google Patents

GRINDING TOOLS

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DE69901438T2
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Srinivasan Ramanath
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Abstract

Abrasive tools suitable for precision grinding of hard brittle materials, such as ceramics and composites comprising ceramics, at peripheral wheel speeds up to 160 meters/second are provided. The abrasive tools comprise a wheel core (2) attached to an abrasive rim of dense, metal bonded superabrasive segments (8) by means of a thermally stable bond (6). A preferred tool for backgrinding ceramic wafers contains graphite filler and a relatively low concentration of abrasive grain (4).

Description

Die Erfindung betrifft Schleifwerkzeuge, die zum Präzisionsschleifen von harten spröden Materialien, wie beispielsweise Keramiken und Compositen mit Keramik, bei Umfangsscheibengeschwindigkeiten von bis zu 160 m/Sek. geeignet sind, und zum Oberflächenschleifen von Keramikwafern geeignet sind. Die Schleifwerkzeuge umfassen einen Scheibenkern oder eine Nabe angebracht an einen metallgebundenen Superschleifrand mit einer Verbindung, welche während Schleifvorgängen thermisch stabil ist. Diese Schleifwerkzeuge schleifen Keramik mit hohen Materialentfernungsraten (zum Beispiel 19-380 cm³/Min/cm) mit einer geringeren Abnützung der Scheibe und weniger Schäden am Werkstück als bei herkömmlichen Schleifwerkzeugen.The invention relates to grinding tools suitable for precision grinding of hard brittle materials, such as ceramics and composites with ceramics, at peripheral wheel speeds of up to 160 m/sec, and suitable for surface grinding of ceramic wafers. The grinding tools comprise a wheel core or hub attached to a metal-bonded superabrasive rim with a compound that is thermally stable during grinding operations. These grinding tools grind ceramics at high material removal rates (e.g., 19-380 cc/min/cm) with less wheel wear and less damage to the workpiece than conventional grinding tools.

Ein Schleifwerkzeug, das zum Schleifen von Saphir und anderen Keramikmaterialien geeignet ist, wird in U.S.-A-5,607,489 an Li offenbart. Wie beschrieben, enthält das Werkzeug Metallmanteldiamant, gebunden in einer keramischen Matrix, umfassend 2 bis 20 Volumen-% an festem Schmiermittel und mindestens 10 Volumen-% Porosität.An abrasive tool suitable for grinding sapphire and other ceramic materials is disclosed in U.S.-A-5,607,489 to Li. As described, the tool contains metal-clad diamond bonded in a ceramic matrix comprising 2 to 20 volume percent solid lubricant and at least 10 volume percent porosity.

Ein Schleifwerkzeug mit Diamant, gebunden in einer Metall- Matrix, umfassend 15 bis 50 Volumen-% ausgewählter Füllstoffe, wie beispielsweise Graphit, wird in U.S.-A-3,925,035 an Keat offenbart. Das Werkzeug wird zum Schleifen von Sintercarbiden verwendet.An abrasive tool having diamond bonded in a metal matrix comprising 15 to 50 volume percent of selected fillers, such as graphite, is disclosed in U.S.-A-3,925,035 to Keat. The tool is used for grinding cemented carbides.

Eine Trennscheibe mit metallgebundenem Diamantschleifkorn wird in U.S.-A-2,238,351 an Van der Pyl offenbart. Die Bindung besteht aus Kupfer, Eisen, Zinn und, wahlweise, Nickel, und das gebundene Schleifkorn wird auf einen Stahlkern gesintert, wahlweise mit einem Lötschritt, um eine ausreichende Adhäsion zu gewährleisten. Die beste Bindung weist Angaben zufolge eine Rockwell B-Härte von 70 auf.A cutting wheel with metal-bonded diamond abrasive grain is disclosed in US-A-2,238,351 to Van der Pyl. The bond consists of copper, iron, tin and, optionally, nickel, and the bonded abrasive grain is sintered onto a steel core, optionally with a brazing step to ensure sufficient adhesion The best bond is said to have a Rockwell B hardness of 70.

Ein Schleifwerkzeug mit Feindiamantkorn (Bort), das in einer Metallbindung mit relativ geringer Schmelztemperatur gebunden ist, wie beispielsweise einer Bronzebindung, wird in U.S.-Re- 21,165 offenbart. Die Niedrigschmelzbindung dient dazu, eine Oxidation des Feindiamantkorns zu vermeiden. Ein Schleifrand ist als einzelnes ringförmiges Schleifsegment ausgebildet und dann an eine zentrale Scheibe aus Aluminium oder einem anderen Material angebracht.An abrasive tool having fine diamond grain (bort) bonded in a relatively low melting temperature metal bond, such as a bronze bond, is disclosed in U.S. Re. 21,165. The low melting temperature bond serves to prevent oxidation of the fine diamond grain. A grinding rim is formed as a single annular grinding segment and then attached to a central disk of aluminum or other material.

Keines dieser Schleifwerkzeuge hat sich als vollständig zufriedenstellend beim Präzisionsschleifen von Keramikkomponenten erwiesen. Diese Werkzeuge schaffen es nicht, strengen Spezifikationen in Bezug auf Teilform, Größe und Oberflächenqualität im Betrieb bei kommerziell ausführbaren Schleifraten gerecht zu werden. Die meisten kommerziellen Schleifwerkzeuge, die zum Gebrauch bei solchen Vorgängen empfohlen werden, sind Harz- oder keramisch gebundene Superschleifscheiben, die zum Betrieb bei relativ geringem Schleifleistungsvermögen konstruiert sind, um somit Schäden an der Oberfläche und der Schicht unter der Oberfläche von keramischen Komponenten zu vermeiden. Das Schleifleistungsvermögen wird auf Grund der Tendenz von Keramikwerkstücken, die Scheibenfläche zu verstopfen, wodurch die Scheibe ein ständiges Nachbearbeiten und Abziehen erfordert, um Präzisionsformen aufrecht zu erhalten, weiter reduziert.None of these grinding tools have proven to be completely satisfactory for precision grinding of ceramic components. These tools fail to meet stringent specifications for part shape, size and surface quality in service at commercially viable grinding rates. Most commercial grinding tools recommended for use in such operations are resin or vitrified bonded super grinding wheels, which are designed to operate at relatively low grinding performance levels to avoid damage to the surface and subsurface layer of ceramic components. Grinding performance is further reduced due to the tendency of ceramic workpieces to clog the wheel face, requiring the wheel to be constantly reworked and dressed to maintain precision shapes.

Da die Marktnachfrage nach Präzisionskeramikkomponenten in Produkten wie beispielsweise Motoren, feuerfesten Ausstattungen und elektronischen Vorrichtungen (zum Beispiel Wafern, Magnetköpfen und Anzeigenfenstern) gestiegen ist, ist der Bedarf an verbesserten Schleifwerkzeugen zum Präzisionsschleifen von Keramik gewachsen.As the market demand for precision ceramic components in products such as motors, refractory equipment and electronic devices (e.g. wafers, magnetic heads and display windows) has increased, The need for improved grinding tools for precision grinding of ceramics has grown.

Bei der Fertigbearbeitung von Hochleistungskeramikmaterialien wie beispielsweise Aluminiumtitancarbid (AlTiC) für elektronische Bauteile erfordern Oberflächenschleif- oder "Abschleif"-Vorgänge eine glatte Oberflächenbeschaffenheit hoher Qualität in Schleifvorgängen mit niedriger Kraft und relativ geringer Geschwindigkeit. Beim Abschleifen dieser Materialien wird das Schleifleistungsvermögen durch die Werkstückoberflächenqualität und die Kontrolle der angewandten Kraft ebenso wie durch hohe Materialentfernungsraten und Verschleißfestigkeit der Schleifscheibe bestimmt.When finishing high performance ceramic materials such as aluminum titanium carbide (AlTiC) for electronic components, surface grinding or "grinding" operations require a smooth, high quality surface finish in low force and relatively low speed grinding operations. When grinding these materials, grinding performance is determined by the workpiece surface quality and control of the applied force, as well as high material removal rates and wear resistance of the grinding wheel.

Die Erfindung betrifft ein Oberflächen-Schleifwerkzeug, umfassend einen Kern mit einer minimalen spezifischen Festigkeit von 2,4 MPa-cm³/g, eine Kerndichte von 0,5 bis 8,0 g/cm³, eine kreisförmige äußere Begrenzung und einen Schleifrand, der durch eine Mehrzahl von Schleifsegmenten definiert ist; wobei die Schleifsegmente, in Mengen, die in der Summe maximal 100 Volumen-% ergeben, von 0,05 bis 10 Volumen-% Superschleifmittelkorn, von 10 bis 35 Volumen-% zerbröckelnden Füllstoff und von 55 bis 89,95 Volumen-% Metallbindungs-Matrix mit einer Bruchzähigkeit von 1,0 bis 3,0 MPa·m1/2 enthalten. Die spezifische Festigkeit wird definiert als das Verhältnis des geringeren Wertes der Streckgrenze oder der Bruchspannung des Materials dividiert durch die Dichte des Materials. Der zerbröckelnde Füllstoff ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, hexagonalem Bornitrid, hohlen keramischen Kugeln, Feldspat, Nephelinsyenit, Bimsstein, calciniertem Ton und Glaskugeln sowie deren Kombinationen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Metallbindungsmatrix maximal 5 Volumen-% Porosität.The invention relates to a surface grinding tool, comprising a core with a minimum specific strength of 2.4 MPa-cm³/g, a core density of 0.5 to 8.0 g/cm³, a circular outer boundary and a grinding edge defined by a plurality of grinding segments; wherein the grinding segments contain, in amounts that add up to a maximum of 100% by volume, from 0.05 to 10% by volume of superabrasive grain, from 10 to 35% by volume of crumbling filler and from 55 to 89.95% by volume of metal bond matrix with a fracture toughness of 1.0 to 3.0 MPa·m1/2. The specific strength is defined as the ratio of the lower value of the yield strength or the fracture stress of the material divided by the density of the material. The crumbling filler is selected from the group consisting of graphite, hexagonal boron nitride, hollow ceramic spheres, feldspar, nepheline syenite, pumice, calcined clay and glass spheres, and combinations thereof. In a preferred embodiment, the metal bond matrix comprises a maximum of 5 volume % porosity.

Beschreibung der ZeichnungenDescription of the drawings

Fig. 1 zeigt einen durchgehenden Rand aus Schleifsegmenten, die mit der äußeren Begrenzung eines Metallkerns verbunden sind, um eine Schleitscheibe vom Typ 1A1 zu bilden.Fig. 1 shows a continuous edge of grinding segments connected to the outer perimeter of a metal core to form a Type 1A1 grinding wheel.

Fig. 2 zeigt einen diskontinuierlichen Rand aus Schleifsegmenten, die mit der äußeren Begrenzung eines Metallkerns verbunden sind, um eine Schleiftasse zu bilden.Fig. 2 shows a discontinuous edge of grinding segments bonded to the outer perimeter of a metal core to form a grinding cup.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Menge des entfernten Materials und der Normalkraft beim Schleifen eines AlTiC- Werkstücks mit den Schleifscheiben von Beispiel 5.Fig. 3 shows the relationship between the amount of material removed and the normal force when grinding an AlTiC workpiece with the grinding wheels of Example 5.

Bei den Schleifwerkzeugen der Erfindung handelt es sich um Schleifscheiben mit einem Kern mit einer zentralen Bohrung zur Anbringung der Scheibe auf einer Schleifmaschine, wobei der Kern so gestaltet ist, dass ein Rand mit Superschleifmittel mit einer Metallbindung entlang der Peripherie der Scheibe gehalten wird. Diese beiden Teile der Scheiben werden mit einer Verbindung zusammengehalten, welche unter Schleifbedingungen thermisch stabil ist, und die Scheibe und ihre Komponenten sind darauf ausgelegt, Beanspruchungen zu tolerieren, die bei Scheibenumfangsgeschwindigkeiten von bis zu mindestens 80 m/Sek., vorzugsweise bis zu 160 m/Sek. erzeugt werden. Bevorzugte Werkzeuge sind Scheiben vom Typ 1A und Schleiftassen wie beispielweise Scheiben vom Typ 2 oder Typ 6 oder glockenähnliche Schleiftassen vom Typ 11V9.The grinding tools of the invention are grinding wheels having a core with a central bore for mounting the wheel on a grinding machine, the core being designed to hold a rim of superabrasive with a metal bond along the periphery of the wheel. These two parts of the wheels are held together with a bond which is thermally stable under grinding conditions and the wheel and its components are designed to tolerate stresses generated at wheel peripheral speeds of up to at least 80 m/sec, preferably up to 160 m/sec. Preferred tools are Type 1A wheels and grinding cups such as Type 2 or Type 6 wheels or bell-like grinding cups of Type 11V9.

Die Form des Kerns ist im wesentlichen kreisförmig. Der Kern kann jegliches Material mit einer spezifischen Festigkeit von mindestens 2,4 MPa-cm³/g, vorzugsweise 40-185 MPa-cm³/g umfassen. Das Kernmaterial weist eine Dichte von 0,5 bis 8,0 g/cm³, vorzugsweise 2,0 bis 8,0 g/cm³ auf. Zu Beispielen für geeignete Materialien zählen Stahl, Aluminium, Titan und Bronze und deren Composite und Legierungen sowie Kombinationen hiervon. Verstärkte Kunststoffe mit der genannten minimalen spezifischen Festigkeit können zum Aufbau des Kerns verwendet werden. Composite und verstärkte Kernmaterialen weisen typischerweise eine kontinuierliche Phase eines Metalls oder einer Kunststoff-Matrix auf, oft in Pulverform, wozu Fasern oder Körner oder Partikel eines härteren, nachgiebigeren und/oder weniger dichten Materials als diskontinuierliche Phase hinzugegeben wird. Beispiele für Verstärkungsmaterialien, die zur Verwendung im Kern der Werkzeuge der Erfindung geeignet sind, sind Glasfaser, Kunststofffaser, Aramid-Faser, Keramik-Faser, keramische Partikel und Körner und hohle Füllstoffmaterialien wie beispielsweise Glas-, Mullit-, Aluminiumoxid- und Zeolite®- Kugeln.The shape of the core is substantially circular. The core may comprise any material having a specific strength of at least 2.4 MPa-cm³/g, preferably 40-185 MPa-cm³/g. The core material has a density of 0.5 to 8.0 g/cm³, preferably 2.0 to 8.0 g/cm³. Examples of suitable materials include steel, aluminum, titanium and Bronze and their composites and alloys and combinations thereof. Reinforced plastics having the minimum specific strength mentioned can be used to construct the core. Composite and reinforced core materials typically comprise a continuous phase of a metal or plastic matrix, often in powder form, to which fibers or grains or particles of a harder, more compliant and/or less dense material are added as a discontinuous phase. Examples of reinforcing materials suitable for use in the core of the tools of the invention are glass fiber, plastic fiber, aramid fiber, ceramic fiber, ceramic particles and grains and hollow filler materials such as glass, mullite, alumina and Zeolite® spheres.

Stahl und andere Metalle mit Dichten von 0,5 bis 8,0 g/cm³ können zur Herstellung der Kerne für die Werkzeuge der Erfindung verwendet werden. Bei der Herstellung der Kerne zur Verwendung für Hochgeschwindigkeitsschleifen (zum Beispiel mindestens 80 m/Sek.) werden Leichtgewichtmetalle in Pulverform (d. h. Metalle mit Dichten von etwa 1,8 bis 4,5 g/cm³) wie beispielsweise Aluminium, Magnesium und Titan und Legierungen hiervon sowie Mischungen hiervon bevorzugt. Besonders bevorzugt sind Aluminium und Aluminiumlegierungen. Metalle mit Sintertemperaturen zwischen 400 und 900ºC, vorzugsweise 570 bis 650ºC, werden ausgewählt, wenn ein Ko-Sinter-Zusammensetzungs-Verfahren zur Herstellung der Werkzeuge stattfindet. Füllstoffmaterialien mit geringer Dichte können hinzugefügt werden, um das Gewicht des Kerns zu reduzieren. Poröse und/oder hohle keramische oder Glasfüllstoffe wie beispielsweise Glaskugeln und Mullitkugeln sind für diesen Zweck geeignet. Ebenso geeignet sind anorganische und nichtmetallische Fasermaterialien. Wenn durch die Verarbeitungsbedingungen angezeigt, kann eine effektive Menge an Schmiermittel oder anderen Verarbeitungshilfsmitteln, welche in der Technik der Metallbildungen und Superschleifmittel bekannt sind, dem Metallpulver vor dem Pressen und Sintern hinzugegeben werden.Steel and other metals having densities of 0.5 to 8.0 g/cm3 can be used to make the cores for the tools of the invention. In making the cores for use in high speed grinding (e.g., at least 80 m/sec), lightweight metals in powder form (i.e., metals having densities of about 1.8 to 4.5 g/cm3) such as aluminum, magnesium and titanium and alloys thereof and mixtures thereof are preferred. Particularly preferred are aluminum and aluminum alloys. Metals having sintering temperatures between 400 and 900°C, preferably 570 to 650°C, are selected when a co-sintering composition process is used to make the tools. Low density filler materials can be added to reduce the weight of the core. Porous and/or hollow ceramic or glass fillers such as glass beads and mullite beads are suitable for this purpose. Also suitable are inorganic and non-metallic fiber materials. If indicated by the processing conditions, an effective Amount of lubricant or other processing aids known in the art of metal formation and superabrasives added to the metal powder prior to pressing and sintering.

Das Werkzeug sollte fest, beständig und dimensionsstabil sein, um den möglicherweise destruktiven Kräften zu widerstehen, welche im Hochgeschwindigkeitsbetrieb entstehen. Der Kern muss eine minimale spezifische Festigkeit zum Betrieb von Schleifscheiben mit der sehr hohen Winkelgeschwindigkeit aufweisen, welche nötig ist, um eine Tangentialkontaktgeschwindigkeit zwischen 80 und 160 m/s zu erreichen. Die minimale spezifische Festigkeit, die für die Kernmaterialien, die bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen, nötig ist, beträgt 2,4 MPa-cm³/g.The tool should be strong, durable and dimensionally stable to withstand the potentially destructive forces that arise during high speed operation. The core must have a minimum specific strength to operate grinding wheels at the very high angular velocity necessary to achieve a tangential contact speed between 80 and 160 m/s. The minimum specific strength required for the core materials used in the present invention is 2.4 MPa-cm3/g.

Die spezifische Festigkeit wird als das Verhältnis der Streckgrenze (oder Bruchspannung) des Kernmaterials dividiert durch die Kernmaterialdichte definiert. Bei spröden Materialien, bei denen die Bruchfestigkeit geringer als die Streckgrenze ist, wird die spezifische Festigkeit durch Anwendung der geringeren Zahl bestimmt, nämlich der Bruchfestigkeit. Die Streckgrenze eines Materials ist die minimale in Spannung angewendete Kraft, wobei die Dehnung des Materials zunimmt, ohne dass die Kraft weiter vergrößert wird. Zum Beispiel weist auf über etwa 240 (Brinell-Skala) gehärteter Stahl ANSI 4140 eine Zugfestigkeit von über 700 MPa auf. Die Dichte dieses Stahls beträgt etwa 7,8 g/cm³. Somit beträgt seine spezifische Festigkeit etwa 90 MPa-cm³/g. Gleichermaßen weisen bestimmte Aluminiumlegierungen, zum Beispiel Al 2024, Al 7075 und Al 7178, die auf eine Brinell- Härte über etwa 100 wärmebehandelbar sind, Zugfestigkeiten von mehr als etwa 300 MPa auf. Solche Aluminiumlegierungen weisen eine geringe Dichte von etwa 2,7 g/cm³ auf und zeigen somit eine spezifische Festigkeit von mehr als 110 MPa-cm³/g.Specific strength is defined as the ratio of the yield strength (or ultimate stress) of the core material divided by the core material density. For brittle materials where the ultimate strength is less than the yield strength, specific strength is determined by applying the lesser number, which is the ultimate strength. The yield strength of a material is the minimum force applied in tension, increasing the elongation of the material without further increasing the force. For example, ANSI 4140 steel hardened to over about 240 (Brinell scale) has a tensile strength of over 700 MPa. The density of this steel is about 7.8 g/cm3. Thus, its specific strength is about 90 MPa-cm3/g. Similarly, certain aluminium alloys, for example Al 2024, Al 7075 and Al 7178, which are heat treatable to a Brinell hardness above about 100, have tensile strengths of more than about 300 MPa. Such aluminium alloys have a low density of about 2.7 g/cm³ and thus exhibit a specific strength of more than 110 MPa-cm³/g.

Titanlegierungen und Bronze-Composite und -Legierungen, die mit einer Dichte von nicht mehr als 8,0 g/cm³ hergestellt sind, sind ebenso zur Verwendung geeignet.Titanium alloys and bronze composites and alloys manufactured with a density of not more than 8.0 g/cm³ are also suitable for use.

Das Kernmaterial sollte zäh, thermisch stabil bei Temperaturen, welche in der Schleifzone erreicht werden (beispielsweise etwa 50 bis 200ºC), resistent gegenüber chemischer Reaktion mit Kühlmitteln und Schmiermitteln, welche beim Schleifen verwendet werden, und widerstandsfähig gegenüber Verschleiß durch Abnutzung auf Grund der Bewegung des Schneidabfalls in der Schleifzone sein. Obwohl einige Aluminiumoxide und andere Keramiken annehmbare Versagenswerte (das heißt über 60 MPa-cm³/g) aufweisen, sind sie im Allgemeinen zu spröde und versagen strukturell beim Hochgeschwindigkeitsschleifen auf Grund eines Bruchs. Daher ist Keramik zur Verwendung im Werkzeugkern nicht geeignet. Metall, besonders gehärteter Werkzeugqualitätsstahl, ist bevorzugt.The core material should be tough, thermally stable at temperatures reached in the grinding zone (e.g., about 50 to 200ºC), resistant to chemical reaction with coolants and lubricants used in grinding, and resistant to abrasive wear due to movement of cutting waste in the grinding zone. Although some aluminas and other ceramics have acceptable failure values (i.e., above 60 MPa-cm3/g), they are generally too brittle and fail structurally during high-speed grinding due to fracture. Therefore, ceramics are not suitable for use in the tool core. Metal, particularly hardened tool quality steel, is preferred.

Das Schleifsegment der Schleifscheibe zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist ein an einem Kern angebrachter segmentierter oder durchgehender Rand. Ein segmentierter Schleifrand ist in Fig. 1 gezeigt. Der Kern 2 weist eine zentrale Bohrung 3 zur Anbringung der Scheibe an einer Welle eines maschinellen Antriebs (nicht dargestellt) auf. Der Schleifrand der Scheibe umfasst Superschleifkörner 4 eingebettet (vorzugsweise in gleichmäßiger Konzentration) in eine Metall-Matrix-Bindung 6. Eine Mehrzahl an Schleifsegmenten 8 bauen den in Fig. 1 gezeigten Schleifrand auf. Auch wenn die dargestellte Ausführungsform 10 Segmente zeigt, ist die Anzahl an Segmenten nicht entscheidend. Ein einzelnes Schleifsegment, wie in Fig. 1 gezeigt, weist eine schräg abgeschnittene rechteckige Ringform (eine Bogenform), gekennzeichnet durch eine Länge 1, eine Breite w und eine Tiefe d auf.The grinding segment of the grinding wheel for use in the present invention is a segmented or continuous rim attached to a core. A segmented grinding rim is shown in Fig. 1. The core 2 has a central bore 3 for attaching the wheel to a shaft of a machine drive (not shown). The grinding rim of the wheel comprises superabrasive grains 4 embedded (preferably in uniform concentration) in a metal matrix bond 6. A plurality of grinding segments 8 make up the grinding rim shown in Fig. 1. Although the illustrated embodiment shows 10 segments, the number of segments is not critical. A single grinding segment, as shown in Fig. 1, has a truncated rectangular ring shape (an arc shape) characterized by a length 1, a width w and a depth d.

Die Ausführungsform einer Schleitscheibe, die in Fig. 1 gezeigt ist, steht repräsentativ für Scheiben, welche gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgreich eingesetzt werden können, und sollte nicht als Einschränkung gesehen werden. Zu den zahlreichen geeigneten geometrischen Variationen für segmentierte Schleifscheiben zählen tassenförmige Scheiben, wie in Fig. 2 gezeigt, Scheiben mit Öffnungen durch den Kern und/oder Lücken zwischen aufeinander folgenden Segmenten und Scheiben mit Schleifsegmnenten mit einer im Vergleich zum Kern unterschiedlichen Breite. Öffnungen oder Lücken werden manchmal verwendet, um Wege bereit zu stellen, um Kühlmittel zur Schleifzone zu leiten, und um Schneidabfall aus der Zone weg zu leiten. Ein im Vergleich zur Kernbreite breiteres Segment wird gelegentlich verwendet, um die Kernstruktur vor Abnützung durch den Kontakt mit Schleifabfall beim radialen Eindringen der Scheibe in das Werkstück zu schützen.The grinding wheel embodiment shown in Fig. 1 is representative of wheels that can be successfully used in accordance with the present invention and should not be considered limiting. The numerous suitable geometric variations for segmented grinding wheels include cup-shaped wheels as shown in Fig. 2, wheels with openings through the core and/or gaps between successive segments, and wheels with grinding segments of varying width relative to the core. Openings or gaps are sometimes used to provide paths to direct coolant to the grinding zone and to direct cutting debris away from the zone. A wider segment relative to the core width is sometimes used to protect the core structure from wear caused by contact with grinding debris as the wheel radially penetrates the workpiece.

Die Scheibe kann hergestellt werden, indem zunächst einzelne Segmente von vorher bestimmter Dimension gebildet werden, und anschließend die vorgeformten Segmente an den Umfang 9 des Kerns mit einem geeigneten Haftmittel angebracht werden. Ein anderes bevorzugtes Herstellungsverfahren umfasst die Bildung von Segmentvorläufereinheiten aus einer Pulvermischung aus Schleifkorn und einem Bindemittel, Formung der Zusammensetzung um den Umfang des Kerns und Anwendung von Wärme und Druck zur Schaffung und Anbringung der Segmente in situ (an Ort und Stelle) (d. h. gemeinsames Sintern des Kerns und des Randes). Ein gemeinsames Sinterverfahren ist bevorzugt zur Herstellung von Oberflächenschleiftassen zur Verwendung zum Abschleifen von Wafern und Chips von Hartkeramik wie beispielsweise AlTiC.The wheel may be manufactured by first forming individual segments of predetermined dimensions and then attaching the preformed segments to the periphery 9 of the core with a suitable adhesive. Another preferred manufacturing process involves forming segment precursor units from a powder mixture of abrasive grain and a binder, molding the composition around the periphery of the core and applying heat and pressure to create and attach the segments in situ (in place) (i.e. co-sintering the core and the rim). A co-sintering process is preferred for making surface grinding cups for use in abrading wafers and chips of hard ceramics such as AlTiC.

Bei der Schleifrandkomponente der Schleifwerkzeuge der Erfindung kann es sich um einen durchgehenden Rand oder einen diskontinuierlichen Rand handeln, wie in Fig. 1 beziehungsweise 2 dargestellt. Der durchgehende Schleifrand umfasst mindestens 2 Schleifsegmente, die separat in Formen gesintert werden und dann einzeln am Kern mit einer thermisch stabilen Verbindung (das heißt bei den anzutreffenden Temperaturen während des Schleifens an dem Teil der Segmente weg von der Schleiffläche, typischerweise etwa 50 bis 350ºC, stabile Verbindung) angebracht werden. Diskontinuierliche Schleifränder, wie in Fig. 2 gezeigt, werden aus mindestens 2 derartiger Segmente hergestellt, und die Segmente sind durch Schlitze oder Lücken in dem Rand getrennt, und passen nicht Ende an Ende entlang ihrer Längen, 1, zusammen, wie bei den segmentierten durchgehenden Schleifrandscheiben. Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und sind nicht dazu bestimmt, die Arten von Werkzeugkonstruktionen der Erfindung einzuschränken; beispielsweise können diskontinuierliche Ränder bei 1 A-Scheiben und durchgehende Ränder bei Schleiftassen verwendet werden.The grinding edge component of the grinding tools of the invention can be a continuous edge or a discontinuous edge, as shown in Fig. 1 2, respectively. The continuous grinding rim comprises at least 2 grinding segments which are separately sintered in molds and then individually attached to the core with a thermally stable bond (i.e., stable bond at the temperatures encountered during grinding at the portion of the segments away from the grinding surface, typically about 50 to 350°C). Discontinuous grinding rims, as shown in Fig. 2, are made from at least 2 such segments, and the segments are separated by slots or gaps in the rim, rather than fitting end to end along their lengths, 1, as in the segmented continuous grinding rim wheels. The figures show preferred embodiments of the invention and are not intended to limit the types of tool designs of the invention; for example, discontinuous rims may be used in 1A wheels and continuous rims in grinding cups.

Für Hochgeschwindigkeitsschleifen, insbesondere Schleifen von Werkstücken mit einer zylindrischen Form, wird ein durchgehender Rand, Scheibe vom Typ 1 A, bevorzugt. Segmentierte durchgehende Schleifränder werden im Vergleich zu einem einzigen durchgehenden Schleifrand, geformt als Einzelstück in Ringform, aufgrund der einfacheren Erzielung einer wirklich runden planaren Form während der Herstellung eines Werkzeugs aus mehreren Schleifsegmenten bevorzugt.For high speed grinding, especially grinding of workpieces with a cylindrical shape, a continuous rim, Type 1A wheel, is preferred. Segmented continuous grinding rims are preferred compared to a single continuous grinding rim formed as a single piece in ring shape due to the easier achievement of a truly round planar shape during the manufacture of a tool from multiple grinding segments.

Für das Schleifen bei niedrigerer Geschwindigkeit (beispielsweise 25 bis 60 m/Sek.), insbesondere das Schleifen von Oberflächen und die Fertigbearbeitung flacher Werkstücke, werden diskontinuierliche Schleifränder (beispielsweise die in Fig. 2 gezeigte Schleiftasse) bevorzugt. Da bei Oberflächenfertigbearbeitungsvorgängen mit niedriger Geschwindigkeit die Oberflächenqualität entscheidend ist, können in den Segmenten Schlitze gebildet sein, oder es können einige Segmente aus dem Rand herausgelassen werden, um die Entfernung von Abfallmaterial zu unterstützen, welches die Werkstückoberfläche verkratzen könnte.For grinding at lower speeds (e.g. 25 to 60 m/sec.), particularly for grinding surfaces and finishing flat workpieces, discontinuous grinding edges (e.g. the grinding cup shown in Fig. 2) are preferred. Since surface quality is critical in low-speed surface finishing operations, slots may be formed in the segments or some segments may be left out of the edge to assist in the removal of waste material that could scratch the workpiece surface.

Die Schleifrandkomponente enthält ein Superschleifkorn, das in einer Metall-Matrix-Bindung gehalten wird, was typischerweise durch Sintern einer Mischung aus Metallbindungspulver und dem Schleifkorn in einer Form gebildet wird, welche so gestaltet ist, dass sich die gewünschte Größe und Form des Schleifrands oder der Schleifrandsegmente ergeben.The abrasive edge component contains a superabrasive grain held in a metal matrix bond, which is typically formed by sintering a mixture of metal bond powder and the abrasive grain in a mold designed to provide the desired size and shape of the abrasive edge or abrasive edge segments.

Das in dem Schleifrand verwendete Superschleifkorn kann ausgewählt sein aus Diamant, in natürlicher und synthetischer Form, CBN und Kombinationen dieser Schleifmittel. Die Korngröße und die Art, die ausgewählt werden, hängen von der Art des Werkstücks und der Art des Schleifverfahrens ab. Beispielsweise wird beim Schleifen und Polieren von Saphir oder AlTiC eine Superschleifmittelkorngröße im Bereich von 2 bis 300 Mikrometer bevorzugt. Zum Schleifen von anderem Aluminiumoxid wird im Allgemeinen eine Superschleifmittelkorngröße von etwa 125 bis 300 Mikrometer (Körnungsnummer 60 bis 120; Norton Company Korngröße) bevorzugt. Zum Schleifen von Siliciumnitrid wird im Allgemeinen eine Korngröße von etwa 45 bis 80 Mikrometer (Körnungsnummer 200 bis 400) bevorzugt. Feinere Korngrößen sind bei der Oberflächenfertigbearbeitung bevorzugt und größere Korngrößen sind für Zylinder-, Profil- oder Innendurchmesserschleifvorgänge bevorzugt, wobei größere Mengen an Material entfernt werden.The superabrasive grain used in the grinding edge can be selected from diamond, in natural and synthetic form, CBN, and combinations of these abrasives. The grain size and type selected depend on the type of workpiece and the type of grinding process. For example, when grinding and polishing sapphire or AlTiC, a superabrasive grain size in the range of 2 to 300 microns is preferred. For grinding other alumina, a superabrasive grain size of about 125 to 300 microns (60 to 120 grit; Norton Company grit) is generally preferred. For grinding silicon nitride, a grain size of about 45 to 80 microns (200 to 400 grit) is generally preferred. Finer grit sizes are preferred for surface finishing and larger grit sizes are preferred for cylinder, profile or ID grinding operations where larger amounts of material are removed.

Als Volumenprozentsatz des Schleifrands enthalten die Werkzeuge 0,05 bis 10 Volumen-% Superschleifmittelkorn, vorzugsweise 0,5 bis 5 Volumen-%. Eine kleinere Menge eines zerbröckelnden Füllstoffmaterials mit einer Härte von weniger als jener der Metallbindungs-Matrix kann als Bindungsfüllstoff beigegeben werden, um die Abtragungsrate der Bindung zu erhöhen. Als Volumenprozentsatz der Randkomponente kann ein Volumenprozentsatz des Füllstoffs von 10 bis 35 Volumen-%, vorzugsweise 15 bis 35 Volumen-%, verwendet werden. Geeignete zerbröckelnde Füllstoffmaterialien müssen durch geeignete thermische und mechanische Eigenschaften gekennzeichnet sein, um den Sintertemperatur- und Druckbedingungen zu widerstehen, welche bei der Herstellung der Schleifsegmente und zum Zusammenbauen der Scheibe eingesetzt werden. Graphit, hexagonales Bornitrid, hohle keramische Kugeln, Feldspat Nephelinsyenit, Bimsstein, calcinierter Ton und Glaskugeln sowie deren Kombinationen sind Beispiele für nützliche zerbröckelnde Füllstoffmaterialien.As a volume percentage of the grinding edge, the tools contain 0.05 to 10 volume percent of superabrasive grain, preferably 0.5 to 5 volume percent. A minor amount of a crumbling filler material having a hardness less than that of the metal bond matrix may be used as a bond filler. added to increase the bond removal rate. A volume percentage of filler of 10 to 35 volume percent, preferably 15 to 35 volume percent, may be used as the volume percentage of the edge component. Suitable friable filler materials must be characterized by suitable thermal and mechanical properties to withstand the sintering temperature and pressure conditions used in the manufacture of the abrasive segments and to assemble the wheel. Graphite, hexagonal boron nitride, hollow ceramic spheres, feldspar, nepheline syenite, pumice, calcined clay and glass spheres and combinations thereof are examples of useful friable filler materials.

Jede zum Binden von Superschleifmitteln geeignete Metallbindung mit einer Bruchzähigkeit von 1,0 bis 6,0 MPa·m1/2, vorzugsweise 2,0 bis 4,0 MPam1/2, kann hierbei verwendet werden. Die Bruchzähigkeit ist der Belastungsintensitätsfaktor, bei welchem ein in einem Material begonnener Riss sich in dem Material ausbreitet und zum Bruch des Materials führt. Die Bruchzähigkeit wird als K1C = (σf) (π1/2) (c1/2), ausgedrückt, wobei K1C die Bruchzähigkeit darstellt, σf die Belastung darstellt, die beim Bruch ausgeübt wird, und C die Hälfte der Risslänge ist. Es gibt mehrere Verfahren, die zur Bestimmung der Bruchzähigkeit verwendbar sind, und jedes weist einen Anfangsschritt auf, bei dem ein Riss von bekannter Dimension im Testmaterial erzeugt wird, und anschließend eine Belastungsbeanspruchung ausgeübt wird, bis das Material bricht. Die Belastung beim Bruch und die Risslänge werden in die Gleichung substituiert und die Bruchzähigkeit berechnet. (Die Bruchzähigkeit von Stahl beträgt beispielsweise etwa 30-60 MPa·m1/2, von Aluminiumoxid etwa 2-3 MPa·m1/2, von Siliciumnitrid etwa 4-5 MPa·m1/2 und von Zirkonoxid 'beziehungsweise von Zirkondioxid beträgt etwa 7-9 MPa·m1/2).Any metal bond suitable for bonding superabrasives and having a fracture toughness of 1.0 to 6.0 MPa m1/2, preferably 2.0 to 4.0 MPam1/2, may be used herein. Fracture toughness is the stress intensity factor at which a crack initiated in a material will propagate through the material and cause the material to fracture. Fracture toughness is expressed as K1C = (σf)(π1/2)(c1/2), where K1C is the fracture toughness, σf is the stress applied at fracture, and C is half the crack length. There are several methods that can be used to determine fracture toughness, and each includes an initial step of creating a crack of known dimension in the test material and then applying a stress load until the material fractures. The stress at fracture and the crack length are substituted into the equation and the fracture toughness is calculated. (For example, the fracture toughness of steel is about 30-60 MPa·m1/2, of aluminum oxide about 2-3 MPa·m1/2, of silicon nitride about 4-5 MPa·m1/2 and of Zirconia 'or zirconium dioxide is about 7-9 MPa·m1/2).

Um eine optimale Haltbarkeit der Scheibe und eine optimale Schleifleistung zu erreichen, sollte die Bindungsabtragungsrate gleich der oder etwas höher als die Abtragungsrate des Schleifkorns während Schleifvorgängen sein. Füllstoffe wie beispielsweise jene, die oben genannt werden, können der Metallbindung hinzugegeben werden, um die Scheibenabnutzungsrate zu verringern. Metallpulver, die dazu tendieren, eine relativ dichte Bindungsstruktur (das heißt weniger als 5 Volumen-% Porosität) zu bilden, sind bevorzugt, um während des Schleifens höhere Materialentfernungsraten zu erzielen.To achieve optimum wheel durability and grinding performance, the bond removal rate should be equal to or slightly higher than the abrasive grain removal rate during grinding operations. Fillers such as those mentioned above can be added to the metal bond to reduce the wheel wear rate. Metal powders that tend to form a relatively dense bond structure (i.e., less than 5 volume percent porosity) are preferred to achieve higher material removal rates during grinding.

Materialien, die in der Metallbindung des Randes nützlich sind, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Bronze, Kupfer und Zinklegierungen (Messing), Kobalt und Eisen sowie deren Legierungen und Mischungen hiervon. Diese Metalle können wahlweise mit Titan oder Titanhydrid oder einem anderen mit dem Superschleifmittel reaktiven (d. h. Aktivbindemittelkomponenten) Material verwendet werden, welches dazu fähig ist, eine chemische Carbid- oder Nitridbindung zwischen dem Korn und dem Bindemittel an der Oberfläche des Superschleifkorns unter den ausgewählten Sinterbedingungen zu bilden, um die Verbindungen zwischen Korn und Bindemittel zu festigen. Stärkere Korn/Bindemittel-Wechselwirkungen beschränken einen frühzeitigen Verlust an Korn sowie eine Beschädigung des Werkstücks und eine kürzere Lebenszeit des Werkstücks als Folge eines verfrühten Kornverlusts.Materials useful in the metal bond of the edge include, but are not limited to, bronze, copper and zinc alloys (brass), cobalt and iron, and their alloys and mixtures thereof. These metals can optionally be used with titanium or titanium hydride or another superabrasive reactive (i.e., active binder components) material capable of forming a carbide or nitride chemical bond between the grain and the binder at the surface of the superabrasive grain under the selected sintering conditions to strengthen the grain-binder bonds. Stronger grain/binder interactions limit premature grain loss, as well as workpiece damage and shorter workpiece life as a result of premature grain loss.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Schleifrands umfasst die Metall-Matrix 55 bis 89,95 Volumen-% des Rands, noch bevorzugter 60 bis 84,5 Volumen-%. Der zerbröckelnde Füllstoff umfasst 10 bis 35 Volumen-% des Schleifrands, vorzugsweise 15 bis 35 Volumen-%. Die Porosität der Metall-Matrix-Bindung sollte auf einem Maximum von 5 Volumen-% während der Herstellung des Schleifsegments gehalten werden. Die Metall- Bindung weist vorzugsweise eine Knoop-Härte von 2 bis 3 GPa auf.In a preferred embodiment of the grinding edge, the metal matrix comprises 55 to 89.95 volume percent of the edge, more preferably 60 to 84.5 volume percent. The crumbling filler comprises 10 to 35 volume percent of the grinding edge, preferably 15 to 35 volume%. The porosity of the metal matrix bond should be kept to a maximum of 5 volume% during the manufacture of the grinding segment. The metal bond preferably has a Knoop hardness of 2 to 3 GPa.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Schleitscheibe vom Typ 1A ist der Kern aus Aluminium hergestellt, und der Rand enthält eine Bronzebindung aus Kupfer- und Zinnpulvern (80/20 Gewichtsprozent), und, wahlweise, mit der Zugabe von 0,1 bis 3,0 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent Phosphor in Form eines Phosphor-/Kupferpulvers. Bei der Herstellung der Schleifsegmente werden die Metallpulver dieser Zusammensetzung mit Diamantschleifkorn der Körnungsnummer 100 bis 400 (160 bis 45 Mikron) gemischt, in Schleifrandsegmente geformt und im Bereich von 400 bis 550ºC bei 20 bis 33 MPa gesintert oder verdichtet, um einen dichten Schleifrand zu ergeben, vorzugsweise mit einer Dichte von mindestens 95% der theoretischen Dichte (das heißt mit nicht mehr als etwa 5 Volumen-% Porosität).In a preferred embodiment of a grinding wheel of type 1A, the core is made of aluminum and the rim contains a bronze bond of copper and tin powders (80/20 by weight), and, optionally, with the addition of 0.1 to 3.0 weight percent, preferably 0.1 to 1.0 weight percent, of phosphorus in the form of a phosphorus/copper powder. In the manufacture of the abrasive segments, the metal powders of this composition are mixed with diamond abrasive grain of grit number 100 to 400 (160 to 45 microns), formed into abrasive edge segments and sintered or compacted in the range of 400 to 550°C at 20 to 33 MPa to give a dense abrasive edge, preferably with a density of at least 95% of theoretical density (i.e. with no more than about 5% porosity by volume).

Bei einem typischen Ko-Sinter-Verfahren zur Herstellung einer Scheibe wird das Metallpulver des Kerns in eine Stahlform gegeben und bei 80 bis 200 kN (etwa 10 bis 50 MPa Druck) kaltgepresst, um ein Teil in Form eines Grünlings zu bilden, welcher eine Größe des etwa 1, 2 bis 1,6fachen der gewünschten Enddicke des Kerns aufweist. Das Grünlingkernteil wird in eine Graphitform gegeben, und eine Mischung des Schleifkorns (2 bis 300 Mikrometer Körnungsnummer) und der Metall-Bindungs- Pulvermischung wird dem Hohlraum zwischen dem Kern und dem äußeren Rand der Graphitform zugegeben. Ein Fixierring kann dazu dienen, das Schleifmittel und die Metallbindungspulver auf die selbe Dicke wie der Kernvorformling zu kompaktieren. Der Inhalt der Graphitform wird dann bei 370 bis 410ºC unter 20 bis 48 MPa Druck 6 bis 10 Minuten lang heißgepresst. Wie in der Technik bekannt, kann die Temperatur rampenartig erhöht werden (zum Beispiel von 25 auf 410ºC über 6 Minuten; über 15 Minuten auf 410ºC gehalten) oder allmählich erhöht werden, vor Druck auf den Inhalt der Form ausgeübt wird.In a typical co-sintering process for making a disk, the metal powder of the core is placed in a steel mold and cold pressed at 80 to 200 kN (about 10 to 50 MPa pressure) to form a green compact part having a size of about 1.2 to 1.6 times the desired final thickness of the core. The green compact core part is placed in a graphite mold and a mixture of the abrasive grain (2 to 300 microns grit number) and the metal bond powder mixture is added to the cavity between the core and the outer edge of the graphite mold. A fixation ring may serve to compact the abrasive and metal bond powders to the same thickness as the core preform. The contents of the graphite mold are then hot pressed at 370 to 410°C under 20 to 48 MPa pressure for 6 to 10 minutes. As in As is well known in the art, the temperature may be ramped up (for example, from 25 to 410ºC over 6 minutes; held at 410ºC for 15 minutes) or increased gradually before pressure is applied to the contents of the mold.

Anschließend an das Heißpressen wird die Graphitform von dem Teil abgenommen, das Teil wird gekühlt und das Teil wird durch herkömmliche Verfahren fertigbearbeitet, um einen Schleifrand zu erhalten, welcher die gewünschten Dimensionen und Toleranzen aufweist. Beispielsweise kann das Teil auf Maß unter Verwendung keramischer Schleifscheiben auf Schleifmaschinen oder Carbidschneidern auf einer Drehmaschine fertigbearbeitet werden.Following hot pressing, the graphite mold is removed from the part, the part is cooled, and the part is finished by conventional methods to obtain a grinding edge that has the desired dimensions and tolerances. For example, the part can be finished to size using ceramic grinding wheels on grinders or carbide cutters on a lathe.

Wenn der Kern und der Rand der Erfindung gemeinsam gesintert werden, ist eine Entfernung von nur wenig Material nötig, um dem Teil seine endgültige Form zu verleihen. Bei anderen Verfahren zur Bildung einer thermisch stabilen Verbindung zwischen dem Schleifrand und dem Kern kann eine maschinelle Bearbeitung sowohl des Kerns als auch des Rands nötig sein, bevor ein Zementier-, Verbindungs- oder Diffusionsschritt stattfindet, um eine geeignete Oberfläche zu gewährleisten, damit die Teile zusammenpassen und verbunden werden können.When the core and rim of the invention are sintered together, only a small amount of material is required to give the part its final shape. Other methods of forming a thermally stable bond between the grinding rim and the core may require machining of both the core and rim before a cementing, bonding or diffusion step takes place to ensure a suitable surface for the parts to fit and bond together.

Bei der Schaffung einer thermisch stabilen Verbindung zwischen dem Rand und dem Kern unter Verwendung segmentierter Schleifränder kann jedes thermisch stabile Haftmittel mit der Festigkeit, um Umfangsscheibengeschwindigkeiten von bis zu 160 m/Sek. zu widerstehen, verwendet werden. Thermisch stabile Haftmittel sind gegenüber Schleifverfahrenstemperaturen, welche in dem Bereich der Schleifsegmente weg von der Schleiffläche erwartet werden, stabil. Derartige Temperaturen liegen typischerweise im Bereich von etwa 50 bis 350ºC.In creating a thermally stable bond between the rim and the core using segmented grinding rims, any thermally stable adhesive with the strength to withstand peripheral wheel speeds of up to 160 m/sec can be used. Thermally stable adhesives are stable to grinding process temperatures expected in the region of the grinding segments away from the grinding surface. Such temperatures typically range from about 50 to 350ºC.

Die Haftmittelbindung sollte mechanisch sehr fest sein, um den destruktiven Kräften zu widerstehen, welche bei der Drehung des Schleifrade und während des Schleifvorgangs auftreten. Zweikomponenten-Epoxidharz-Bindemittel sind bevorzugt. Ein bevorzugtes Epoxid-Bindemittel, ein Technodyne® HT-18 Epoxidharz (erhalten von Taoka Chemicals, Japan) und der modifizierte Aminhärter hiervon können im Verhältnis von 100 Teilen Harz zu 19 Teilen Härter gemischt werden. Füllstoffe wie beispielsweise feines Silikapulver können in einem Verhältnis von 3,5 Teilen pro 100 Teilen Harz hinzugegeben werden, um die Bindemittelviskosität zu erhöhen. Segmente können um den gesamten Umfang der Schleifscheibenkerne oder einen Teilumfang des Kerns angebracht werden, und zwar mit dem Bindemittel. Die äußere Begrenzung der Metallkerne kann zum Erhalt eines Rauhigkeitsgrads vor der Anbringung der Segmente sandgestrahlt werden. Das verdickte Epoxid-Bindemittel wird an die Enden und den Boden der Segmente aufgebracht, welche, wie im Wesentlichen in Fig. 1 gezeigt, um den Kern angeordnet sind und während der Aushärtung mechanisch an Ort und Stelle gehalten werden. Man lässt das Epoxid-Bindemittel aushärten (beispielsweise bei Raumtemperatur über 24 Stunden, anschließend 48 Stunden bei 60ºC). Eine Entwässerung des Bindemittels während der Aushärtung und Bewegung der Segmente wird während der Aushärtung durch die Zugabe an ausreichendem Füllstoff minimiert, um die Viskosität des Epoxid-Bindemittels zu optimieren.The adhesive bond should be mechanically very strong to withstand the destructive forces encountered during wheel rotation and grinding. Two-part epoxy resin binders are preferred. A preferred epoxy binder, Technodyne® HT-18 epoxy resin (obtained from Taoka Chemicals, Japan) and the modified amine hardener thereof can be mixed in a ratio of 100 parts resin to 19 parts hardener. Fillers such as fine silica powder can be added in a ratio of 3.5 parts per 100 parts resin to increase the binder viscosity. Segments can be applied around the entire circumference of the grinding wheel cores or a partial circumference of the core with the binder. The perimeter of the metal cores can be sandblasted to obtain a roughness level prior to application of the segments. The thickened epoxy binder is applied to the ends and bottom of the segments, which are arranged around the core substantially as shown in Figure 1, and are mechanically held in place during curing. The epoxy binder is allowed to cure (e.g., at room temperature for 24 hours, followed by 48 hours at 60°C). Dewatering of the binder during curing and movement of the segments is minimized during curing by adding sufficient filler to optimize the viscosity of the epoxy binder.

Die Haftmittelbindefestigkeit kann durch Spintest bei einer Beschleunigung von 45 Umdrehungen/Min., wie dies zur Messung der Berstgeschwindigkeit der Scheibe geschieht, getestet werden. Die Scheiben zeigten Berstwerte entsprechend mindestens 271 m/s Tangential-Kontaktgeschwindigkeiten, um für den Betrieb unter derzeitig anwendbaren Sicherheitsstandards von 160 m/s Tangential-Kontaktgeschwindigkeit in den Vereinigten Staaten befähigt zu sein.The adhesive bond strength can be tested by spin testing at an acceleration of 45 rpm as used to measure the burst velocity of the disc. The discs demonstrated burst values corresponding to at least 271 m/s tangential contact velocities to be qualified for service under currently applicable safety standards of 160 m/s tangential contact velocity in the United States.

Die Schleifwerkzeuge der Erfindung sind insbesondere für Präzisionsschleifen und Fertigbearbeitung spröder Materialen gestaltet, wie beispielsweise weiterentwickelter keramischer Materialien, Glas und Komponenten enthaltend keramische Materialen und Keramikverbundmaterialien. Die Werkzeuge der Erfindung werden bevorzugt, um keramische Materialien zu schleifen, die folgendes umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind: Silicum, mono- und polykristalline Oxide, Carbide, Boride und Silicide; polykristallinen Diamant; Glas; und Composite von Keramik in einer nichtkeramischen Matrix; und Kombinationen hiervon. Beispiele für typische Werkstückmaterialien umfassen, sind aber nicht beschränkt auf AlTiC, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid, stabilisiertes Zirkonoxid, Aluminiumoxid (zum Beispiel Saphir), Borcarbid, Bornitrid, Titandidorid und Aluminiumnitrid und Composite dieser Keramiken sowie bestimmte Metall-Matrix-Composite wie beispielsweise Sinterkarbide und harte spröde amorphe Materialien wie beispielsweise Mineralglas beziehungsweise anorganisches Glas. Mit diesen verbesserten Schleifwerkzeugen können entweder Einzelkristallkeramiken oder polykristalline Keramiken geschliffen werden. Bei jeder Art von Keramik nimmt die Qualität des Keramikteils und die Wirksamkeit des Schleifvorgangs mit einer Erhöhung der Umfangsscheibengeschwindigkeit der Scheiben der Erfindung bis zu 80 bis 160 m/s zu.The grinding tools of the invention are particularly designed for precision grinding and finishing of brittle materials, such as advanced ceramic materials, glass, and components containing ceramic materials and ceramic composite materials. The tools of the invention are preferred for grinding ceramic materials including, but not limited to: silicon, mono- and polycrystalline oxides, carbides, borides and silicides; polycrystalline diamond; glass; and composites of ceramic in a non-ceramic matrix; and combinations thereof. Examples of typical workpiece materials include, but are not limited to, AlTiC, silicon nitride, silicon oxynitride, stabilized zirconia, aluminum oxide (e.g., sapphire), boron carbide, boron nitride, titanium didoride, and aluminum nitride, and composites of these ceramics, as well as certain metal matrix composites such as cemented carbides and hard brittle amorphous materials such as mineral glass or inorganic glass. These improved grinding tools can grind either single crystal ceramics or polycrystalline ceramics. For each type of ceramic, the quality of the ceramic part and the efficiency of the grinding process increase with an increase in the peripheral wheel speed of the wheels of the invention up to 80 to 160 m/s.

Zu den keramischen Teilen, die durch die Verwendung der Schleifwerkzeuge der Erfindung verbessert werden, zählen Keramikmotorventile und -stäbe, Pumpendichtungen, Kugellager und Anschlussstücke, Schneidwerkzeugeinsätze, Verschleißteile, Ziehwerkzeuge zur Metallformung, feuerbeständige Komponenten, Sichtanzeigenfenster, Flachglas für Windschutzscheiben, Türen und Fenster, Isolatoren und elektrische Teile und keramische elektronische Komponenten, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, Siliciumwafer, AlTiC-Chips, Lese-Schreib-Köpfe, magnetische Köpfe und Substrate.Ceramic parts improved by use of the abrasive tools of the invention include ceramic engine valves and rods, pump seals, ball bearings and fittings, cutting tool inserts, wear parts, drawing tools for metal forming, fire resistant components, display windows, flat glass for windshields, doors and windows, insulators and electrical parts and ceramic electronic components including, but not limited to silicon wafers, AlTiC chips, read-write heads, magnetic heads and substrates.

Wenn nicht anders angegeben, sind alle Teile und Prozentsätze in den folgenden Beispielen auf das Gewicht bezogen. Die Beispiele stellen die Erfindung nur dar und sind nicht darauf ausgerichtet, die Erfindung zu beschränken.Unless otherwise indicated, all parts and percentages in the following examples are by weight. The examples are illustrative of the invention only and are not intended to limit the invention.

Beispiel 1example 1

Erfindungsgemäße Schleifscheiben wurden in Form von Diamantscheiben mit Metall-Bindung vom Typ 1A1 unter Verwendung der unten beschriebenen Materialien und Verfahren hergestellt.Grinding wheels according to the invention were manufactured in the form of Type 1A1 metal bond diamond wheels using the materials and processes described below.

Eine Mischung aus 43,74 Gew.-% Kupferpulver (Dendritic FS Grad, Partikel-Größe +200/-325 Mesh, erhalten von Sintertech International Marketing Corp., Ghent, Nt; 6,24 Gew.-% Phospor/Kupfer-Pulver (Grad 1501, +100/-325 Mesh Partikel- Größe, erhalten von New Jersey Zinc Company, Palmerton, PA); und 50,02 Gew.-% Zinnpulver (Grad MD115, +325 Mesh, 0,5% Maximum, Partikelgröße, erhalten von Alcan Metal Powders, Inc., Elizabeth, New Jersey) wurde hergestellt. Diamantschleifkorn (synthetischer Diamant mit der Korngröße 320, erhalten von General Electric, Worthington, Ohio) wurde der Metallpulvermischung hinzu gegeben, und die Kombination wurde bis zur gleichmäßigen Vermischung gemischt.A mixture of 43.74 wt.% copper powder (Dendritic FS grade, particle size +200/-325 mesh, obtained from Sintertech International Marketing Corp., Ghent, Nt; 6.24 wt.% phosphorus/copper powder (Grade 1501, +100/-325 mesh particle size, obtained from New Jersey Zinc Company, Palmerton, PA); and 50.02 wt.% tin powder (Grade MD115, +325 mesh, 0.5% maximum, particle size, obtained from Alcan Metal Powders, Inc., Elizabeth, New Jersey) was prepared. Diamond abrasive grain (320 grit synthetic diamond, obtained from General Electric, Worthington, Ohio) was added to the metal powder mixture and the combination was mixed until uniformly blended.

Die Mischung wurde in eine Graphitform gegeben und bei 407ºC 15 Minuten lang bei 3000 psi (2073 N/cm²) heißgepresst, bis eine Matrix mit einer Zieldichte von über 95% der theoretischen gebildet wurde (zum Beispiel für die Scheibe #6 in Beispiel 2: > 98,5% der theoretischen Dichte). Die Rockwell-B-Härte der für die Scheibe #6 hergestellten Segmente betrug 108. Die Segmente enthielten 18,75 Volumen-% Schleifkorn. Die Segmente wurden auf die erforderliche bogenförmige Geometrie geschliffen, um mit der Peripherie eines maschinell bearbeiteten Aluminiumkerns (7075 T6 Aluminium, erhalten von Yarde Metals, Tewsbury, MA) zusammenzupassen, wobei sich eine Scheibe mit einem Außendurchmesser von etwa 393 mm und Segmenten von 0,62 cm Dicke ergab.The mixture was placed in a graphite mold and hot pressed at 407ºC for 15 minutes at 3000 psi (2073 N/cm2) until a matrix with a target density of over 95% of theoretical was formed (for example, for disc #6 in Example 2: > 98.5% of theoretical density). The Rockwell B hardness of the segments produced for disc #6 was 108. The segments contained 18.75 volume % Abrasive grain. The segments were ground to the required arcuate geometry to mate with the periphery of a machined aluminum core (7075 T6 aluminum, obtained from Yarde Metals, Tewsbury, MA), resulting in a disk with an outside diameter of approximately 393 mm and segments 0.62 cm thick.

Die Schleifsegmente und der Aluminiumkern wurden mit einem mit einem Silika gefüllten. Epoxid-Bindemittelsystem (Technodyne HT-18 Haftmittel, erhalten von Taoka Chemicals, Japan) zusammengebaut, um Schleifscheiben mit einem kontinuierlichen Rand bestehend aus mehreren Schleifsegmenten herzustellen. Die Kontaktoberflächen des Kerns und der Segmente wurden entfettet und sandgestrahlt, um eine geeignete Adhäsion zu gewährleisten.The abrasive segments and the aluminum core were assembled using a silica-filled epoxy binder system (Technodyne HT-18 adhesive, obtained from Taoka Chemicals, Japan) to produce grinding wheels with a continuous rim consisting of multiple abrasive segments. The contact surfaces of the core and segments were degreased and sandblasted to ensure proper adhesion.

Zur Kennzeichnung der Maximal-Betriebsgeschwindigkeit dieser neuen Scheibenart wurden Vollgrößenräder mit Absicht bis zur Zerstörung gedreht, um die Berstfestigkeit und die Nenn- Maximal-Betriebsgeschwindigkeit gemäß dem Verfahren zum Testen der Maximal-Betriebsgeschwindigkeit der Norton Company zu bestimmen. Die Tabelle unten fasst die Bersttestdaten für typische Beispiele der metallgebundenen Testscheiben mit 393 mm Durchmesser zusammen. Berstfestigkeits-Daten von Scheiben mit Metallbindung des Experiments To characterize the maximum operating speed of this new type of disc, full-size wheels were intentionally rotated to destruction to determine burst strength and rated maximum operating speed according to the Norton Company's Maximum Operating Speed Testing Procedure. The table below summarizes the burst test data for typical examples of the 393 mm diameter metal bonded test discs. Bursting strength data of metal bonded disks from the experiment

Gemäß dieser Daten ist bei den Schleifscheiben des Experiments, die diese Konstruktion aufweisen, eine Betriebsgeschwindigkeit von bis zu 90 m/s (17.717 Fuß/Min.) erlaubt. Höhere Betriebsgeschwindigkeiten von bis zu 160 m/s können mühelos durch einige weitere Modifikationen beim Herstellungsprozess und der Scheibenkonstruktionen erreicht werden.According to these data, the experimental grinding wheels using this design are allowed to operate at speeds of up to 90 m/s (17,717 ft/min). Higher operating speeds of up to 160 m/s can be easily achieved by making some further modifications to the manufacturing process and wheel designs.

Beispiel 2Example 2 Auswertung der SchleifleistungEvaluation of grinding performance

Drei metallgebundene Segmentscheiben des Experiments mit 393 mm Durchmesser, 15 mm Dicke, 127 mm zentraler Bohrung (15,5 in · 0,59 in · 5 in), die gemäß des Verfahrens von Beispiel 1 oben hergestellt wurden (#4 mit Segmenten mit einer Dichte von 95,6% der theoretischen, #5 mit 97,9% der theoretischen und #6 mit 98,5% theoretischer Dichte) wurden auf ihre Schleifleistung getestet. Der anfängliche Test bei 32 und 80 m/s ergab, dass Scheibe #6 die Scheibe mit der besten Schleifleistung aus den drei Scheiben war, auch wenn alle Scheiben des Experiments akzeptabel waren. Scheibe 46 wurde bei drei Geschwindigkeiten getestet: 32 m/s (6252 sfpm), 56 m/s (11.000 sfpm) und 80 m/s (15,750 sfpm). Zwei handelsübliche Schleifscheiben des Standes der Technik, die zum Schleifen weiterentwickelter Keramikmaterialien empfohlen werden, dienten als Kontrollscheiben und wurden zusammen mit den Scheiben der Erfindung getestet. Bei der einen handelte es sich um eine keramisch gebundene Diamantscheibe (SD320-N6V10- Scheibe, erhalten von Norton Company, Worcester, mm und bei der anderen um eine harzgebundene Diamantscheibe (SD320- R4BX61SC-Scheibe, erhalten von der Norton Company, Worcester, MA). Die Harzscheibe wurde bei allen drei Geschwindigkeiten getestet. Die keramische Scheibe wurde auf Grund von Geschwindigkeitstoleranz-Überlegungen nur bei 32 m/s (6252 sfpm) getestet.Three experimental metal bonded segment wheels of 393 mm diameter, 15 mm thickness, 127 mm central bore (15.5 in x 0.59 in x 5 in) manufactured according to the procedure of Example 1 above (#4 with segments having a density of 95.6% of theoretical, #5 with 97.9% of theoretical and #6 with 98.5% theoretical density) were tested for grinding performance. The initial test at 32 and 80 m/s showed that wheel #6 was the wheel with the best Grinding performance from the three wheels was acceptable, although all of the experimental wheels were acceptable. Wheel 46 was tested at three speeds: 32 m/s (6252 sfpm), 56 m/s (11,000 sfpm), and 80 m/s (15,750 sfpm). Two commercially available, state-of-the-art grinding wheels recommended for grinding advanced ceramic materials served as control wheels and were tested along with the wheels of the invention. One was a vitrified bonded diamond wheel (SD320-N6V10 wheel obtained from Norton Company, Worcester, MA) and the other was a resin bonded diamond wheel (SD320-R4BX61SC wheel obtained from Norton Company, Worcester, MA). The resin wheel was tested at all three speeds. The ceramic wheel was only tested at 32 m/s (6252 sfpm) due to speed tolerance considerations.

Über eintausend Profilschliffe von 6,35 mm (0,25 Inch) Breite und 6,35 mm (0,25 Inch) Tiefe wurden auf Siliciumnitrid- Werkstücken durchgeführt. Die Schleiftestbedingungen waren wie folgt:Over one thousand profile grinds of 6.35 mm (0.25 inch) width and 6.35 mm (0.25 inch) depth were made on silicon nitride workpieces. The grinding test conditions were as follows:

SchleiftestbedingungenGrinding test conditions

Maschine: Studer Grinder Model S40 CNCMachine: Studer Grinder Model S40 CNC

Scheibenspezifikationen: SD320-R4BX619C, SD320-N6V10,Disc specifications: SD320-R4BX619C, SD320-N6V10,

Größe: 393 mm Durchmesser, 15 mm Dicke und 127 mm Loch.Size: 393mm diameter, 15mm thickness and 127mm hole.

Scheibengeschwindigkeit: 32,56 und 80 m/s (6252, 11000 und 15750 sfpm)Disc speed: 32.56 and 80 m/s (6252, 11000 and 15750 sfpm)

Kühlmittel: Inversol 22 @60% Öl und 40% WasserCoolant: Inversol 22 @60% oil and 40% water

Kühlmitteldruck: 270 psi (19 kg/cm²)Coolant pressure: 270 psi (19 kg/cm²)

Materialentfernungsrate: variiert, beginnend bei 3,2 mm³/s/mm (0,3 in³/Min./in)Material removal rate: varies, starting at 3.2 mm³/s/mm (0.3 in³/min/in)

Arbeitsmaterial: Si&sub3;N&sub4; (Stangen hergestellt aus NT551 Siliciumnitrid, erhalten von Norton Advanced Ceramics, Northboro, Massachusetts) 25,4 mm (1 in) Durchmesser · 88,9 mm (3,5 in) langWorking material: Si₃N₄ (rods made of NT551 silicon nitride, obtained from Norton Advanced Ceramics, Northboro, Massachusetts) 25.4 mm (1 in) diameter · 88.9 mm (3.5 in) long

Arbeitsgeschwindigkeit: 0,21 m/s (42 sfpm), konstantWorking speed: 0.21 m/s (42 sfpm), constant

Durchmesser bei Arbeitsbeginn: 25,4 mm (1 Inch)Diameter at start of work: 25.4 mm (1 inch)

Durchmesser bei Arbeitsende: 6,35 mm (0,25 Inch)Diameter at working end: 6.35 mm (0.25 inch)

Für Vorgänge, bei denen ein Abrichten und eine Nachbearbeitung notwendig ist, waren die Bedingungen, die für die metallgebundenen Scheiben der Erfindung geeignet sind, wie folgt:For operations where dressing and finishing is necessary, the conditions suitable for the metal bonded wheels of the invention were as follows:

AbrichtvorgangDressing process

Scheibe: 5SG46IVS (erhalten von Norton Company)Disc: 5SG46IVS (obtained from Norton Company)

Scheibengröße: 152 mm Durchmesser (6 Inch)Disc size: 152 mm diameter (6 inches)

Scheibengeschwindigkeit: 3000 rpm (U/min); bei einem Verhältnis von +0,8 relativ zur SchleifscheibeWheel speed: 3000 rpm (rpm); at a ratio of +0.8 relative to the grinding wheel

Führung: 0,015 in (0,38 mm)Guide: 0.015 in (0.38 mm)

Kompensation: 0,0002 inCompensation: 0.0002 in

Nachbearbeitungsvorgang:Post-processing process:

Stab: 37C220H-KV (SiC)Rod: 37C220H-KV (SiC)

Art: Hand Stick Dressing (Handstabnachbearbeitung)Type: Hand Stick Dressing

Tests wurden in einer Zylinderaußendurchmesserprofilart beim Schleifen der Siliciumnitridstäbe durchgeführt. Um die beste Steifheit des Arbeitsmaterials während der Schleifens zu bewahren, wurden die 88,9 mm (3,5 in)-Proben in einem Futter gehalten, wobei ungefähr 31 mm (1-1/4 in) zum Schleifen freigelegt waren. Jede Reihe von Profilschleiftests begann am anderen Ende jedes Stabs. Zuerst machte die Scheibe eine 6,35 mm (1/4 Inch) breite und 3,18 mm (1/8 Inch) radiale Profiltiefe, um einen Test zu vervollständigen. Die Arbeitsrate in Umdrehungen je Minute (rpm) wurde dann wieder eingestellt, um den Verlust an Arbeitsgeschwindigkeit auf Grund eines reduzierten Arbeitsdurchmessers auszugleichen.Tests were conducted in a cylinder OD profile mode while grinding the silicon nitride rods. To maintain the best stiffness of the work material during grinding, the 88.9 mm (3.5 in) samples were held in a chuck with approximately 31 mm (1-1/4 in) exposed for grinding. Each series of profile grinding tests began at the other end of each rod. First, the wheel made a 6.35 mm (1/4 in) wide and 3.18 mm (1/8 in) radial profile depth to complete a test. The work rate in revolutions per minute (rpm) was then readjusted to compensate for the loss in work speed due to a reduced work diameter.

Noch zwei ähnliche Profilschliffe wurden an der gleichen Stelle ausgeführt, uni den Arbeitsdurchmesser von 25,4 nun (1 in) auf 6,35 mm (1/4 in) zu reduzieren. Anschließend wurde die Scheibe lateral 6,35 mm (1/4 in) näher zum Futter hin bewegt, um die nächsten 3 Profilschliffe auszuführen. Vier laterale Bewegungen wurden auf der gleichen Seite einer Probe ausgeführt, um die zwölf Profilschliffe an einem Ende einer Probe zu vervollständigen. Die Probe wurde anschließend umgedreht, um das andere Ende für weitere zwölf Schliffe freizulegen. Insgesamt wurden 24 Profilschliffe an jeder Probe durchgeführt.Two more similar profile grinds were made on the same location to reduce the working diameter from 1 in (25.4 mm) to 1/4 in (6.35 mm). The wheel was then moved laterally 1/4 in (6.35 mm) closer to the chuck to make the next 3 profile grinds. Four lateral movements were made on the same side of a sample to complete the twelve profile grinds on one end of a sample. The sample was then turned over to expose the other end for another twelve grinds. A total of 24 profile grinds were made on each sample.

Die Anfangsvergleichstests für die metallgebundenen Scheiben der Erfindung und die Harz- und keramischen Scheiben fanden bei 32 m/s Umfangsgeschwindigkeit bei drei Materialentfernungsraten (MRR') von etwa 3,2 mm³/s/mm (0,3 in³/Min/in) bis etwa 10,8 mm³/s/mm (1,0 in³/Min/in) statt. Tabelle 1 zeigt die Leistungsunterschiede, wie durch G- Verhältnisse angegeben, zwischen den drei verschiedenen Scheibenarten nach 12 Profilschliffen. Das G-Verhältnis ist das einheitenlose Verhältnis des Volumens an entferntem Material zum Volumen der Scheibenabnutzung. Die Daten zeigten, dass die keramische Scheibe Grad N bessere G-Verhältnisse als die Harzscheibe Grad R bei den höheren Materialentfernungsraten aufwies, woraus man annehmen kann, dass eine weichere Scheibe beim Schleifen eines keramischen Werkstücks eine bessere Leistung erbringt. Die härtere metallgebundende Scheibe (#6) des Experiments war jedoch weitaus besser als die Harzscheibe und die keramische Scheibe bei allen Materialentfernungsraten.The initial comparison tests for the metal bonded wheels of the invention and the resin and ceramic wheels were conducted at 32 m/s peripheral speed at three material removal rates (MRR') from about 3.2 mm3/s/mm (0.3 in3/min/in) to about 10.8 mm3/s/mm (1.0 in3/min/in). Table 1 shows the performance differences, as indicated by G-ratios, between the three different wheel types after 12 profile grinds. The G-ratio is the unitless ratio of the volume of material removed to the volume of wheel wear. The data showed that the Grade N ceramic wheel had better G-ratios than the Grade R resin wheel at the higher material removal rates, suggesting that a softer wheel will perform better when grinding a ceramic workpiece. However, the harder metal bonded wheel (#6) of the experiment was far better than the resin wheel and the ceramic wheel at all material removal rates.

Tabelle 1 zeigt die veranschlagten G-Verhältnisse für die Harzscheibe und die neue metallgebundene Scheibe (#6) bei allen Materialentfernungsratenbedingungen. Da sich nach zwölf Schliffen bei jeder Materialentfernungsrate für die metallgebundene Scheibe keine messbare Scheibenabnutzung ergab, wurde ein symbolischer Wert von 0,01 Mil (0,25 um) Radialscheibenabnutzung für jeden Schliff genommen. Dies ergab das berechnete G-Verhältnis von 6051.Table 1 shows the estimated G-ratios for the resin wheel and the new metal bonded wheel (#6) at all material removal rate conditions. Since after twelve grinds at each material removal rate for the metal bonded wheel did not give measurable wheel wear, a symbolic value of 0.01 mil (0.25 µm) radial wheel wear was taken for each grind. This gave the calculated G-ratio of 6051.

Obwohl die metallgebundene Scheibe der Erfindung eine Diamantkonzentration von 75 enthielt (etwa 18,75 Volumen-% Schleifkorn im Schleifsegment) und die Harz- und keramischen Scheiben eine Konzentration von 100 beziehungsweise 150 aufwiesen (25 Volumen-% beziehungsweise 37,5 Volumen-%), zeigte die Scheibe der Erfindung immer noch eine bessere Schleifleistung. Bei diesen relativen Kornkonzentrationen würde man von den Kontrollscheiben mit einem höheren Volumenprozentsatz an Schleifkorn eine bessere Schleifleistung erwarten. Daher waren diese Ergebnisse unerwartet.Although the metal bonded wheel of the invention contained a diamond concentration of 75 (about 18.75 volume percent abrasive grain in the grinding segment) and the resin and ceramic wheels had a concentration of 100 and 150, respectively (25 volume percent and 37.5 volume percent, respectively), the wheel of the invention still demonstrated better grinding performance. At these relative grain concentrations, one would expect better grinding performance from the control wheels with a higher volume percent abrasive grain. Therefore, these results were unexpected.

Tabelle 1 zeigt die Oberflächenbeschaffenheits- (Ra) und Welligkeits- (Wt)-Daten, welche an Proben gemessen wurden, welche mit den drei Scheiben bei der geringen Testgeschwindigkeit geschliffen wurden. Der Welligkeitswert, Wt, ist die Maximal-Spitze-zu-Tal-Höhe des Welligkeitsprofils. Alle Daten zur Oberflächenbeschaffenheit wurden an Oberflächen gemessen, die durch Zylinderprofilschleifen ohne Ausfunken geschaffen wurden. Diese Oberflächen sind normalerweise rauer als Oberflächen, die durch Transversalschleifen geschaffen wurden.Table 1 shows the surface finish (Ra) and waviness (Wt) data measured on samples ground with the three wheels at the low test speed. The waviness value, Wt, is the maximum peak-to-valley height of the waviness profile. All surface finish data were measured on surfaces created by cylindrical profile grinding without sparking. These surfaces are typically rougher than surfaces created by transverse grinding.

Tabelle 1 zeigt den Unterschied des Schleifenergieverbrauchs bei verschiedenen Materialentfernungsraten für die drei Scheibenarten. Die Harzscheibe wies einen niedrigeren Energieverbrauch als die anderen beiden Scheiben auf; die metallgebundene Scheibe des Experiments und die keramische Scheibe zeigten jedoch einen vergleichbaren Energieverbrauch. Die Scheibe des Experiments nahm eine akzeptable Menge an Energie für Keramikschleifvorgänge auf, insbesondere im Hinblick auf die bei den Scheiben der Erfindung beobachteten vorteilhaften Daten für das G-Verhältnis und die Oberflächenbeschaffenheit. Im Allgemeinen zeigten die Scheiben der Erfindung eine Leistungsaufnahme proportional zu den Materialentfernungsraten. Tabelle 1 Table 1 shows the difference in grinding energy consumption at different material removal rates for the three types of wheels. The resin wheel had a lower energy consumption than the other two wheels; however, the experimental metal bonded wheel and the ceramic wheel showed comparable energy consumption. The experimental wheel consumed an acceptable amount of energy for ceramic grinding operations, especially in the In view of the favorable G-ratio and surface finish data observed with the wheels of the invention. In general, the wheels of the invention demonstrated power consumption proportional to the material removal rates. Table 1

Beim Messen der Schleifleistung bei 80 m/s (15.750 sfpm) in einem zusätzlichen Schleiftest unter den selben Bedingungen wiesen die Harzscheibe und die Metallscheibe des Experiments einen vergleichbaren Energieverbrauch bei einer Materialentfernungsrate (MRR) von 9,0 mm³/s/mm (0,8 in³/Min/in) auf. Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurden die Scheiben des Experiments bei zunehmenden Materialentfernungsraten ohne einen Leistungsverlust oder nicht akzeptable Strombelastungen betrieben. Die Leistungsaufnahme der metallgebundenen Scheibe war in etwa proportional zur Materialentfernungsrate. Die höchste in dieser Studie erzielte Materialentfernungsrate betrug 47,3 mm³/s/mm (28,4 cm³/Min/cm).When measuring grinding performance at 80 m/s (15,750 sfpm) in an additional grinding test under the same conditions, the experimental resin wheel and metal wheel exhibited comparable energy consumption at a material removal rate (MRR) of 9.0 mm³/s/mm (0.8 in³/min/in). As shown in Table 2, the experimental wheels operated at increasing material removal rates without a loss of performance or unacceptable current loads. The power consumption of the metal bonded wheel was approximately proportional to the material removal rate. The highest material removal rate achieved in this study was 47.3 mm³/s/mm (28.4 cc/min/cm).

Die Daten von Tabelle 2 sind Durchschnittswerte von 12 Schleifdurchgängen. Die einzelnen Werte in Bezug auf die Energie blieben für die Scheibe des Experiments innerhalb jeder Materialentfernungsrate bei jedem der zwölf Durchgänge bemerkenswert konsistent. Normalerweise würde man eine Energiezunahme erwarten, wenn aufeinanderfolgende Schleifdurchgänge ausgeführt werden und die Schleifkörner in der Scheibe allmählich stumpf werden oder die Fläche der Scheibe mit Werkstückmaterial beladen wird. Dies wird oft beobachtet, wenn die Materialentfernungsrate erhöht wird. Jedoch zeigen die konstanten Leistungsverbrauchsniveaus, welche innerhalb jeder MRR während der zwölf Schleifvorgänge beobachtet wurden, unerwarteterweise, dass die Scheibe des Experiments ihre scharfen Schnittpunkte während der gesamten Länge des Tests bei allen Materialentfernungsraten beibehielt.The data of Table 2 are averages of 12 grinding passes. The individual values in terms of energy remained remarkably consistent for the experimental wheel within each material removal rate for each of the twelve passes. Normally, one would expect an increase in energy as successive grinding passes are performed and the abrasive grains in the wheel gradually become dull or the face of the wheel becomes loaded with workpiece material. This is often observed as the material removal rate is increased. However, the consistent power consumption levels observed within each MRR during the twelve grinding passes unexpectedly indicate that the experimental wheel maintained its sharp cut points throughout the entire length of the test at all material removal rates.

Des Weiteren war es während dieses gesamten Tests mit Materialentfernungsraten im Bereich von 9,0 mm³/s/mm (0,8 in³/Min/in) bis 47,3 mm³/s/mm (4,4 in³/Min/in) nicht notwendig, die Scheibe des Experiments abzurichten oder nachzubearbeiten.Furthermore, during this entire test, with material removal rates ranging from 9.0 mm³/s/mm (0.8 in³/min/in) to 47.3 mm³/s/mm (4.4 in³/min/in), it was not necessary to dress or rework the experimental disk.

Die gesamte kumulative Menge an Siliciumnitridmaterial, die ohne nachgewiesene Scheibenabnutzung geschliffen wurde, entsprach 271 cm³ pro cm (42 in³ pro Inch) Scheibenbreite. Im Gegensatz dazu betrug das G-Verhältnis für die Harzscheibe mit einer Konzentration von 100 bei 8,6 mm³/s/mm (0,8 in³/Min/in) Materialentfernungsrate etwa 583 nach zwölf Profilschliffen. Das Rad der Erfindung zeigte keine messbare Scheibenabnutzung nach 168 Profilschliffen bei 14 verschiedenen Materialentfernungsraten.The total cumulative amount of silicon nitride material ground without any disc wear was equal to 271 cm3 per cm (42 in3 per inch) of disc width. In contrast, the G-ratio for the resin disc with a concentration of 100 at 8.6 mm3/s/mm (0.8 in3/min/in) material removal rate was about 583 after twelve profile grinds. The wheel of the invention showed no measurable disc wear after 168 profile grinds at 14 different material removal rates.

Tabelle 2 zeigt, dass die mit der metallgebundenen Scheibe des Experiments geschliffenen Proben bei allen 14 Materialentfernungsraten konstante Oberflächenbeschaffenheiten zwischen 0,4 um (16 uin) und 0,5 um (20 uin) aufrechterhielten und Welligkeitswerte zwischen 1,0 um (38 uin) und 1,7 um (67 uin) aufwiesen. Die Harzscheibe wurde bei diesen hohen Materialentfernungsraten nicht getestet. Jedoch wiesen die Keramikstäbe, die mit der Harzscheibe geschliffen wurden, bei etwa 8,6 mm³/s/mm (0,8 in³/Min/in) etwas bessere aber vergleichbare Oberflächenbeschaffenheiten auf (0,43 versus 0,5 um) und zeigten eine schlechtere Welligkeit (1,73 versus 1,18 um).Table 2 shows that the samples ground with the metal-bonded wheel of the experiment showed a Material removal rates maintained consistent surface finishes between 0.4 um (16 uin) and 0.5 um (20 uin) and exhibited waviness values between 1.0 um (38 uin) and 1.7 um (67 uin). The resin wheel was not tested at these high material removal rates. However, the ceramic rods ground with the resin wheel had slightly better but comparable surface finishes (0.43 versus 0.5 um) at approximately 8.6 mm³/s/mm (0.8 in³/min/in) and exhibited poorer waviness (1.73 versus 1.18 um).

Überraschenderweise gab es keine offensichtlichen Verschlechterungen in der Oberflächenbeschaffenheit, wenn die Keramikstäbe mit der neuen metallgebundenen Scheibe geschliffen wurden, wenn die Materialentfernungsrate zunahm. Dies steht im Gegensatz zu der allgemeinhin beobachteten Verschlechterung der Oberflächenbeschaffenheit mit einer Zunahme der Schneidraten bei Standardscheiben, wie beispielsweise der hierin verwendeten Kontrollscheiben.Surprisingly, there was no obvious deterioration in surface finish when the ceramic rods were ground with the new metal bonded wheel as the material removal rate increased. This is in contrast to the generally observed deterioration in surface finish with an increase in cutting rates with standard wheels, such as the control wheels used herein.

Die Gesamtergebnisse zeigen, dass die Metallscheibe des Experiments in der Lage war, effektiv bei einer MRR zu schleifen, welche über 5 mal so hoch wie die MRR war, welche mit einer kommerziell verwendeten harzgebundenen Standardscheibe erreichbar ist. Die Scheibe der Erfindung hatte ein über 10 mal so hohes G-Verhältnis im Vergleich zur Harzscheibe bei den niedrigeren Materialentfernungsraten. Tabelle 2 14 MRRs, getestet bei 80 m/s Scheibengeschwindigkeit The overall results indicate that the experimental metal wheel was able to grind effectively at an MRR that was over 5 times the MRR achievable with a standard commercially used resin bonded wheel. The wheel of the invention had a G-ratio over 10 times higher than the resin bonded wheel at the lower material removal rates. Table 2 14 MRRs tested at 80 m/s disc speed

Bei einem Betrieb bei Scheibengeschwindigkeiten von 32 m/s (6252 sfpm) und 56 m/s (11.000 sfpm) (Tabelle 1) war der Energieverbrauch bei all den getesteten Materialentfernungsraten für die metallgebundene Scheibe höher als jener der Harzscheibe. Jedoch wurde der Energieverbrauch für die metallgebundene Scheibe bei der hohen Scheibengeschwindigkeit von 80 m/s (15.750 sfpm) (Tabellen 1 und 2) vergleichbar oder etwas geringer als jener der Harzscheibe. Insgesamt zeigte die Tendenz, dass der Energieverbrauch sowohl für die Harzscheibe und die metallgebundene Scheibe des Experiments mit zunehmender Scheibengeschwindigkeit abnahm, wenn bei einer gleichen Materialentfernungsrate geschliffen wurde. Der Energieverbrauch während des Schleifens, wobei eine beträchtliche Menge hiervon als Wärme an das Werkstück geht, ist beim Schleifen von Keramikmaterialien weniger wichtig als beim Schleifen von metallischen Materialien, was auf die größere thermische Stabilität der Keramikmaterialien zurückzuführen ist. Wie durch die Oberflächenqualität der Keramikproben, welche mit den Scheiben der Erfindung geschliffen wurden, gezeigt, beeinträchtigte der Energieverbrauch das fertiggestellte Stück nicht, und er befand sich auf einem akzeptablen Niveau.When operated at wheel speeds of 32 m/s (6252 sfpm) and 56 m/s (11,000 sfpm) (Table 1), the energy consumption for the metal bonded wheel was higher than that of the resin wheel at all of the material removal rates tested. However, at the high wheel speed of 80 m/s (15,750 sfpm) (Tables 1 and 2), the energy consumption for the metal bonded wheel became comparable or slightly lower than that of the resin wheel. Overall, the trend showed that the energy consumption for both the resin wheel and the metal bonded wheel in the experiment decreased with increasing wheel speed when grinding at the same material removal rate. The energy consumption during grinding, with a A significant amount of this is transferred to the workpiece as heat, is less important in grinding ceramic materials than in grinding metallic materials, due to the greater thermal stability of the ceramic materials. As demonstrated by the surface quality of the ceramic samples ground with the wheels of the invention, the energy consumption did not affect the finished piece and was at an acceptable level.

Bei der metallgebundenen Scheibe des Experiments war das G- Verhältnis im Wesentlichen bei 6051 bei allen Materialentfernungsraten und Scheibengeschwindigkeiten konstant. Bei der Harzscheibe nahm das G-Verhältnis mit zunehmenden Materialentfernungsraten bei jeder konstanten Scheibengeschwindigkeit ab.For the metal-bonded disk of the experiment, the G-ratio was essentially constant at 6051 for all material removal rates and disk speeds. For the resin disk, the G-ratio decreased with increasing material removal rates at each constant disk speed.

Tabelle 2 zeigt die Verbesserung bei den Oberflächenbeschaffenheiten und der Welligkeit bei geschliffenen Proben bei einer höheren Scheibengeschwindigkeit. Außerdem zeigten die mit der neuen metallgebundenen Scheibe geschliffenen Proben die niedrigste gemessene Welligkeit unter allen Scheibengeschwindigkeiten und Materialabtragungsraten, welche getestet wurden.Table 2 shows the improvement in surface finishes and waviness of ground samples at higher wheel speeds. In addition, samples ground with the new metal bonded wheel showed the lowest measured waviness of all wheel speeds and material removal rates tested.

Bei diesem Test zeigte die metallgebundene Scheibe eine bessere Scheibenhaltbarkeit im Vergleich zu den Kontrollscheiben. Im Gegensatz zu den handelsüblichen Kontrollscheiben war es nicht nötig, die Scheiben des Experiments bei den erweiterten Schleiftests abzurichten und nachzubearbeiten. Die Scheibe des Experiments wurde bei Scheibengeschwindigkeiten von bis zu 90 m/s erfolgreich betrieben.In this test, the metal-bonded wheel showed better wheel durability compared to the control wheels. In contrast to the commercially available control wheels, it was not necessary to dress and rework the experimental wheels in the extended grinding tests. The experimental wheel was successfully operated at wheel speeds of up to 90 m/s.

Beispiel 3Example 3

In einem nachfolgenden Schleiftest der Scheibe des Experiments (#6) bei 80 m/Sek. unter den selben Betriebsbedingungen wie jenen in dem vorherigen Beispiel wurde eine MRR von 380 cm³/Min/cm erreicht, wobei eine Messung der Oberflächenbeschaffenheit (Ra) von nur 0,5 um (12 uin) erzeugt wurde und ein akzeptables Energieniveau gebraucht wurde. Die beobachtete hohe Materialentfernungsrate ohne die Oberfläche des keramischen Werkstücks zu beschädigen, die durch den Gebrauch des Werkzeugs der Erfindung erreicht wurde, wurde noch für überhaupt keinen Schleifvorgang eines keramischen Materials mit irgendeiner handelsüblichen Schleifscheibe irgendeiner Bindungsart angegeben.In a subsequent grinding test of the Experimental Wheel (#6) at 80 m/sec under the same operating conditions as those in the previous example, an MRR of 380 cc/min/cm was achieved, producing a surface finish (Ra) measurement of only 0.5 µm (12 uin) and using an acceptable level of energy. The observed high rate of material removal without damaging the surface of the ceramic workpiece achieved by using the tool of the invention has never been reported for any grinding operation of a ceramic material with any commercially available grinding wheel of any bond type.

Beispiel 4Example 4

Ein tassenförmiges Schleifwerkzeug wurde geschaffen und für das Schleifen von Saphir auf einer Vertikalspindelmaschine vom "Blanchard-Typ" getestet.A cup-shaped grinding tool was created and tested for grinding sapphire on a vertical spindle machine of the "Blanchard type".

Eine tassenförmige Scheibe (Durchmesser = 250 mm) wurde aus Schleifsegmenten hergestellt, welche mit jenen in der Zusammensetzungen identisch waren, welche in Beispiel 1, Scheibe #6, verwendet wurden, mit der Ausnahme, dass (1) der Diamant eine Korngröße von 45 Mikron (U.S. Mesh 270/325) aufwies und in den Schleifsegmenten mit 12,5 Volumen-% (50 Konzentration) vorhanden war und (2) die Segmentgrößen eine Sehnenlänge von 46,7 mm (133,1 mm Radius), eine Breite von 4,76 mm und eine Tiefe von 5,84 mm aufwiesen. Diese Segmente wurden entlang der Peripherie einer Seitenoberfläche eines tassenförmigen Stahlkerns mit einer zentralen Spindelbohrung verbunden. Die Oberfläche des Kerns wies entlang der Peripherie Rinnen auf, wodurch einzelne, flache Taschen mit den selben Breiten- und Längendimensionen wie jener der Segmente gebildet wurden. Ein Epoxid-Bindemittel (Technodyne HT-18 Bindemittel, erhalten von Taoka, Japan) wurde den Taschen und den Segmenten, welche in die Taschen eingesetzt wurden, zugegeben, und man lies das Haftmittel aushärten. Die fertiggestellte Scheibe ähnelte der in Fig. 2 gezeigten Scheibe.A cup-shaped wheel (diameter = 250 mm) was made from abrasive segments identical in composition to those used in Example 1, Wheel #6, except that (1) the diamond had a grain size of 45 microns (US mesh 270/325) and was present in the abrasive segments at 12.5 volume percent (50 concentration) and (2) the segment sizes were chord length of 46.7 mm (133.1 mm radius), width of 4.76 mm, and depth of 5.84 mm. These segments were bonded along the periphery of a side surface of a cup-shaped steel core to a central spindle bore. The surface of the core had grooves along the periphery, creating individual, shallow pockets with the same width and length dimensions as those of the Segments were formed. An epoxy binder (Technodyne HT-18 binder, obtained from Taoka, Japan) was added to the pockets and the segments inserted into the pockets and the adhesive was allowed to cure. The finished disk resembled the disk shown in Fig. 2.

Die Schleiftasse wurde erfolgreich zum Schleifen der Oberfläche eines Arbeitsmaterials bestehend aus einem festen Saphirzylinder mit 100 nun Durchmesser eingesetzt, wobei sich eine akzeptable Oberflächenflachheit unter vorteilhaften Schleifbedingungen in Bezug auf das G-Verhältnis, die MRR und den Energieverbrauch ergab.The cup wheel was successfully used to grind the surface of a work material consisting of a solid sapphire cylinder of 100 mm diameter, yielding an acceptable surface flatness under favorable grinding conditions in terms of G-ratio, MRR and energy consumption.

Beispiel 5Example 5

Tassenförmige Schleifwerkzeuge vom Typ 2A2 (280 mm Durchmesser), die zum Abschleifen von AlTiC- oder Siliciumwafern geeignet sind, wurden mit den in Tabelle 3 unten beschriebenen Schleifsegmenten hergestellt. Außer wie unten angegeben wiesen die Segmente Größen von 139,3 mm Radiuslänge, 3,13 mm Breite und 5,84 mm Tiefe auf. Diamantschleifmittel mit Bindungs-Batch-Mischungen ausreichend zur Herstellung von 16 Segmenten pro Scheibe in den in Tabelle 3 gegebenen Proportionen wurden hergestellt, indem die gewogenen Komponenten durch ein 140/170 U.S. Mesh-Sieb gesiebt wurden und die Komponenten gemischt wurden, um sie gleichmäßig zu vermischen. Das für jedes Segment benötigte Pulver wurde gewogen, in eine Graphitform gegeben, nivelliert und kompaktiert. Die Graphitsegmentformen wurden bei 405ºC 15 Minuten lang bei 3000 psi (2073 N/cm²) heißgepresst. Nach dem Abkühlen wurden die Segmente aus der Form entfernt.Type 2A2 cup grinding tools (280 mm diameter) suitable for grinding AlTiC or silicon wafers were prepared using the grinding segments described in Table 3 below. Except as noted below, the segments had sizes of 139.3 mm radius length, 3.13 mm width, and 5.84 mm depth. Diamond abrasives with bond batch mixtures sufficient to produce 16 segments per wheel in the proportions given in Table 3 were prepared by sieving the weighed components through a 140/170 U.S. mesh screen and mixing the components to evenly blend them. The powder required for each segment was weighed, placed in a graphite mold, leveled, and compacted. The graphite segment molds were hot pressed at 405ºC for 15 minutes at 3000 psi (2073 N/cm2). After cooling, the segments were removed from the mold.

Der Zusammenbau einer Scheibe durch das Anhaften der Segmente auf einen maschinell bearbeiteten 7075 T6 Aluminiumkern erfolgte wie in Beispiel 1. Die Segmente wurden entfettet, sandgestrahlt, mit Haftmittel beschichtet und in Hohlformen gesetzt, welche so maschinell bearbeitet sind, dass sie der Scheibenperipherie entsprechen. Nach dem Aushärten des Haftmittels wurde die Scheibe auf Maß maschinell bearbeitet, ausgeglichen und geschwindigkeitsgetestet. Tabelle 3 Bindungszusammensetzung Tabelle 4 Schleifsegmentzusammensetzung Volumen-% Assembling a disc by adhering the segments to a machined 7075 T6 aluminum core was carried out as in Example 1. The segments were degreased, sandblasted, coated with adhesive and placed in molds which were machined to conform to the disk periphery. After the adhesive had cured, the disk was machined to size, leveled and speed tested. Table 3 Bond composition Table 4 Grinding segment composition volume %

a. Das gesamte in den Segmenten verwendete Diamantkorn hatte eine Korngröße von 325 Mesh (49 Mikrometer), mit Ausnahme von Probe (1), bei welcher das Korn 270 Mesh (57 Mikrometer) aufwies. Die Diamantkonzentrationsniveaus sind unter dem Volumen-%-Wert Diamant angegeben.a. All diamond grain used in the segments had a grain size of 325 mesh (49 microns), except for sample (1) where the grain was 270 mesh (57 microns) Diamond concentration levels are given below the volume % diamond value.

b. Die Porosität wurde aus der Beobachtung der Mikrostruktur der Segmente eingeschätzt. Auf Grund der Bildung von intermetallischen Legierungen war die Dichte der Testproben oft größer als die theoretische Dichte von in den Segmenten verwendeten Materialien.b. Porosity was estimated from observation of the microstructure of the segments. Due to the formation of intermetallic alloys, the density of the test samples was often greater than the theoretical density of materials used in the segments.

Beispiel 6Example 6 SchleifleistungsbewertungGrinding performance evaluation

Proben mit 280 mm Durchmesser, 29,3 mm Dicke, 228,6 mm Zentralbohrung, (11 in · 1,155 in · 9 in), niedriger Diamantkonzentration, von graphitgefüllten Segmentscheiben des Experiments, welche gemäß Beispiel 5 hergestellt wurden, wurden auf ihre Schleifleistung getestet. Die Leistung dieser Proben wurde mit jener der Kontrollabschleifscheibe von Beispiel 5 verglichen, welche mit der Hoch-(Konzentration 75) -diamantschleifsegmentzusantmensetzung von Beispiel 1 (Scheibe #6) ohne Graphitfüllstoff hergestellt wurde.280 mm diameter, 29.3 mm thick, 228.6 mm center bore (11 in x 1.155 in x 9 in), low diamond concentration samples of experimental graphite-filled segment wheels made according to Example 5 were tested for grinding performance. The performance of these samples was compared to that of the control grinding wheel of Example 5 made with the high (75 concentration) diamond grinding segment composition of Example 1 (wheel #6) without graphite filler.

über 70 Schliffe, jeder 114,3 mm (4, 5 Inch) breit und 1,42 mm (0,056 Inch) tief, wurden an AlTiC-Werkstücken (AlTiC Grad 210, erhalten von 3 M Corporation, Minneapolis, MN) mit entweder 4,5 in (114,3 mm) oder 6,0 in (152,4 mm) Quadratdimensionen ausgeführt, und die Mikron an entferntem Material und die Normalschleifkraft wurden aufgezeichnet. Die Schleiftestbedingungen waren wie folgt:Over 70 cuts, each 114.3 mm (4.5 inches) wide and 1.42 mm (0.056 inches) deep, were made on AlTiC workpieces (AlTiC Grade 210, obtained from 3 M Corporation, Minneapolis, MN) of either 4.5 in (114.3 mm) or 6.0 in (152.4 mm) square dimensions, and the microns of material removed and the normal grinding force were recorded. The grinding test conditions were as follows:

SchleiftestbedingungenGrinding test conditions

Maschine: Strasbaugh Grinder Model 7AFMachine: Strasbaugh Grinder Model 7AF

Schleifart: VertikalspindelprofilschleifenGrinding type: Vertical spindle profile grinding

Scheibenspezifikationen: 280 mm Durchmesser, 29,3 mm Dicke und 229 mm LochDisc specifications: 280 mm diameter, 29.3 mm thickness and 229 mm hole

Scheibengeschwindigkeit: 1.200 rpm (Umdrehungen pro Minute)Disc speed: 1,200 rpm (revolutions per minute)

Arbeitsgeschwindigkeit: 19 rpm (Umdrehungen pro Minute)Working speed: 19 rpm (revolutions per minute)

Kühlmittel: Deionisiertes WasserCoolant: Deionized water

Materialentfernungsrate: Variiert, 1,0 Mikron/Sek. bis 5,0 Mikron/Sek.Material removal rate: Varies, 1.0 micron/sec to 5.0 micron/sec

Die Scheiben wurden mit einem 6 Inch (152,4 mm) großen Nachbehandlungskissen der Spezifikation 38A240-HVS dress pad (Nachbehandlungskissen), erhalten von Norton Company, Worcester, MA, abgerichtet und nachbearbeitet. Nach dem anfänglichen Vorgang wurde das Abrichten und die Nachbearbeitung periodisch wie benötigt und bei Änderung von Tiefenvorschubraten durchgeführt.The wheels were dressed and refinished using a 6 inch (152.4 mm) dress pad, specification 38A240-HVS, obtained from Norton Company, Worcester, MA. After the initial operation, dressing and refinishing were performed periodically as needed and when depth feed rates were changed.

Die Ergebnisse des Schleiftests (Normalkraft versus entferntes Material) für Beispiel 5, Beispiele 2,4 und 1 sind in Tabelle 5 unten und in Fig. 3 gezeigt. Tabelle 5 Normalschleifkraftwert versus entferntes Material The grinding test results (normal force versus material removed) for Example 5, Examples 2,4 and 1 are shown in Table 5 below and in Fig. 3. Table 5 Normal grinding force value versus removed material

a. 2a ist Probe 2 von Tabelle 3 mit einer Schleifsegmentrandbreite von 3,13 mm.a. 2a is sample 2 of Table 3 with a grinding segment edge width of 3.13 mm.

b. 2b ist Probe 2 von Tabelle 3 mit einer Schleifsegmentrandbreite von 2,03 mm.b. 2b is sample 2 of Table 3 with a grinding segment edge width of 2.03 mm.

Diese Ergebnisse zeigen, dass eine bedeutende Zunahme der Normalkraft nötig war, um größere Mengen an Material bei höheren MRRs zu entfernen (im Bereich von 1 zu 3 bis 5 Mikron/Sek. MRR), wenn mit der Kontrollscheibenprobe ohne Graphitfüllstoff und einem Diamantschleifmittel Konzentration 75 Oberflächen geschliffen wurden. Im Gegensatz dazu benötigten die graphitgefüllten Scheiben von Beispiel 5 der Erfindung mit der niedrigen Diamantkonzentration (Proben 2a, 2b und 4) bedeutend weniger Normalkraft während des Schleifens. Die Kraft, die zur Entfernung einer äquivalenten Menge an Material bei einer MRR von 2 Mikron/Sekunde für die Scheibe der Erfindung nötig war, entsprach jener, die bei einer MRR von 1 Mikron/Sekunde für die Vergleichsscheibenprobe nötig war. Außerdem benötigten die Proben der Scheibe 2a etwa gleiche Normalkräfte, um bei entweder einer MRR-Rate von 1 Mikron/Sekunde oder einer MRR von 2 Mikron/Sekunde zu schleifen. Die erfindungsgemäßen Scheiben 2a, 2b und 4 von Beispiel 5 zeigten ebenso einen relativ stabilen Normalkraftbedarf, als die Menge an geschliffenem Material von 200 auf 600 Mikron schritt. Diese Art von Schleifleistung ist beim Abschleifen von AlTiC-Wafern höchst wünschenswert, da diese Niedrigkraft-Stabilzustand-Bedingungen einen thermischen und mechanischen Schaden am Werkstück minimieren.These results demonstrate that a significant increase in normal force was required to remove larger amounts of material at higher MRRs (ranging from 1 to 3 to 5 microns/sec MRR) when grinding surfaces with the control wheel sample without graphite filler and a diamond abrasive concentration of 75. In contrast, the graphite-filled wheels of Example 5 of the invention with the low diamond concentration (Samples 2a, 2b and 4) required significantly less normal force during the grinding. The force required to remove an equivalent amount of material at an MRR of 2 microns/second for the invention wheel was equivalent to that required at an MRR of 1 micron/second for the control wheel sample. In addition, the wheel 2a samples required approximately equal normal forces to grind at either an MRR rate of 1 micron/second or an MRR of 2 microns/second. Inventive wheels 2a, 2b, and 4 of Example 5 also exhibited relatively stable normal force requirements as the amount of material ground increased from 200 to 600 microns. This type of grinding performance is highly desirable when grinding AlTiC wafers because these low force steady state conditions minimize thermal and mechanical damage to the workpiece.

Die Kontrollscheibe (Beispiel 1) konnte nicht bei höheren Materialentfernungsniveaus (zum Beispiel über etwa 300 Mikron) getestet werden, da die zum Schleifen mit diesen Scheiben benötigte Kraft die Normalkraftkapazität der Schleifmaschine überstieg, wobei die Maschine dazu gebracht wird, automatisch abzuschalten, und eine Ansammlung von Daten bei den höheren Materialentfernungsniveaus verhindert wird.The control wheel (Example 1) could not be tested at higher material removal levels (for example, above about 300 microns) because the force required to grind with these wheels exceeded the normal force capacity of the grinder, causing the machine to automatically shut down and preventing accumulation of data at the higher material removal levels.

Man möchte sich zwar nicht auf eine bestimmte Theorie festlegen, doch es wird angenommen, dass die bessere Schleifleistung der graphitgefüllten Scheiben der Erfindung mit der niedrigen Diamantkonzentration mit der kleineren Anzahl an einzelnen Körnern pro Flächeneinheit des Schleifsegments, die mit der Oberfläche des Werkstücks zu irgendeinem Zeitpunkt während des Schleifens in Kontakt kommen, zusammenhängt. Obwohl ein Fachmann bei einer niedrigeren Diamantkonzentration eine niedrigere MRR erwarten würde, wird die Verbesserung der Schleifkraft bei der Erfindung unerwarteter Weise ohne einen Kompromiss in Bezug auf die MRR erreicht. Die Scheibe 2b, die eine Schleifsegmentbreite von 2,03 mm aufwies, benötigte weniger Kraft, um bei den selben Raten und Mengen der Materialentfernung zu schleifen, als dies bei der Scheibe 2a der Fall war, welche eine Schleifsegmentbreite von 3,13 nun aufwies. Die Probe der Scheibe 2b hat einen kleineren Oberflächenbereich und weniger Schleifpunkte in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks zu irgendeinem Zeitpunkt während der Schleifvorgänge, als dies bei der Probe der Scheibe 2a der Fall ist.While not wishing to be bound by any particular theory, it is believed that the improved grinding performance of the graphite-filled wheels of the invention is related to the low diamond concentration with the smaller number of individual grains per unit area of the grinding segment that come into contact with the surface of the workpiece at any one time during grinding. Although one skilled in the art would expect a lower MRR at a lower diamond concentration, the improvement in grinding power in the invention is unexpectedly achieved without a compromise in MRR. The wheel 2b, which has a The sample from Wheel 2b, which had a grinding segment width of 2.03 mm, required less force to grind at the same rates and amounts of material removal than did the sample from Wheel 2a, which had a grinding segment width of 3.13 mm. The sample from Wheel 2b has a smaller surface area and fewer grinding points in contact with the surface of the workpiece at any time during grinding operations than does the sample from Wheel 2a.

Claims (11)

1. Oberflächen-Schleifwerkzeug umfassend einen Kern mit einer spezifischen Festigkeit von maximal 2,4 MPa-cm³/g, eine Kerndichte von 0,5 bis 8,0 g/cm³, eine kreisförmige äußere Begrenzung und einen Schleifrand, der durch eine Mehrzahl von Schleifsegmenten definiert ist, wobei die Schleifsegmente, in Mengen die in der Summe 100 Volumen-% ergeben, von 0,05 bis 10 Volumen-% Superschleifmittelkorn, von 10 bis 35 Volumen-% zerbröckelnden Füllstoff und von 55 bis 89,95 Volumen-% Metallbindungs-Matrix mit einer Bruchzähigkeit von 1,0 bis 6,0 MPa m1/2 enthalten.1. Surface grinding tool comprising a core with a specific strength of maximum 2.4 MPa-cm³/g, a core density of 0.5 to 8.0 g/cm³, a circular outer boundary and a grinding edge defined by a plurality of grinding segments, the grinding segments containing, in amounts totaling 100% by volume, from 0.05 to 10% by volume of superabrasive grain, from 10 to 35% by volume of crumbling filler and from 55 to 89.95% by volume of metal bond matrix with a fracture toughness of 1.0 to 6.0 MPa m1/2. 2. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei der Kern ein metallisches Material ausgesucht aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Stahl, Titan und Bronze, Composite und Legierungen davon sowie deren Kombinationen enthält.2. Grinding tool according to claim 1, wherein the core contains a metallic material selected from the group consisting of aluminum, steel, titanium and bronze, composites and alloys thereof and combinations thereof. 3. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die Schleifsegmente 60 bis 84, 5% Volumen-% Metallbindungs- Matrix, 0,5 bis 5 Volumen-% Schleifkorn und 15 bis 35 Volumen-% zerbröckelnden Füllstoff enthalten und die Metallbindungs-Matrix maximal 5 Volumen-% Porosität aufweist.3. The grinding tool of claim 1, wherein the grinding segments contain 60 to 84.5% by volume of metal bond matrix, 0.5 to 5% by volume of abrasive grain and 15 to 35% by volume of crumbling filler and the metal bond matrix has a maximum of 5% by volume porosity. 4. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei der zerbröckelnde Füllstoff ausgesucht ist aus der Gruppe bestehend aus Graphit, hexagonalem Bornitrid, hohlen keramischen Kugeln, Feldspat, Nephelinsyenit, Bimsstein, calciniertem Ton und Glaskugeln sowie deren Kombinationen.4. The abrasive tool of claim 1, wherein the crumbling filler is selected from the group consisting of graphite, hexagonal boron nitride, hollow ceramic spheres, feldspar, nepheline syenite, pumice, calcined clay and glass spheres, and combinations thereof. 5. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei das Schleifkorn ausgesucht ist aus der Gruppe bestehend aus Diamant und kubischem Bornitrid sowie deren Kombinationen.5. Grinding tool according to claim 1, wherein the abrasive grain is selected from the group consisting of diamond and cubic boron nitride and combinations thereof. 6. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 5, wobei das Schleifkorn Diamant mit einer Korngröße von 2 bis 300 Mikrometer ist.6. Grinding tool according to claim 5, wherein the abrasive grain is diamond with a grain size of 2 to 300 micrometers. 7. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die Metallbindung 35 bis 84 Gewicht-% Kupfer und 16 bis 65 Gewicht-% Zinn enthält.7. The grinding tool of claim 1, wherein the metal bond contains 35 to 84 weight percent copper and 16 to 65 weight percent tin. 8. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 7, wobei die Metallbindung weiterhin 0,2 bis 1,0 Gewicht-% Phosphor enthält.8. The abrasive tool of claim 7, wherein the metal bond further contains 0.2 to 1.0 weight percent phosphorus. 9. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei das Schleifwerkzeug zumindest zwei Schleifsegmente enthält und diese eine längliche, bogenförmige Form und eine innere Krümmung aufweisen, die so ausgewählt ist, dass sie mit der kreisförmigen, äußeren Begrenzung des Kerns zusammenpassen, und jedes Schleifsegment zwei Enden aufweist, die so gestaltet sind, dass sie mit benachbarten Schleifsegmenten derart zusammenpassen, dass der Schleifrand durchgehend und im Wesentlichen ohne Lücken zwischen den Schleifsegmenten ist, wenn die Schleifsegmente mit dem Kern verbunden sind.9. The grinding tool of claim 1, wherein the grinding tool includes at least two grinding segments, each having an elongated arcuate shape and an inner curvature selected to mate with the circular outer perimeter of the core, and each grinding segment has two ends configured to mate with adjacent grinding segments such that the grinding edge is continuous and substantially without gaps between the grinding segments when the grinding segments are connected to the core. 10. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei das Werkzeug ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Scheiben vom Typ 1A1 und Schleiftassen.10. Grinding tool according to claim 1, wherein the tool is selected from the group consisting of Type 1A1 wheels and grinding cups. 11. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die thermisch stabile Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend im Wesentlichen aus einer Epoxid-Haftverbindung, einer metallurgischen Verbindung, einer mechanischen Verbindung, und einer Diffusionsverbindung sowie deren Kombinationen.11. The grinding tool of claim 1, wherein the thermally stable compound is selected from the group consisting essentially of an epoxy bonding compound, a metallurgical compound, a mechanical bond, and a diffusion bond, and combinations thereof.
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