DE69914961T2

DE69914961T2 - Schleifwerkzeug

Info

Publication number: DE69914961T2
Application number: DE69914961T
Authority: DE
Inventors: Srinivasan Ramanath; Shih Yee Kuo; William H. Williston; Sergej-Tomislav Buljan
Original assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2019-03-19
Also published as: ATE260166T1; KR20010042180A; KR100359401B1; DE69914961D1; JPH11320417A; EP0945220A1; MY121044A; CA2265325C; CA2265325A1; US6102789A; ZA991542B; US6093092A; EP0945220B1; JP3004988B2

Description

Diese Erfindung betrifft Schleifwerkzeuge, die zum Präzisionsschleifen harter, brüchiger Materialien, wie beispielsweise keramischer Erzeugnisse und Zusammensetzungen, die keramische Erzeugnisse umfassen, bei Scheibenumfangsgeschwindigkeiten von bis zu 160 Meter/Sekunde geeignet sind, wie sie beispielsweise aus der JP-61 152 374-A bekannt sind, die den nächstkommenden Stand der Technik darstellt. Die Schleifwerkzeuge umfassen einen Schleifscheibenkern oder eine Nabe, die über eine Verbindung, die während des Schleifbetriebs thermisch beständig ist, mit einem metallisch gebundenen, hochabrasiven Kranz verbunden ist. Diese Schleifwerkzeuge schleifen keramische Erzeugnisse bei hohen Materialentfernungsraten (beispielsweise 19–380 cm³/min/cm) mit geringerem Schleifscheibenverschleiß und geringerer Werkstückbeschädigung als konventionelle Schleifwerkzeuge.
Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung der Vereinigten Staaten im Rahmen des vom Energieministerium vergebenen Auftrags DE-AC05-84-OR21400 gemacht. Die Regierung der Vereinigten Staaten besitzt bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
Hintergrund der Erfindung
Ein Schleifwerkzeug, das zum Schleifen von Safir und anderen keramischen Materialien geeignet ist, ist in der U.S.-A-5,607,489 von Li offenbart. Das Werkzeug wird als metallgekapselten Diamant umfassend beschrieben, der in eine gesinterte Matrix mit 2–20 Volumen-% eines festen Schmiermittels und zumindest 10 Volumen-% Porosität eingebunden ist.
Ein Diamant aufweisendes Schleifwerkzeug, der in eine Metallmatrix mit 15–50 Volumen-% ausgewählter Füller, wie beispielsweise Grafit, eingebundenen ist, ist in der U.S.-A-3,925,035 von Keat offenbart. Das Werkzeug wird zum Schleifen von Hartmetallen verwendet.
Eine Trennschleifscheibe, die aus metallisch gebundenem Diamantschleifkorn hergestellt ist, ist in der U.S.-A-2,238,351 von Van der Pyl offenbart. Die Bindung besteht aus Kupfer, Eisen, Zinn und wahlweise aus Nickel und das gebundene Schleifkorn ist auf einen Stahlkern, wahlweise mit einem Lötschritt, gesintert, um hinreichende Haftung sicherzustellen. Die beste Bindung soll eine Rockwell-B-Härte von 70 besitzen.
Ein Schleifwerkzeug mit feinem Diamantkorn (Bort), das in eine Metallbindung, wie beispielsweise eine Bronzebindung, mit einer verhältnismäßig geringen Schmelztemperatur eingebunden ist, ist in der U.S.-Re-21,165 offenbart. Die bei geringer Temperatur schmelzende Bindung dient dazu, Oxidation des feinen Diamantkorns zu vermeiden. Ein Schleifkranz wird als einzelnes ringförmiges Segment gebildet und dann an einer Zentralscheibe aus Aluminium oder einem anderen Material befestigt.
Keines dieser Schleifwerkzeuge hat sich beim Präzisionsschleifen keramischer Teile als vollständig zufriedenstellend erwiesen. Diese Werkzeuge vermögen strenge technische Auflagen, insbesondere hinsichtlich der Form, Größe und Oberflächengüte, nicht zu erfüllen, wenn sie bei kommerziell brauchbaren Schleifraten betrieben werden. Die meisten kommerziellen Schleifwerkzeuge, die zur Verwendung für solcher Arbeiten empfohlen werden, sind Harzschleifscheiben oder gesinterte, gebundene hochabrasive Schleifscheiben, die entworfen wurden, um bei verhältnismäßig geringen Schleifwirkungsgraden betrieben zu werden, um Beschädigungen der Oberfläche sowie Beschädigungen unterhalb der Oberfläche der keramischen Teile zu vermeiden. Schleifwirkungsgrade werden infolge der Tendenz keramischer Werkstücke, die Schleifscheibenoberfläche zu verstopfen, weiter verringert, was häufiges Aufbereiten und Abdrehen der Schleifscheiben erforderlich macht, um präzise Formen zu erhalten.
Da am Markt die Nachfrage nach keramischen Präzisionsteilen für Erzeugnisse, wie beispielsweise Motoren, hitzebeständige Maschinen und elektronische Vorrichtungen (beispielsweise Waver, Magnetköpfe und Anzeigefenster) gestiegen ist, ist ebenfalls der Bedarf nach verbesserten Schleifwerkzeugen zum Präzisionsschleifen keramischer Erzeugnisse gestiegen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist ein Schleifwerkzeug, das einen Kern aufweist, der einen minimalen spezifischen Festigkeitsparameter von 2.4 MPa – cm³/g, eine Kerndichte von 0.5 bis 8.0 g/cm³ und einen kreisförmigen Umfang besitzt; einen Schleifkranz, der durch zumindest ein Schleifsegment definiert wird; und eine thermisch beständige Verbindung zwischen dem Kern und dem Kranz; wobei das Schleifsegment im Wesentlichen aus hochabrasivem Korn besteht und wobei eine Metallbindungsmatrix eine Bruchzähigkeit von 1.0 bis 6.0 MPa m^1/2 besitzt; und wobei das Schleifwerkzeug zum Präzisionsschleifen brüchiger Materialien bei Geschwindigkeiten von bis zu 160 m/s geeignet ist. Der spezifische Festigkeitsparameter ist definiert als das Verhältnis aus dem geringeren Wert der Dehngrenze oder der Bruchzähigkeit des Materials dividiert durch die Dichte des Materials.
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen ununterbrochenen Kranz aus Schleifsegmenten, die mit dem Umfang eines metallischen Kerns verbunden sind, um eine abrasive Schleifscheibe des Typs 1A1 zu bilden.
2 zeigt einen unterbrochenen Kranz aus Schleifsegmenten, die mit dem Umfang eines metallischen Kerns verbunden sind, um eine Topfschleifscheibe zu bilden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Schleifwerkzeuge der Erfindung sind Schleifscheiben, die einen Kern mit einer Mittelbohrung aufweisen, um die Schleifscheibe an einer Schleifmaschine zu befestigen, wobei der Kern entworfen wurde, um entlang dem Umfang der Schleifscheibe einen metallisch gebundenen, hochabrasiven Kranz zu aufzunehmen. Diese zwei Schleifscheibenteile werden mit einer Verbindung zusammengehalten, die unter Schleifbedingungen thermisch beständig ist, und die Schleifscheibe und ihre Teile sind so konstruiert, dass sie Beanspruchungen, die bei peripheren Schleifscheibengeschwindigkeiten von bis zu 80 m/sec, vorzugsweise bis zu 160 m/sec auftreten, wiederstehen können. Bevorzugte Werkzeuge sind Schleifscheiben des Typs 1A und Topfschleifscheiben, wie beispielsweise Schleifscheiben des Typs 2 oder des Typs 6 oder glockenförmige Topfschleifscheiben des Typs 11V9.
Der Kern besitzt im Wesentlichen eine kreisförmige Gestalt. Der Kern kann irgend ein Material umfassen, das eine spezifische Festigkeit von 2.4 MPa – cm³/g, vorzugsweise 40 bis 185 MPa – cm³/g besitzt. Das Kernmaterial besitzt eine Dichte von 0.5 bis 0.8 g/cm³ vorzugsweise 2.0 bis 8.0 g/cm³. Beispiele geeigneter Materialien sind Stahl, Aluminium, Titan und Bronze sowie deren Zusammensetzungen, Legierungen und Kombinationen. Um den Kern zu bilden, können verstärkte Kunststoffe verwendet werden, die die genannte minimale spezifische Festigkeit besitzen. Zusammensetzungen und verstärkte Kernmaterialien besitzen üblicherweise eine kontinuierliche Phase aus einer Matrix aus Metall oder Kunststoff, die häufig in Pulverform vorliegt, wozu Fasern oder Körner oder Partikel aus härterem, unverwüstlicherem und/oder weniger dichtem Material als diskontinuierliche Phase hinzugefügt werden. Beispiele für Verstärkungsmaterialien, die für die Verwendung bei dem Kern des Werkzeuges der Erfindung geeignet sind, sind Glasfaser, Kohlefaser, Aramidfaser, Keramikfaser, keramische Partikel und Körner und hohle Füllermaterialien, wie beispielsweise Glas-, Mullit-, Aluminiumoxid- und Zeolite^®-Kugeln.
Stahl und andere Metalle mit Dichten von 0.5 bis 8.0 g/cm³ können verwendet werden, um die Kerne für die Werkzeuge der Erfindung zu bilden. Zur Herstellung der Kerne, die zum Hochgeschwindigkeitsschleifen (beispielsweise zumindest 80 m/sec) verwendet werden, werden Leichtmetalle in Pulverform (d. h. Metalle mit Dichten von ungefähr 1.8 bis 4.5 g/cm³) wie beispielsweise Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen bevorzugt. Aluminium und Aluminiumlegierungen werden besonders bevorzugt. Wenn ein Sinterungsmontageverfahren zur Herstellung der Werkzeuge verwendet wird, werden Metalle mit Sinterungstemperaturen zwischen 400 und 900°C, vorzugsweise 570–650°C gewählt. Um das Gewicht des Kerns zu reduzieren, können Füllermaterialien mit geringer Dichte hinzugefügt werden. Für diesen Zwecks sind poröse und/oder hohle keramische Füller oder Glasfüller, wie beispielsweise Glaskugeln oder Mullitkugeln geeignete Materialien. Anorganische und nichtmetallische Fasermaterialien sind ebenso brauchbar. Wenn es die Bearbeitungsbedingungen erforderlich machen, kann zu dem Metallpulver vor dem Pressen und Sintern eine wirksame Menge eines Schmiermittels oder eines anderen Bearbeitungshilfsmittels hinzugefügt werden, das in der Metallbindungstechnik und in der Hochleistungsschleiftechnik bekannt ist.
Das Werkzeug sollte stark, dauerhaft und formstabil sein, um den potentiell zerstörerischen Kräften widerstehen zu können, die von dem Hochgeschwindigkeitsbetrieb erzeugt werden. Der Kern muss eine minimale spezifische Festigkeit besitzen, um Schleifscheiben mit der sehr hohen Winkelgeschwindigkeit zu betreiben, die erforderlich ist, um eine tangentiale Kontaktgeschwindigkeit im Bereich zwischen 180 und 160 m/s zu erzielen. Der minimale spezifische Festigkeitsparameter, der für die verwendeten Kernmaterialien benötigt wird, beträgt bei dieser Erfindung 2.4 MPa – cm³/g.
Der spezifische Festigkeitsparameter ist definiert als das Verhältnis aus der Dehn- (oder Bruch-) Grenze des Kernmaterials dividiert durch die Dichte des Kernmaterials. Im Falle brüchiger Materialien, bei denen die Bruchgrenze kleiner ist als die Dehngrenze, wird der spezifische Festigkeitsparameter unter Verwendung der kleineren Zahl, der Bruchgrenze berechnet. Die Dehngrenze eines Materials ist die minimale, unter Zug aufgebrachte Kraft, bei der die Materialdehnung ohne weitere Zunahme der Kraft zunimmt. Beispielsweise beisitzt ANSI 4140 Stahl, der bis über ungefähr 240 (Brinell-Scala) gehärtet wurde, eine Zugfestigkeit oberhalb von 700 MPa. Die Dichte dieses Stahls beträgt ungefähr 7.8 g/cm³. Somit beträgt sein spezifischer Festigkeitsparameter ungefähr 90 MPa – cm³/g. In entsprechender Weise besitzen Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise A12024, Al 7075 und Al 7178, die bis zu einer Brinell-Härte oberhalb von ungefähr 100 wärmebehandelbar sind, Zugfestigkeiten, die höher sind als ungefähr 300 MPa. Solche Aluminiumlegierungen besitzen geringe Dichten von ungefähr 2.7 g/cm³ und entfalten somit einen spezifischen Festigkeitsparameter von mehr als 110 MPa – cm³/g. Titanlegierungen und Bronzezusammensetzungen und Legierungen, die hergestellt wurden, um Dichten von Maximal 8.0 g/cm³ zu erreichen, sind zur Verwendung ebenso geeignet.
Das Kernmaterial sollte hart, bei Temperaturen, die im Schleifbereich liegen (beispielsweise ungefähr 50 bis 200°C), thermisch beständig, widerstandsfähig bezüglich chemischer Reaktion mit beim Schleifen verwendeter Kühlmitteln und Schmiermitteln, und widerstandsfähig sein hinsichtlich Verschleiß durch Abnutzung infolge der Bewegung von Schneidpartikeln in dem Schleifbereich. Obwohl einige Alumiumoxide und andere keramische Erzeugnisse akzeptable Fehlwerte besitzen (d. h. oberhalb von 60 MPa – cm³/g), sind sie im Allgemeinen zu brüchig und versagen strukturell beim Hochgeschwindigkeitsschleifen infolge Bruchs. Somit sind keramische Erzeugnisse für den Einsatz bei dem Werkzeugkern nicht geeignet. Metall, vorzugsweise gehärteter Werkzeugqualitätsstahl wird bevorzugt.
Das Schleifsegment der Schleifscheibe zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist ein in Segmente unterteilter oder ununterbrochener Kranz, der an einem Kern befestigt ist. In der 1 ist ein in Segmente unterteilter Kranz gezeigt. Der Kern 2 besitzt eine Mittelbohrung 3, um die Schleifscheibe an einer Welle eines Kraftantriebs zu befestigen. Der Schleifkranz der Schleifscheibe umfasst hochabrasive Körner 4, die in eine Metallbindungsmatrix 6 eingebettet sind (vorzugsweise in einheitlicher Konzentration). Mehrere Schleifsegmente 8 bilden den in der 1 gezeigten Schleifkranz. Obwohl die gezeigte Ausführungsform zehn Segmente zeigt, ist die Anzahl der Segmente nicht entscheidend. Ein einzelnes Schleifsegment, wie es in der 1 gezeigt ist, besitzt eine abgeflachte, rechteckige Ringform (eine bogenförmige Gestalt), die durch eine Länge 1, eine Breite w und eine Tiefe d charakterisiert ist.
Die in der 1 gezeigte Ausführungsform einer Schleifscheibe wird als stellvertretend für die Schleifscheiben erachtet, die gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgreich betrieben werden können und sollte nicht als begrenzend betrachtet werden. Die zahlreichen geometrischen Veränderungen der in Segmente unterteilten Schleifscheiben, die als geeignet gehalten werden, umfassen topfförmige Schleifscheiben, wie sie in der 2 gezeigt sind, Schleifscheiben mit Öffnungen durch den Kern und/oder Lücken zwischen aufeinanderfolgenden Segmenten und Schleifscheiben mit Schleifsegmenten mit einer anderen Breite als der Kern. Manchmal werden Öffnungen und Lücken verwendet, um Wege zu erzeugen, um dem Schleifbereich Kühlmittel zuzuführen und um Schneidepartikel aus dem Bereich abzuführen. Gelegentlich wird ein Segment verwendet, das breiter ist als der Kern, um die Kernstruktur gegen Verschleiß durch Kontakt mit Span-Material zu schützen, wenn die Schleifscheibe radial in das Werkstück eindringt.
Die Schleifscheibe kann hergestellt werden, indem zunächst einzelne Segmente vorgewählter Abmessungen gebildet werden und indem dann die vorgewählten Segmente an dem Umfang 9 des Kerns mit einem geeigneten Bindemittel befestigt werden. Ein anderes bevorzugtes Herstellungsverfahren umfasst das Bilden von Vorläufereinheiten der Segmente aus einer Pulvermischung aus Schleifkorn und Binder, Formen der Zusammensetzung um den Umfang des Kerns, und Aufbringen von Hitze und Druck, um die Segmente in situ herzustellen und zu befestigen (d. h. Zusammensintern des Kerns und des Kranzes).
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, kann die Schleifkranzkomponente des Schleifwerkzeuges der Erfindung ein ununterbrochener Kranz oder ein unterbrochener Kranz sein. Der ununterbrochene Schleifkranz kann ein Schleifsegment oder zumindest zwei Schleifsegmente umfassen, die separat in Formen gesintert wurden und dann einzeln auf dem Kern mit einer thermisch beständigen Verbindung befestigt wurden (d. h. einer Verbindung, die bei Temperaturen, die während des Schleifens an dem Abschnitt des Segments auftreten, der von der Schleiffläche abgewandt ist, üblicherweise ungefähr 50–350°C). Unterbrochene Schleifkränze, wie sie in der 2 gezeigt sind, werden aus zumindest zwei Segmenten hergestellt und die Segmente sind durch Schlitze oder Lücken in dem Kranz voneinander getrennt und sind nicht mit ihren Enden entlang ihrer Länge 1 miteinander verbunden, wie die in Segmente unterteilten, ununterbrochenen Schleifkranzscheiben. Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und sollen die Arten der Werkzeugausführungen der Erfindung nicht begrenzen, d. h. es können bei 1A-Schleifscheiben unterbrochene Kränze und bei Topfschleifscheiben können ununterbrochene Kränze verwendet werden.
Zum Hochgeschwindigkeitsschleifen, insbesondere zum Schleifen von Werkstücken mit einer zylindrischen Form, wird ein ununterbrochener Kranz des Typs 1A Schleifscheibe bevorzugt. In Segmente unterteilte, ununterbrochene Schleifkränze werden gegenüber einem einzigen ununterbrochenen Schleifkranz bevorzugt, der einstückig in eine Ringform gegossen wurde, da es während der Herstellung eines Werkzeuges aus mehreren Schleifsegmenten einfacher ist, eine exakt runde planare Form zu erhalten.
Für den Betrieb mit geringeren Schleifgeschwindigkeiten (beispielsweise 25 bis 60 m/sec.), insbesondere zum Schleifen von Oberflächen und Nachbearbeiten flacher Werkstücke, werden unterbrochene Schleifkränze (beispielsweise die in der 2 gezeigte Topfschleifscheibe) bevorzugt.
Die Schleifkranzkomponente umfasst hochabrasives Korn, das in einer Metallbindungsmatrix gebunden ist, die üblicherweise gebildet wird, indem eine Mischung aus Metallbindungspulver und dem Schleifkorn in einer Form gesintert wird, die so geformt ist, um die erwünschte Größe und Form des Schleifkranzes oder Schleifkranzsegmente zu ergeben.
Das hochabrasive Korn, das für den Schleifkranz verwendet wird, kann aus natürlichem und synthetischen Diamant, CBN, und Kombinationen dieser Schleifmittel ausgewählt werden. Die Wahl der Korngröße und der Art wird in Abhängigkeit von der Art des Werkstückes und der Art des Schleifprozesses variieren. Zum Schleifen und Polieren von Saphir wird beispielsweise ein hochabrasives Schleifkorn im Größenbereich von 200–300 Mikrometer bevorzugt. Zum Schleifen anderer Aluniniumoxide wird im Allgemeinen ein hochabrasives Korn mit einer Größe von ungefähr 125 bis 300 μm (60–120 Körnung; Norton Company Körnungsgröße) bevorzugt. Zum Schleifen von Siliziumnitrit wird im Allgemeinen eine Korngröße von ungefähr 45–80 μm (200–400 Körnung) bevorzugt. Zum Polieren von Oberflächen werden kleinere Körnungsgrößen bevorzugt und für zylindrische Schleifvorgänge sowie für Schleifvorgänge zum Nachschneiden oder Erzeugen innerer Durchmesser, bei denen größere Mengen an Material entfernt werden, werden größere Körnungsgrößen bevorzugt.
Als Volumenprozentsatz des Schleifkranzes umfassen die Werkzeuge 10 bis 50 Vol.-% hochabrasiven Korns, vorzugsweise 10 bis 40 Vol.-%. Ein geringerer Betrag verschleißfesten Materials, das eine Härte besitzt, die gleichgroß oder kleiner ist als die des Materials des Werkstücks, kann als Bindungsfüller hinzugefügt werden, um die Verschleißrate der Bindung zu ändern. Als Volumenprozentsatz der Kranzkomponente kann der Füller mit 0–15 Vol.-%, vorzugsweise 0.1–10 Vol.-% und insbesonders bevorzugt mit 0,1–5 Vol.-% verwendet werden. Wolframkarbid-, Ceroxid- und Aluminiumoxidkorn sind beispiele geeigneter Füller.
Jede Metallbindung, die zum Binden hochabrasiver Schleifmittel geeignet ist und eine Bruchzähigkeit von 1.0–6.0 MPa*m^1/2, vorzugsweise 2.0 bis 4.0 MPa*m^1/2 besitzt, kann hierbei verwendet werden. Die Bruchzähigkeit ist der Faktor der Beanspruchungsintensität, bei dem ein Riss, der in einem Material hervorgerufen wird, sich in dem Material ausbreitet und zum Bruch des Materials führt. Die Bruchzähigkeit wird ausgedrückt als K_1/c = (σ_f)(π^1/2)(c¹²), wobei K_1c die Bruchzähigkeit, σ_f die beim Bruch aufgebrachte Beanspruchung, und c die Hälfte der Risslänge ist. Es gibt mehrere Verfahren, die verwendet werden können, um die Bruchzähigkeit zu bestimmen und jedes besitzt einen Anfangsschritt, bei dem ein Riss bekannter Abmessung in dem Testmaterial erzeugt wird und anschließend eine Beanspruchungslast aufgebracht wird, bis das Material bricht. Die Beanspruchung beim Bruch und die Risslänge werden in die Gleichung eingesetzt und die Bruchzähigkeit wird berechnet (beispielsweise ist die Bruchzähigkeit von Stahl ungefähr 30–60 Mpa·m^1/2, bei Aluminiumoxid beträgt sie ungefähr 2–3 MPa·m^1/2, bei Siliziumnitrid beträgt ungefähr 4–5 Mpa·m^1/2 und bei Zirkon beträgt sie ungefähr 7–9 Mpa·m^1/2).
Um die Lebensdauer und Schleifleistung der Schleifscheibe zu optimieren, sollte die Verschleißrate der Verbindung gleich groß oder etwas größer sein als die Verschleißrate des Schleifkorns während des Schleifbetriebs. Um die Verschleißrate der Schleifscheibe zu verringern können Füller, wie sie bereits zuvor beschrieben wurden, der Metallbindung hinzugefügt werden. Metallpulver, die dazu neigen, eine verhältnismäßig dichte Bindungsstruktur zu bilden (d. h. weniger als 5 Vol.-% Porosität) werden bevorzugt, um während des Schleifens höhere Materialentfernungsraten zu ermöglichen.
Materialien, die für die Metallbindung des Kranzes nützlich sind, umfassen Bronze, Kupfer und Zinklegierungen (Messing), Kobalt und Eisen sowie deren Legierungen und Mischungen, wobei diese Aufzählung jedoch nicht begrenzend ist. Diese Metalle können wahlweise mit Titan oder Titanhydrid oder einem anderen hochabrasiven reaktiven (d. h. aktiven Verbindungskomponenten) Material verwendet werden, das in der Lage ist, eine chemische Carbid- oder Nitritverbindung zwischen dem Korn und der Verbindung an der Oberfläche des hochabrasiven Korns unter den gewählten Sinterungsbedingungen zu bilden, um die Korn/Verbindungsstellen zu stärken. Kräftigere Korn/Bindungswechselwirkungen werden vorzeitigen Kornschwund und Werkstückschäden sowie verkürzte Werkzeuglebensdauer, die durch vorzeitigen Kornschwund verursacht ist, begrenzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Schleifkranzes umfasst die Metallmatrix 45–90 Vol.-% des Kranzes und insbesondere vorzugsweise 60–80 Vol.-%. Wenn Füller zu der Verbindung hinzugefügt werden, umfassen die Füller 0–50 Vol.-% der Metallmatrix des Kranzes, und vorzugsweise 0.1–25 Vol.-%. Die Porosität der Metallbindungsmatrix sollte während der Herstellung des Schleifsegments bei einem Maximum oder 25 Vol.-%, vorzugsweise einem Maximum von 5 Vol.-% gehalten werden. Die Metallverbindung besitzt vorzugsweise eine Knoob'sche Härte von 2–3 GPa.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Schleifscheibe des Typs 1A ist der Kern aus Aluminium hergestellt und der Kern umfasst eine Bronzeverbindung, die aus Kupfer und Zinnpulvern (80/20 Gew.-%) besteht und wahlweise mit dem Zusatz von 0.1 bis 3.0 Gew.-%, vorzugsweise 0.1 bis 1.0 Gew.-% Phosphor in Form eines Phosphor/Kupferpulvers. Während der Herstellung der Schleifsegmente werden die Metallpulver dieser Zusammensetzung mit einem Diamantschleifkorn der Körnung 100–400 (160–45 μm) vermischt, in Schleifkranzsegmente gegossen und im Bereich zwischen 300–500°C bei 20–33 MPa gesintert oder verdichtet, um einen dichten Schleifkranz zu erhalten, der vorzugsweise eine Dichte von mindestens 95% der theoretischen Dichte besitzt (d. h. der nicht mehr als 5 Vol.-% Porosität umfasst).
Mit einem üblichen Herstellungsverfahren zum Zusammensintern einer Schleifscheibe wird das Metallpulver des Kerns in eine Stahlform gegossen und bei 80–200 kN (ungefähr 10–50 MPa Druck) kaltgepresst, um einen Grünling zu bilden, der eine Größe von ungefähr des 1.2- bis 1.6-fachen der gewünschten Enddicke des Kerns besitzt. Das grüne Kernteil wird in eine Graphitform gegeben und eine Mischung des Schleifkorns und der Metallverbindungspulvermischung wird dem Hohlraum zwischen dem Kern und dem äußeren Kranz der Graphitform hinzugefügt. Um das Schleif- und das Metallverbindungspulver auf die gleiche Dicke wie die Kernpreform zusammenzupressen, kann ein Stellring verwendet werden. Der Inhalt der Graphitform wird dann bei 370 bis 410°C bei Drücken von 20 bis 48 MPa sechs bis zehn Minuten lang heiß gepresst. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann die Temperatur kontinuierlich erhöht werden (beispielweise während sechs Minuten von 25 auf 410°; bei 410°C für 15 Minuten gehalten werden) oder stufenweise erhöht werden, bevor auf den Inhalt der Form Druck aufgebracht wird.
Im Anschluss an das Heißpressen wird die Graphitform von dem Teil abgenommen, das Teil gekühlt und das Teil unter Verwendung üblicher Verfahren fertiggestellt, um einen Schleifkranz zu erhalten, der die gewünschten Abmessungen und Toleranzen besitzt. Beispielsweise kann das Teil unter Verwendung gesinterter Schleifscheiben auf Schleifmaschinen oder Karbidschneidern auf einer Drehbank auf Maß gebracht werden.
Wenn der Kern und der Kranz der Erfindung zusammengesintert werden, ist es erforderlich, ein wenig Material zu entfernen, um dem Teil seine Endform zu verleihen. Bei anderen Verfahren zur Herstellung einer thermisch beständigen Verbindung zwischen dem Schleifkranz und dem Kern kann es vor einem Befestigungs-, Verbindungs- oder Diffusionsschritt erforderlich sein, sowohl den Kern als auch den Kranz zu bearbeiten, um eine angemessene Oberfläche sicherzustellen, damit die Teile zusammenpassen und verbunden werden können.
Beim Erzeugen einer thermisch beständigen Verbindung zwischen dem Ring und dem Kern, wobei in Segmente unterteilte Schleifkränze verwendet werden, kann jedes thermisch beständige Bindemittel verwendet werden, das die Festigkeit besitzt, um Umfangsschleifscheibengeschwindigkeiten von bis zu 160 m/sec zu widerstehen. Thermisch beständige Bindemittel sind gegenüber Schleifprozesstemperaturen beständig, die wahrscheinlich an dem Abschnitt des Schleifsegments auftreten, der von der Schleiffläche abgewandt ist. Diese Temperaturen liegen üblicherweise im Bereich zwischen 50–350°C.
Die Klebeverbindung sollte mechanisch sehr stark sein, um den zerstörerischen Kräften zu widerstehen, die während der Drehung der Schleifscheibe und während des Schleifbetriebs auftreten. Zwei Komponenten-Epoxydharzbindemittel werden bevorzugt. Ein bevorzugtes Epoxydbindemittel, nämlich Technodyne^® HT – 18 Epoxydharz (das von Toaka Chemicals, Japan bezogen werden kann) und seine modifizierten Aminhärter können im Verhältnis 100 Teile Harz zu 19 Teilen Härter gemischt werden. Um die Bindemittelviskosität zu erhöhen, können Füller, wie beispielsweise feines Siliziumpulver in einem Verhältnis von 3,5 Teilen pro 100 Teilen Harz hinzugefügt werden. Die Segmente können mit dem Bindemittel um den gesamten Umfang des Schleifscheibenkerns oder einem Teilumfang des Kerns befestigt werden. Der Umfang der Metallkerne kann sandgestrahlt werden, um vor der Befestigung der Segmente eine gewisse Rauhigkeit zu erhalten. Das verdichtete Epoxydbindemittel wird auf die Enden und die Unterseite der Segmente aufgetragen, die, wie im Wesentlichen in der
1 gezeigt ist, um den Kern herum angeordnet sind und während der Behandlung mechanisch in Position gehalten werden. Das Epoxydbindemittel gestattet es, behandelt zu werden (beispielsweise für 24 Stunden bei Raumtemperatur gefolgt von 48 Stunden bei 60°C). Ableitung des Bindemittels während der Behandlung und Bewegung der Segmente wird während der Behandlung durch die Hinzufügung von genügend Füller minimiert, um die Viskosität des Epoxydbindemittels zu optimieren.
Die Stärke der Klebeverbindung kann mit einem Drehtest bei einer Beschleunigung von 45 U/min geprüft werden, wie es auch gemacht wird, um die Bruchgeschwindigkeit der Schleifscheibe zu messen. In den Vereinigten Staaten müssen die Schleifscheiben Sprungdimensionierungen nachweisen, die zumindest 271 m/s tangentialer Kontaktgeschwindigkeit entsprechen, um für den Betrieb unter gängigen anwendbaren Sicherheitsstandards von 160 m/s tangentialer Kontaktgeschwindigkeit geeignet zu sein.
Die Schleifwerkzeuge der Erfindung sind speziell zum Präzisionsschleifen und Polieren brüchiger Materialien entworfen, wie z. B. verbesserte Keramikmaterialien, Glas und Komponenten, die keramische Materialien und keramisch zusammengesetzte Materialien umfassen. Die Werkzeuge der Erfindung werden vorzugsweise zum Schleifen keramischer Materialien bevorzugt, die Silizium, mono- und polykristalline Oxide, Karbide, Boride und Silicide umfassen, wobei diese Aufzählung nicht begrenzend ist; polykristalliner Diamant; Glas; und Zusammensetzungen aus Keramik in einer nichtkeramischen Matrix; und Kombinationen davon. Beispiele üblicher Werkstückmaterialien umfassen, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, stabilisiertes Zirkon, Aluminiumoxid (beispielsweise Saphir), Borcarbid, Bornitrid, Titandiborid, und Aluminiumnitrid und Zusammensetzungen dieser keramischen Materialien, sowie bestimmte Metallmatrixzusammensetzungen wie beispielweise gebundene Karbide, und amorphe Materialien wie beispielsweise Mineralglas, wobei diese Aufzählung nicht begrenzend ist. Jedes einzelne kristalline keramische Material oder polykristalline keramische Material kann mit diesen verbesserten Schleifwerkzeugen geschliffen werden. Für jeden diesen Keramiktypen verbessert sich die Qualität des keramischen Teils und die Effizienz des Schleifbetriebs, wenn die periphere Schleifscheibengeschwindigkeit der Schleifscheibe der Erfindung bis zu 80–160 m/s angehoben wird.
Zu den keramischen Materialien, die unter Verwendung des Schleifwerkzeuges der Erfindung verbessert wurden, gehören keramische Motorventile und Stangen, Pumpendichtungen, Kugellager und Passteile, Schneidwerkzeugeinsätze, Verschleißteile, Konstruktionsformen zum Metallformen, hitzebeständige Komponenten, Displaysichtfenster, ebenes Glas für Windschutzscheiben, Türen und Fenster, Isolatoren und elektrische Teile und keramische Elektronikkomponenten, die Siliziumwaver, Magnetköpfe und Substrate umfassen, wobei diese Aufzählung nicht begrenzend ist.
Wenn nichts anderes gesagt wird, beziehen sich in den folgenden Beispielen alle Teile und Prozentsätze auf das Gewicht. Die Beispiele erläutern lediglich die Erfindung und sollen die Erfindung nicht begrenzen.
Beispiel 1
Die Schleifwerkzeuge der Erfindung wurden in Form von 1A1 metallisch gebundener Diamantschleifscheiben unter Verwendung der Materialien und Verfahren hergestellt, die im Folgenden beschrieben werden.
Es wurde eine Mischung hergestellt aus 43.74 Gew.-% Kupferpulver (dentritische FS Güteklasse, Partikelgröße +200/–325 Maschenweite, zu beziehen von Sintertech International Marketing Corp., Ghent NY); 6.24 Gew.-% Phosphor/Kupferpulver (Güteklasse 1501, +100/–325 Maschenweite Partikelgröße, zu beziehen von New Jersey Zinc Company, Palmerton, PA); und 50.02 Gew.-% Zinnpulver (Güteklasse MD115, +325 Maschenweite, 0.5% Maximum, Partikelgröße, zu beziehen von Alcan Metal Powders, Inc., Elizabeth, New Jersey). Diamantschleifkorn (Körnungsgröße 320 aus synthetischem Diamant, das über General Electric, Worthington, Ohio zu beziehen ist) wurde zu der Metallpulvermischung hinzugefügt und die Kombination wurde gemischt, bis sie einheitlich vermischt war. Die Mischung wurde in eine Graphitform gegeben und fünfzehn Minuten lang bei einer Temperatur von 700°C bei 3000 psi (2073 N/cm²) heißgepresst, bis eine Matrix mit einer Zieldichte von über 95% des theoretischen Wertes entstanden war (beispielsweise für die Schleifscheibe Nr. 6, die in Beispiel 2 verwendet wird: > 98.5% der theoretischen Dichte). Die Rockwell'sche B-Härte der Segmente, die für die Schleifscheibe Nr. 6 hergestellt wurden, betrug 108. Die Segmente umfassten 18.75 Vol.-% Schleifkorn. Die Segmente wurden auf die erforderliche Bogengeometrie geschliffen, um mit der Peripherie eines hergestellten Aluminiumkerns zusammenzupassen (7075 T6 Aluminium, das von Yarde Metals, Tewksbury, MA bezogen wurde), was zu einer Schleifscheibe mit einem äußeren Durchmesser von ungefähr 393 mm und zu Segmenten mit einer Dicke von 0.62 cm führte.
Die Schleifsegmente und der Aluminiumkern wurden mit einem mit Silica gefüllten Epoxydbindemittelsystem (Technodyne HT-18 Bindemittel, das von Taoka Chemicals, Japan bezogen wurde) zusammengesetzt, um Schleifscheiben zu bilden, die einen ununterbrochenen Kranz aus mehreren Schleifsegmenten besitzen. Die Kontaktflächen des Kerns und der Segmente wurden entfettet und sandgestrahlt, um eine angemessene Haftung sicherzustellen.
Um die maximale Betriebsgeschwindigkeit dieser neuartigen Schleifscheibe zu charakterisieren, wurden maßstabsgetreue Schleifscheiben absichtlich bis zur Zerstörung gedreht, um die Bruchfestigkeit und die bewertete maximale Betriebsgeschwindigkeit gemäß dem Prüfverfahren der Norton Company für die maximale Betriebsgeschwindigkeit zu bestimmen. Die folgende Tabelle fasst die Bruchtestdaten für typische Beispiele der metallisch gebundenen Versuchsschleifscheiben mit einem Durchmesser von 393 mm zusammen.
Experimentielle Bruchfestigkeitsdaten metallisch gebundener Schleifscheiben
Gemäß dieser Daten sind die Versuchsschleifscheiben mit dieser Konstruktion für Betriebsgeschwindigkeiten von bis zu 90 m/s geeignet (17.717 Oberflächenfuß/min.). Höhere Betriebsgeschwindigkeiten von bis zu 160 m/s können mit Hilfe einiger weiterer Veränderungen bei den Herstellungsverfahren und bei der Schleifscheibenkonstruktion erzielt werden.
Beispiel 2
Schleifleistungsauswertung
Drei metallisch gebundene, in Segmente unterteilte Versuchsschleifscheiben mit 393 mm Durchmesser, 15 mm Dicke, 127 mm Mittelbohrung (15.5 in × 0.59 in × 5 in), die gemäß dem Verfahren des Beispiels 1 von oben hergestellt wurden (Nr. 4 besitzt Segmente mit einer Dichte von 95.6% des theoretischen Wertes, Nr. 5 von 97.9% des theoretischen Wertes und Nr. 6 von 98.5% der theoretischen Dichte) wurden hinsichtlich ihrer Schleifleistung getestet. Bei anfänglichen Testversuchen mit 32 und 80 m/s erwies sich die Schleifscheibe mit der Nr. 6 als diejenige mit der besten Schleifleistung der dreien, obwohl alle Versuchsschleifscheiben akzeptabel waren. Der Test der Schleifscheibe mit der Nr. 6 erfolgte bei drei Geschwindigkeiten: 32 m/s (6252 sfpm), 56 m/s (11,000 sfpm) und 80 m/s (15,750 sfpm). Zwei herkömmliche Schleifscheiben gemäß dem Stand der Technik, die zum Schleifen anspruchsvoller keramischer Materialien empfohlen wurden, dienten als Kontrollschleifscheiben und wurden zusammen mit den Schleifscheiben der Erfindung getestet. Eine war eine gesintert gebundene Diamantschleifscheibe (SD320-N6V 10 Schleifscheibe, die von der Norton Company, Worcester, MA bezogen wurde) und die andere war eine harzgebundene Diamantschleifscheibe (SD320-R4BX619C Schleifscheibe, die von der Norton Company, Worcester, MA bezogen wurde). Die Harzschleifscheibe wurde mit allen drei Geschwindigkeiten getestet. Die gesinterte Schleifscheibe wurde wegen Geschwindigkeitstoleranzüberlegungen nur bei 32 m/s (6252 sfpm) getestet.

Es wurden über 1000 Tauchschliffe mit 6.35 mm (0.25 Inch) Breite und 6.35 mm (0.25 Inch) Tiefe auf Siliziumnitridwerkstücken gebildet. Die Testbedingungen beim Schleifen waren wie folgt: Testbedingungen beim Schleifen

Maschine:	Studer Grinder Model S40 CNC
Schleifscheibentyp:	SD320-R4BX619C, SD320-N6V 10,
Größe:	393 mm Durchmesser, 15 mm Dicke und 127 mm Bohrung.
Schleifscheibengeschwindigkeit:	32, 56 und 80 m/s (6252, 11000, und 15750 sfpm)
Kühlmittel:	Inversol 22 @60% Öl und 40% Wasser
Kühlmitteldruck:	270 psi (19 kg/cm²)
Materialentfernungsrate:	variabel, beginnend bei 3.2 mm³/s/mm (0.3 in³/min/in)
Arbeitsmaterial:	Si₃N₄ (aus NT551-Siliziumnitrid hergestellte Stäbe, die von Norton Advanced Ceramics, Northboro, Massachusetts bezogen wurden) mit 25.4 mm (1 in.) Durchmesser X 88.9 mm (3.5 in.) Länge
Arbeitsgeschwindigkeit:	0.21 m/s (42 sfpm), konstant
Arbeitsdurchmesser am Anfang:	25.4 mm (1 Inch)
Arbeitsdurchmesser am Ende:	6.35 mm (0.25 Inch)

Bei Betrieben, die Abdrehen und Aufbereitung erforderlich machten, waren die Bedingungen, die für die metallisch gebundenen Schleifscheiben der Erfindung geeignet waren: Abdrehbetrieb

Schleifscheibe:	5SG46IVS (bezogen von Norton Company)
Größe der Schleifscheibe:	152 mm Durchmesser (6 inch)
Schleifscheibengeschwindigkeit:	3000 rpm; bei einem Verhältnis von 0.8 bezüglich der Schleifscheibe
Steigung:	0.015 in. (0.38 mm)
Kompensation:	0.0002 in.

Aufbereitungsbetrieb

Stick:	37C2200H-KV (SiC)
Modus:	Handstick-Aufbereitung

Die Tests wurden in einem Tauchmodus eines zylindrischen Außendurchmesser beim Schleifen der Siliziumnitridstäbe durchgeführt. Um die beste Steifigkeit des Arbeitsmaterials während des Schleifens zu bewahren, wurden die 88.9 mm (3.5 in.) Proben in einem Futter mit ungefähr 31 mm (1–1/4 in.) zum Schleifen gehalten. Jeder Satz der Tauchschlifftests begann am entfernten Ende jedes Stabes. Zuerst bildete die Schleifscheibe eine 6.35 mm (1/4 in.) breite und 3.18 mm (1/8 in.) radiale Tauchtiefe, um einen Test zu vervollständigen. Die Arbeitsumdrehungen pro Minute wurden dann wieder eingestellt, um den Verlust der Arbeitsgeschwindigkeit in Folge des verminderten Arbeitsdurchmessers auszugleichen. Zwei weitere ähnliche Hübe wurden dann an der selben Stelle durchgeführt, um den Arbeitsdurchmesser von 25.4 mm (1 in.) auf 6.35 mm (1/4 in.) zu vermindern. Anschließend wurde die Schleifscheibe um 6.35 mm (1/4 in.) seitlich in Richtung des Futters verschoben, um die nächsten drei Hübe durchzuführen. Vier seitliche Verschiebungen wurden auf der selben Seite einer Probe zur Vervollständigung der zwölf Hübe auf einem Ende einer Probe durchgeführt. Die Probe wurden dann umgedreht, um die andere Seite zwölf weiteren Schliffen auszusetzen. Jeder Probe wurde einer Gesamtzahl von insgesamt 24 Tauchschliffen ausgesetzt.
Die anfänglichen Vergleichstests der metallisch gebundenen Schleifscheiben der Erfindung sowie der Harz- und gesinterten Schleifscheiben wurden bei Umfangsgeschwindigkeit von 32 m/s bei drei Materialentfernungsarten (MRR') von ungefähr 2.2 mm³/s/mm (0.3 in³/min./in) bis ungefähr 10.8 mm³/s/mm (1.0 in³/min./in) durchgeführt. Die Tabelle 1 zeigt die Leistungsunterschiede zwischen den drei unterschiedlichen Schleifscheibentypen nach zwölf Hubschliffen, was durch die G-Verhältnisse beschrieben wird. Das G-Verhältnis ist das einheitslose Verhältnis aus dem Volumen an entferntem Material zu dem Volumen des Verschleißes der Schleifscheibe. Die Daten zeigten, dass die gesinterte Schleifscheibe der Klasse N bei den höheren Materialentfernungsraten bessere G-Verhältnisse als die Harzschleifscheiben der Klasse R hatten, was darauf hindeutet, dass sich eine weichere Schleifscheibe beim Schleifen eines keramischen Werkstücks besser verhält. Die härtere metallisch gebundene Versuchsschleifscheibe (#6) war jedoch der Harzschleifscheibe und der gesinterten Schleifscheibe bei allen Materialentfernungsraten bei weitem Überlegen.
Die Tabelle 1 zeigt die geschätzten G-Verhältnisse der Harzschleifscheibe und der neuen, metallisch gebundenen Schleifscheibe (#6) bei allen Materialentfernungsraten. Da es nach zwölf Schliffen keinen messbaren Schleifscheibenverschleiß bei jeder der Materialentfernungsraten bei der metallisch gebundenen Schleifscheibe gab, wurde für jeden Schliff ein symbolischer Wert von 0.01 mil (0.25 μm) radialen Schleifscheibenverschleißes angenommen. Dies führte zu dem rechnerischen G-Verhältnis von 6051.
Obwohl die metallisch gebundene Schleifscheibe der Erfindung eine Diamantkonzentration von 75 umfasste (ungefähr 18.75 Vol.-% Schleifkorn im Schleifsegment) und die Harz- und die gesinterte Schleifscheibe eine Konzentration von 100 bzw. eine Konzentration von 150 (25 Vol.-% bzw. 37.5 Vol.-%) besaßen, zeigte die Schleifscheibe der Erfindung dennoch eine überlegene Leistung. Bei diesen Bezugskornkonzentrationen würde man von den Referenzschleifscheiben, die mehr Vol.-% an Schleifkorn umfassen, eine bessere Schleifleistung erwarten. Somit waren diese Ergebnisse nicht zu erwarten.
Die Tabelle 1 zeigt die Daten der Oberflächenbeschaffenheit (Ra) und der Welligkeit (Wt), die an Proben gemessen wurden, die von den drei Schleifscheiben bei der niedrigen Testgeschwindigkeit geschliffen wurden. Der Welligkeitswert Wt ist die maximale Höhe zwischen Berg und Tal des Welligkeitsprofils. Alle Oberflächenbeschaffenheitswerte wurden an Oberflächen gemessen, die mittels zylindrischen Tauchschleifens ohne Funkenerzeugung erzeugt wurden. Diese Oberflächen wären normalerweise rauer als Oberflächen, die mittels Längsschleifen erzeugt wurden.
Die Tabelle 1 zeigt die Unterschiede des Schleifleistungsverbrauchs, bei unterschiedlichen Materialentfernungsraten der drei Schleifscheibentypen. Die Harzschleifscheibe zeigte einen niedrigeren Energieverbrauch als die anderen zwei Schleifscheiben; die metallisch gebundene Versuchsschleifscheibe und die gesinterte Schleifscheibe hatten jedoch miteinander vergleichbare Energieverbräuche. Die Versuchsschleifscheibe benötigte eine akzeptable Menge an Energie zum Schleifen von keramischen Erzeugnissen, insbesondere im Hinblick auf die Daten des günstigen G-Verhältnissen und der Oberflächenbeschaffenheit, die bei dem Schleifrad der Erfindung beobachtet wurden. Im Allgemeinen zeigten die Schleifscheiben der Erfindung einen Energieverbrauch, der proportional zu den Materialentfernungsraten war.
TABELLE 1
Als die Schleifleistung bei 80 m/s (15,750 sfpm) gemessen wurde, besaßen bei einem zusätzlichen Schleiftest unter den selben Bedingungen die Harzschleifscheibe und die metallische Versuchsschleifscheibe miteinander vergleichbare Energieverbräuche, bei Materialentfernungsraten (MRR) von 9.0 mm³/s/mm (0.8 in³/min./in). Wie in der Tabelle 2 dargestellt ist, wurden die Versuchsschleifscheiben bei zunehmendem MRRs ohne Leistungsverlust oder inakzeptablen Energiebelastungen betrieben. Der Energieverbrauch der metallisch gebundenen Schleifscheibe war in etwa zu der MRR proportional. Die maximal erreichbare MRR betrug in dieser Studie 47.3 mm³/s/mm (28.4 cm³/min./cm).
Die Daten der Tabelle 2 sind Durchschnittswerte von 12 Schleifdurchgängen. Die einzelnen Energieablesungen für jeden der zwölf Durchgänge blieb für die Versuchsschleifscheibe innerhalb jeder Materialentfernungsrate bemerkenswert konstant. Normalerweise würde man einen Energieanstieg beobachten, wenn aufeinanderfolgende Schleifdurchgänge durchgeführt werden und die Schleükörner in der Schleifscheibe beginnen stumpf zu werden oder die Oberfläche der Schleifscheibe mit Werkstückmaterial beladen wird. Dies wird häufig beobachtet, wenn die MRR erhöht wird. Die stabilen Energieverbrauchsniveaus, die innerhalb jeder MRR während der zwölf Schliffe beobachtet wurden, zeigen jedoch überraschenderweise, dass die Versuchsschleifscheibe während der gesamten Dauer des Tests bei allen MRRs seine scharfen Schleifpunkte beibehielt.
Außerdem war es während dieses gesamten Tests bei Materialentfernungsraten zwischen 9.0 mm³/s/mm (0.8 in³/min./in) bis 47.3 mm³/s/mm (4.4 in³/min./in) nicht erforderlich, die Versuchsschleifscheibe nachzuschleifen oder zu bearbeiten.
Die gesamte kumulative Menge an Siliziumnitridmaterial, das ohne jegliche Verschleißanzeichen der Schleifscheibe geschliffen wurde, betrug 271 cm³ pro cm (42 in³ pro inch) der Schleifscheibenbreite. Im Gegensatz dazu betrug das G-Verhältnis für die Harzschleifscheibe mit einer Konzentration von 100 nach 12 Tauchhüben bei einer Materialentfernungsrate von 8.6 mm³/s/mm (0.8 in³/min/in) ungefähr 583. Die Versuchsschleifscheibe zeigte nach 168 Hüben bei 14 unterschiedlichen Materialentfernungsraten keinen messbaren Schleifscheibenverschleiß.
Die Tabelle 2 zeigt, dass die Proben, die mit der metallisch gebundenen Versuchsschleifscheibe geschliffen wurden, bei allen 14 Materialentfernungsraten konstante Oberflächenbeschaffenheiten zwischen 0.4 μm (16 μin) und 0.5 μm (20 μin) beibehielten und Welligkeitswerte zwischen 1.0 μm (38 μin) und 1.7 μm (67 μin) besaßen. Die Harzschleifscheibe wurde bei diesen hohen Materialentfernungsraten nicht getestet. Bei einer Materialentfernungsrate von 8.6 mm³/s/mm (0.8 in³/min/in) besaßen die keramischen Stäbe, die mit der Harzscheibe geschliffen wurden, etwas bessere, jedoch vergleichbare Oberflächenbeschaffenheiten (0.43 gegenüber 0.5 μm, und schlechtere Welligkeit (1.73 gegenüber 1.18 μm).
Als die keramischen Stäbe mit der neuen, metallisch gebundenen Schleifscheibe geschliffen wurden trat überraschenderweise bei einer Erhöhung der Materialentfernungsrate keine offensichtliche Verschlechterung der Oberflächenbeschaffenheit ein. Dies ist anders als bei der üblicherweise beobachteten Oberflächenverschlechterung bei den Schleifraten von Standardschleifscheiben, wie beispielsweise den hierbei verwendeten Referenzschleifscheiben.
Die Gesamtergebnisse zeigen, dass die metallische Versuchsschleifscheibe in der Lage war, effektiv bei einer MRR zu schleifen, die mehr als fünf mal so groß war als die MRR, die mit einer normalen, üblicherweise verwendeten harzgebundenen Schleifscheibe erreichbar ist. Die Versuchsschleifscheibe besaß im Vergleich zu der harzgebundenen Schleifscheibe bei den niedrigeren MRRs ein mehr als 10 mal so großes G-Verhältnis.
TABELLE 2 14 MRRs, die bei einer Schleifscheibengeschwindigkeit von 80 m/s getestet wurden
Bei Betriebsgeschwindigkeiten von 32 m/s (6252 sfpm) und 56 m/s (11,000 sfpm) (Tabelle 1) war der Energieverbrauch bei allen getesteten Materialentfernungsraten der metallisch gebundenen Schleifscheibe höher als bei der Harzschleifscheibe. Der Energieverbrauch der metallisch gebundenen Schleifscheibe wurde jedoch bei der hohen Schleifscheibengeschwindigkeit von 80 m/s (15,750 sfpm) (Tabellen 1 und 2) vergleichbar mit oder etwas geringer als der der Harzschleifscheibe. Insgesamt betrachtet zeigte der Trend, dass der Energieverbrauch mit zunehmender Schleifscheibengeschwindigkeit beim Schleifen mit derselben Materialentfernungsrate sowohl bei der Harzschleifscheibe als auch bei der metallisch gebundenen Versuchsschleifscheibe abnahm. Der Energieverbrauch während des Schleifens, von dem eine Menge auf das Werkstück als Hitze übergeht, ist infolge der größeren Wärmebeständigkeit keramischer Materialien beim Schleifen von keramischen Materialien weniger wichtig als beim Schleifen metallischer Materialien. Wie anhand der Oberflächenqualität der keramischen Proben gezeigt wurde, die mit der Schleifscheibe der Erfindung geschliffen wurden, beeinträchtigte der Energieverbrauch nicht das polierte Stück und befand sich auf einem akzeptablen Nieveau.
Bei der metallisch gebundnen Schleifscheibe war das G-Verhältnis für alle Materialentfernungsraten und Schleifscheibengeschwindigkeiten bei ungefähr 6051 im Wesentlichen konstant. Bei der Harzschleifscheibe nahm das G-Verhältnis mit zunehmenden Materialentfernungsraten bei konstanter Schleifscheibengeschwindigkeit ab.
Die Tabelle 2 zeigt die Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit und der Welligkeit der geschliffenen Proben bei höheren Schleifscheibengeschwindigkeiten. Ferner besaßen die Proben, die mit der neuen, metallisch gebundenen Schleifscheibe geschliffen wurden, bei allen getesteten Schleifscheibengeschwindigkeiten und Materialentfernungsraten die geringste gemessene Welligkeit.
Bei diesen Tests zeigte die metallisch gebundene Schleifscheibe im Vergleich zu den Referenzschleifscheiben eine höhere Schleifscheibenlebensdauer. Im Gegensatz zu den üblichen Referenzschleifscheiben war es nicht erforderlich, die Versuchsschleifscheiben während der ausgedehnten Schleiftests nachzuschleifen und zu bearbeiten. Die Versuchsschleifscheibe wurde erfolgreich bei Schleifscheibengeschwindigkeiten bis zu 90 m/s betrieben.
Beispiel 3
In einem anschließenden Schleiftest der Versuchsschleifscheibe (#6) bei 80 m/sec unter den selben Betriebsbedingungen, wie sie in den vorangehenden Beispielen verwandt wurden, wurde eine MRR von 380 cm³/min/cm erhalten, wobei ein Oberflächenbeschaffenheitsmaß (Ra) von lediglich 0.5 μm (12 μin) erzeugt wurde und wobei ein akzeptables Maß an Energie verbraucht wurde. Die beobachtete hohe Materialentfernungsrate ohne Oberflächenbeschädigung des keramischen Werkstücks, die unter Verwendung des Werkzeugs der Erfindung erzielt wurde, wurde beim Schleifbetrieb eines keramischen Materials mit einem herkömmlichen Schleifwerkzeug eines beliebigen Bindungstyps nicht verzeichnet.
Beispiel 4
Ein topfförmiges Schleifwerkzeug wurde angefertigt und beim Schleifen von Saphir auf einer vertikalen Spindelmaschine des Typs "Blanchard" getestet.
Eine Topfschleifscheibe (Durchmesser = 250 mm) wurde aus Schleifsegmenten hergestellt, die mit denen, die in Beispiel 1, Schleifscheibe #6, verwendet wurden, mit der Ausnahme identisch waren, dass (1) der Diamant eine Körnungsgröße von 45 μm (U. S. Maschenweite 270/325) besaß und in den Schleifsegmenten mit 12.5 Vol.-% (Konzentration 50) vorhanden war, und dass (2) die Abmessungen der Segmente 46.7 mm Sehnenlänge (133.1 mm Radius), 4.76 mm Breite und 5.84 mm Tiefe betrugen. Diese Segmente wurden entlang der Peripherie einer seitlichen Oberfläche eines topfförmigen Stahlkerns befestigt, der eine Mittelbohrung für eine Spindel besaß. Die Oberfläche des Kerns besaß Rillen, die entlang der Peripherie angeordnet waren, die einzelne flache Taschen bildeten, die die selben Breiten- und Längenabmessungen wie die Segmente besaßen. Ein Epoxidbindemittel (Technodyne HT-18 Bindemittel, das von Taoka, Japan bezogen wurde) wurde den Taschen hinzugefügt und die Segmente wurden in die Taschen gesetzt und es wurde gestattet, dass das Bindemittel trocknet. Die fertiggestellte Schleifscheibe war der in der 2 gezeigten Schleifscheibe ähnlich.
Die Topfschleifscheibe wurde erfolgreich verwendet, um die Oberfläche eines Arbeitsmaterials zu schleifen, die aus einem flächigen Saphirzylinder mit einem Durchmesser von 100 mm bestand, was unter günstigen Schleifbedingungen des G-Verhältnisses, der MRR und des Energieverbrauchs zu einer akzeptable Oberflächenebenheit führte.

Claims

Schleifwerkzeug mit einem Kern (2) mit einer minimalen spezifischen Festigkeit von 2.4 MPa – cm³/g, einer Kerndichte von 0.5 bis 8.0 g/cm³ und einem kreisförmigen Umfang; einem durch zumindest ein Schleifsegment (8) definierten Schleifkranz; wobei das Schleifsegment im Wesentlichen aus hochabrasiven Körnern (4) besteht; das Schleifwerkzeug ist gekennzeichnet durch eine thermisch beständige Verbindung zwischen dem Kern und dem Kranz; und durch eine Metallbindungsmatrix (6), die eine Bruchzähigkeit von 1.0 bis 6.0 Mpa·m^1/2 besitzt; und wobei das Schleifwerkzeug zum Präzisionsschleifen von brüchigen Materialien bis zu Geschwindigkeiten von 160 m/s geeignet ist.
Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei der Kern ein metallisches Material aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Stahl, Titan und Bronze, Schichtkörpern und Legierungen davon, und Kombinationen davon umfasst.
Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei das Schleifsegment aus 45 bis 90 Vol.-% Metallbindungsmatrix und 10 bis 50 Vol.-% Schleifkorn besteht, und wobei die Metallbindungsmatrix eine maximale Porosität von 25 Vol.-% umfasst.
Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die Metallbindungsmatrix 0.1 bis 15 Vol.-% eines verschleißfesten Füllmaterials umfasst.
Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 3, wobei die Metallbindungsmatrix eine maximale Porosität von 5 Vol.-% umfasst.
Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei das Schleifkorn aus der Gruppe bestehend aus Diamant und kubischem Bornitrid und Kombinationen davon ausgewählt ist.
Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die Metallverbindung eine Knoop'sche Härte von 2 bis 3 GPa besitzt.
Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die Metallbindung 35–84 Gew.-% Kupfer und 16 bis 65 Gew.-% Zinn umfasst.
Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 8, wobei die Metallbindung ferner 0.2 bis 1.0 Gew.-% Phosphor umfasst.
Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei das Schleifwerkzeug zumindest zwei Schleifsegmente umfasst und wobei die Schleifsegmente eine längliche, bogenförmige Gestalt und eine innere Krümmung besitzen, die gewählt wurde, um mit dem kreisförmigen Umfang des Kerns zusammenzupassen, und wobei jedes Schleifsegment zwei Enden besitzt, die gestaltet sind, um mit dem benachbarten Schleifsegment zusammenzupassen, so dass der Schleifkranz durchgehend und im Wesentlichen frei von jeglichen Lücken zwischen Schleifsegmenten ist, wenn die Schleifsegmente mit dem Kern verbunden sind.
Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei das Werkzeug entweder eine Schleifscheibe des Typs 1A1 oder eine Topfschleifscheibe ist.
Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die thermisch beständige Verbindung aus der Gruppe ausgewählt wurde, die im Wesentlichen aus einer Epoxidklebeverbindung, einer metallurgischen Verbindung, einer mechanischen Verbindung, und einer Diffusionsverbindung und Kombinationen davon besteht.