DE4447036C2 - Werkzeug zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Oberflä­ chenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere zum Schleifen, Feinen und Honen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Bearbeitungswerkzeuge sind in Form von Schleifscheiben, Honrädern und Feinrädern bekannt. Sie weisen einen im wesentlichen homogenen Korpus auf, der aus abrasiven Schleifpartikeln besteht, die durch ein Bindemittel zusammengehalten sind.

Haben derartige Bearbeitungswerkzeuge komplizier­ te Form oder wird von Ihnen höchste Härte verlangt, so sind diese bekannten Bearbeitungswerkzeuge nur mit hohen Kosten herstellbar.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Bear­ beitungswerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1 so weitergebildet werden, daß es einerseits sehr harte Schleifpartikel enthält, andererseits preisgünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Bearbeitungswerkzeug mit den im Anspruch 1 angege­ benen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Bearbeitungswerkzeug sind die aus sehr hartem und gegebenenfalls auch schwer bindbarem Material hergestellten Schleifparti­ kel in einem vom eigentlichen Herstellungsverfahren des Bearbeitungswerkzeuges getrennten Vorschrift er­ zeugt. Bei diesem vorgeschalteten Herstellungsschritt werden die die Schleifpartikel enthaltenden Schleifkör­ per unter für die Bindung der Schleifpartikel optimier­ ten Bedingungen hergestellt, was sowohl das verwende­ te Bindemittel als auch die verwendeten Verfahrenspa­ rameter bei der Herstellung betrifft. Auch kann man Schleifkörper mit jeweils einfacher Geometrie herstel­ len, was ihre Herstellung von Schwierigkeiten befreit, die sich aus einer komplizierten Geometrie des eigentli­ chen Bearbeitungswerkzeuges ergeben können.

Auf diese Weise kann man Bearbeitungswerkzeuge komplizierter Geometrie, welche sehr harte Schleifpar­ tikel wie CBN-Partikel oder andere Nitride, Carbide, Hartmetallpartikel oder dergleichen enthalten, preis­ günstig herstellen, auch in Kleinserie.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Gemäß Anspruch 2 kann man die die harten Schleif­ partikel enthaltenden Schleifkörper einfach dadurch herstellen, daß man gebrauchte Bearbeitungsscheiben, die derartige Schleifpartikel schon durch ein Bindemit­ tel verbunden enthalten, auf Schleifkörper geeigneter Größe heruntermahlt. Derartiges Regenerat-Granulat von harten Schleifscheiben ist preisgünstig auf dem Markt erhältlich. Gleichermaßen kann man ausgehend von neuem Schleifpartikelmaterial unter Verwendung eines geeigneten Bindemittels große Rohlinge einfacher Geometrie herstellen, die dann ebenfalls zu Granulat- Schleifkörpern gebrochen oder gemahlen werden.

Bei einem Werkzeug gemäß Anspruch 3 kann man die Schleif- bzw. Honfläche unter nur geringem Materi­ alabtrag erzeugen.

Gemäß Anspruch 4 kann man Schleifkörper vorgege­ bener stabförmiger oder prismatischer Geometrie auf einfache Weise herstellen.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 ermöglicht es, aus den verschiedenen Schleifkörpern ein zusammenhängendes Gebilde zusammenzustellen, wel­ ches für die Herstellung des Bearbeitungswerkzeuges einfach in eine Gießform eingelegt werden kann. Die Schleifkörper können dabei so gestaltet sein, daß sie in großen Abschnitten ihrer einander gegenüberliegenden Oberflächen noch beabstandet sind, oder auch so, daß sie im wesentlichen über ihre gesamten Kontaktflächen aneinander anliegen. Auch kann man die einander ge­ genüberliegenden Flächen benachbarter Schleifkörper und die Formschlußverbindungen so gestalten, daß noch ein begrenzte Verkippbarkeit der Schleifkörper gegeneinander möglich ist.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß An­ spruch 6 erhält man auf sehr einfache Weise unter Ver­ wendung geometrisch sehr einfacher Schleifkörper ei­ nen hohen Anteil an harten Schleifpartikeln in dem Schleifkörper enthaltenden Bereich des Bearbeitungs­ werkzeuges.

Bettet man dagegen gemäß Anspruch 7 die Schleif­ körper unter Abstand voneinander in die Kunststoffma­ trix ein, so erhält man an der auf dem Bearbeitungs­ werkzeug erzeugten Arbeitsfläche abwechselnd aufein­ anderfolgend Abschnitte hoher und geringerer Härte. Auch erhält man durch die zwischen die Schleifkörper eingefügten Teile der Kunststoffmatrix eine erhöhte Elastizität des Bearbeitungswerkzeuges, was für man­ che Anwendungen erwünscht ist.

Dabei erleichtert die Weiterbildung der Erfindung ge­ mäß Anspruch 8 die Handhabung der Schleifkörperan­ ordnung vor dem Einbetten in die Kunststoffmatrix.

Gemäß Anspruch 9 kann man den in die Kunststoff­ matrix eingebetteten Schleifkörpern auf einfache Weise eine axiale Schrägstellung geben, wie sie zur Realisie­ rung von Schrägverzahnungen vorteilhaft ist.

Dabei kann man dann gemäß Anspruch 10 auf einfa­ che Weise ein provisorisches Fixieren der schräge Stirn­ flächen aufweisenden Schleifkörper auf einer Form­ wand erhalten.

Ein Bearbeitungswerkzeug gemäß Anspruch 11 zeichnet sich zum einen durch gute abrasive Eigenschaf­ ten seiner Arbeitsfläche, zum anderen durch hohe me­ chanische Festigkeit und Zähigkeit aus, welche dem Be­ arbeitungswerkzeug durch den von abrasiven Schleif­ partikeln freien Grundkörper gegeben wird. Ein weite­ rer mit dieser Unterteilung des Bearbeitungswerkzeu­ ges erhaltener Vorteil ist der, daß teure abrasive Schleif­ partikel eingespart werden.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 12 ist dabei im Hinblick auf einfache Bearbeitbarkeit des Grundkörpers und gute Festigkeit des Grundkörpers gegen Schlagbelastungen von Vorteil.

Bei einem Bearbeitungswerkzeug gemäß Anspruch 13 haben auch die keine Schleifkörper enthaltenden Vo­ lumensbereiche abrasive Eigenschaften.

Üblicherweise haben ringförmige Bearbeitungswerk­ zeuge zum Honen oder Feinen von Zahnradflanken ei­ nen erheblich größeren Teilkreis als den Teilkreis des zu bearbeitenden Zahnrades. Die Bearbeitung des Zahn­ rades erfolgt unter gleichzeitigem langsamen Abwälzen des zu bearbeitenden Zahnkranzes auf der zahnkranz­ förmigen Arbeitsfläche des Hon- oder Feinrades. Bei einem solchen ringförmigen Bearbeitungswerkzeug wird mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß An­ spruch 14 erreicht, daß zugleich mit dem Abrollen des zu bearbeitenden Zahnkranzes auf der Arbeitsfläche des Hon- oder Feinringes eine vorgegebene Änderung der Abrasivität des gerade mit dem Zahnrad zusammen­ arbeitenden Abschnittes der Arbeitsfläche einhergeht. Auf diese Weise kann man unter Verwendung ein- und desselben Bearbeitungswerkzeuges zunächst noch grö­ ßere Materialanteile abtragen und anschließend eine sehr feine Endbearbeitung vornehmen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen Abschnitt eines Honrades zur Bearbei­ tung eines Außenzahnkranzes eines Werkstückes, teil­ weise in einer transversalen Ebene geschnitten;

Fig. 2 einen stark vergrößerten Abschnitt durch einen Teil des Zahnbereiches des Honrades nach Fig. 2;

Fig. 3 bis 5 ähnliche Ansichten wie Fig. 2, in welchen abgewandelte Schleifkörperanordnungen im Zahnbe­ reich eines Honrades wiedergegeben sind;

Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Rohlinges, aus welchem ein Honrad mit in Umfangsrichtung kontrol­ liert sich ändernder Abrasivität der Arbeitsfläche her­ stellbar ist;

Fig. 7 eine axiale Aufsicht auf einen Abschnitt einer Form zur Herstellung eines Honringes gemäß Fig. 4;

Fig. 8 einen in Umfangsrichtung verlaufenden Schnitt durch einen Abschnitt eines Formwerkzeuges zur Her­ stellung eines Honrad-Rohlings mit geneigten stabför­ migen Schleifkörpern;

Fig. 9 eine Aufsicht auf einen Abschnitt eines Schleif­ körperbandes; und

Fig. 10 eine Stirnansicht des Schleifkörperbandab­ schnittes nach Fig. 9, dort von oben gesehen.

In Fig. 1 ist ein Winkelabschnitt eines Honrades 10 gezeigt, welches aus einem äußeren ringförmigen Grundkörper 12 sowie einem inneren ringförmigen Ar­ beitskörper 14 besteht Grundkörper 12 und Arbeits­ körper 14 sind beim hier betrachteten Ausführungsbei­ spiel aus durch Kunstharz gebundenen Schleifkörper­ partikeln hergestellt. Der Grundkörper 12 und der Ar­ beitskörper 14 können an der Stoßstelle durch eine Klebstoffschicht verbunden sein; beide Körper können aber auch dadurch verbunden sein, daß sie im grünen Zustand zusammengebracht und gemeinsam zum Aus­ härten gebracht werden.

Im Grundkörper 12 sind Schleifpartikel 16 aus Ko­ rund oder Edelkorund in einer Kunststoffmatrix 18 gleichförmig verteilt.

Der Arbeitskörper 14 hat eine Schrägverzahnung 20, die eine mit einem zu bearbeitenden Zahnrad zusam­ menarbeitende Arbeitsfläche vorgibt. Die Schrägver­ zahnung 20 ist durch Bearbeiten eines ringförmigen Honrad-Rohlings unter Verwendung eines Diamant­ werkzeuges erzeugt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, enthält der ringförmige Ar­ beitskörper 14 größere Schleifkörper 22, die in eine Kunststoffmatrix 24 eingebettet sind. Die Kunststoffma­ trix 24 kann die gleiche Mikrostruktur aufweisen wie die Kunststoffmatrix 18, inklusive Schleifpartikeln 16. Als Grundmaterial für die Kunststoffmatrix kann z. B. Ep­ oxidharz verwendet werden.

Die Schleifkörper 22 haben ihrerseits wiederum eine Mikrostruktur, die durch Einbetten von sehr harten Schleifpartikeln 26 in eine Bindemittelmatrix 28 erhal­ ten ist.

Die Schleifpartikel 26 können ihrerseits Partikel aus Hartmetall, harten Oxiden, Nitriden oder Carbiden oder auch CBN sein, alles Schleifpartikel, wie an sich dem Fachmanne bekannt sind.

Die Schleifkörper 22 sind durch Zerkleinern von grö­ ßere Abmessungen aufweisendem Ausgangsmaterial erhalten, z. B. durch Zermahlen von gebrauchten Schleifscheiben oder von extra hierzu hergestellten Rohlingen einfacher Geometrie. Derartiges Schleifkör­ per-Granulat ist im Handel zu günstigem Preis erhält­ lich.

In Abwandlung des oben beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispieles kann man den Grundkörper 12 auch aus Metall herstellen, wobei dann ein ringförmiger Rohling für den Arbeitskörper 14 mit der Innenfläche des metal­ lischen Grundkörpers 12 verklebt wird, z. B. unter Ver­ wendung eines Kunstharzklebers, insbesondere Epoxid­ harzklebers oder Phenolharzklebers. Nach dem Aus­ härten der Klebstoffuge wird dann die Schrägverzah­ nung 20 in die Innenfläche des Arbeitskörperrohlinges eingearbeitet.

Es versteht sich, daß man auf die oben beschriebene Art und Weise auch Hon- und Feinräder herstellen kann, welche eine Außenverzahnung aufweisen und so­ mit zum Bearbeiten von Innenzahnkränzen an Werk­ stücken verwendet werden können.

Bei dem abgewandelten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 befinden sich im Verzahnungsbereich des Ar­ beitskörpers 14 in axialer Richtung verlaufende stabför­ mige Schleifkörper 30, die in dichter hexagonaler Pac­ kung angeordnet sind. Die Kunststoffmatrix 24 er­ streckt sich in kleinen Teilvolumina zwischen die Schleifkörper 30 hinein.

Bei dem ähnlichen Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind die stabförmigen Schleifkörper 30 beabstandet, so daß die zwischen ihnen liegenden Abschnitte der Kunst­ stoffmatrix 24 größer sind.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 hat man einen im wesentlichen von Kunststoffmatrix 24 freien und durchweg von Schleifkörpern 32 erfüllten Bereich eines Arbeitskörperrohlinges 14, in den noch die Schrägver­ zahnung 20 einzuarbeiten sind. Jeder der Schleifkörper 32 hat einen doppelt abgewinkelten Verbindungsab­ schnitt 34, der in einer komplementären Verbindungs­ nut 36 des benachbarten Schleifkörpers 32 Aufnahme findet.

In einem vom freien Rand abgelegenen Endabschnitt 38 haben die Schleifkörper 22 geringere Breite als in einem dem freien Rand benachbarten vorderen Ab­ schnitt 40, so daß dort zwischen benachbarten Schleif­ körpern 32 jeweils ein Zwischenraum 42 verbleibt. Die einander gegenüberliegenden Seitenwände der Endab­ schnitte 38 sind jeweils mit teilzylindrischen Vertiefun­ gen 44 versehen, und auf diese Weise erhält man eine gute Verankerung der Schleifkörperkette am Material der Kunststoffmatrix 24.

In Abwandlung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 5 kann man auch zwischen den vorderen Abschnit­ ten 44 Spalte vorsehen und diese Zwischenräume mit (Schleifpartikel enthaltender) Kunststoffmatrix ausfül­ len.

Fig. 6 zeigt einen Rohling zur Herstellung eines Hon­ rades 10, der aus einem metallischen Grundkörper 12 und einem ringförmigen Arbeitskörper 14 besteht. Letz­ terer ist seinerseits aus Ringsegmente bildenden Schleif­ körpern 46 zusammengesetzt. Diese können wiederum durch Ablängen eines extrudierten Schleifkörperstran­ ges in grünem Zustand vor dem Brennen bzw. Aushär­ ten erhalten sein. Die verschiedenen Ringsegmente bil­ denden Schleifkörper 46 sind untereinander und mit dem Grundkörper 12 durch Verkleben fest verbunden.

Von den Schleifkörpern 46 sind diejenigen, die sich in einem ersten Quadranten befinden, aus Schleifpartikeln 26 und einer Bindemittelmatrix 28 erster Art hergestellt, wie sie sich für grobe Vorbearbeitung von Zahnflanken eignet. Die Schleifkörper 46 in Winkelrichtung folgen­ der Quadranten sind aus zunehmend feineren Material­ abtrag bewerkstelligenden Kombinationen aus Schleifpartikeln 26 und Bindemittelmatrix 28 hergestellt (grob ./. fein; hart ./. weich). Beim Abrollen eines zu bearbei­ tenden Zahnrades, welches schematisch durch gestri­ chelte Linien 48 angedeutet ist, erhält man somit auf einem aus dem Rohling gemäß Fig. 6 hergestellten Hon­ rad eine zunehmend feine Bearbeitung der Zahnflanken unter Verwendung ein- und desselben Werkzeuges. Dies ist im Hinblick auf das Kleinhalten von Rüstzeiten von Vorteil.

Fig. 7 zeigt eine axiale Aufsicht auf einen Teil einer Halbform, wie sie zur Herstellung eines Rohlinges für einen Arbeitskörper gemäß Fig. 14 geeignet ist. In eine ringförmige Bodenwand 50 der insgesamt mit 52 be­ zeichneten Halbform sind in regelmäßigem Abstand Sackbohrungen 54 eingearbeitet, in welche jeweils das Ende eines stabförmigen Schleifkörpers 32 einsetzbar ist. Eine in der Zeichnung nicht wiedergegebene zweite Halbform ist entsprechend mit Sackbohrungen verse­ hen und auf diese Weise sind die Schleifkörper 32 wäh­ rend des Einbringens und Aushärtens der Kunststoffma­ trix 24 in ihrer Lage positioniert. Umfangswände 56, 58 der Halbform 52 dienen zum Formen der radial innen­ liegenden bzw. außenliegenden Wand des Honradroh­ linges.

Zur Herstellung von Hon- und Feinrädern für die Bearbeitung von Schrägverzahnungen ist es wün­ schenswert, wenn die stabförmigen Schleifkörper 32 in einer der Schrägstellung der Zahnflanken im wesentli­ chen entsprechenden entsprechenden Schrägstellung in die Kunststoffmatrix 18 eingebettet werden.

Um dies zu bewerkstelligen, kann man gemäß der linken Hälfte von Fig. 8 in die Stirnflächen der noch nicht gebrannten Schleifkörperrohlinge 32 Sackbohrun­ gen 60 einbohren oder eindrücken, und die Bodenwand 50 der Halbform 52 wird dann anstelle der Sackbohrun­ gen 54 mit Positionierzapfen 62 besetzt, die reibschlüs­ sig in die Sackbohrungen 60 der gebrannten bzw. ausge­ härteten Schleifkörper 32 passen. Auf diese Weise kön­ nen die gemäß der Schrägstellung der Zahnflanken mit schrägen Stirnflächen 64 versehenen Schleifkörper 32 auf der Halbform 52 positioniert werden.

Statt dessen kann man auch auf die schräggestellten Stirnflächen 64 der Schleifkörper 32 (vorzugsweise selbstklebende) Kleberschichten 66 aufbringen und dann die Schleifkörper 32 auf die durchgehende Boden­ wand 50 der Halbform aufkleben, wie im rechten Teil von Fig. 8 gezeigt.

Um die zur Erzeugung der schrägverzahnten Arbeits­ fläche notwendige Zerspanung von Hartmaterial klein zu halten, kann man gemäß den Fig. 9 und 10 auch Schleifkörper 68 herstellen, die in ihrer groben Rand­ kontur schon der Form der gewünschten Schrägverzah­ nung entsprechen. Hierzu kann man wieder stabförmi­ ges Material extrudieren und im grünen Zustand schräg zu Stranglängsachse ablängen.

Die so erhaltenen Schleifkörper 68, deren Querschnitt die Form eines Rechteckes mit aufgesetztem Trapez hat, kann man z. B. durch zwei beabstandet angeklebte Verbindungsschnüre 70, 72 zu einem Band zusammenfü­ gen. Wie aus den Fig. 9 und 10 ersichtlich, haben die Verbindungsschnüre zwischen zwei benachbarten Schleifkörpern 68 jeweils einen kleinen Durchhang x, so daß sich die Schleifkörper 68 in Umfangsrichtung selbst auf eine Gegenverzahnung einer Halbform ausrichten können, welche einer Untermaß-Replik der Ausgangs­ geometrie der zu bearbeitenden Verzahnung entspricht.

Alternativ kann man die Schleifkörper 68 auch mit einer parallel zu ihrer Basis verlaufenden Durchgangs­ bohrung versehen, wobei dann die aufeinanderfolgen­ den Schleifkörper durch eine durch diese Bohrungen hindurchgehende Schnur aufgefädelt werden.

Beim Herstellen eines Honrades oder Feinrades unter Verwendung von Schleifkörperbändern, wie sie in den Fig. 9 und 10 gezeigt sind, oder einzeln auf eine Boden­ wand einer Form aufgesetzten Schleifkörpern 68 braucht die eigentliche Arbeitsfläche nur noch in gerin­ gem Ausmaße bezüglich der Feinkontur bearbeitet zu werden.

Wo vorstehend und in den Ansprüchen auf eine Kunstharzmatrix Bezug genommen ist, soll hierunter generell auch eine Kunstharzmatrix verstanden werden, die Schleifpartikel enthält, z. B. aus Korund oder Edel­ korund, wie obenstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschreiben.

Claims (14)

1. "Werkzeug zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere zum Schleifen und Honen, mit abbrasiven sehr harten Schleifpartikeln (26), welche durch ein Bindemit­ tel (28) zusammengehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß Schleifkörper (22; 30; 32; 46, 48; 68) mit verglichen mit den Schleifpartikeln (26) großer Abmessung in eine Kunst­ stoffmatrix (24) eingebettet sind oder durch Klebstoff verbun­ den sind, wobei die Schleifkörper (22) eine Mikrostruktur ha­ ben, die durch Einbetten von sehr harten Schleifparti­ keln (26) in eine Bindemittelmatrix (28) erhalten ist."

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schleifkörper (22) Granulatkör­ per sind, welche durch Mahlen von Rohlingen oder gebrauchten abrasiven Bearbeitungswerkzeugen erhalten sind.

3. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schleifkörper (30; 32; 46; 48; 68) in ihrer Geometrie grob der Geometrie der Schleif- bzw. Honfläche des Werkzeuges entsprechen.

4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schleifkörper (30; 32; 46; 48; 68) durch Extrudieren und Brennen bzw. Härten erhal­ tene stabförmige Körper sind.

5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schleifkörper (32) im Formschluß zusammenarbeitende Verbindungsabschnitte (34, 36) aufweisen.

6. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schleifkörper (30) in dichter Pac­ kung nebeneinander geordnete Stäbe sind, welche vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt haben.

7. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schleifkörper (30) unter zumin­ dest teilweisem Abstand voneinander in die Kunst­ stoffmatrix (24) eingebettet sind.

8. Werkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schleifkörper (68) beabstandet von einem flexiblen Verbindungsmittel (70, 72) ge­ tragen sind.

9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (64) der prismatischen Schleifkörper (30; 68) schräg zur Prismenachse eingestellt sind.

10. Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens jeweils eine der Stirnflä­ chen (64) der Schleifkörper (30; 68) eine Klebstoff­ schicht (66) oder ein Formschlußmittel (60) auf­ weist.

11. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es einen von Schleifkörpern freien Grundkörper (12) aufweist.

12. Werkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Grundkörper (12) aus Metall be­ steht.

13. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffmatrix (24) weitere Schleifpartikel (16) enthält.

14. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß es Umfangsrichtung verteilte Schleifkörper (46) unterschiedlicher Abra­ sivität aufweist.