DE638696C - Umlaufende starre Schleifscheibe und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 20. NOVEMBER 1936

Eine Schleifscheibe ist bei der Benutzung zwei Hauptzerstörungskräften ausgesetzt, die auf einen Bruch hinwirken, nämlich der beim Umlauf der Scheibe durch die Fliehkraft bedingten Spannung und der Spannung, die durch Temperaturunterschiede im Scheibenkörper verursacht wird, die sich bei der Schleifarbeit durch Erwärmung am Umfang ergeben. Es hat sich gezeigt, daß es sich in beiden Fällen um in Ringzonen verlaufende Tangetitialspanmingen handelt, die im Sinne der Erzeugung einer höchsten tangentialen Zugbeanspruchung an der Innenkante des mittleren Loches der umlaufenden Scheibe wirken. Infolgedessen müssen, wenn eine Schleifscheibe reißt, die Risse von der Kante des Loches ausgehen und radial auswärts fortschreiten.

Gemäß den üblichen Verfahren zur Her-Stellung keramisch gebundener Schleifscheiben wird ein Gemisch von Schleifkorn und einem verglasbaren Bindemittel in den verlangten Verhältnissen und unter Zusatz von genügend Feuchtigkeit zur Bildung einer bildsamen Masse zu einer Scheibe geformt/ trocknen gelassen und auf die verlangten Abmessungen gebracht. Bei dem darauffolgenden Brennen wird das Bindemittel annähernd auf seine Schmelztemperatur gebracht, um es weich und haftfähig zu machen, damit es die Schleifkörner bindet. Nachdem die Scheibe kurze Zeit dieser hohen Temperatur ausgesetzt worden ist, wird sie gekühlt, um das weiche Bindemittel zum Erhärten zu bringen. Tn der Praxis ist es üblich, die rohe Scheibe in eine Kapsel zu tun, in der sie mit ihrer Flachseite auf eine Sandbettung gelegt wird. Eine Anzahl derartiger Kapseln, deren jede eine rohe Scheibe enthält, wird sodann in dem Ofen zu einer Säule aufeinandergesetzt.

Wird die Schleifscheibe in dieser Anordnung gebrannt und hernach gekühlt, so erfolgt das Kühlen in ihrem Umfangsteil schneller als an den Seiten und in der Mitte. Dadurch entsteht zwischen dem Umfangsteil und dem Scheibenkern ein Temperaturunterschied. Dieser sich zu Beginn des Kühlvorganges einstellende Temperaturunterschied führt dazu, daß die konzentrischen Umfangsteile sich gegenüber dem inneren Teil zusammenziehen. Da jedoch das Bindemittel bei diesen hohen Temperaturen weich ist und daher keine Spannung annehmen kann, vollzieht sich diese unterschiedliche Zusammenziehung ohne Hervorbringung einer bleibenden Spannung in der Scheibe. "Überdies weist, wenn dieser selbe Temperaturunterschied nun beim Fortschreiten des Kühlvorganges durch den Temperaturbereich aufrechterhalten wird, in dem das Bindemittel vom weichen in den starren Zustand übergeht, die Scheibe immer noch keine oder nur eine geringe Spannung auf. Jedoch ergibt sich beim weiteren Kühlen der Scheibe vom Erstarrungspunkt bis zur Raumtemperatur eine Abkühlung der mittleren konzentrischen Teile der Scheibe durch einen größeren Bereich als beim äußeren Teil, und daraus ergibt sich für die inneren Teile eine stärkere Zusammenziehung. Infolgedessen nimmt der Kern der Scheibe eine Zugspan-

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nung und der äußere Teil entsprechend eine Druckspannung an.

Diese dem unvollkommenen Abkühlen des Scheibenkörpers zuzuschreibenden Spannungen sind über die ganze Scheibe verteilt, die sich von der Mitte bis zum Umfang in einem Spannungszustand befindet. .Sie bestehen ganz unabhängig von anderen Arten von Spannungen und sind nicht zu verwechseln ίο mit den Spannungen, die in den Berührungsflächen der einzelnen Schleifmittelkörner mit dem Bindemittel infolge eines etwaigen Unterschiedes in den Ausdehnungskoeffizienten des Bindemittels und des Schleifmittels entstehen. Das Vorhandensein der Abkühlspannung in der ganzen Scheibe ist ein sehr wichtiger Umstand, der zu dem Bruch von Scheiben beiträgt, weil als tatsächliche Widerstandsfähigkeit der Scheibe gegen Bruch im Betriebe nur der Unterschied zwischen dem Zugfestigkeitswert des gebundenen Körpers und dem tatsächlichen Wert der nach dem Kühlen zurückbleibenden Zugspannung in Betracht kommt. Die Beanspruchung durch die Abkühlspannung vereinigt sich also mit den bei Benutzung der Scheibe auftretenden, durch die Fliehkraft und den Temperaturunterschied bedingten Beanspruchungen und wirkt somit zusätzlich im Sinne eines Reißens der Scheibe.

Gemäß vorliegender Erfindung wird nun den erwähnten, bei der Benutzung der Schleifscheibe auftretenden Spannungen dadurch entgegengewirkt, daß der äußere, am Umfang liegende Teil der Schleifscheibe auf den inneren, um den Mittelpunkt liegenden Teil aufgeschrumpft ist und ihn somit unter Druck umspannt. Bei einer keramisch gebundenen Scheibe kann dies dadurch erreicht werden, daß man das beim Brennen erweichte Bindemittel im inneren Teil der Scheibe beim Abkühlen früher als im äußeren Teil zum Erstarren bringt. Dabei entsteht zu Beginn des Kühlens ein Temperaturabfall von außen nach innen, der ein Zusammenziehen des inneren Teiles der Scheibe gegenüber dem äußeren Teil zur Folge hat. Solange das Bindemittel weich und bildsam ist, können sich dabei keine bleibenden Spannungen ausbilden. Derselbe Temperaturunterschied wird sodann beim weiteren Abkühlen des Bindemittels und bei seinem Durchgang durch den Bereich, in dem der Übergang vom weichen zum festen, starren Zustand stattfindet, aufrechterhalten. Solange nun dieser Temperaturunterschied bestehen bleibt, entsteht keine Spannung in der verfestigten Masse. Jedoch erfährt im letzten Teil des Abkühlvorganges, bei dem der erstarrte Körper allmählich Raumtemperatur annimmt, der äußere Teil eine Abkühlung durch einen größeren Temperaturbereich als der innere Teil, so daß der , Temperaturunterschied verschwindet, wobei der äußere Teil im Vergleich zum inneren Teil stärker schwindet und auf ihn aufschrumpft. Hieraus ergibt sich eine bleibende Druckspannung im Bereiche des mittleren Loches und eine Zugspannung im äußeren Teile. Diese umgekehrte Spannung, die sich aus der Druckspannung im Bindemittel des inneren Teiles der verfestigten Scheibe ergibt, setzt den im Sinne eines Auseinanderreißens der Scheibe wirkenden, beim Gebrauch der Scheibe auftretenden Spannungen Widerstand entgegen und muß vollständig ausgeglichen werden, bevor die tatsächliche Widerstandsfähigkeit der gebundenen Scheibe herangezogen wird, um den durch Fliehkraft und Schleifwärme bedingten Zugbeanspruchungen entgegenzuwirken. Infolgedessen kann bei der Bestimmung der Gesamtfestigkeit der Scheibe im Gebrauch diese Druckspannung der Eigenfestigkeit der gebundenen Schleifscheibe hinzugerechnet werden.

Nach der Größe des Temperaturunterschiedes zwischen der inneren und äußeren Zone der Scheibe beim Erstarren richtet sich der Wert der schließlich zustande kommenden äußeren Zugspannung und inneren Druckspannung.

Bei Ausführung des Brennvorganges können verschiedene Brennofenbauarten Verwendungfinden. Die Zeichnung veranschaulicht in Fig. ι und 2, die zwei rechtwinklig zueinander geführte senkrechte Schnitte darstellen, in etwas voneinander abweichenden Ausführungen die bevorzugte Art der Durchführung des Brenn- und Kühlvorganges in einem elektrischen Widerstandsofen, in dem die Schleifscheiben unter von Fall zu Fall vorausbestimmten und geregelten Hitzebedingungen gebrannt werden können.

Gemäß Fig. 1 wird die von den Wänden 10 umschlossene, mit einem feuerfesten Futter 13 ausgekleidete, gewölbte Ofenkammer 12 von zwei übereinanderliegenden Reihen nicht metallischer Heizwiderstandskörper 15, vorzugsweise in der Form von selbsttragenden und hitzegehärteten Formstäben aus Siliciumcarbid, durchsetzt, die mit den Anschlußenden in öffnungen der Seitenwände 10 bzw. des Futters 13 ragen. Die Heizkörper werden durch wassergekühlte Klemmen 18 getragen, durch die sie elektrisch angeschlossen sind. Die Hitzebedingungen in der Ofenkammer 1x5 nach dem Brennvorgang können mittels Luftkanäle 19 und 20 und Klappen 2t, 22 geregelt werden, durch die entweder kalte Luft von außen in die Heizkammer eingeführt oder ein Absaugen der heißen Ofengase bewirkt werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennen von

Schleifscheiben wird die rohe Schleifscheibe 25 auf eine ringförmige hitzebeständige !Matte 20 gelegt, deren Durchmesser größer als der der Scheibe ist, während die mittlere Öffnung 27 einen etwas kleineren Durchmesser als das Scheibenloch 28 hat. Die Scheibe wird zwischen den beiden Heizstabreihen auf Stützen

29 aus hitzebeständigem Werkstoff, z. B. keramisch gebundenem S iliciumcarbid oder Korund oder hochgebranntem Feuerton, gesetzt, die auf der Ofensohle ruhen. Ein Ring 30 von ähnlichem hitzebeständigem Werkstoff und einer der Scheibendicke entsprechenden Höhe, der aus zusammengesetzten Abschnitten bestellen kann, wird sodann in dichter Anlage an dem Umfang der Scheibe 25 derart angeordnet, daß er auf dem äußeren Rand der Unterlagsplatte 26 liegt. Eine zweite ringförmige Platte 31 von gleichem hitzebeständigem Werkstoff und mit demselben Außendurchmesser wie die Tragplatte 26, aber mit einer mittleren Öffnung 32, deren Innendurchmesser genügend groß ist, um einen wesentlichen Teil der oberen Fläche der Scheibe, z. B. das erste Drittel des radialen Abstandes von Loch und Umfang, frei zu lassen, wird sodann auf die obere Fläche der Scheibe und den Ring

30 gelegt. Auf die obere Platte 31 wird ein wärmeisolierender Belag j-, aus einem Ton gelegt, der bei der Brenntemperatur nicht schmilzt oder nennenswert erweicht, wie z. B. Kaolinschamotte. Dieser Belag hat die Form eines die ganze Oberfläche der Platte 31 bedeckenden Ringes, dessen am Umfang erhebliehe Dicke nach der Mitte hin allmählich bis zu einer ganz kleinen Dicke an der Kante des Loches der Platte 31 abnimmt. Die Fugen zwischen den Platten 26, 31 und dem Ring 30 sowohl als die Spalten zwischen den einzelnen Abschnitten des Ringes 30 werden sodann mit dem üblichen Kitt von bildsamem Ton oder einer andern als Kitt brauchbaren hitzebeständigen Masse gefüllt. Gegebenenfalls kann der feuerbeständige Ring 30 so angebracht werden, daß er zwischen sich und der Umfangsfläche der Scheibe einen kleinen Zwischenraum frei läßt, der dann auch mit der bildsamen Tonmasse oder gebranntem und zerkleinertem feuerfestem Ton angefüllt wird.

Die auf diese Weise in einem feuerbeständigen Gehäuse eingekapselte Scheibe wird nun dadurch gebrannt, daß man einen elektrischen Strom durch die Heizkörper 15 während einer so langen Zeit und bei solcher Temperatursteigerung schickt, daß das verwendete Bindemittel verglast. Nachdem dann die Scheibe genügend lange auf dieser Temperatur gehalten worden ist. werden der Ofen und die gebrannte Scheibe derart gekühlt, daß ein Temperaturunterschied zwischen dem mittleren und dem Umfangsteil entsteht, der im Verhältnis zu -der für den mittleren Teil der Scheibe gewünschten. Bruchspannung steht. Dabei wird infolge der wärmeisolierenden Wirkung der Einkapselung der innere Teil kühler als der Umfang gehalten. Der Kühlvorgang geht unter Aufrechterhaltung dieses gleichen Temperaturunterschiedes zwischen den beiden Zonen weiter, bis die Temperatur der Masse auf 450⁰ C gesunken ist, bei der der A'erfestigungsvorgang vollendet ist und der Körper fest und starr wird. Bei der weiteren Kühlung von der Erstarrungstemperatur des Bindemittels, bis zur Raumtemperatur verschwindet der Temperaturunterschied zwisehen dem inneren und äußeren Teil, und es entsteht eine Druckspannung im mittleren Teil der Scheibe, die im Verhältnis zu dem Temperaturunterschied steht, der vorher in der Scheibe bestand.

Es ist klar, daß das Abkühlen der Scheibe in der durch den Ring 3 t und seinen Belag 33 nicht abgedeckten mittleren Zone schneller vor sich geht als in der abgedeckten Umfangszone und daß infolge der von außen nach innen allmählich abnehmenden Stärke des Belages 33 auch der Temperaturabfall von außen nach innen ein allmählicher ist.

Der Temperaturabfall kann beispielsweise zwischen zwei Punkten, die um 0,4 und 0,875 des äußeren Scheibenhalbmessers vom Scheibenmittelpunkt entfernt sind, etwa 15⁰ C betragen. Jedoch kann er je nach der gewünschten Größe der im mittleren Scheibenteil zu erzielenden Druckspannung sowohl als nach der Art und Größe der Scheibe in geeigneter Weise geändert werden. Indessen darf die in der Scheibe erzeugte Druckspannung natürlich nicht so groß gemacht werden, daß die Scheibe zu Bruch gehen kann.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 stehen Rohre 35 und 36 mit den Kanälen 19 und 20 in Verbindung, mittels deren man nach dem Brennen Luft unmittelbar durch die Scheibenöffnung umlaufen lassen kann, um durch schnelleres Kühlen des Werkstoffes im Bereiche der mittleren Öffnung einen größeren Temperaturunterschied zwischen der inneren und äußeren Zone und demzufolge auch eine entsprechend höhere Druckspannung in xio der inneren Zone hervorzubringen. In diesem Falle kann der Brennvorgang je nach dem zwischen den beiden Zonen gewünschten Temperaturabfall mit oder ohne feuerfesten Deckel 33 durchgeführt werden.

Die Erfindung kann auch auf nach Maßgabe der früheren Praxis hergestellte Schleifscheiben angewandt werden. Man kann diese z. B. auf eine Temperatur von etwa 8oo° C, gegebenenfalls mehr oder weniger,, wieder erhitzen und dann in der oben erläuterten Weise abkühlen, um in dem das mittlere Loch

umgebenden Werkstoff eine Druckspannung zu erzeugen. .

Eine nach dem vorliegenden Verfahren hergestellte Scheibe, die beim Kühlen einem Temperaturunterschied von 15⁰C zwischen der äußeren und der inneren Zone ausgesetzt wurde, konnte bei Versuchen eine Umfangsgeschwindigkeit von etwa ii/m/Sek. aushal-. ten, ohne zu zerspringen. Nach der bisherigen Praxis hergestellte Schleifscheiben gleicher Art werden gewöhnlich auf eine Höchstgeschwindigkeit von etwa 46 m/Sek. geprüft und zerspringen gewöhnlich bei einer Geschwindigkeit von etwa 84 m/'Sek., was weit unterhalb des Betrages liegt, bei dem eine nach der Erfindung hergestellte Scheibe noch ohne Gefahr zum Schleifen verwendet werden kann.

Claims (4)

1. . Patentansprüche:

   i. Umlaufende starre Schleifscheibe aus Schleifkorn und einem Bindemittel, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere, am Umfang liegende Teil der Schleifscheibe auf den inneren, um den Mittelpunkt liegenden Teil aufgeschrumpft ist und ihn unter Druck umspannt.
2. 2. Verfahren zur Herstellung keramisch gebundener Schleifscheiben nach Anspr.uch i, dadurch gekennzeichnet, daß das beim Brennen erweichte Bindemittel im inneren Teil der Scheibe beim Abkühlen früher als im äußeren Teil zum Erstarren gebracht wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe beim Brennen' durch einen wärmeschützenden Deckel abgedeckt wird, der nur den mittleren Teil der Scheibe frei läßt, und dessen Dicke vorzugsweise von der Mitte zum Umfang zunimmt.
4. 4. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 2 und 3 auf eine bereits gebrannte Schleifscheibe durch Wiedererhitzen bis zum Bildsamwerden des- Bindemittels und Abkühlen gemäß den Verfah-

   'ren der Ansprüche 2 und 3.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen