DE1809787A1

DE1809787A1 - Schleifwerkzeug und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE1809787A1
Application number: DE19681809787
Authority: DE
Inventors: Gillis Kenneth Hawthorne
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-12-04
Filing date: 1968-11-19
Publication date: 1969-07-17
Also published as: JPS4820517B1; NL6817421A; BE724829A; US3518068A; GB1236779A; CH500050A; FR1594022A

Description

"Schleifwerkzeug und Verfahren zur Herste llung."

Die Erfindung betrifft ein Schleifwerkzeug, bei dem als Schleifmittel Diamant- oder Borazonteilchen Verwendung finden, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schleifwerkzeuges.

Erfindungsgemäß erzielt man eine wesentlich verbesserte Leistungsfähigkeit, falls das harzgebi'ndene Schleifwerkzeug Diamant- oder Borazoiiteilchen enthält, die mit einem Metall überzogen sind, und unter einem Druck geformt ist, der bewußt während des gesamten Pießvorganges auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten worden ist, bis die Verdichtung der Werkzeuges abgeschlossen ist.

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Hersmann

Angesichts der Tatsache _f daß beim Zusammendrücken einar Formmasse diese normalerweise nachgibt, bedeutet Aufrechterhaltung eines konstanten Druckes, daß das Volumen während des Formungsvorganges fortlaufend neu eingestellt werden muß, um den Druck auf einem gegebenen konstanten Wert zu halten. Vorzugsweise wird der während des Formungsvorganges angewandte konstante Druck so gewählt, daß er genauso hoch oder höher ist als die höchsten Drücke, die üblicherweise bei der Herstellung von Diamantschleifscheiben angewendet werden. Das bedeutet, daß der bevorzugte Druck während des FormungsVorganges in der Größenordnung von 700 kg/cm oder darüber liegt. Unter konstantem Druck ist der Druckwert zu verstehen, der nach vollem Druck erzielt wird.

Erfindungsgemäß unter Verwendung von mit einem Metallüberzug versehenen Schleifmittelteilchen hergestellte Schleifscheiben zeigen beim Trockenschleifen ein :ν Vergleich zu den bekannten Schleifscheiben zehnmal höheres Schleüverhältnis (Verhältnis von entferntem Werkstückvolumen zu Volumen der Schleifscheibenabnutzung). Das Schleifverhältnis wird normalerweise in Verbindung mit Diamantschleifscheiben alA Maß für die Leistungsfähigkeit der Schleifscheibe gebraucht.

Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, bei dem während der Formung oder Pressung einer Diamantschleifscheibe ein konstanter Druck aufrechterhalten wirdj werden in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung Diamant-

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teilchen verwendet, die mit 30 - 80 Gewichtsprozent Kupfer überzogen sind.

Die Erfindung wird nun näher anhand der Zeichnung erläutert, die schematisch einen Querschnitt durch eine Pressform zur Herstellung einer Schleifscheibe nach der Erfindung zeigt.

Anhand der Zeichnung wird nun die Herstellung einer typischen Schleifscheibe näher erläutert. Zum Trockenschleifen verwendete Schleifscheiben haben sehr häufig die in der Zeichnung dargestellte Topfform. Ein Schleifscheibenkern 1, vorzugsweise aus Aluminium, wird in der Stahlmatrize 2 angeordnet, deren Mittelteil mit der Bezugszahl 3 bezeichnet ist. Ein Gemisch k aus Diamantteilchen, granuliertem Harz und Füllstoff pulver wird dann in einen Matrizenhohlraum 5 gebracht, wobei das Gemisch rund um den Matrizenhohlraum so gleichmassig wie möglich verteilt wird. Nach Einführen eines Press- | ringes 6 zum Zusammenpressen des gefüllten Matrizenhohlraumes 5 wird die in der Zeichnung dargestellte Einheit zwischen die beheizten Stempel (nicht gezeigt) einer hydraulischen Presse gebracht. Der Matrizenhohlraum 5 ist so weit mit Gemisch gefüllt, daß selbst nach vollständiger Verdichtung des Gemisches die Stirnkante des Pressringes 6 nicht über den vertikalen Teil des Hohlraumes 5 hinaussteht. Die Temperatur wird auf einen Wert erhöht, der von der Art des verwendeten Harzes abhängt und plastische Deformation und plastisches Fliessen der Harzkörner ermöglicht sowie Wärmehärtung des Harzes zu

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einer zusammenhängenden Masse gewährleistet. Normalerweise reicht diese Temperatur von 90 bis 20O⁰C. Die Stempel der Presse werden mit einer solchen Kraft aufeinander zu bewegt, daß der Druck auf die vorstehende Stirnfläche des (aus Harz, Diamant und Füllstoff bestehenden) Scheibenrandes den gewünschten Wert aufweist. Die Kraft auf die Stempel wird aufrechterhalten, so daß die Stempel dem zu verdichtenden Gemisch folgen und ein konstanter Druck auf das Harz-Diamant-Füllstoff- Gemisch einwirkt, bis die Härtung des Harzes abgeschlossen und vollständige Verdichtung des Scheibenrandes erfolgt ist. Die Temperatur wird während des gesamten Pressvorganges auf (oder über) dem Anfangswert gehalten. Die Dauer des Pressvorganges und daher die Zeit, in der der Druck und die Temperatur auf einem konstanten Wert gehalten werden, schwankt beträchtJich und reicht normalerweise von einigen Minuten bis zu einer Stunde. Der Druck, der während des gesamten Pressvorganges konstant gehalten wird, entspricht natürlich dem nach maximalem Druck erreichten Druckwert. Zum Aufbau des Druckes ist eine verhältnismässig kurze Zeit erforderlich.

Erfindungsgemäß wird vor dem Pressvorgang das entweder aus Diamant oder Borazon bestehende Schleifmittel mit einem Metallüberzug versehen. Diamantteilchen werden bereits seit Jahren für die verschiedensten Zwecke mit einem Metallüberzug versehen. Mit einem Metallüberzug versehene Diamantteilchen, beispielsweise mit einem Nickelüberzug versehene Diamantteilchen, ergeben insbesondere bei Verwendung in harzgebun-

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denen Schleifscheiben zum Naßschleifen, d.h., beim Schleifen in Gegenwart eines flüssigen Kühlmittels, gewöhnlich Wasser, ein besseres Schleifverhältnis. Entsprechende Ergebnisse konnten jedoch im allgemeinen nicht beim Trockenschleifen erzielt werden, wo kein Kühlmittel verwendet wird. Erfindungsgemäß erzielt man die grösste Leistungssteigerung beim Trockenschleifen mit einer Schleifscheibe, die mit 30 - 80 Gewichtsprozent Metall, vorzugsweise Kupfer, überzogene Diamanten ent- g hält und unter Anwendung des oben beschriebenen PressVorganges mit konstantem Druck geformt worden ist.

Beim Trockenschleifen sind die Betriebstemperaturen normalerweise höher als beim Naßschleifen. Die Harzbindung der Schleifscheibe oder des Schleifwerkzeuges ist daher einer thermischen Zersetzung unterworfen und die Leistungsfähigkeit ist daher beim Trockenschleifen viel geringer als beim Naßschleifen. Bei Verwendung von metallüberzogenem Diamant für die Herstellung von Schleifscheiben muß notwendigerweise zum Ausgleich des durch den Überzug bedingten Metallzusatzes die Füllstoffmenge geringer gewählt werden, die der Formmasse ausreichende Plastizität bei den zur Anwendung gelangenden verhältnismässig niedrigen Drücken verleiht. Füllstoff ist hauptsächlich zur Erhöhung der Festigkeit der Harzbindung bei erhöhten Temperaturen erforderlich. Bei Trockenschleifscheiben kann nun der Füllstoffgehalt wegen der bei hohen Temperaturen geforderten Festigkeit nicht verringert werden. Daher waren bisher der Verwendung von metallüberzogenen Schleifmitteln in zum Trockenschleifen verwendeten Schleif-

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scheiben oder Schleifwerkzeugen Grenzen gesetzt. Es hat sich herausgestellt, daß bei Anwendung eines mit konstantem hohen Druck durchgeführten Pressvorganges keine Pressmasse mit so hoher Plastizität erforderlich ist. Dies ermöglicht die Anwendung optimaler Verhältnisse von Harz zu nichtharzartigen Komponenten (Füllstoff und Schleifmittel) und daher ohne Schwierigkeiten die Verwendung von metallüberzogenen Diamanten bei der Herstellung von Trockenschleifscheiben. Die beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung gelangenden höheren Pressdrücke übersteigen den Versteifungseffekt des Füllstoffes, der dem Fließen der Formmasse zur Erzielung höchstmöglicher Verdichtung entgegenwirkt.

Beim Trockenschleifen ist für die Abnutzung der Schleifscheibe hauptsächlich die durch die Warne bedingte Zerstörung des Harzes verantwortlich. Die Wärmeleitfähigkeit eines Füllstoff enthaltenden Harzsystems wird wesentlich verbessert, wenn die höchstmögliche Dichte erreicht wird. Es hat sich herausgestellt, daß eine letztliche Verbesserung der Dichte um einige Prozent von höchster Bedeutung ist und wenigstens teilweise zu den mit dem Verfahren nach der Erfindung erzielten guten Ergebnissen beiträgt.

Die bei Verwendung von metallüberzogenen Diamanten erzielten Verbesserungen des Schleifverhältnisses hingen bisher bis zu einem gewissen Grade von der für eine bestimmte Diamantkörnung angewendeten Metallmenge sowie vom speziellen

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Anwendungsgebiet ab. Das Verfahren nach der Erfindung gewährleistet eine Verbesserung des Schleifverhältnisses innerhalb eines breiteren Metallgehaltbereiches, so daß nunmehr die für einen speziellen Zweck angewendete Menge an Überzugsmetall nicht mehr so kritisch ist.

Zum Aufbringen des Metallüberzuges auf den Diamant können verschiedene Verfahren verwendet werden. Typische bekannte g Abscheidungsverfahren sind elektrolytische, stromlose oder chemische Abscheidung. In der vorliegenden Beschreibung werden stromlose Verfahren zum Aufbringen des Metallüberzuges beschrieben, obwohl natürlich offensichtlich auch andere Verfahren angewendet werden können. Der Metallüberzug sollte 30 - 80 Gewichtsprozent des Gesamtgewichtes des metallüberzogenen Diamant- oder Borazonschleifmittels ausmachen. Die Dicke des Metallüberzuges beträgt normalerweise 1-50 Mikron und hängt von der Korngröße des Schleifmittels, der verwende-

ten Matrix und dem beabsichtigten Anwendungsgebiet ab. Die Korngrösse des Schleifmittels liegt normalerweise zwischen Ik und 13O Maschen pro Zentimeter. Vorzugsweise liegt bei größerer Korngröße der Anteil des Überzugsmetalls im unteren Teil des von 30 - 80 % reichenden Bereiches und bei kleinerer Korngröße im oberen Teil dieses Bereiches. Für Schleifscheiben mit einer sogenannten Konzentration von 100 bevorzugt man eine Metallüberzugsmenge von 50 - 60 Gewichtsprozent. Eine Schleifscheibe mit einer sogenannten Konzentration von 100 enthält ungefähr 25 Volumenprozent Diamant, was der ungefähr

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maximal üblichen Konzentration entspricht. In der Schleifscheibe nach der Erfindung können entweder Naturdiamanten oder synthetische Diamanten verwendet werden. Man bevorzugt jedoch synthetische Diamanten, da diese normalerweise in Schleifscheiben bessere Ergebnisse zeitigen. Als Borazon wird Bornitrid mit kubischer Kristallstruktur bezeichnet. Borazon wird aus hexagonalem Bornitrid hergestellt, das in Gegenwart eines Katalysators sehr hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt wird. Das Verfahren zur Herstellung von Borazon ist näher in der US-Patentschrift 2 9^7 617 erläutert.

Als Überzugsmetall kann irgendein metallischer Werkstoff verwendet werden, beispielsweise Kupfer, Nickel, Gold, Silber, Aluminium, Kobalt, Titan, Tantal, Molybden, Vanadium, Chrom, Niob und Legierungen dieser Metalle. Für die vorliegende Erfindung wird jedoch Kupfer als Überzugsmaterial bevorzugt. Erfindungsgemäß lassen sich nämlich die grössten Vorteile I^ bei Trockenschleifwerkzeugen erzielen. Zum Trockenschleifen dienende Schleifwerkzeuge sind normalerweise höherer Wärme- beanspruchung ausgesetzt und erfordern daher eine wirksamere Wärmeableitung. Kupfer besitzt eine Reihe von Eigenschaften, die es besonders geeignet für die vorliegende Erfindung machen. Kupfer zeichnet sich u.a. durch sehr gute Wärmeleitfähigkeit aus, ist leicht und billig erhältlich und lässt sich leicht auf das Schleifmittel aufbringen.

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Der Füllstoff dient zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Harzes, zur Versteifung der Harzmatrix und zur Verbesserung der Abriebfestigkeit des Harzes. Der Füllstoff kann in einer gQ£benen Scheibe entweder alle oder nur einen Teil dieser Funktionen erfüllen. Ein bevorzugter Füllstoff für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist wegen der guten Wärmeleitfähigkeit Siliciumcarbid. Als Füllstoff können u.a. auch Borcarbid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und Metallpulver, -

wie beispielsweise Kupfer, verwendet werden. Als Bindemittel wird gewöhnlich in harzgebundenen Schleifscheiben hauptsächlich ein Phenolformaldehyd-Iieaktionsprodukt verwendet, beispielsweise ein Bakelitharz, das von der Union Carbide Corporation unter der Nr. BRP 5727 vertrieben wird. Andere harzartige oder organische polymere Bindemittel können jedoch auch verwendet werden, beispielsweise Gummi, Shellack, Melamin- oder Harnstoff-Formaldehydharze, Epoxyharze, Polyester, Polyamid- und Polyimidharze. Schleifscheiben nach der Erfindung enthalten typischerweise 25 Volumenprozent *

Diamant- oder Borazonschleifmittel und jeweils 25 - 40 Volumenprozent Füllstoff und Harz. Falls das Schleifmittel mit einem Überzug versehen ist, wird als Füllstoff- und Harzgehalt ein entsprechend im unteren Teil dieser Bereiche liegender Wert gewählt.

Nachfolgend wird anhand eines Ausführungsbeispieles die erfindungsgemäße Herstellung einer Diamantschleifscheibe nach der Erfindung erläutert.

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Synthetisch hergesteller Diamant mit einer Siebgröße von 4θ/*έ8 Maschen pro Zentimeter wurde nach einem bekannten ohne Anwendung eines elektrischen Stromes arbeitenden Verfahren mit einem Kupferüberzug versehen. Dabei wurde die Diamantoberfläche durch chemische Abscheidung einer sehr dünnen Schicht eines Katalysatormetalls, wie beispielsweise Palladium_y aktiviert. Der Diamant wurde dann in ein durch Formaldehyd reduziertes stromloses Verkupferungsbad gegeben und zur Abscheidung eines Kupferüberzuges solange darin belassen) bis das Verkupferungsbad kupferarm war. Dieser Zyklus wurde solange wiederholt, bis die Dicke des Kupferüberzuges so groß war, daß das Gewicht des Überzuges 55 Gewichtsprozent des Gesamtgewichtes ausmachte.

Die mit einem Kupferüberzug versehenen Diamanten wurden dann mit Siliciumcarbid als Füllstoff und granuliertem Formaldehydharz (BRP 5727) vermischt. Die einzelnen Komponenten des Gemisches waren in folgender Metige zugegen:

32.8 Volumenprozent Harz

30,3 Volumenprozent Siliciumcarbid 25 j O Volumenprozent Diamant

11.9 Volumenprozent Kupfer

Das Gemisch wurde dann in eine Form der in der Zeichnung dargestellten Art gebracht, wobei darauf geachtet wurde, daß das Gemisch so gleichmässig wie möglich im Formhohlraum 5 ver-

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teilt wurde. In die Öffnung der Form wurde dann der Pressring 6 eingesetzt und die gesamte Einheit zwischen die Stempel einer hydraulischen Presse gebracht, die Temperatur auf 175 C erhöht und die Stempel der Presse mit einer solchen Kraft zusammengepresst, daß der Druck auf der vorstehenden Stirnfläche des Scheibenrandes 700 kg/cm betrug. Da Wärme von den Stempeln der Presse zur Form geleitet wird, verdichtet sich normalerweise das aus Schleifmittel, Harz und Füllstoff bestehende Gemisch. Die Preßstempel müssen daher konstant nachgestellt werden, damit der Druck auf die vorstehende Stirnfläche des Scheibenrandes auf 700 kg/cm gehalten wird. Temperatur und Druck wurden ungefähr k5 Minuten lang beibehalten, worauf die Scheibe aus der Form entfernt und in einen Ofen zum endgültigen Aushärten bei 190⁰C gebracht wurde. Zum Vergleich mit den nach dem vorstehenden Ausführungsbeispiel hergestellten Scheiben, die nachfolgend mit Scheiben Nr. 1 bezeichnet werden, wurden mit Nr. 2 bezeichnete Scheiben in ähnlicher Weise hergestellt, wobei jedoch während der ersten A 6 oder 7 Minuten des Pressvorganges auf die Scheibe ein Druck von 700 kg/cm und während der restlichen 38 oder 39 Minuten ein Druck von 140 kg/cm ausgeübt wurde. Dieser Druckzyklus wurde gewählt, da er typisch ist für das übliche Standardverfahren. Weiterhin wurden nachstehend mit Nr. 3 bezeichnete Schleifscheiben unter Verwendung von mit keinem Überzug versehenen Diamanten und unter Anwendung der in Verbindung mit den Schleifscheiben Nr. 2 bereits beschriebenen gestuften Drücke von zunächst 700 kg/cm und dann 140 kg/cm hergestellt.

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Die Schleifscheiben waren sonst in jeder Hinsicht identisch, In der nachfolgenden Tabelle sind die Herstellungsparameter sowie das Schleifverhältnis einander gegenübergestellt.

	TABELLE	Überzug	Schleif verhältnis
Scheiben- nummer	Preßdruck	Kupfer	421
i.	konstant ₂ 700 kg/cm	Kupfer	139
2.	700 kg/cm² _/ 2 dann 140 kg/cm	keiner	37
3.	700 kg/cm² 2 dann 140 kg/cm

Die angegebenen Schleifverhältnisse sind Durchschnittswerte, insbesondere ist das für die Schleifscheiben Nr. 1 und Schleifscheiben Nr. 2

angegebene Schleifverhältnis der Durchschnittswert von 5 Schleifscheiben, während das unter Nr. 3 angegebene Schleifverhältnis den Durchschnittswert von 3 Scheiben, ist.

Die aus der Tabelle ersichtlichen Ergebnisse, die repräsentativ für eine große Anzahl von Versuchen mit Schleifscheiben sind, zeigen, daß das Schleifverhältnis beträchtlich verbessert werden kann, falls erfindungsgemäß die Verpressung unter Aufrechterhaltung eines konstanten Pressdruckes mit mit einem Kupferüberzug versehenen Diamanten durchgeführt wird,

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Claims

Patentanmeldung; "Schleifwerkzeug und Verfahren zur Herstellung." PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung eines Schleifwerkzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus Diamant- oder Borazonteilchen, von denen jedes einen Metallüberzug aufweist, und aus einem gekörnten wärmehärtbaren Harz bei erhöhter Temperatur mit einem Druck zusammengepresst wird, der während des Pressvorganges auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird, bis die Verdichtung des Gemisches beendet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur während des Pressvorganges auf dem gleichen oder auf einem über dem Anfangswert liegenden Wert gehalten wird.

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phy». Sebastian Herrmann

Oppenauer Büro.- PATENTANWALT DR. RElN HOLD SCHMIDT

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck während des Pressvorganges auf einem Wert von mindestens 700 kg/cm gehalten wird.

h. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß Borazon- oder Diamantteilchen, verwendet werden, deren Gehalt an Überzugsmetall 30 - 80 Gewichtsprozent beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Überzug aus Kupfer versehene Schleifmittelteilchen verwendet werden.

6. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schleifmittel Diamant verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß als Schleifmittel Borazon verwendet wird.

8. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch auch ein Füllstoff zugesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

^ als Füllstoff Siliciumcarbid verwendet wird.

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10. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als wärmehärtbares Harz ein Phenolharz verwendet wird.

11. Schleifwerkzeug zum Trockenschleifen, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Diamant- oder Borazonteilchen, von denen jedes mit einem Metallüberzug versehen ist, und einem gekörnten wärmehärtbaren Harz bei erhöhter Temperatur unter Anwendung eines Druckes zusammengepresst worden ist, der während des Pressvorganges auf einem im wesentlichen konstanten Wert bis zum Ende der Verdichtung des Werkzeuges gehalten worden ist.

12. Schleifwerkzeug nach Anspruch ii, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Kupfer ist.

13· Schleifwerkzeug nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug auch einen Füllstoff enthält.

Ik. Schleifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 - 131 dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifmittelteilchen mit 30 - 80 Gewichtsprozent Metall beschichtet sind.

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