DE6925061U - Schleifwerkzeug - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE "^Γ

DIPL.-ING. MARTIN LICHT
DR. REINHOLD SCHMIDT
DIPL.-WIRTSCH.-ING. HANSMANN
DIPL.-PHYS. SEB. HERRMANN

MÜNCHEN 2
THERESIENSTRASSE 33

23. Juni 1969

Ke/Ca

BARNES DRILL CO. ROCKPORD,ILLINOIS CHESTNUT STREET 8ik V.St.A.

Die Erfindung befaßt sich ganz allgemein mit Schleifwerkzeugen und speziell mit der Konstruktion von Honsteinen, Schleifscheiben, abrasiven Abschneidrädern oder -scheiben und dergleichen, wobei insbesondere auf die Formgebung, Zusammensetzung und Anordnung der bei diesen Werkzeugen ver-O wendeten abrasiven Elemente bezug genommen wird. Das typische übliche Schleifwerkzeug weist einen Körper aus Grundmaterial oder Einbettungsmaterial auf, der gemäß dem jeweiligen auszuführenden SchleifVorgang geformt ist, wobei abrasive Körner oder Kies in dem Grundmaterial verteilt sind und von ihm zusammengehalten werden, so daß auf wenigstens einer Seite des Körpers eine abnutzbare, abrasive Fläche geschaffen wird. Die üblichen abrasiven Granulate können entweder natürliche oder synthetische Materialien sein und Siliziumkarbide, Aluminiumoxyde (beide in natürlicher und synthetischer Form), Borkarbide, Granatstein, Kiesel und Diamant enthalten, wobei letzterer ziemlich teuer ist und hauptsäohlioh in

Splitter- oder Staubform für spezielle Anwendungsfälle benutzt wird.

Venn Körner aus solchem Material vollständig vermischt werden, so entsteht ein verhältnismässig hartes, verschleißfähiges Grund- oder Einbettungsmaterial, wobei die Arbeitsfläche des Steins oder der Scheibe eine große Zahl Kiesel aufweist, die in das Grundmaterial eingebettet sind und teilweise sichtbar sind, so daß sie mit einem Werkstück in Schleifkontakt gebracht werden können. Während des Schleifkontakte mit dem Werkstück schleift jedes freiliegende Teilchen das ' Werkstück ab und verbraucht sich dabei selbst, und zwar entweder durch allmählichJn Verschleiß, durch Bruch, wodurch neue Schleifoberflächen freigelegt werden, oder durch Losbrechen von dem Grundmaterial und Abgehen von dem Werkzeug, sobald der Anteil des Teilchens mit dem es in dem Grundmaterial eingebettet oder mit dem Grundmaterial verbunden ist, zum Festhalten des Teilchens nicht mehr ausreicht, wobei ein derartiges Losbrechen als "Abschälen" bekannt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Oberflächenteil des Grundmaterials abgetragen, wodurch fortschreitend neue Kieselschichten freigelegt werden, die mit dem Werkstück in Berührung kommen. Es ist natürlich einzusehen, daß die Verschleiß- und Abriebeigensohaften eines bestimmten Steins oder einer bestimmten Scheibe von Art und Größe der Körner abhängen, ferner von der Natur des GrundmateriaIs sowie dem Druck, mit dem das Werkzeug gegen das Werkstück gepreßt wird, wobei alle diese Faktoren bei der Auswahl eines Werkzeugs für eine vorliegende Arbeit in Betracht gezogen werden müssen.

Aufgrund der Schwankungen in der Anzahl der zu einer beliebigen Zeit freiliegenden Kiesel,der veränderlichen Halterung des Kiesels in dem Grundmaterial und der veränderlichen Abrieboder Sohleifeigenschaft der einzelnen Kiesel ist ganz allgemein ein Mangel an Konsistenz zu verzeichnen und damit auch eine

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mangelhafte Vorherbestimmung in bezug auf die genaue Sohleifwirkung eines Werkzeugs in einem beliebigen Augenbliok während eines Schleifprozesses. Dazu kommt, daß die Verschleiß- oder Abriebgeschwindigkeit aufgrund des Absohälens der Kiesel, bevor das Abschleifvermögen der Kiesel vollständig ausgenutzt worden ist, verhältnismässig schnell ist, und daß die während des Schleifens erzeugte Wärme weitgehend innerhalb der Arbeitsoberfläche des Werkzeugs verbleibt, und zwar aufgrund der Isoliereigenschaften des Grundmaterials. Daduvoh wird oft eine kontinuierliche Spülung der Arbeitsfläche mit einem Kühlmittel während starker Sohleifarbeiten erforderlioh, um die Aufheizung der Arbeitsfläche und des Werkzeugs zu verringern. Trotz dieser und anderer Naohteile sind die Schleifwerkzeuge des Kies- oder Sandtyps praktisoh die am meisten angebotenen Werkzeuge dieser Art und werden weitverbreitet benutzt.

Die Erfindung hat eich zur Aufgabe gemacht ein wesentlich verbessertes Sohlelfwerkzeug zu schaffen, dessen Abrieb- und Verschleißeigenschaften verträglicher sind als bei den bekannten Werkzeugen, daß des weiteren sowohl im rauhen Schleifbetrieb als auch beim Feinschleifen in Endbearbeitungsprozessen höchst wirksam ist, mit dem aber auch abzuschleifendes Material bei vergleichbaren Geschwindigkeiten mit geringeren Arbeitsdrücken entfernt werden kann, wodurch sowohl eine Verminderung der Wärmeentwicklung und Verformung des Werkstücks als auch des den Bearbeitungsvorgang begleitenden Geräusches möglich ist, und daß schließlich einen größeren Wirkungsgrad bei der Fortleitung der Wärme von dem Werkstück und der Schleiffläche während des Schleifvorgänge aufweist. Darüberhinaus werden in den Fällen, in denen hohe Drehgeschwindigkeiten des Werkzeugs Probleme möglicher Zerstörung des Schleifmaterials auswerfen, die abrasiven Elemente selbst als wirksame Verstärkungselemente benutzt, wodurch keine besondere Verstärkung notwendig wird. Die Erfindung bringt also auf dem Gebiete des Schleifens von Werkstücken einen erheblichen Fortschritt.

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Die oben genannten Merkmale und Eigenschaften des Erfindungsgegenstandes werden mit einemiferkzeug erreicht, das einen geformten und verhältnismässig steifen Körper aus verschleißfähigem Qrund- oder Einbettungsmaterial aufweist, bei dem wenigstens eine Arbeitsfläche mit dem abzuschleifenden Werkstück in Berührung steht und Abschleif- oder Abriebelemente in Form von länglichen Fasern eines ausgewählten Hartmaterials in dem Körper angeordnet sind und sich quer zur Arbeitsoberfläche erstrecken, wobei die Enden der Fasern an der Arbeitsoberfläche freiliegen, um mit dem Werkstück in Abriebberührung zu kommen. D_er Rest jeder Faser erstreckt sich durch den Körper nach innen und ist in dem Körper fest verankert, um die abrasiven Enden gegen Verbiegen und vorzeitiges Abbrechen während des SchielfVorgangs zu versteifen und abzustützen. Zur Erzielung einer optimalen Schleifkonsistenz und -Wirksamkeit sind die Fasern mit Abstand eng nebeneinander in dem Grundmaterial angeordnet, so daß ein in etwa einheitliches Muster der offenen Enden geschaffen und aufrechterhalten wird, und zwar sowohl zu Beginn des Schleifvorgangs als auch während des Verschleißens des Schlagwerkzeugs. Des weiteren sind alle Fasern so ausgerichtet, daß sie von der Arbeitsfläche des Werkzeugs vorzugsweise im wesentlichen parallel zueinander nach innen ragen. Schließlich wird erfindungsgemäß der Vorschlag gemacht, die Fasern in bezug auf die Richtung der Werkzeugbewegung zu neigen, um dadurch die Form der dem Werkstück ausgesetzten Stirnabschliffoberflächen zu variieren und es damit zu ermöglichen, die mit Fasern gegebener Größe und Form erzielbaren Schleifeigenschaften zu verändern.

AusfUhrungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, schematisch dargestellt. In der Zeichnung zeigen:

Fig. i eine Teilquersohnittsansicht längs einer Querebene durch eine Honvorrichtung, die mit neuartigen Honsteinen ausgestattet ist, wobei der Schnitt im wesentlichen längs der Linie

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1-1 In Figur 2 vorgenommen ist, und die Honvorrichtung in vergrößertem Maßstab mit der Wandung einer in einem Werkstück befindlichen Bohrung in BetriebsberUhrung steht,

Fig. 2 eine Teilseitenansicht der Honvorrichtung von Figur 1, zusammen mit einem Teil ihres Trag- und Antriebsmechanismus, wobei Teile der Honvorrichtung und des zugehörigen Werkstücke im Schnitt gezeigt sind,

Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines der Honsteine,

Fig. k eine sehr stark vergrößerte Querschnittsansicht längs der Linie IV-IV in Figur 3, aus der die Querschnittsform und gegenseitige Lage der abrasiven Elemente in dem Stein ersichtlich sind,

Fig. 5 eine vervielfachte Teilquerschnittsansicht längs der Linie V-V in Figur 4, also in Längsrichtung der abrasiven Elemente

Fig. 6 eine Teilseitenansicht eines Honsteines, gemäß einer anderen Faseranordnung in dem Stein, wobei die Fasern in einem etwas übertriebenen Abstand dargestellt sind,

Fig. 7 eine Stirnansicht einer weiteren Ausführungsform des Honsteines mit einer weiteren anderen Faseranordnung,

Fig. 8 eine vergrößerte Teildraufsicht, aus der die Form der Stirnoberfläche der in den Figuren 6 und 7 gezeigten Fasern ersichtlich ist,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Schleifrades bei dem die Faserenden an seiner Umfangsoberflache freiliegen,

Fig. 10 eine Teilstirnansicht des in Figur 9 gezeigten Rades in einem größeren Maßstab und

Fig. 11 eine der Figur 9 ähnliche Ansicht eines Rades, dessen Faserenden an der Radseiten- oder Radstirnfläche freigelegt sind.

Die Erfindung wird also anhand von Honstäben oder Honst einen 10 (Figuren 1-8) und anhand von Schleifrädern 11 und 12 (Figuren 9-11) beschrieben, wobei diese Beispiele die verschiedenen Typen von Schleifwerkzeugen verkörpern sollen, bei denen der Erfindungsgegenstand verwendet werden kann. Es ist bekannt, daß bei dem typischen Honvorgang ein Satz Honsteine benutzt wird, die in Abstand rund um einen Werkzeugkörper 13 (Figuren 1 und 2) angeordnet sind und fortschreitend nach außen in eine etwa zylindrische Innenwand 14 eines Werkstücks 13 hineinbewegt werden, während der Werkzeugkörper gleichzeitig gedreht und in dem Werkstück in Längerichtung hin- und herbewegt wild. Dadurch bleibt die äuBere Arbeitsfläche 17 jedes Steins 10 mit der Wand 14 unter einem gewählten Hondruck in Berührung, so daß die Wand abgeschliffen und fertig bearbeitet wird. Zur gleichen Zeit wird die Arbeitsfläche 17 abgetragen, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die sich aus den Eigenschaften des WerkstUckmateriaIs und der Werkzeugmaterialien sowie aus der Art und Weise ergibt, wie das Werkzeug auf dem Werkstück arbeitet, wozu der Arbeitsdruck und die Geschwindigkeit der Relativbewegung gegenüber der Wand gehören.

Die hier gezeigten Honsteine 10 besitzen einen etwa rechteckigen Querschnitt und haben langgestreckte, im allgemeinen flache Arbeitsflächen 17, die vorzugsweise mit einer leichten Querkrümmung versehen sind, so daß sie sich leichter an die Krümmung der Arbeitsoberfläche anpassen können, wobei jede Fläche der einzelnen Steine eine Rotationsfläche ist, und Teil eines gemeinsamen Zylinders. Die Innenfläche oder Rückseite 18 jedes Steins ist flach wie auch die Seiten 19 und die Stirnflächen 20, und jeder Stein ist in typischer Weise auf einem nicht dargestellten Träger aus einem verhältnismässig

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weichen Metall oder Plastikmaterial gelagert, der die verschiedensten Formen haben kann, wie dies in diesem Zweig der Technik bekannt ist.

Wie den Figuren 1 und 2 entnommen werden kann, sind vier Steine mit einheitlichem Abstand rund um den Honkörper 13 angeordnet und werden in ihm in Längsschlitzen geführt, wobei die Rückseiten 18 der Steine mit Mitnehmern 21 in Berührung stehen, die mit abgeschrägten, auf konischen Nocken 22 laufenden Oberflächen versehen sind. Die Nocken 22 werden auf einer Stange 23 getragen, die sich durch eine Hohlwelle 2k nach oben erstreckt. Die Hohlwelle 2k ist bei 25 durch einen Stift mit dem Honkörper verbunden und am anderen Ende bei 27 mit dem Drehantrieb und dem hin- und hergehenden Kopf 28 der Maschine gekuppelt. Bei dieser Anordnung wird die Honvorrichtung entlang der Werkstückbohrung hin- und herbewegt und gleichzeitig gedreht, während die Stange 23 fortschreitend mit einer gewählten Geschwindigkeit innerhalb der Welle 2k nach unten geschoben wird, um die Steine fortschreitend bezogen auf den Honkörper nach außen zu drücken, wodurch der verlangte Abschleifdruck auf der Bearbeitungsfläche aufrechterhalten bleibt, wenn die Wand Ik abgetragen wird und sich die Bohrung erweitert.

Für Abtragungsvorgänge, die auf diesem Fachgebiet als Schleifvorgänge oder abrasive Absehneidvorgänge bezeichnet werden, ist das Werkzeug eine Scheibe, wie sie in den Figuren 9 und 11 gezeigt ist. Diese Scheibe besitzt eine Umfangsoberflache 29 von kreisrundem Querschnitt sowie gewöhnlicherweise flache Seiten- oder Stirnflächen 30, wobei in gewissen Fällen der Umfang und in anderen Fällen die Stirnflächen 30 die Arbeitsfläche darstellen, und zwar in Abhängigkeit von Art und Form des abzuschleifenden Werkstücks. Eine Mittelbohrung 31 dient in der Soheibe zur Aufnahme einer nicht dargestellten Antriebswelle, mit der das Werkzeug gedreht wird, wenn das Werkstliok sich relativ zu ihm bewegt, wobei eine Arbeitsfläche mit dem Werkstück

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in Berührung steht. Die Scheibe 11 bildet ein Schleifrad, bei dem mit dem Umfang 29 geschliffen wird,während die Scheibe 12 ein Rad ist, das sich zur Stirnbearbeitung eignet.

Wie bereits erwähnt wurde, weist ein gewöhnliches Schleifwerkzeug in typischer Weise ein Granulat abrasiver Teilchen, beispielsweise Aluminiumoxyd- oder Siliziumkarbidkörner auf, die von einem Grundmaterial oder Einbettungsmaterial, beispielsweise Steinzeug, Silikat, Schellack, Gummi oder Kunstharzmaterialien zusammengehalten werden, wobei für eine jeweilige auszuführende Arbeit abrasives Korn mit einer gewählten Größe ' und ein Grundmaterial mit einer gewählten Härte und Festigkeit verwendet werden. Die abrasiven Körner werden so gleichmässig wie möglich in dem ganzen Stein oder dem ganzen Rad verteilt, so daß die Arbeitsoberfläche aus freiliegenden Körnern besteht, die in dem Grundmaterial eingebettet sind und die mit dem Werkstück in Reibungsberührung kommen, sobald das Werkzeug gegen die Arbeitsoberfläche gedrückt und relativ zu ihr bewegt wird.

Während des Abschleifens mit irgendeinem solchen Werkzeug reibt jedes freiliegende Korn auf der Arbeitsfläche und schneidet sich in diese Fläche ein oder ve r kr atzt sie in einem Maße, das ζ*\ in erster Linie von der Schärfe und Härte sowie Größe des

Korns und von dem Schleifdruck abhängt, der auf das Werkstück ausgeübt wird. Gleichzeitig verschleißen die aktiven Körner selbst, wobei sie manchmal brechen und dadurch neue Schneidkanten freilegen, eventuell auch aus dem Grundmaterial herausbrechen, wobei erwünscht ist, daß dies nur dann erfolgt, nachdem dar größte Teil des Korns die ihm aufgetragene Schleifarbeit erfüllt hat und im wesentlichen abgeschliffen ist. Andererseits geschieht das Ausbrechen des Korns manchmal auch vorzeitig, wenn die Verbindung zwisohen dem Korn und dem Grundmaterial versagt. Ein derartiger Fall kann sich infolge eines zu starken Schleifdruckes ergeben, duroh den Körner aus dem Grundmaterial herausgerissen und herausgezogen werden, oder vielleicht aufgrund

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einer zu starken Erwärmung der Körner und des benachbarten Grundmaterials oder möglicherweise infolge einer fehlerhaften Bindung zwischen den Körnern und dem Grundmaterial. In jedem P_all wird die auf das Teilchen einwirkende Zugkraft größer als die Haltekraft der Bindung, wenn das Teilchen verschleißt und sich verkleinert. Natürlich wird auch das Grundmaterial abgetragen, so daß neue Teilchen freigelegt werden und sich die abrasive Arbeitsfläche in dem Maße erneuert, wie sich das Werkzeug abnutzt.

Erfindungsgemäß haben die abrasiven Elemente oder Schleifelemente der verbesserten Werkzeuge iO, Ii und 12 die Form von langgestreckten Fasern oder Fäden, die sich aus hartem, abrasiven Material zusammensetzen, und sie haben eine im wesentlichen einheitliche Querschnittsdicke und sind in einem festen und verhältnismäßig steifen Grundmaterial so eingebettet, daß die Faserenden sich an der Arbeitsfläche des Werkzeugs befinden, so daß sie mit der Werkstückoberfläche in Berührung gebracht werden können, während der restliche Teil der Fasern sich nach innen in das Grundmaterial hineinerstreckt, und zwar quer zu der Arbeitsfläche, und gegen Verbiegen, Abbrechen oder Ausreißen aus dem Werkzeug sicher verankert und verklammert ist. Obgleich eine zufällige Anordnung zerstückelter Fasern ein Schleifwerkzeug ergibt, das für gewisse Anwendungsfälle zufriedenstellend arbeitet, werden ein optimaler Schleifvorgang und Verträglichkeit des Schleifbetriebs erreicht, indem die Fasern in dem Werkzeug so angeordnet werden, daß ihre Abschleifenden an der Arbeitsfläche einen einheitlichen Abstand voneinander aufweisen, wobei jede Faser sich unter einem gewählten Winkel in bezug auf die Arbeitsfläche nach innen erstreckt und im allgemeinen parallel zu den anderen Fasern liegt. Dadurch wird ein Muster aus Abschleifelementen geschaffen, das in allen Ebenen innerhalb des Werkzeugs im wesentlichen einheitlich ist.

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Es wurde gezeigt, daß durch Verwendung von ausgewählten, sehr harten, abrasiven Materialien in Faserform und durch Verankerung dieser Fasern in einer räumlichen Anordnung innerhalb eines festen Grundmaterials, um Verbiegung zu verhindern, ein Werkzeug entsteht, das eine außerordentlich hohe Schleifwirkung entfaltet, und zwar offensichtlich aufgrund der verbesserten Halterung der verankerten abrasiven Elemente innerhalb des Werkzeugs. Das eingestellte Muster aus abrasiven Elementen und die verstärkte Konsistenz jedes einzelnen Elements tragen dazu bei, das Werkzeug auf allen Abschleifebenen einwandfrei zu machen. Mit den parallelen, nach ' innen laufenden Elementen, die in einer Reihe oder einem Muster angeordnet sind, werden noch eine Reihe anderer Vorteile erzielt. Darunter fallen die sehr stark verbesserte Wärmeableitung von der WerkstUckfläche durch die von den Schleifelementen gebildeten, ununterbrochenen Pfade. Einen anderen Vorteil bildet die Verstärkung oder Versteifung des Grundmaterials durch die abrasiven Elemente selbst, wodurch die Notwendigkeit einer speziellen Tuch- oder Faserverstärkuog bei hohen Werkzeugdrehzahlen entfällt. Diese und andere Vorteile stellen gegenüber den zur Zeit erhältlichen, bekannten Werkzeugen ganz erhebliche Verbesserungen dar.

Wie aus den Figuren 4 und 5 entnommen werden kann, besitzt der beispielsweise gezeigte Honstein 10 die gewöhnliche Form und ist aus einer großen Zahl Längsreihen oder Längsschiohten aus parallelen abrasiven Fasern 33 aufgebaut, wobei jede hier einen kreisrunden Querschnitt besitzt und ie allgemeinen senkrecht zu der Arbeitsfläche 17 liegt, wobei die Querkrümmung vernachlässigt wird, sowie parallel zu den Seitenflächen 19 des Steins. Der Abstand der Fasern in jeder Längsreihe ist etwa gleich, und der Abstand zwischen den benachbarten Reihen ist ebenfalls gleioh, kann jedoch aufgrund unterschiedlicher Herstellungstechniken in der Praxis variieren. Die Ausrichtung der entsprechenden Fasern quer zu de« Stein soll

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vermieden werden, um dadurch quer verlaufende "leere" Streifen aus Grundmaterial auszuschalten, die inaktive Zonen quer Über den ganzen Stein bilden würden. Somit sind die Faserschichten in üblicher Weise in Längsrichtung gestaffelt.

Obgleich Pasern 33 unterschiedlicher Größe verwendet werden können, sind hier zwei Größen zu nennen, die gegenwärtig im Handel erhältlich sind und Durchmesser von 0,1 mm und 0,2 mm betreffen. Wenn also angenommen wird, daß die Figuren k und 5 Fasern zeigen, deren Durchmesser 0,1 mm beträgt, läßt sich erkennen, daß die Vergrößerung das 40 bis 50-faohe der tatsächlichen Größe ausmacht. Obgleich verschieden harte abrasive Materialien in Faserform erhältlich sind oder sein werden, ist das bevorzugte Material eine Bo-.rfaser, die gegenwärtig von den Herstellern zur Verwendung in strukturellen Verstärkungsmaterialien angeboten wird, insbesondere in der Luftfahrtindustrie. Einer der Hersteller ist die United Aircraft.

In einer Ausführungsform wird diese Faser durch Aufdampfen von Bor auf einen 0,013 nun dicken Wolframfaden hergestellt, der als Kern Jh in der Mitte der Faser bleibt (Figuren k und 8). Solohe Borfasern haben eine Härte, die der Diamanthärte nahekommt, (7800 Knoop-Härte bei 100 Gramm Belastung), wobei jedoch der Härtewert sich nicht genau ermitteln läßt, weil er der Diamanthärte sehr nahe kommt.

Somit weist dieses gegenwärtig bevorzugte Material den anerkennten Vorteil hoher Härte und dazu die im allgemeinen regelmässige Querschnittsform und Größe auf, die für Fasern charakteristisch sind, und die, wenn sie mit Einern harten, verschleißfähigen Grundmaterial kombiniert werden, die Verschleißelemente sicher in dem Werkzeug verankern, um dadurch das neuartige, verbesserte Schleifwerkzeug zu schaffen. Der Begriff "Faser" in der hier benutzten Bedeutung soll verstanden werden als längliches, fadengMches Element von etwa einheitlichem

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und regelmässlgem Querschnitt, das eine Länge von wenigstens etwa dem 20-fachen seiner Dicke besitzt, obgleich oft auoh sehr viel größere Längen verwendet werden. PUr konstruktive Anwendungsfälle kann von Wichtigkeit sein, daß die Eigenschaftstoleranzen, Dicke und Form der Fasern in einem eng begrenzten Bereich gehalten werden. Wenn die Fasern jedoch als abrasive Elemente benutzt werden, braucht keine genaue Qualitätskontrolle stattzufinden, so daß sich die Herstellungskosten erheblich senken lassen, wenn ziemliche Dickenschwenkungen zugelassen werden.

Neben Bor können als andere mögliche Fasermaterialien mit vergleichbaren Knoop-Härtewerten verwendet werden, die im folgenden genannt sind:

Bornitrid	(nicht gemessen)
Borkarbid	2750
Siliziumkarbid	2480
Titankarbid	2470
Aluminiumoxyd	2100
Wolframkarbid	1880
Zirkonium	ü60

Dazu kommen noch Titandiborid, Siliziumsubstrat-Bor und verschiedene Kombinationen der oben genannten Materialien, die alle die erfindungsgemässe Aufgabe erfüllen. Allgemein gesprochen kann gesagt werden, daß die abrasiven Eigenschaften der Materialien mit steigender Materialhärte wachsen, und daß Bor und gewisse Borverbindungen vorzugsweise für die abrasiven Fasern verwendet werden, wobei einige dieser Materialien bereits in Granulatform in den üblichen Werkzeugen benutzt werden. Brauchbare abrasive Materialien seilten eine gemessene Härte von über 1000 Khoop haben. Zähigkeit, Festigkeit und Brucheigenschaften sind ebenfalls bekannte veränderliche Größen, die die Abriebfestigkeit verschiedener Materialien beeinflussen und Faktoren darstellen, die bereits von dem Fachmann auf diesem

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Gebiete der Technik bei der Auswahl eines abrasiven Granulatmaterials für einen bestimmten Anwendungefall berücksichtigt werden.

Bezüglich der Auswahl des Grundmaterials reicht der Hinweis aus, daß hierfür bekannte Materialien verwendet werden können. Zur Erreichung eines optimalen Wirkungsgrades sollte das Material zäh sein und sollte so abgetragen werden, daß die Faserenden freigehalten werden, so daß sie mit dem WerkstUok in Berührung kommen können, ohne daß ein zu starkes *·' Wegbrechen hinter den Fasern stattfindet. Außerdem sollte das Grundmaterial eine Ubermässige Biegung der Fasern, die sich mit dem Werkstück in Berührung befinden, verhindern, damit vermieden wird, daß die Fasern innerhalb des Werkzeugs abbrechen. Polyamidmaterialien und Epoxydharze, beispielsweise Epoxy-Novolac, haben sich für diese Zwecke als geeignet erwiesen. Obgleich Hochtemperaturresistenz vorteilig ist, mindern die verbesserten Wärmeleiteigenschaften der Werkzeuge die Bedeutung dieses Faktors im Gegensatz zu einigen bekannten Werkzeugen etwas.

Zur Herstellung eines Steines 10 der in den Figuren 3 und k gezeigten Art können Reihen oder Schichten aus Fasern 33 gewählter Länge in einer Form Seite an Seite zusammengeschichtet, mit Grundmaterial in flüssiger Form imprägniert und zu dem in der Zeichnung dargestellten festen Block ausgehärtet werden. Die Schichten können auf eine bekannte Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Aufwickeln eines ununterbrochenen Faserstreifens von einer gewöhnlichen Lieferrolle auf eine Trommel, wobei der Streifen entlang der Trommel gekreuzt wird, so daß benachbarte Umläufe mit Abstand eng nebeneinandergelegt werden. Vor dem Wickeln kann der Streifen mit einem Harz ummantelt werden, und die Trommel kann mit einer Gewebeschicht abgedeckt werden, beispielsweise einem Tuch aus

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Glasfasern, an dem der beschichtete oder ummantelte Streifen haften bleibt und dus* demzufolge eine Abstützung bildet, die die Handhabung des Süeifens erleichtert. Nachdem eine Schien^ * > auf diese Weise gewickelt worden ist, kann sie—in Längsrichtung geschnitten werden, so daß sie sich von der Trommel ** als eine Bahn abnehmen läßt, die aus parallelen Fasern besteht, welche entsprechend der Kreuzungsstärke während des Wickels einen Abstand voneinander aufweisen. Ein aus kleinen von der Bahn abgeschnittenen oder abgescherten Stücken bestehender Stapel läßt sich dann imprägnieren und aushärten, wobei zwischen benachbarten Schichten Tuchstücke aus Glasfasern entweder vorgesehen sind oder nicht.

Ein anderes diesbezügliches Verfahren besteht darin, einen harzbeschichteten, ununterbrochenen Faserstreifen auf eine flache Seiten aufweisende Drehtrommel aufzuwickeln, die mit gebogenen Seitenabschnitten versehen sind, deren Breite grell genug ist, um ein Brechen des Faserstreifens zu verhindern, und dann diesen Faserstreifen rückwärts und vorwärts zu kreuzen, so daß auf der Trommel ein Viellagenmantel entsteht. Nach dem Aushärten des Harzes bilden die flachen Seitenabschnitte des Mantels Platten, aus denen Honsteine ausgeschnitten werden können.

Andere Faseranordnungen in Honsteinen 40 und 41 sind in den Figuren 6 bis 8 gezeigt, aus denen ersichtlich ist, daß durch Neigung der F_asern 33 in bezug auf die Arbeitsfläche und die Richtung der Sohleifbewegung Veränderungen bezüglich der Größe und Form der freiliegenden Enden der Schielfelemente vorgenommen werden können. Bei zylindrischen Fasern, die senkrecht zur Arbeitsfläche liegen, wie dies in den Figuren k und 5 gezeigt ist, sind die Enden kreisrund. Andererseits weisen die Enden, sobald die Fasern geneigt sind, eine ovale Form (Figur 8) auf, wobei der Grad und die Richtung der Faserneigung zu einer Veränderung der Stärke der Längung des Ovals und der Abhängigkeit einer solchen Längung von der Richtung der Schleifbewegung führt.

So zeigt beispielweise Figur 7 die Neigung der Fasern 33 innerhalb des Werkzeugs und hinter den freiliegenden Enden, wobei letztere die schematisch in Figur 8 dargestellte ovale Form aufweisen, bei der die lange Achse des Ovals oder der Ellipse senkrecht zu der langen Achse des Werkzeugs liegt und parallel zur Richtung der Schleifbewegung. Die kurze Achse des Ovals ist gleich den Durchmesser der Fasern, die lange Achse jedoch ist wesentlich großer als der Durchmesser Dies hat zur Folge, daß die effektive Dicke einer gegebenen Fasergröße und der Scherwinkel, unter den die Vorderkante das Werkstück berührt, durch Veränderung des Faserwinkels variiert werden können.

In Figur 6 sind die Fasern im Inneren des Werkzeugs und in Richtung auf das eine Ende des Werkzeugs geneigt, woraus sich ovale Stirnflächen ergeben, in denen die lange Achse senkrecht zur Bewegungsrichtung liegt und sich in Längsrichtung des Steins erstreckt. Dadurch verändert sicli die effektive Breite der abrasiven Elemente entsprechend dem Winkel der Fasern, wodurch unterschiedliche, gesteuerte bzw. kontrollierte Schleif eigenschaften bei einem gegebenen Faserdurchmesser entrstehen. Dementsprechend lassen sich diese vielseitigen Werkzeuge an die jeweiligen Aufgaben mit einem Minimum an verschiedenen Pasergrößen und Fasertypen anpassen.

Sas in den Figuren 9 und 10 dargestellte Rad 11 zeigt eine bevorzugte Faseranordnung für ein Rad, in dem die Umfangsfläche 29 als Arbeitsfläche verwendet werden soll. In diesem Fall erstreckt sich jede Faser radial zum Rad, etwa parallel zu den benachbarten Fasern und senkrecht zu der gekrümmten Fläche 29 eines Rades mit beträchtlichem Durchmesser, so daß jede Faser ein Ende k2 aufweist, das an der Peripherie freiliegt, so daß es mit dem Werkstück in Schleifkontakt kommen kann, wobei sich die Faser eine beträchtliche Länge in das Rad hineinerstreckt. Es lassen sioh Fasern unterschiedlicher Länge verwenden, und die Anordnung kann so getroffen werden, daß· nur ein Umfangsband ll^a

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die volle Faserkonzentration aufweist, wie dies in Figur 10 gezeigt ist. Der zentrale Kernbereich 11 wird selten zu Schleifzwecken benutzt und braucht deshalb keine abrasiven Fasern zu haben. Die Fasern 43 in einem Werkzeug wie das beschriebene lassen sich anfänglich zu schmalen Bändern oder Streifen paralleler Fasern formen und von Hand in einer Gießform anordnen, bevor die Aushärtung beginnt, oder können von Hand zu Scheiben geformt werden, die mit Stlitzgeweben versehen sind, auf denen radiale Fasern von Hand angeordnet werden.

Diese Anordnung der abrasiven Faserelemente 43 erfüllt in Schleifrädern oder Schleifscheiben, die für hohe Drehzahlen, schwere Schleifarbeit, wie sie ein Vorgang darstellt, bei dem durch Schleifen Material abgeschnitten oder abgetrennt wird,gebaut

sind, wobei die hohen Drehzahlen Zentrifugalkräfte hervorrufen, die das Schleifrad zerstören können, einen sehr wichtige, zusätzliche Aufgabe. Diese Zentrifugalkräfte und die durch sie hervorgerufene Neigung zur Zerstörung des Rades stellen ein Problem dar, das besonders akut und gefährlich wird, wenn das Rad aufgrund eines Einschnitts oder einer Einkerbung eine Unwucht erhält. In der Vergangenheit war es notwendig, derartige Räder mit Gewebe, beispielsweise einem Glasfasergewebe, zu verstärken, um unter solchen Umständen das Rad gegen ein Auseinanderfliegen zu schützen. Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag sind die abrasiven Elemente jedoch selbst Radialfasern, die dus Rad zusammenhalten und auf diese Weise eine zusätzliche Verstärkung Überflüssig machen. In den Fällen, in denen die Hauptkraftlinien festgestellt werden können, lassen sich Fasern in dem Werkzeug längs dieser Linien anordnen, so daß eine optimale Verstärkung oder Versteifung erhalten wird. Obgleich in dem Kernbereich 11 für Sohleifzwecke keine Fasern erforderlich sind, können einige Fasern aus Gründen der Verstärkung der Konstruktion bis in diesen Bereioh hinein verlängert werden.

Das Rad 12 von Figur 11 zeigt die bevorzugte Faserausrichtung, wenn die Stirnflächen oder Seitenflächen 30 des Rades als Arbeitsfläche bzw. Arbeitsflächen benutzt werden sollen. In diesem Fall verlaufen die Fasern kk quer durch das Rad hindurch, etwa in Längsrichtung der Radachse, und die entgegengesetzten Enden 45 jeder Faser liegen an den flachen Stirnflächen frei. Natürlich können auch diese Fasern in bezug auf die Stirnflächen geneigt werden, um dadurch die Form der abrasiven Stirnflächen zu variieren, wie dies bei den Fasern in Honsteinen der Fall ist. Diese Fasern erzeugen /■'*<, jedoch eine radiale Verstärkung, wie sie bei dem in Figur 9 gezeigten Rad erreicht wird.

Ein äußerst wichtiger Gesichtspunkt bei der Beurteilung der im obigen beschriebenen verbesserten Werkzeuge ist die verstärkte Wärmeableitung von der schneidenden Grenzfläche zwischen den abrasiven Elementen und dem Werkstück. Die an der Grenzfläche abgegebene Energie wird in Wärme verwandelt, von der ein Teil dem Werkstück, ein anderer Teil dem Werkzeug und der Rest der Luft und dem Kühlmittel zugeführt werden, falls ein Kühlmittel verwendet wird. Eine zu starke Erwärmung des Werkstücks verursacht Verformung und V_erwerfung, so daß Schwierigkeiten entstehen, wenn für die Werkstückoberfläche enge Toleranzen eingehalten werden sollen, insbesondere beim Honen. Eine zu starke Erwärmung des Werkzeugs hingegen bildet wahrscheinlich nicht die Ursache dafür, daß die Verbindung zwischen dem Grundmaterial und den üblichen abrasiven Teilchen versagt. Die meisten Grundmaterialien sind verhältnismäßig gute thermische Isolatoren, so daß sich die Wärme in dem Werkzeug in Oberflächennähe des abrasiven Materials konzentriert»

Die Wärmeleitfähigkeiten der verschiedenen harten, abrasiven Materialien und der Grundmaterialien sind natürlich unterschiedlich, wobei jedoch die abrasiven Materialien im allgemeinen höhere Wärmeleitwerte aufweisen als die Grundmaterialien. Bor-

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verbindungen beispielsweise haben Wärmeleitkoeffizienten, die etwa 30 mal größer sind als die der harzgebundenen Grundmaterialien. Demzufolge wird mit Hilfe von ununterbrochenen, wärmeleitfähigen Fasern, die sich durch das Werkzeug hindurcherstrecken, die Wärmeabtiansportgeschwindigkeit von der Arbeitsfläche sehr stark gesteigert. Mit anderen Worten,die abrasiven Faserelemente werden auch als kontinuierliche Wärmetransportoder Wärmeübertragungselemente verwendet, mit denen Wärme von der Arbeitsfläche auf die entgegengesetzte Seite des Werkzeugs abtransportiert wird, wo sich gewöhnlich ein metallenes Befestigungselement befindet, das oftmals zwecks vollständiger '·-' und schneller Wärmeabfuhr gekühlt wird. Natürlich haben die mit den hier beschziebenen, neuartigen Werkzeugen möglichen verringerten Arbeitsdrücke eine verminderte Wärmeerzeugung zur RLge, wodurch die Temperaturaufrechterhaltung weiter verbessert wird. Der geringere erforderliche Druck und die verminderte Wärmeentwicklung sind Eigenschaften, die gemeinsam bewirken, daß die neuartigen Werkzeuge sich für verhältnismässig schwierige und genaue Arbeitsbedingungen sehr gut eignen.

Aus dem obigen ist ersichtlich, daß die Erfindung auf dem Gebiete der Schleifwerkzeuge einen bedeutenden Fortschritt bringt, indem sie die Lebensdauer, Festigkeit und den Wirkungs grad von Schleifwerkzeugen vergrößert, die Anwendung geringerer Schleif drücke mö-rglich macht und die Fähigkeit des Werkzeugs, Wärme von dem Werkstück abzuführen, verbessert. Darüberhinaus ist das neuartige Werkzeug bezüglich der Veränderung der Schleifeigensohaften einer Faser gegebener Größe vielseitig und bedient sich der Schleifelemente selbst als wirksame konstruktive Verstärkung für Anwendungsfälle, in denen mit hohen Drehzahlen gearbeitet wird.

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Claims (18)

Patentanmeldung: Schleifwerkzeug

1. Schleifwerkzeug, gekennzeichnet durch einen Körper (13), der sich aus festem und verschleißfähigem Grundmaterial zusammensetzt, bei dem mindestens eine Arbeitsfläche (17,29,30) mit einem Werkstück (15) in Schleifkontakt steht und durch eine Reihe länglicher Fasern (33,^3,44) aus hartem, abraslven Material, die in dem Körper (13) eingebettet sind und mit ihren Enden (42,45) an der Arbeitsfläche (17,29,30) in einem bestimmten Muster freiliegen, um die abrasiven Elemente des Werkzeugs (10,11,12) zu bilden, wobei die Fasern (33,43,44) in dem Körper (13) in einer erheblichen Entfernung innerhalb des Körpers von den freiliegenden Enden aus verankert und verklammert sind und eine Härte haben, die größer ist als die Härte des Grundmaterials.

2. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (33,43,44) senkrecht zu der allgemeinen Ebene der Arbeitsfläche (17,29,30) liegen.

3. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (33,43,44) im allgemeinen parallel zueinander verlaufen und sich von der Arbeitsfläche aus under einem ge-

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wählten Winkel nach innen erstrecken. %

4. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekenn— ,^ -⁷^i . zeichnet, daß die Fasern in einem einheitlichen Muster änge- - : ordnet sind und beim Verschleißen des Werkzeugs (10,11,12) ein einheitliches Muster der Enden (42,45) beibehalten.

5. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet-, daß jede Faser (33,43,44) längs ihrer ganzen Länge einen im wesentlichen einheitliehen kreisrunden Querschnitt aufweist und eine Länge besitzt, die mindestens 20 mal so groß ist wie der Durchmesser des Querschnitts.

6. Schleifwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug (10) ein langgestreckter Honstein von etwa rechteckigem Querschnitt ist, der auf der einen Seite eine langgestreckte Arbeitsfläche (17) hat, und daß sich die Fasern (33) von der einen Seite unter einem ausgewählten Winkel zu der Ebene der Arbeitsfläche (17) durch den Stein hindurcherstrecken.

7. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, f> daß das Schleifwerkzeug (ll) ein Rad ist, dessen Körper die Form einer Scheibe mit einer Umfangsarbeitsflache (29) von kreisrundem Querschnitt besitzt, und daß sich die Fasern (43) von der Arbeitsfläche (29) im allgemeinen radial nach innen in den Körper hineinerstrecken.

8. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug (12) ein Rad ist, dessen Körper die Form einer Scheibe hat, bei der eine Stirnfläche (30) die Arbeitsfläche bildet und die Fasern sich von der Arbeitsfläche (30) unter einem ausgewählten Winkel weg in das Rad hineinerstrecken.

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9. Schleifwerkzeug nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifelemente (33,43,44) aus abrasivem Material zusammengesetzt sind, das eine Härte von mindestens 1000 gemessene Khoop bei 100 Gramm Belastung hat,

10. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifelemente (33,43,44) Borfäden sind.

11. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkörper (13) die Form eines Honsteines (lO) mit einer länglichen Arbeitsfläche (17) hat, und daß die Schleifelemente (33) parallel zueinander und mit Abstand eng nebeneinander liegen, um beim Abtrag des Werkzeugkörpers (13) ein gleichmässiges Muster der Enden der Schleifelemente beizubehalten.

12. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkörper eine Scheibe (12) ist, und daß die Arbeitsfläche eine Stirnfläche (30) dieser Scheibe ist, wobei die Elementenenden (45) neben der Arbeitsfläche liegen und sich etwa in Längsrichtung der Scheibe durch die Scheibe hindurcherstrecken.

13. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abrasive Material aus der Gruppe ausgewählt wird, 4ie Bor, Bornitrid, Borkarbid, Siliziumkarbid, Tfiandiborid, Titankarbid, Silizium-Substrat-Bor, Wolframkarbid, Zirkoniumoxyd, Aluminiumoxyd und Kombinationen dieser Stoffe umfasst.

14. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug ein Honstein (iO) in der Form eines läng liehen Körpers ist, der auf seiner einen Seite eine längliche, in Querrichtung gekrümmte Arbeitsfläche (17) hat und zum Honen eines zylindrischen Körpers mit innerer Bearbeitungefläche dient.

15. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifelemente (33,43,44) in mehreren Reihen Seite an Seite nebeneinander angeordnet sind.

16. Schleifwerkzeug nach .Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen parallel zueinander liegen und einen einheitlichen Abstand voneinander aufweisen und daß die Schleifelemente in diesen Reihen mit gleichem Abstand voneinander getrennt sind.

17. Schleifwerkzeug nach Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen etwa senkrecht zu der Arbeitsfläche (17) liegen und sich durch den Stein (iO) hindurcherstrecken.

18. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, OaB die Arbeitsfläche eine Rotationsfläche ist/ und daß jede Faser etwa im gleichen Winkel in bezug auf diese Fläche angeordnet ist.

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