DE69917965T2

DE69917965T2 - Verfahren zum Schleifen von Präzisionskomponenten

Info

Publication number: DE69917965T2
Application number: DE69917965T
Authority: DE
Inventors: Srinivasan Ramanath; William H. Williston; Shih Yee Kuo; 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: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2019-03-19
Also published as: JP3323827B2; EP0945221A3; EP0945221B1; ATE269191T1; CA2265322C; EP0945221A2; US6019668A; JPH11320354A; CA2265322A1; DE69917965D1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum zylindrischen Präzisionsschleifen von harten, spröden Materialien, wie z.B. Keramik, Glas und Zusammensetzungen umfassend Keramik oder Glas, bei einer Scheibenumfangsgeschwindigkeit von bis zu 160 Metern/Sekunde. Das Verfahren setzt neue Schleifwerkzeuge, umfassend einen Scheibenkern oder eine Scheibennabe ein, befestigt an einem metallisch gebundenen Schleifmittelrand. Diese Schleifwerkzeuge schleifen sprödes Material mit hohen Materialentfernungsgeschwindigkeiten (z.B. 19-380 cm³/min/cm), bei weniger Scheibenabnutzung und weniger Beschädigung des Werkstücks als bei herkömmlichen Schleifwerkzeugen.
Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung der Vereinigten Staaten unter dem Vertrag DE-AC05-84-OR21400 erstellt, gefördert von dem Ministerium für Energie. Die Regierung der Vereinigten Staaten besitzt gewisse Rechte an dieser Erfindung.
Hintergrund der Erfindung
Ein Verfahren zum Schleifen von Keramik und ein Schleifwerkzeug, welches geeignet ist, um Saphir und andere keramische Materialien zu schleifen ist in der U.S.-A-5,607,489 von Li offenbart. Das Werkzeug wird so beschrieben, dass es mit Metall bekleidete Diamanten, eingebunden in einer verglasten Matrix enthält, welche 2 bis 20 Vol.-% feste Schmierstoffe und mindestens 10 Vol.-% Porosität umfasst.
Ein Verfahren zum Schleifen von gefestigtem Karbid, welches ein Schleifwerkzeug benutzt, welches Diamanten, fest eingebunden in einer Metallmatrix mit 15 – 50 Vol.-% an ausgesuchten Füllstoffen, wie z.B. Graphit, enthält, wird in der U.S.-A-3,925,035 von Keat offenbart, welche als der nächstliegend Stand der Technik angesehen wird.
Eine Trennscheibe, hergestellt mit metallisch befestigten Diamantschleifmittelkörnern wird in der U.S.-A-2,238,351 von Van der Pyl offenbart. Die Befestigung besteht aus Kupfer, Eisen, Zinn und wahlweise Nickel, und das gebundene Schleifmittelkorn wird auf einen Metallkern gesintert, wahlweise mit einem Lötschritt, um ausreichende Adhäsion sicherzustellen. Die besten Befestigungen werden dabei so beschrieben, dass sie eine Rockwell B-Härte von 70 aufweisen.
Ein Schleifwerkzeug, welches feine Diamantkörner (Diamantstaub) gebunden in einer Metallbindung enthält, welche eine verhältnismäßig niedrige Schmelztemperatur aufweist, wie z.B. eine Bronzebefestigung, wird in der U.S.-Re-21,165 offenbart. Die niedrig schmelzende Bindung dient dabei zur Vermeidung einer Oxidation der feinen Diamantkörner. Der Schleifmittelrand ist dabei als einzelnes, ringförmiges Schleifsegment konstruiert, welcher dann auf einer zentralen Scheibe aus Aluminium oder anderen Materialien befestigt wird.
Keines dieser Verfahren hat sich als völlig zufriedenstellend beim zylindrischen Präzisionsschleifen von Präzisionskomponenten erwiesen. Diese Verfahren sind durch die Werkzeuge im Stand der Technik eingeschränkt, welche daran scheitern, die strikten Bedingungen bezüglich der Form, Größe und Oberflächenqualität des Teils, wenn sie zu den gewerblich ausführbaren Schleifgraden ausgeführt werden, zu erfüllen. Die meisten gewerblichen zylindrischen Schleifarbeitsweisen verwenden durch Harz befestigte oder verglaste Schleifscheiben und diese Scheiben werden mit einer relativ geringen Schleifeffizienz betätigt (z.B. 1-5 mm³/s/mm für fortschrittliche Keramik), um eine Beschädigung der Oberfläche und unterhalb der Oberfläche der Präzisionskomponenten zu vermeiden. Die Schleifeffizienz wird weiter reduziert durch die Neigung von keramischen Werkstücken, die Scheibenoberfläche solcher Werkzeuge zu verstopfen, was ein häufiges Aufarbeiten und Ausrichten erforderlich macht, um die Präzisionsform beizubehalten.
Da die Marktnachfrage für keramische Präzisionskomponente in Produkten wie z.B. Maschinen, feuerfesten Ausrüstungen und elektronischen Geräten (z.B. den Wafern, Magnetköpfen und Displayfenstern) zugenommen hat, ist das Bedürfnis für ein verbessertes Verfahren zum zylindrischen Präzisionsschleifen von Keramik und anderen spröden Präzisionskomponenten gewachsen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Fertigbearbeitung von spröden Präzisionskomponenten umfassend die Schritte:

a) Montieren eines zylindrischen Werkstückes auf einer Haltevorrichtung;
b) Montieren einer Schleifscheibe auf eine Schleifmaschine, wobei die Schleifscheibe einen Kern und einen kontinuierlichen Schleifmittelrand aufweist, wobei der Kern eine minimale spezifische Stärke von 2,4 MPa-cm³/g und einen zirkulären Umfang aufweist, welche mit einem thermisch stabilen Bindemittel zu mindestens einem Schleifmittelsegment des Schleifmittelrandes adhäsiv gebunden ist, wobei das Schleifmittelsegment im wesentlichen aus Schleifmittelkörnern und einer Metallbindematrix besteht, welche eine Bruchfestigkeit von 1,0 bis 6,0 MPa m^1/2 und eine maximale Porosität von 5 Vol.-% aufweist;
c) Drehen der Schleifscheibe mit einer Geschwindigkeit von 25 bis 160 Meter/Sekunde;
d) In-Kontakt-Bringen der Schleifscheibe mit einer äußeren Oberfläche des rotierenden Werkstücks; und
e) Schleifen des Werkstücks mit einer Material-Entfernungsgeschwindigkeit von bis zu 360 cm³/min/cm um die äußere Oberfläche der keramischen Komponente feinzubearbeiten;

Beschreibung der Zeichnung
1 stellt einen durchgehenden Rand der Schleifsegmente dar, die an dem Umfang eines Metallkerns gebunden sind, um eine Schleifmittelscheibe vom Typ 1A zu bilden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum zylindrischen Schleifen rotiert ein Werkstück, welches von einem Antrieb angetrieben wird, um eine fixierte Achse, und die Oberfläche des Werkstücks ist mit einer rotierenden kontaktgeschliffenen Schleifscheibe, so dass auf der Oberfläche des Werkstücks eine präzise Form rund um die Rotationsachse geschaffen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zum zylindrischen Schleifen beinhaltet eine Vielfalt von Feinbearbeitungsmaßnahmen, wie z.B. Querschleifen einer zylindrischen Oberfläche und Querschleifen eines Kegels; sowie Profilschleifen von zylindrischen Oberflächen, Zylindern oder Formen, wahlweise mit mehrfachen und einfachen Durchmessern oder angeschlossenen Leisten. Eingebaute Teile mit zwei Enden (aktiver oder inaktives Zentrum), werden generell benötigt für Schleifwerkstücke, welche ein Seitenverhältnis von 3:1 oder höher aufweisen, benötigt, um die Arbeitsstücke einzuklemmen. Ein einzelnes Ende eines Werkstückes mit einem schmaleren Seitenverhältnis kann während des Schleifens in einer rotierenden Drehbankspindel eingeklemmt werden. Weitere Beispiele des Schleifprozesses gemäß der Erfindung beinhalten rotierendes Oberflächenschleifen, Kurbelwellenschleifen, Nockenschleifen, gewölbtes zylindrisches Schleifen und Schleifen von Formen wie Vielecke.
Der Schleifarbeitsgang kann ausgeführt werden mit oder ohne Kühlmittel, in Abhängigkeit von dem Material des Werkstücks, der gewünschten Qualität der Oberflächenfeinbearbeitung, dem Design der Schleifmaschine und weiteren Prozessvariablen. Ausrichtungs- und Aufarbeitungsmaßnahmen, falls optional, werden bevorzugt auf der Schleifscheibe vor der Schleifmaßnahme und wahlweise nach Bedarf während der Maßnahme durchgeführt. In dem erfindungsgemäßen Verfahren können einige Schleifprozesse ohne eine weitere Aufarbeitung der Schleifscheibe erfolgen.
Während des Schleifens kann das Werkstück in der gleichen Richtung rotieren wie die Schleifscheibe oder in entgegengesetzter Richtung. Das Werkstück rotiert generell bei einer Geschwindigkeit, die niedriger als die der Schleifscheibe ist, bevorzugt mindestens eine Größenordnung kleiner als die der Schleifscheibe. Bei einer Scheibengeschwindigkeit von z.B. 80 Meter/Sekunde ist die Geschwindigkeit des Werkstücks bevorzugt 1-12 Meter/Sekunde, in Abhängigkeit von der Form und Zusammensetzung des Werkstückes, der eingesetzten Schleifmaschine, der Geometrie, die geschliffen wurde, der Material-Entfernungsgeschwindigkeit und weiteren Variablen. Kleinere Arbeitsstücke werden bevorzugt schneller gedreht als größere. Für ein effizientes Schleifen benötigen härtere Werkstücke (z.B. Siliziumnitrid) höhere Normalschleifkräfte und Werkstücke mit einer höheren mechanischen Festigkeit (z.B. Wolframcarbid) erfordern eine höhere Schleifkraft. Ein erfahrener Fachmann kann die geeigneten Einstellungen der Schleifmaschine auswählen, um die maximale Effizienz für ein gegebenes Werkstück und einen gegebenen Schleifarbeitsgang zu erreichen.
Während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Feinbearbeitung von keramischen Werkstücken können Bedingungen, welche Bruchschäden und Schäden unterhalb der Oberfläche in keramischen Materialien hervorrufen, wie z.B. hohe Schleifkräfte, thermischer Schock, schlechte Wärmeableitung von der Schleifzone, hohe Kontaktbelastung und Prellen, oder fortgesetzte lang anhaltende Vibrationen in der Schleifzone durch die Verwendung der hier beschriebenen Schleifwerkzeuge minimiert werden. Akzeptable Ausmaße von Schäden unterhalb der Oberfläche können ohne Verlust an Schleifeffizienz durch Anpassung der Größe des Schleifkorns, deren Größe und Konzentration erreicht werden, um in Übereinstimmung mit den gewünschten Schleifprozessparametern zu agieren. Sprödheitsbrüche beim Schleifen des keramischen Werkstückes werden vermindert, und feine Oberflächen-Feinbearbeitungen mit einer Variabilität in der Größenordnung von weniger als 0,025 Mikrometer können bei einer Material-Entfernungsgeschwindigkeit von ungefähr 19 bis 380 cm³/s/cm erreicht werden. Im Gegensatz dazu sind die Scheiben im Stand der Technik, bei denen Diamanten mit Harz befestigt sind, nur zu maximalen Material-Entfernungsgeschwindigkeiten von weniger als 19 cm³/min/cm geeignet, bevor Schäden der Oberfläche und unterhalb der Oberfläche auftreten.
Das erfindungsgemäße Verfahren wendet verschiedene, neuartige Schleifwerkzeuge an, welche Schleifscheiben sind, umfassend einen Kern, welcher eine zentrale Bohrung aufweist, um die Scheibe auf einer Schleifmaschine zu montieren, wobei der Kern so entworfen wurde, dass er einen metallisch gebundenen Schleifmittelrand entlang der Peripherie der Scheibe unterstützt. Diese beiden Teile der Scheibe werden von einem thermisch stabilen Band zusammengehalten, und die Scheibe sowie ihre Komponenten wurden so entworfen, dass sie Belastungen, welche bei peripheren Scheibengeschwindigkeiten von bis zu 80 Meter/Sekunde, bevorzugt bis 160 Meter/Sekunde, tolerieren. Die besten Resultate werden bei 60 bis 100 Meter/Sekunde erreicht. Bevorzugte Werkzeuge sind Scheiben vom Typ 1A, welche für eine Montage auf einer zylindrischen Schleifmaschine entworfen wurden.
Der Kern ist im wesentlichen in seiner Form kreisrund. Der Kern umfasst jegliches Material, welches mindestens eine spezifische Festigkeit von 2,4 MPa-cm³/g, bevorzugt 40-185 MPa-cm³/g aufweist. Das Kernmaterial hat bevorzugt eine Dichte von 0,5 bis 8,0 g/cm³, besonders bevorzugt 2,0 bis 8,0 g/cm³. Beispiele für geeignete Materialien sind Stahl, Aluminium, Titan und Bronze sowie deren Mischungen und Legierungen sowie Kombinationen davon. Verstärkte Kunststoffe, die die bezeichnete minimale spezifische Festigkeit aufweisen, können für die Konstruktion des Kerns verwendet werden. Zusammensetzungen und verstärkte Kernmaterialien haben typischerweise eine durchgehende Phase einer Metall- oder Plastikmatrix, häufig in Puderform, zu der Fasern oder Körner oder Partikel eines härteren, elastischeren und/oder weniger dichten Materials in Form einer diskontinuierlichen Phase zugesetzt werden. Beispiele für Verstärkungsmaterialien, welche zur Anwendung in dem Kern der erfindungsgemäßen Werkzeuge geeignet sind, sind Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Keramikfasern, Keramikteilchen und -körner und Hohlfüllmaterialien wie z.B. Glas, Mull, Aluminium und Zeolite^®-Kugeln.
Stahl und andere Materialien, welche eine Dichte von 0,5 bis 8,0 g/cm³ ausweisen, sind besonders bevorzugt für die Herstellung der Kerne der erfindungsgemäßen Werkzeuge. Für die Herstellung von Kernen, welche bei der Hochgeschwindigkeitsschleifung eingesetzt werden (z.B. bei mindestens 80 Meter/Sekunde), werden Leichtmetalle in Puderform (d.h. Metalle, welche eine Dichte von ungefähr 1,8 bis 4,5 g/cm³ aufweisen), wie z.B. Aluminium, Magnesium und Titan, sowie Legierungen davon und Mischungen bevorzugt. Aluminium sowie Aluminiumlegierungen sind besonders bevorzugt. Metalle mit Sintertemperaturen zwischen 400 und 900°C, bevorzugt 570 – 650°C, werden ausgewählt, falls ein Co-Sinter-Montageprozess verwendet wird, um die Werkzeuge herzustellen. Füllmaterialien von geringer Dichte können zugesetzt werden, um das Gewicht des Kernes zu reduzieren. Poröse und/oder hohle Keramik oder Glasfüllstoffe, z.B. Glaskugeln und Mullkugeln sind geeignete Materialien für diesen Zweck. Ebenfalls geeignet sind anorganische und nicht-metallische Fasermaterialien. Eine effektive Menge von Befeuchtungsmitteln oder anderen Prozesshilfsmitteln, welche in der Metallbindungs- und Schleiftechnik bekannt sind, können vor dem Pressen und Sintern dem Metallpuder zugesetzt werden, falls dies aufgrund der Prozessbedingungen angebracht ist.
Das Werkzeug sollte stark, langlebig und in seinen Dimensionen stabil sein um den möglichen destruktiven Kräften, welche sich bei Operationen mit hohen Geschwindigkeiten ausbilden, standhalten zu können. Der Kern sollte eine minimale spezifische Festigkeit aufweisen, um die Schleifscheiben mit einer sehr hohen Winkelgeschwindigkeit anzutreiben, welche erforderlich ist, um eine tangentiale Kontaktgeschwindigkeit zwischen 80 und 160 m/s zu erreichen. Bei solchen Geschwindigkeiten ist der minimale spezifische Festigkeitsparameter, welcher für die Kernmaterialien dieser Erfindung benötigt wird, 2,4 MPa-cm³/g, wobei höhere Parameter in der Größenordnung von 40-185 MPa-cm³/g bevorzugt sind.
Der spezifische Festigkeitsparameter ist definiert als das Verhältnis von Kernmaterial-Streckgrenze (oder -Bruchgrenze) geteilt durch die Kernmaterialdichte. Im Falle von spröden Materialien, welche eine niedrigere Bruchfestigkeit als die Streckungsgrenze aufweisen, wird der spezifische Festigkeitsparameter durch die Verwendung der kleineren Zahl, der Bruchfestigkeit, bestimmt. Die Streckungsgrenze eines Materials ist die minimale Kraft, die angewendet wird in Spannungen, für die die Beanspruchung des Materials ohne weiteren Anstieg der Kraft anwächst. ANSI 4140-Stahl z.B., gehärtet bei über 240 (Brinell-Skala) hat eine statische Belastbarkeit von mehr als 700 MPa. Die Dichte dieses Stahls beträgt ungefähr 7,8 g/cm³. Somit beträgt ihr spezifischer Festigkeitsparameter ungefähr 90 MPa-cm³/g. In ähnlicher Weise haben verschiedene Aluminiumlegierungen, wie z.B. Al 2024, Al 7075 und Al 7178, welche hitzebehandelbar sind zu einer Brinell-Härte über etwa 100, eine statische Belastbarkeit, welche höher als 300 MPa ist. Solche Aluminiumlegierungen haben eine niedrige Dichte von ungefähr 2,7 g/cm³ und weisen somit einen spezifischen Festigkeitsparameter von mehr als 110 MPa-cm³/g auf. Titanlegierungen und Bronzezusammensetzungen und -legierungen, welche hergestellt wurden um eine Dichte aufzuweisen, die nicht größer als 8,0 g/cm³ ist, sind ebenfalls für die Verwendung geeignet.
Das Kernmaterial sollte robust sein, thermisch stabil bei Temperaturen, welche in der Nähe der Schleifzone erreicht werden (z.B. ungefähr 50 bis 270°C), widerstandsfähig gegen chemische Reaktionen mit Kühlmitteln und Feuchthaltemitteln, welche beim Schleifen verwendet werden, und widerstandsfähig gegen Erosionsabnutzung infolge der Bewegung der Schneideablagerung in der Schleifzone. Obwohl einige Tonerden und andere Keramiken akzeptable Fehlerwerte haben (d.h. mehr als 60 MPa-cm³/g), sind sie grundsätzlich zu spröde und versagen strukturell bei Hochgeschwindigkeitsschleifen aufgrund von Brüchen. Somit sind Keramiken nicht geeignet für die Anwendung in den Werkzeugkernen. Metall, speziell gehärtetes, Werkzeugqualitätsstahl und Metallmatrixzusammensetzungen sind bevorzugt.
Das Schleifsegment der Schleifscheibe, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist ein in Segmente eingeteilter oder durchgehender Rand, welcher auf einem Kern montiert ist. Ein in Segmente eingeteilter Schleifmittelrand ist in 1 abgebildet. Der Kern 2 hat eine zentrale Bohrung 3, um die Scheibe auf einer Antriebsachse zu montieren (nicht abgebildet). Der Schleifmittelrand der Scheibe umfasst die Schleifkörner 4, eingeschlossen (bevorzugt in einheitlicher Konzentration) in einer Metallbindemittelmatrix 5. Eine Vielzahl von Schleifsegmenten 6 vervollständigen den Schleifrand, abgebildet in 1. Obwohl das abgebildete Ausführungsbeispiel zehn Segmente zeigt, ist die Zahl der Segmente nicht entscheidend. Ein einzelnes Schleifsegment, wie in 1 dargestellt, besitzt eine abgeschnittene, rechteckige Ringform (eine bogenartige Form), gekennzeichnet durch eine Länge l, eine Weite w und eine Tiefe d.
Das Ausführungsbeispiel einer Schleifscheibe, abgebildet in 1, wird als repräsentativ für Scheiben, welche erfolgreich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden, angesehen und soll nicht als einschränkend betrachtet werden. Öffnungen oder Lücken in dem Kern werden manchmal verwendet, um Bahnen zur Verfügung zu stellen, die Kühlmittel zu der Schleifzone leiten und Schneideabfälle von der Zone wegleiten. Ein Segment, welches wieter ist als die Kernweite, wird gelegentlich eingesetzt, um die Kernstruktur gegen Erosion durch Kontakt mit Schleifstaub zu schützen, wenn die Scheibe radial das Werkstück durchdringt.
Die Scheibe kann hergestellt werden, indem zuerst individuelle Segmente mit einer vorher ausgewählten Dimension geformt werden und dann die vorgeformten Segmente zu dem kreisförmigen Umfang (Umfang) 7 des Kerns mit einem geeigneten Klebstoff befestigt werden. Eine weitere bevorzugte Herstellungsmethode beinhaltet die Formung von Segmentvorläufereinheiten aus einer Pulvermischung von Schleifkörnern und Bindemittel, das Gießen der Zu sammensetzung rund um den Umfang des Kerns und die Anwendung von Hitze und Druck, um die Segmente in situ (d.h. durch Co-Sintern des Kerns und des Randes) herzustellen und zu befestigen.
Der kontinuierliche Schleifmittelrand kann ein Schleifsegment umfassen, oder mindestens zwei Segmente, getrennt in Formen gesintert, und dann individuell auf dem Kern mit einem thermisch stabilen Bindemittel befestigt (d.h. einem Bindemittel, welches bei Temperaturen, die einem während des Schleifens des Anteils der Segmente, die von der Schleifoberfläche weggerichtet sind, begegnen, typischerweise von ungefähr 50-350°C). Segmentierte, kontinuierliche Schleifmittelränder sind gegenüber einem einzelnen kontinuierlichen Schleifmittelrand, geformt als ein einzelnes Stück in Ringform, infolge der leichteren Erreichung einer wirklich runden, planaren Form während der Herstellung eines Werkzeuges gegenüber mehreren Schleifsegmenten, bevorzugt.
Die Schleifmittelrandkomponente enthält Schleifkörner, welche in einer Metallbindemittelmatrix gehalten sind, welches typischerweise dadurch hergestellt wird, dass eine Mischung von Metallbindemittelpuder und den Schleifkörnern in einer Form gesintert wird, welche so gestaltet wurde, um die gewünschte Größe und Form des Schleifrandes oder der Schleifrandsegmente zu liefern.
Die Schleifkörner, welche in dem Schleifmittelrand verwendet werden, können ausgewählt werden aus Diamanten, natürlichen oder synthetischen, und CBN, sowie Kombinationen von diesen Schleifmitteln. Die Auswahl von Korngröße und -typ variiert in Abhängigkeit von der Natur des Werkstücks und der Art des Schleifprozesses. Beim Schleifen und Polieren von Saphiren z.B. ist eine Schleifkorngröße von 2 bis 300 Mikrometer bevorzugt. Für das Schleifen von Aluminium ist eine Schleifkorngröße von ungefähr 125 bis 300 Mikrometer (60 bis 120 Grit; Nonon Company Grit-Größe) generell bevorzugt. Für das Schleifen von Siliziumnitrid ist eine Größe von ungefähr 45 bis 80 Mikrometer (200 bis 400 Grit) generell bevorzugt.
Die Werkzeuge umfassen 10 bis 50 Vol.-% Schleifkörner, bevorzugt 10 bis 40 Vol.-%, als Volumenprozent des Schleifmittelrands. Eine kleinere Anzahl von abnutzungsresistenten Materialien, welche eine Härte vergleichbar oder geringer als die der Werkstückmaterialien aufweisen, können als Bindemittelfüller hinzugefügt werden, um die Abnutzungsrate des Bandes zu ändern. Die Füllstoffe können mit 0 bis 15 Vol.-%, bevorzugt 0,1 bis 10 Vol.-%, am meisten bevorzugt 0,1 bis 5 Vol.-% als Volumenprozent der Randkomponente verwendet werden. Wolframkarbid, Ceriumoxid und Aluminiumkörner sind Beispiele von Füllstoffen, die verwendet werden.
Jegliches Metallbindemittel, welche geeignet ist um Schleifmittel zu binden, und eine Bruchfestigkeit von 1,0 bis 6 MPa·m^1/2, bevorzugt 2,0 bis 4, 0 MPa·m^1/2 aufweist, kann hierbei eingesetzt werden. Bruchfestigkeit ist der Belastungsintensitätsfaktor, bei dem ein Riss, welcher in einem Material eingeleitet wird, sich in dem Material fortsetzt und zu einem Bruch des Materials führt. Bruchfestigkeit wird dabei ausgedrückt als K_1c = (σ_f)(π^1/2)(c^1/2), wobei K_1c die Bruchfestigkeit ist, σ_f die Belastung, die während des Bruchs zugefügt wird und c die Hälfte der Bruchlänge ist. Es gibt mehrere Methoden, welche verwendet werden können, um die Bruchfestigkeit zu bestimmen, und jede hat einen Anfangsschritt, wobei ein Riss von bekannten Ausmaßen in dem Material geschaffen wird, und dann eine Belastung zugeführt wird, bis das Material bricht. Die Belastung während des Bruchs und die Risslänge werden in die Gleichung eingesetzt und die Bruchfestigkeit kalkuliert (z.B. die Bruchfestigkeit von Stahl ist ungefähr 30 bis 50 MPa·m^1/2, die von Aluminium ist ungefähr 2 bis 3 MPa·m^1/2, die von Siliziumnitrid ist ungefähr 4 bis 5 MPa·m^1/2 und die von Zirkonium ist ungefähr 7 bis 9 MPa·m^1/2.
Um die Lebenszeit der Scheibe und die Schleifleistung zu optimieren, sollte die Abnutzungsrate des Bindemittels äquivalent oder wenig höher sein als die Abnutzungsrate des Schleifkorns während der Schleifoperationen. Füllstoffe, wie die oben erwähnten, können dem Metallband zugesetzt werden, um die Abnutzungsrate der Scheibe zu senken. Metallpuder, die dazu tendieren eine verhältnismäßig dichte Bindemittelstruktur (d.h. weniger als 5 Vol.-% Porosität) auszubilden, sind bevorzugt um eine höhere Materialentfernungsrate während des Schleifens zu ermöglichen.
Materialien, welche in der Metallbindemittelmatrix des Randes nützlich sind, beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Kupfer, Zinn, Zink, Kobalt und Eisen, sowie deren Legierungen, wie z.B. Bronze und Messing, sowie Mischungen davon. Diese Metalle können wahlweise zusammen mit Titan oder Titanhydrid, oder anderen reaktiven Schleifmittel materialien (d.h. aktive Bindekomponenten) genutzt werden die fähig sind, eine chemische Carbid- oder Nitridverbindung zwischen den Körnern und dem Bindemittel auf der Oberfläche der Schleifkörner unter den ausgewählten Sinterbedingungen auszubilden, um so die Grenzfläche zwischen Korn und Bindung zu verstärken. Stärkere Zwischenflächen zwischen Korn und Bindemittel begrenzen den vorzeitigen Verlust von Körnern und Werkstücken, wie auch eine verkürzte Lebenszeit des Werkstücks, hervorgerufen durch vorzeitigen Kornverlust.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Schleifmittelrandes umfasst die Metallbindemittelmatrix 45 bis 90 Vol.-% des Randes, mehr bevorzugt 60 bis 80 Vol.-%. Wenn Füllstoffe zu dem Band zugefügt werden, umfasst der Füllstoff 0 bis 50 Vol.-% der Metallmatrix des Randes, bevorzugt 0,1 bis 25 Vol.-%. Eine maximale Porosität der Metallbindematrix während der Herstellung des Schleifsegmentes sollte bei 5 Vol.-% eingestellt werden. Die Metallbindemittelmatrix hat bevorzugt eine Knoop-Härte von 0,1 bis 3 GPa.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Schleifscheibe vom Typ 1A ist der Kern aus Aluminium hergestellt und der Rand enthält ein Bronzeband, welches aus Kupfer und Zinnpuder (80/20 Gew.-%) hergestellt wurde, und wahlweise einem Zusatz von 0,1 bis 3,0 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 1,0 Gew.-% Phosphor in Form von Phosphor-/Kupferpuder. Während der Herstellung der Schleifsegmente werden die Metallpuder dieser Zusammensetzung mit 100 bis 400 Grit (160 bis 45 Mikrometer) Diamantschleifkörnern gemischt, zu Schleifmittelrandsegmenten geformt und gesintert oder im Bereich von 400 bis 550°C bei 20 bis 33 MPa verdichtet um einen dichten Schleifmittelrand hervorzubringen, der bevorzugt eine Dichte von mindestens 95 % der theoretischen Dichte (d.h. nicht mehr als 5 % Porosität umfassend) aufweist.
In einem typischen Co-Sinterprozess zur Scheibenfertigung wird das Metallpuder des Korns in eine Stahlgussform gegossen und bei 80 bis 200 kN (ungefähr 10 bis 50 MPa Druck) kaltgepresst, um einen grünen Teil zu formen, der etwa die 1,2 bis 1,6-fache Größe der gewünschten Enddicke des Kerns aufweist. Der grüne Kernteil wird in einer Graphitgussform platziert und eine Mischung der Schleifkörner und der Metallbindepudermischung wird in den Zwischenraum zwischen dem Kern und den äußeren Rand der Graphitgussform zugeführt. Ein Rahmenring kann verwendet werden um die Schleif- und Metallbandpuder zu der gleichen Dicke zu komprimieren wie die Kernvorform. Die Inhalte der Graphitgussform werden bei 370 bis 410°C unter 20 bis 48 MPa Druck für 6 bis 10 Minuten heißgepresst. Wie im Stand der Technik bekannt, kann die Temperatur dabei linear erhöht werden (z.B. von 25 auf 410°C für 6 Minuten; dann für 15 Minuten auf 410°C gehalten) oder stufenweise erhöht werden, bevor der Inhalt der Gussform unter Druck gesetzt wird.
Nach dem heißen Pressen wird die Graphitgussform von dem Stück entfernt, das Teil gekühlt und mit konventionellen Techniken fertig verarbeitet, um einen Schleifmittelrand hervorzubringen, welcher die gewünschten Dimensionen und Toleranzen aufweist. Z.B. kann das Stück zur Endgröße fertig bearbeitet werden, indem eine verglaste Schleifscheibe auf einer Schleifmaschine verwendet wird oder Karbidschleifer auf einer Werkbank.
Wenn der erfindungsgemäße Kern und Rand co-gesintert werden, wird nur eine geringe Materialentfernung benötigt, um das Stück in seine endgültige Form zu bringen. Bei anderen Methoden um ein thermisch stabiles Band zwischen dem Schleifrand und dem Kern zu formen, wird eine maschinelle Herstellung sowohl des Kerns als auch des Randes benötigt, vor dem Schritt des Zementierens, des Zusammenfügens oder der Diffusion, um eine geeignete Oberfläche der Teile für das Zusammenpassen und das Binden sicherzustellen.
Bei der Erstellung eines thermisch stabilen Bandes zwischen dem Rand und dem Kern unter Verwendung eines segmentierten Schleifmittelrandes kann jedes thermisch stabile Klebemittel, welches die Festigkeit aufweist um peripheren Scheibengeschwindigkeit von bis zu 160 Meter/Sekunde standzuhalten, verwendet werden. Thermisch stabile Klebemittel sind stabil bei Schleifprozesstemperaturen, welche üblicherweise während des Schleifens auf der Seite des Schleifelementes, welches von der Schleifseite weggerichtet ist, angetroffen werden. Solche Temperaturen liegen typischerweise zwischen 50 bis 350°C.
Das Befestigungsband sollte mechanisch sehr fest sein um den destruktiven Kräften, die während der Rotation der Schleifscheibe und während der Schleifmaßnahme auftreten, standzuhalten. Zwei-Komponenten-Epoxyharzzemente sind bevorzugt. Ein bevorzugter Epoxyzement, Technodyne^® HAT-18 Epoxyharz (von Taoka Chemicals, Japan zu erhalten) und seine modifizierten Aminhärtungsmittel können in einem Verhältnis von 100 Teilen Harz zu 19 Teilen Härtungsmitteln gemischt werden. Füllstoffe wie z.B. feines Siliziumpuder kann in einem Verhältnis von 3,5 Teilen pro 100 Teilen Harz zugefügt werden, um die Zementviskosität zu erhöhen. Der Umfang des Metallkerns kann sandstrahlbehandelt werden, um einen Rauheitsgrad vor der Befestigung der Segmente zu erhalten. Der verdickte Epoxyzement wird zu den Enden und zum Boden der Segmente zugefügt, welche rund um den Kern positioniert werden, wie es im wesentlichen in 1 gezeigt ist und während der Härtung in Position gehalten werden. Der Epoxyzement härtet aus (z.B. bei Raumtemperatur für 24 Stunden gefolgt von 48 Stunden bei 60°C). Die Entwässerung des Zementes während der Härtung und der Bewegung der Segmente wird während der Härtung durch Zufügen von geeigneten Füllmitteln minimiert, um die Viskosität des Epoxyzementes zu optimieren.
Die Adhäsionsfestigkeit des Bindemittels kann durch Spintests bei einer Beschleunigung von 45 Umdrehungen/Minute getestet werden, wie dies getan wird, um die Berstgeschwindigkeit der Scheibe zu messen. Die Scheiben benötigen nachgewiesene Berstraten äquivalent zu mindestens 271 Meter/Sekunde tangentialer Kontaktgeschwindigkeiten um für Maßnahmen bei 160 Meter/Sekunde tangentialer Kontaktgeschwindigkeit unter derzeit anwendbaren Sicherheitsstandards der Vereinigten Staaten qualifiziert zu sein.
Mit diesen Schleifwerkzeugen kann man das erfindungsgemäße Verfahren für das zylindrische Präzisionsschleifen und die Feinbearbeitung von harten, spröden, abnutzungsresistenten Materialien, wie z. B. fortschrittlichen keramischen Materialien, Glas, Komponenten, welche keramische Materialien oder Glas enthalten und zusammengesetzte keramische Materialien, ausführen. Die spröden Präzisionskomponenten der Erfindung sind Materialien, welche eine Bruchfestigkeit aufweisen, die von ungefähr 0,6 (Silizium) bis zu ungefähr 16 (Wolfram Carbid) geht, wobei der beste Nutzen beim Schleifen von Keramiken mit einer Bruchfestigkeit von ungefähr 2 – 8 MPa·m^1/2 erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt für das Schleifen von Materialien, welche, ohne darauf begrenzt zu sein, Silizium, mono- und polykristalline Oxide, Carbide, Nitride, Boride und Silizide; polykristalline Diamanten; Glas; sowie Zusammensetzungen von Keramik in einer nichtkeramischer Matrix; und Kombinationen davon einschließen. Beispiele von typischen Werkstückmaterialien beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumoxid, Siliziumdioxid (z. B. Quarz), Aluminiumnitrid, Aluminiumoxidtitanumcarbid, Wolframcarbid, Titanumcarbid, Vanadiumcarbid, Hafniumcarbid, Aluminiumoxid (z. B. Saphir), Zirkoniumoxid, Wolframborid, Boroncarbide, Boronnitrid, Titaniumdiborid, Siliziumoxinitrid und stabilisiertes Zirkonium sowie Kombinationen davon.
Weiter eingeschlossen sind verschiedene Metallmatrixzusammensetzungen wie zementierte Carbide, harte spröde amorphe Materialien wie z. B. Mineralglas, polykristalline Diamanten und polykristalline kubische Boronnitride. Sowohl einzeln (Mono) Kristalle oder polykristalline Keramiken können effektiv geschliffen werden. Mit jeder Sorte von Keramik steigt die Qualität des keramischen Teils und die Effizienz der Schleifmaßnahme bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an, wenn die periphere Scheibengeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens auf 160 Meter/Sekunde erhöht wird.
Unter den Präzisionskomponententeilen, welche durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Methode verbessert werden, sind keramische Rotorventile und -stäbe, Pumpen-Dichtungen, Kugellager und -teile, Schneidewerkzeugeinsätze, Zugwerkzeuge für die Metallformung, schwerschmelzende Komponenten, visuelle Displayfenster, Flachglas für Windschutzscheiben, Türen und Fenster, Isolatoren und elektrische Teile, sowie keramische elektronische Komponenten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Siliziumwafer, Magnetköpfe und Elektroniksubstrate.
Soweit nicht anders bezeichnet, sind alle Teil- und Prozentangaben in den folgenden Beispielen auf Gewicht bezogen. Die Beispiele illustrieren lediglich die Erfindung und sind nicht dazu gedacht, die Erfindung zu beschränken.
Beispiel 1
Schleifscheiben, welche zweckmäßig sind für das erfindungsgemäße Verfahren werden als metallgebundene Diamantscheiben in der Form von 1A1 zubereitet, wobei die Materialien und Prozesse, die unten beschrieben werden, verwendet werden.
Eine Mischung von 43,74 Gew.-% Kupferpuder (Dentritengrad FS Güteklasse, Teilchengröße +200/–325 Maschengröße, erhalten von Sintertech International Marketing Corporation, Ghent, NY); 6,24 Gew.-% Phosphor/Kupferpuder (Güteklasse 1501; +100/–325 Maschenteilchengröße, erhalten von New Jersey Zinc Company, Palmerton, PA); und 50,02 Gew.-% Zinnpuder (Güteklasse MD115, +325 Maschengröße, 0,5 % maximal, Partikelgröße, erhalten von Alcan Metal Powders, Incorporation, Elizabeth, New Jersey) wurde zubereitet. Diamantschleifkorn (320 Grit synthetische Diamanten erhalten von General Electric, Worthington, Ohio) wurden zu der Metallpudermischung zugefügt und die Kombination wurde gemischt bis es sich einheitlich gemischt hat. Die Mischung wurde in eine Graphitgussform platziert und bei 407° C für 15 Minuten bei 3 000 psi (2073 N/cm²) gepresst bis eine Matrix mit einer angestrebten Dichte von mehr als 95 % der theoretischen sich ausgebildet hat (z. B. für die #6-Scheibe verwendet in Beispiel 2: > 98,5 % der theoretischen Dichte). Die Rockwell B Härte des Segmentes, welches für die #6-Scheibe produziert wurde, war 108. Die Segmente enthielten 18,75 Vol.-% Schleifkörner. Die Segmente wurden zu der gewünschten bogenförmigen Geometrie geschliffen, um mit der Peripherie eines maschinell erstellten Aluminiumkerns zusammenzupassen (7075 T6 Aluminium, erhalten von Yarde Metals, Tewksbury, MA), wobei eine Scheibe mit einem äußeren Durchmesser von ungefähr 393 mm, und Segmente mit einer Dicke von 0,62 cm hervorgebracht wurden.
Die Schleifsegmente und der Aluminiumkern wurden mit einem mit Siliziumdioxid gefüllten Epoxyzementsystem (Technodyne HT-18 Klebemittel, erhalten von Taoka Chemicals, Japan) zusammengesetzt, um Schleifscheiben, welche einen kontinuierlichen Rand, welcher aus mehreren Schleifsegmenten zusammengesetzt wurde, herzustellen. Die Kontaktoberflächen des Kerns und der Segmente wurden von Fett befreit und sandstrahlbehandelt, um eine ausreichende Anheftung sicherzustellen.
Um die optimale Betriebsgeschwindigkeit dieses neuen Typs von Scheiben zu charakterisieren, wurden Scheiben von voller Größe gezielt bis zur Zerstörung gedreht, um die Berstfestigkeit und die veranlagte maximale Betriebsgeschwindigkeit entsprechend der maximalen Betriebsgeschwindigkeitstestmethode der Nonon Company zu bestimmen. Die unten stehende Tabelle fasst die Bersttestdaten für typische Beispiele der experimentell metallgebundenen Scheiben mit einem Durchmesser von 393 mm zusammen.
Experimentelle Daten zur Berstfähigkeit von Metall-gebundenen Scheiben
Entsprechend zu diesen Daten qualifizieren sich die experimentellen Schleifscheiben mit diesem Design für eine Betriebsgeschwindigkeit von bis zu 90 Meter/Sekunde (17,717 Oberfläche in Fuß/Minute). Höhere Betriebsgeschwindigkeiten von bis zu 160 Metern/Sekunde können leicht mit einigen Modifikationen des Fabrikationsprozesses und des Scheibendesigns erreicht werden.
Beispiel 2
Evaluierung der Schleifleistung:
Drei experimentelle metallgebundene segmentierte Scheiben mit einem Durchmesser von 393-mm, 15 mm Dicke und 127 mm zentraler Bohrung (15,5 in × 0,59 in × 5 in), welche entsprechend dem Verfahren von Beispiel 1 oben hergestellt wurden, (#4 Segmente mit einer Dichte von 95,6 % der theoretischen Dichte aufweisend, #5 mit 97,9 % der theoretischen Dichte; und #6 mit 98,5 % der theoretischen Dichte), wurden auf ihre Schleifleistung hin entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens getestet. Eine anfängliche Testung bei 32 und 80 Metern/Sekunde ermittelte Scheibe #6 als die Scheibe mit der besten Schleifleistung von den dreien, obwohl alle experimentellen Scheiben akzeptabel waren. Die Testung von Scheibe #6 wurde bei drei Geschwindigkeiten durchgeführt: 32 m/s (6252 Oberfläche in Fuß/Minute), 56 m/s (11,000 Oberfläche in Fuß/Minute), und 80 m/s (15,750 Oberfläche in Fuß/Minute). Zwei kommerzielle Schleifscheiben aus dem Stand der Technik, die für das Schleifen von fortschrittlichen keramischen Materialien empfohlen wurden, fungierten als Kontrollscheiben und wurden zusammen mit den metallgebundenen Scheiben des erfindungsgemäßen Verfahrens getestet. Eine davon war eine verglast gebundene Diamantscheibe (SD320-N6V10 Scheibe erhalten von Norton Company, Worcester, MA) und die andere war eine harzgebundene Diamantscheibe (SD320-R4BX619C Scheibe erhalten von Norton Company, Worcester, MA). Die Harzscheibe wurde bei allen drei Geschwindigkeiten getestet. Die verglaste Scheibe wurde aufgrund von Überlegungen zur Geschwindigkeitstoleranz nur bei 32 m/s (6252 Oberfläche in Fuß/Minute) getestet.

Über tausend Profilschliffe von 6,35 mm (0,25 Inch) Weite und 6,35 mm (0,25 Inch) Tiefe wurden an Siliziumnitrid-Werkstücken durchgeführt. Die Schleiftestbedingungen waren: Schleiftestbedingungen:

Maschine:	Studer Grinder Model S40 CNC
Scheibenspezifikationen:	SD320-R4BX619C, SD320-N6V 10, Größe: 393 mm Durchmesser, 15 mm Dicke und 127 mm Loch
Scheibengeschwindigkeit:	32, 56 und 80 m/s (6252, 11000 und 15750 Oberfläche in Fuß/min)
Kühlmittel:	Inversol 22 @60% Öl und 40% Wasser
Kühlmitteldruck:	270 psi (19 kg/cm2)
Material-Entfernungsgeschwindigkeit:	unterschiedlich, beginnend bei 3,2 mm³/s/mm (0,3 in³/min/in)
Arbeitsmaterial:	Si₃N₄ (Stäbe aus NT 551 Silizium Nitrid hergestellt, erhalten von Norton Advanced Ceramics, Northboro Massachusetts) 25.4 mm (1 in.) Durchmesser × 88,99 mm (3,5 in.) Länge
Arbeitsgeschwindigkeit:	0,21 m/s (42 Oberfläche in Fuß/min), konstant

Arbeitsanfangsdurchmesser:	25,4 mm (1 inch)
Arbeitsenddurchmesser:	6,35 mm (0,25 inch)

Für Maßnahmen, welche genaues Einstellen und Endfertigung erfordern, machen die Bedingungen, welche für die metallgebundenen Scheiben passend waren, die folgenden: Ausrichtungsmaßnahmen:

Scheibe:	SSG46IVS (erhältlich von Norton Company)
Scheibengröße:	152 mm Durchmesser (6 inches)
Scheibengeschwindigkeit:	3000 rpm; bei +0,8 relatives Verhältnis zur Schleifgeschwindigkeit
Vorschub:	0,015 in. (0,38 mm)
Kompensation:	0,0002 in.

Aufarbeitungsmaßnahmen:

Stift:	37C22OH-KV (SiC)
Modus:	Aufarbeitung des Stifts mit der Hand

Die Tests wurden in einem Profilschliff-Modus des zylindrischen Außendurchmessers durch Schleifen des Siliziumnitritstabes durchgeführt. Um die beste Härte des Werkmaterials während des Schleifens sicherzustellen, wurden die 88,9 mm (3,5 in.) Proben in einem Spannfutter mit annähernd 31 mm (1 – 1/4 in.) der Schleifung ausgesetzt. Jeder Satz von Profilschliffen begann vom fernen Ende jenes Stabes. Zu Beginn erstellte die Scheibe ein Profil von 6,35 mm (1/4 in.) Weite und 3,18 mm (1/8 in.) radialer Tiefe, um einen Test zu vervollständigen. Die Arbeitsumdrehungen pro Minute wurden dann wieder angepasst, um den Verlust von Arbeitsgeschwindigkeit, verursacht durch reduzierten Werkdurchmesser, auszugleichen. Zwei weitere ähnliche Profile wurden an derselben Stelle durchgeführt, um den Werkdurchmesser von 25,4 mm (1 in.) auf 6,35 mm (1/4 in.) zu reduzieren. Die Scheibe wurde dann lateral 6,35 mm (1/4 in.) näher an das Spannfutter bewegt, um die nächsten drei Profile auszuführen. Vier Lateralbewegungen wurden auf derselben Seite einer Probe ausgeführt, um die 12 Profile an einem Ende einer Probe zu vervollständigen. Die Probe wurde dann gedreht, um das andere Ende zwölf weiteren Schleifungen auszusetzen. Insgesamt 24 Profilschliffe wurden an jeder Probe vorgenommen.
Die initialen Vergleichstests für das erfindungsgemäße Verfahren wurden bei 32 m/s peripherer Geschwindigkeit bei 3 Material-Entfernungsgeschwindigkeiten (MRR') von annähernd 3,2 mm³/s/mm (0,3 in³/min/in) zu schätzungsweise 10,8 mm³/s/mm (1,0 in³/min/in) durchgeführt. Tabelle 1 zeigt die Leistungsunterschiede, abgebildet als G-ratios, unter den drei verschiedenen Scheibentypen nach 12 Profilschliffen. G-ratio ist die einheitenlose Rate von Volumen des entfernten Materials über das Volumen der Scheibenabnutzung. Die Daten zeigten, dass die Scheibe, welche nach N Grad verglast war, bessere G-Ratios bei höheren Material-Entfernungsgeschwindigkeiten hatte als die Scheibe vom R Grad Resin-Typ, was nahe legt, dass eine weichere Scheibe eine Schleifung eines keramischen Werkstücks besser ausführt. Jedoch war die härtere experimentelle, metallgebundene Scheibe (#6) bei allen Material-Entfernungsgeschwindigkeiten weitaus besser als die Harzscheibe oder die verglaste Scheibe.
Tabelle 1 zeigt die erwarteten G-Ratios für die Harzscheibe und die neue metallgebundene Scheibe (#6) bei allen Material-Entfernungsgeschwindigkeitenbedingungen. Da nach zwölf Schleifungen für die metallgebundene Scheibe keine messbare Scheibenabnutzung messbar war bei allen Material-Entfernungsgeschwindigkeiten, wurde ein symbolischer Wert von 0,01 mil (0,25 μm) radiale Scheibenabnutzung für jede Schleifung angegeben. Dies ergab die kalkulierte G-Ratio von 6051.
Obwohl die erfindungsgemäße metallgebundene Scheibe eine Diamantkonzentration von 75 beinhaltete (ungefähr 18,75 Volumen-% Schleifkorn in dem Schleifsegment) bzw. die Harz- und verglasten Scheiben eine Konzentration 100 und eine Konzentration 150, (25 Volumen-% und 37,5 Volumen-%), zeigt die erfindungsgemäße Scheibe eine bessere Schleifleistung. Bei diesen relativen Kornkonzentrationen würde man eine bessere Schleifleistung der Kontrollscheiben, welche ein höheres Volumen-% von Schleifkorn enthalten, erwarten. Somit waren die aktuellen Resultate unerwartet.
Tabelle 1 zeigt die Oberflächenfeinbearbeitung (Ra) und die Welligkeit (Wt), welche bei den Proben, die mit den drei Scheiben bei der niedrigen Test-Geschwindigkeit geschliffen wurden, gemessen wurden. Der Wert der Welligkeit Wt ist die maximale Differenz Tal zu Höhe des Welligkeitsprofils. Alle Oberflächenfeinbearbeitungsdaten wurden auf der Oberfläche, welche durch zylindrischen Profilschliff ohne Ausfeuern hergestellt wurde, gemessen. Solche Oberflächen würden normalerweise rauer sein als Oberflächen, welche durch Traversschleifung hergestellt wurden.
TABELLE 1
Tabelle 1 zeigt die Unterschiede des Schleifenergieverbrauchs bei verschiedenen Material-Entfernungsgeschwindigkeiten für die drei Scheibentypen. Die Harzscheibe hatte einen geringeren Energieverbrauch als die anderen beiden Scheiben; jedoch hatten die experimentelle metallgebundene Scheibe und die verglaste Scheibe einen vergleichbaren Energieverbrauch. Die experimentelle Scheibe verbrauchte eine akzeptable Energiemenge für die Maßnahmen zum Schleifen von Keramik, insbesondere mit Blick auf die positiven G-Ratio und Oberflächenfeinbearbeitungsdaten, welche für die erfindungsgemäßen Scheiben beobachtet wurden. Im allgemeinen zeigt die erfindungsgemäße Scheibe einen Energieverbrauch, der proportional zur Material-Entfernungsgeschwindigkeit war.
Wenn die Schleifleistung bei 80 m/s (15,750 sfpm) in einem zusätzlichen Schleiftest gemessen wurde, hatten die Harzscheibe und die experimentelle Metallscheibe einen vergleichbaren Energieverbrauch bei einer Material-Entfernungsgeschwindigkeit (MRR) von 9,0 mm³/s/mm (0,8 in³/min/in). Wie in Tabelle 2 gezeigt wurden die experimentellen Scheiben bei zunehmenden Material-Entfernungsgeschwindigkeiten ohne einen Verlust von Leistung oder unakzeptablem Energieverbrauch betrieben. Der Energieverbrauch der metallgebundenen Scheibe war in etwa proportional zu der Material-Entfernungsgeschwindigkeit. Die höchsten Material-Entfernungsgeschwindigkeiten, die in dieser Studie erreicht wurden, waren 47,3 mm³/s/mm (28,4 cm³/min/cm).
Die Daten der Tabelle 2 sind Mittelwerte von 12 Schleifdurchgängen. Die individuellen Energiemesswerte für jede der 12 Durchgänge blieben bemerkenswert konstant für die experimentelle Scheibe innerhalb jeder Material-Entfernungsgeschwindigkeit. Normalerweise würde man einen Anstieg der Energie beobachten, wenn aufeinander folgende Schleifdurchgänge ausgeführt werden und die Schleifkörner in der Scheibe anfangen stumpf zu werden oder die Vorderseite der Scheibe mit Werkstückmaterial beladen ist. Dies wird oft beobachtet, wenn die Material-Entfernungsgeschwindigkeit erhöht ist. Jedoch zeigen die konstanten Energieverbrauchsraten, welche während jeder Material-Entfernungsgeschwindigkeit während der zwölf Schleifungen beobachtet werden, überraschenderweise, dass die experimentelle Scheibe ihre scharfen Schneidepunkte während der gesamten Länge aller Tests bei allen Material-Entfernungsgeschwindigkeiten beibehält.
Weiterhin war es während des ganzen Tests, bei Material-Entfernungsgeschwindigkeiten, die von 9 mm³/s/mm (0,8 in³/min/in) bis zu 47,3 mm³/s/mm (4,4 in³/min/in) reichten, nicht erforderlich, die experimentelle Scheibe auszurichten oder feinzubearbeiten. Jedoch könnten unterschiedliche Schleifoperationen ein Ausrichten oder ein Aufarbeiten erforderlich machen.
Die experimentelle Scheibe zeigte keine messbare Scheibenabnutzung nach 168 Profilen bei 14 verschiedenen Material-Entfernungsgeschwindigkeiten. Der kumulative Gesamtbetrag des geschliffenen Siliziumnitridmaterials war ohne jegliche Anzeichen einer Scheibenabnutzung für die experimentelle metallgebundene Scheibe äquivalent zu 271 cm³ per cm (42 in³ per inch) der Scheibenweite. Im Gegensatz dazu war die G-Ration für die 100 Konzentration Harzscheibe bei 9,0 mm³/s/mm (0,8 in³/min/in) Material-Entfernungsgeschwindigkeit ungefähr 583 nach zwölf Profilen.
Tabelle 2 zeigt, dass die Proben, die mit den experimentellen metallgebundenen Scheiben bei allen 14 Material-Entfernungsgeschwindigkeiten geschliffen wurden, konstante Oberflächenfeinbearbeitungen 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.) hatten. Die Harzscheiben wurde bei diesen hohen Material-Entfernungsgeschwindigkeiten nicht getestet. Jedoch hatten die keramischen Stangen, die mit der Harzscheibe geschliffen wurden, ungefähr 9,0 mm³/s/mm (0,8 in³/min/in) Materialentfernungsgeschwindigkeit eine leicht bessere aber vergleichbare Oberflächenfeinbearbeitung (0,43 versus 0,5 μm, und geringere Welligkeit (1,73 versus 1,18 μm)).
Überraschenderweise gab es keine augenfällige Verschlechterung der Oberflächenfeinbearbeitung, wenn die keramischen Stäbe mit der neuen metallgebundenen Scheibe geschliffen wurde und die Material-Entfernungsgeschwindigkeit anstieg. Dies steht in Kontrast zu der allgemein beobachteten Oberflächenfeinbearbeitungsverschlechterung bei Erhöhung der Schneidrate für Standardscheiben, wie z. B. die hier genutzten Kontrollscheiben.
Im großen und ganzen zeigten die Resultate, dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren die experimentelle Metallscheibe in der Lage war, effektiv bei einer Material-Entfernungsgeschwindigkeit, welche die fünffache Material-Entfernungsgeschwindigkeit desjenigen war, welche mit einer kommerziell genutzten Standardharzscheibe erreichbar war, zu schleifen.
Die experimentelle Scheibe hatte mehr als das zehnfache der G-Ratio verglichen zu der Harzscheibe bei den niedrigeren Material-Entfernungsgeschwindigkeiten.
TABELLE 2 14 Material-Entfernungsgeschwindigkeiten, getestet bei 80 m/s Scheibengeschwindigkeit
Der Energieverbrauch der metallgebundenen Scheiben war höher als der der harzgebundenen Scheibe bei allen der getesteten Material-Entfernungsgeschwindigkeiten, wenn sie bei 32 m/s (6252 Oberfläche in Fuß/Minute) und 56 m/s (11,000 Oberfläche in Fuß/Minute) Scheibengeschwindigkeiten ausgeführt wurden. Jedoch wurden bei hohen Scheibengeschwindigkeiten von 80 m/s (15,750 Oberfläche in Fuß/Minute) (Tabellen 1 und 2) der Energieverbrauch für die metallgebundene Scheibe vergleichbar oder etwas geringer als der der Harzscheibe, wenn diese bei der gleichen Material-Entfernungsgeschwindigkeit ausgeführt wurde. Alles in allem zeigt der Trend, dass der Energieverbrauch mit zunehmender Scheibengeschwindigkeit während des Schleifens bei der gleichen Material-Entfernungsgeschwindigkeit sowohl bei der Harzscheibe als der experimentellen metallgebundenen Scheibe abnahm. Der Energieverbrauch während des Schleifens, wobei das meiste davon zu dem Werkstück als Hitze gelangt, ist beim Schleifen von keramischen Materialien aufgrund der größeren thermischen Stabilität der keramischen Materialien weniger wichtig als beim Schleifen von metallischen Materialien. Wie bei der Oberflächenqualität des keramischen Probengrundes mit der erfindungsgemäßen Scheibe gezeigt wurde, beeinträchtigte der Energieverbrauch nicht das feinbearbeitete Stück und war auf einem akzeptierbaren Level.
Für die experimentelle metallgebundene Scheibe war die G-Ratio im wesentlichen konstant bei 6051 bei allen Material-Entfernungsgeschwindigkeiten und Scheibengeschwindigkeiten. Bei der Harzscheibe nahm die G-Ratio bei zunehmender Material-Entfernungsgeschwindigkeit bei jeder konstanten Scheibengeschwindigkeit ab.
Tabelle 2 zeigt die Verbesserung der Oberflächenfeinbearbeitung und Welligkeit der geschliffenen Proben bei höheren Scheibengeschwindigkeiten. Außerdem hatten die Proben, die mit der neuen metallgebundenen Scheibe geschliffen wurden, die niedrigste gemessene Welligkeit unter allen getesteten Scheibengeschwindigkeiten und Materialentfernungsgeschwindigkeit.
Diese Tests des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche die neuartige metallgebundene Scheibe verwendeten, zeigten eine bessere Lebensdauer verglichen mit den Kontrollscheiben. Im Kontrast zu den kommerziellen Kontrollscheiben war kein Bedarf für eine Ausrichtung und Aufarbeitung der experimentellen Scheiben während der ausgedehnten Schleiftests. Die experimentelle Scheibe wurde erfolgreich bei Scheibengeschwindigkeiten von bis zu 90 m/s in diesen Tests betrieben und war dafür bestimmt sicher und effektiv auf einer annähernd zylindrischen Schleifmaschine bei Geschwindigkeiten von bis zu 160 m/s das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Beispiel 3
In einem anschließenden Schleiftest der experimentellen Scheibe (#6) bei 80 Metern/Sekunde unter denselben Betriebsbedingungen wie denen, welche in dem vorhergehenden Beispiel verwendet wurden, wurde eine Material-Entfernungsgeschwindigkeit von 380 cm³/min/cm erreicht, wenn eine Messung der Oberflächenfeinbearbeitung (Ra) von lediglich 0,5 μm (12 μin) durchgeführt wurde und ein akzeptabler Grad von Energie gebraucht wurde. Die beobachteten hohen Material-Entfernungsgeschwindigkeiten ohne Beschädigung der unteren Oberfläche der keramischen Werkstücke, welche bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht wurde, wurde bisher für keine Schleifmaßnahme von keramischem Material mit irgendeiner kommerziellen Schleifscheibe von irgendeinem Bandtyp berichtet.

Claims

Verfahren zur Fertigbearbeitung von spröden Präzisionskomponenten, umfassend die Schritte: a) Montieren eines zylindrischen Werkstücks auf einer Haltevorrichtung; b) Montieren einer Schleifscheibe auf eine Schleifmaschine, wobei die Schleifscheibe einen Kern (2), einen kontinuierlichen Schleifmittelrand, wobei der Rand eine maximale Porosität von 5 Vol.-% hat; c) Drehen der Schleifscheibe mit einer Geschwindigkeit von 25 bis 160 Meter/Sekunde; d) In-Kontakt-Bringen der Schleifscheibe mit einer äußeren Oberfläche des rotierenden Werkstückes; und e) Beschleifen des Werkstückes mit einer Material-Entfernungs-Geschwindigkeit von bis zu 380 cm³/min/cm, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Scheibe mit einem Kern, der eine minimale spezifische Stärke von 2,4 MPa/cm³/g und einen zirkulären Umfang umfasst und mit einem thermisch stabilen Bindemittel an mindestens ein Schleifmittelsegment des Schleifmittelrandes adhäsiv gebunden ist, und einer Metallbindemittelmatrix, die eine Bruchfestigkeit von 1,0 bis 6,0 Mpa·m^1/2 hat, verwendet wird, um die äußere Oberfläche der keramischen Komponente fertig zu bearbeiten, wodurch nach der Fertigbearbeitung die keramische Komponente im wesentlichen frei von durch das Beschleifen verursachten Bruchschäden und Schäden unterhalb der Oberfläche ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Kern der Schleifscheibe eine Dichte von 0,5 bis 8,0 g/cm³ aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Kern aus einem metallischen Material besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Stahl, Titan, Bronze, Zusammensetzungen und Legierungen davon, sowie Kombinationen davon.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Schleifmittelsegmente im wesentlichen aus 45 bis 90 Vol.-% Metallbindemittel und 10 bis 50 Vol.-% Schleifmittelkorn bestehen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Schleifmittelkorn ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Diamant und kubischem Bornitrid und Kombinationen davon.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Metallbindemittelmatrix eine Knoop-Härte von 0,1 bis 3 GPa hat.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Metallbindemittelmatrix 35 bis 84 Gew.-% Kupfer und 16 bis 65 Gew.-% Zinn umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Metallbindemittelmatrix zusätzlich 0,2 bis 1,0 Gew.% Phosphor umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Schleifmittelsegment eine gestreckte, bogenartige Form und eine innere Krümmung aufweist, die so ausgewählt ist, dass sie mit dem zirkulären Umfang des Kerns zusammenpasst, und wobei jedes Schleifmittelsegment zwei Enden hat, die so ausgestaltet sind, dass sie mit anliegenden Schleifmittelsegmenten zusammenpassen, so dass der Schleifmittelrand kontinuierlich und im wesentlichen frei von jeglichen Lücken zwischen den Schleifmittelsegmenten ist, wenn die Schleifmittelsegmente mit dem Kern verbunden sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Schleifscheibe eine Typ 1A1-Scheibe ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Kern an den Rand mittels eines Zwei-Komponenten-Epoxy-Klebemittels gebunden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Schleifscheibe eine sich selbst aufarbeitende Scheibe ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Beschleifens eines Siliziumnitrid-Werkstückes mit der Schleifscheibe weniger als 30 % zusätzliches Pulver verursacht, wenn die Geschwindigkeit der Schleifscheibe von 32 auf 80 Meter/Sekunde bei konstanter MRR erhöht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Schritt des Beschleifens des Siliziumnitrid-Werkstücks mit der Schleifscheibe weniger als 5 % zusätzliches Pulver verursacht, wenn die Geschwindigkeit der Schleifscheibe von 56 auf 80 Meter/Sekunde bei konstanter MRR erhöht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Schleifscheibe im wesentlichen frei von messbarer Abnutzung über MRR-Bereiche von 9,0 bis 47,1 mm³/s/mm bei einer Geschwindigkeit der Schleifscheibe von 80 Meter/Sekunde ist, nachdem mindestens 271 cm³/cm von einem Siliziumnitrid-Werkstück mit der Schleifscheibe entfernt worden sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Werkstücke aus einem Material bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend im wesentlichen aus Silizium, mono- und polykristallinen Oxidcarbiden, Nitriden, Boriden und Siliciden, polykristallinem Diamant, Glas und Zusammensetzungen von Keramik in einer Nicht-Keramik-Matrix und Kombinationen davon.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Werkstück ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumoxid, Siliziumdioxid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid-Titancarbid, Wolframcarbid, Borcarbid, Bornitrid, Titancarbid, Vanadiumcarbid, Hafniumcarbid, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Wolframborid und Titanborid und Kombinationen davon.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Präzisionskomponenten keramische Motorventile und -stäbe, Pumpendichtungen, Kugellager und -teile, Schneidwerkzeugeinsätze, Zugwerkzeuge zur Metallformung, schwerschmelzende Komponenten, visuelle Displayfenster, Flachglas für Windschutzscheiben, Türen und Fenster, Isolatoren und elektrische Teile, Siliziumwafer, Magnetköpfe und Elektroniksubstrate umfassen.