DE2829609A1

DE2829609A1 - Schleifscheibe

Info

Publication number: DE2829609A1
Application number: DE19782829609
Authority: DE
Inventors: Harald Dr Helletsberger; Walter Dr Waizer
Original assignee: Tyrolit-Schleifmittelwerke Swarovski KG
Current assignee: Tyrolit-Schleifmittelwerke Swarovski KG
Priority date: 1978-07-05
Filing date: 1978-07-05
Publication date: 1980-01-24
Also published as: DE2829609C2

Description

SCHLEIFSCHEIBE
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schleifscheibe, bestehend aus Korn, einem auf Kunstharzbasis aufgebauten, vorzugsweise duroplastischen Bindemittel und vorzugsweise Füllstoff mit einer in dem Schleifkörper eingebetteten hochfesten Faserarmierung.
Beim Schleifen, insbesondere beim Trennschleifen, ist man bestrebt, möglichst hohe Umfangsgeschwindigkeiten des Schleifkörpers zu erzielen.
Dabei versteht man unter dem Trennschleifen das Durchschleifen von vorzugsweise stabförmigen Materialien mit Schleifscheiben mit relativ geringer Stärke; d.h. die Stärke T liegt im allgemeinen unter o.ol des Durchmessers D:T = o.ol . D In der technischen Anwendung kommt man derzeit auf maximale Umfangsgeschwindigkeiten von loo m/sec, man hat jedoch im Versuchs- bzw. Laborstadium bereits Umfangsgeschwindigkeiten von 130 m/sec und mehr erreicht.
Dabei sind allerdings die beim Hochgeschwindigkeitsschleifen geltenden verstärkten Sicherheitsanforderungen besonders zu berücksichtigen. So wird bei einer Arbeitsgeschwindigkeit der Scheibe von loo m/s eine Sprenggeschwindigkeit (Berstgeschwindigkeit) von mindestens 150 m/s gefordert.
Die Erhöhung der Geschwindigkeit auf das 1.5-fache führt nach den Gesetzen der Mechanik zu einer Erhöhung der in der Scheibe auftretenden maximalen Spannungen auf das 2.25 -fache. Dies folgt daraus, daß die Tangentialspannung an der Bohrung einer rotierenden Scheibe nicht linear sondern quadratisch mit der Umfangsgeschwindigkeit v anwächst, d.h. 2 { tan, max = prop. v Die Vorteile des Hochgeschwindigkeitsschleifens sind jedoch so groß, daß sich dieses Verfahren in der Praxis immer mehr durchsetzt. Die wichtigsten Vorteile sind: Die Schnittkräfte am Korn nehmen mit zunehmender Geschwindigkeit ab und der Leistungsfaktor sowie die spez. Zerspanleistung (Zeitspanvolumen) und die Kanten-bzw. Profilhaltigkeit steigen überproportional an.
Als Leistungsfaktor steht hier das Verhältnis getrennter Querschnittsfläche zu der verbrauchten Scheibenfläche.
Die spez. Zerspanleistung bedeutet das in der Zeiteinheit pro mm Scheibenbreite zerspante Werkstückvolumen.
Weiters ist man bestrebt, Trennscheiben mit möglichst geringer Scheibenstärke T herzustellen. Dies bringt einmal den Vorteils daß eine geringere Antriebsleistung der Trennmaschine erforderlich ist und daß andererseits der Materialverlust (Schnittverlust = zerspantes Volumen je Schnitt ) abnimmt.
Dies ist besonders bei teuren Werkstoffen, wie hochlegierten Stählen, Titan, Wolfram und dgl., von Bedeutung.
überdies wird die Erwärmung der Werkstücke geringer, was einerseits bei hitze- bzw. risseempfindlichen Werkstoffen sowie andererseits im Hinblick auf den Umweltschutz (Verringerung des erforderlichen Gehaltes an schleifaktiven Füllstoffen in den Scheiben) vorteilhaft ist.
Eine weitere Anforderung, die an Trennschleifscheiben gestellt wird ist die, daß der Scheibendurchmesser D und damit die ausnutzbare Scheibenfläche möglichst groß sein soll. Eine derartige Scheibe bietet die Möglichkeit des Trennens großer Querschnitte bzw. langer Einsatzzeiten (Verringerung der Scheibenwechselkosten). Derzeit können Trennscheiben bis 1200 mm Durchmesser serienmäßig und solche bis zu 1800 mm labormäßig hergestellt werden.
Bekanntlich wird aber die Seitensteifigkeit einer Scheibe umso geringer, je geringer die Stärke und je größer der Durchmesser ist, d.h. es besteht bei Trennscheiben eine umso größere Neigung zum Flattern derselben und zum Verlaufen des Schnittes, je größer das Verhältnis D zu T wird. Dies kann zu rauhen Schnittflächen, nicht winkel gerechten Schnitten und zur Zerstörung der Scheibe führen.
Daher werden hohe statische Steifigkeit sowie große dynamische Stabilität, insbesondere bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit verlangt.
Aus den Gesetzen der Mechanik folgt, daß eine hohe Steifigkeit mit einer hohen Resonanzfrequenz fres verbunden istFür ebene Kreisplatten gilt die Formel: Hiebei bedeuten E den Elastizitätsmodul, S die Dichte und 9 die Poissonzahl der Scheibe.
T,D, ç und sind in der Praxis praktisch fest vorgegebene Größen, sodaß eine Erhöhung der Stabilität nur über eine Steigerung des Elastizitätsmoduls (kurz E-Modul) möglich ist, Dieser E-Modul ist aber ebenso wie die mechanische Festigkeit bei den üblichen Korn-Harz-Kombinationen praktisch vorgegeben, da die Auswahl (Kornart, Korngröße, Harzanteil usf.) primär nach schleiftechnischen Gesichtspunkten zu erfolgen hat.
Um nun die bei den genannten hohen Umfangsgeschwindigkeiten auftretenden Flieh- und Tangentialkräfte aufzunehmen und den Elastizitätsmodul und damit die Steifigkeit und Stabilität der Scheiben zu steigern, ist es bei den derzeit im technischen Einsatz stehenden Schleifkörpern üblich, eine Faserstoffarmierung vorzusehen.
Vor allem werden nach dem heutigen Stand der Technik Glasfasern verwendet, da gewöhnliche organische Fasern im allgemeinen zu geringe thermische Beständigkeit aufweisen.
Letzteres bezieht sich sowohl auf das Schleifen als auch auf das Aushärten, was bei organischen Schleifkörperbindungen (Phenol-, Epoxy-Harzen usw.) im allgemeinen bei Temperaturen von zwischen 150 und 19o° C stattfinden.
Der Einsatz der Glasfasern erfolgt dabei a) als Kurzfaser statistisch in der Bindung verteilt b) als Wirrfaservliese c) als Gewebe.
Dabei werden die Vliese und Gewebe mit einer Harzimprägnierung versehen, die im allgemeinen aus Phenolharzen besteht, damit eine einwandfreie Kraftübertragung von der Schleifmasse auf die Armierung erfolgt, bzw. damit alle Einzel fasern gleichmäßig belastet werden ("mittragen").
Im Zuge der technischen Entwicklung kam es zu zahlreichen Versuchen, die Wirksamkeit der Glasfasergewebe zu erhöhen, einige dieser Arbeiten sind auch bereits in der Patentliteratur beschrieben, so z.B. Gewebe mit Rovingfäden (keine bzw. geringe Drehung der Einzel fasern im Gewebestrang), spezielle Gewebetypen, wie dreidirektionale Gewebe, Geweberonden mit vorzugsweise radialer Fadenrichtung und Verbesserungen der Haftung durch spezielle Oberflächenbehandlung der Glasfaser (z.B. durch Silane).
In der Praxis zeigt es sich aber, daß die erwähnten Fortschritte, die durch die Faserstoffarmierung erzielt werden können, zu einem beträchtlichen Teil durch die Beschädigung der fasern bei der Herstellung der Schleifkörper aufgehoben werden. Die scharfen Kanten der Schleifkörner zerschneiden die Fasern bzw. erzeugen Kerben in der Faseroberfläche bereits beim Pressen. Diese Effekte treten umso stärker auf, je splittriger und scharfkantiger das Schleifkorn ist (z.B. Siliciumkarbid, Edelkorund) und je dichter die Scheibenstruktur ist, da bei der Herstellung dieser Scheiben ein hoher Preßdruck erforderlich ist. Z.B. zeigen aus unausgehärteten Scheiben wieder herausgelöste Glasgewebe Rückgänge der Festigkeit zwischen 5 und 90%.
Diese Zerstörung der Fasern bei der Schei benherstel 1 ung stellt auch eine der Hauptschwierigkeiten beim Einsatz von hochfesten Kohlenstoffasern als Armierung dar.
Abgesehen davon soll noch erwähnt werden, daß, rein technisch gesehen, Glasfaserfäden, insbesondere die hochfesten Typen, verhältnismäßig leicht und schnell altern. So kann es besonders bei starker Feuchtigkeit zu einem Rückgang der Festigkeit von bis zu 30% in loo Tagen kommen. Zu einer weiteren irreversiblen Abnahme der Festigkeit kommt es bei der Glasfaser bereits beim Aushärten, und zwar beträgt der Rückgang bei einer Aushärtetemperatur von 2000 C lo bis 20.
Um dem Rückgang der Festigkeit der Armierungsfasern durch Zerstörung und Alterung auszuweichen, ist man gezwungen, Sicherheitsreserven in Form höherer Armierungsanteile einzubauen.
Da man die mechanische Festigkeit sowie den E-Modul der üblichen organischen Schleifscheibenbindemittel (Harze) nicht oder nur geringfügig erhöhen konnte, kommt es derzeit bei der Herstellung von Hochgeschwindigkeitsschleifscheiben zu einem immer höheren Volumsanteil denrmierung in der Scheibe.
Ein derartiges Ansteigen des Volumsanteiles der Armierung bringt jedoch schwerwiegende Nachteile mit sich.
Insbesondere kommt es zwangsweise zu einem Rückgang des schleifaktiven Scheibenanteiles (Korn und aktive Füllstoffe) und damit zu einer Verringerung des Leistungsfaktors. Im Falle der Verwendung einer Glasfaserarmierung wird ferner beim Schleifen eine Neigung zum Verschmieren der ScheSbenoberfläche durch geschmolzenes Glas festgestellt, wodurch die Schnittigkeit stark zurückgeht und die Scheibe heißer schleift.
Ahnliche Effekte treten übrigens auch meist beim Einsatz von thermplastischen Faserstoffen auf.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Schleifscheibe, insbesondere Trennschleifscheibe, zu schaffen, die bei gleichem oder einem geringerem Armierungsanteil größere Umfangsgeschwindigkeiten bei ausreichender Stabilität und kühlem Schliff erlaubt.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Armierung Fasern von mehr als lo mm Länge aufweist, deren E-Modul größer als 1x104 kp/mm2 ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Armierung mit einem Uberzug versehen ist, der auf der Faser gut haftet und mit der Scheibenbindung eine mechanisch ausreichende chemische und/oder physikalische Verbindung eingeht und von einem Harz oder einer Mischung aus Harz und der im Schleifkörper verwendeten Bindung gebildet wird, wobei die Armierung in eine Schichte Feinkorn oder feinkörnigem, schleifaktivem Füllstoff eingelegt ist.
Als Armierungsfasermaterial sind gemäß der Erfindung hochfeste Glasfasern , Einkristallwhisker, polykristalline Metallwhisker, Kohlenstoffasern, Borfasern und gezogene Metalldrähte vorgesehen, Weiters Bornitrid, Siliciumcarbid sowie hochfeste, hitzebeständige organische Fasern mit hohem E-Modul (z.B. Polyaramide).
Bei den Metalldrähten kommen nach der Erfindung, insbesondere solche aus einem hochlegierten C-Stahl, in Betracht.
Als größenordnungsgemäße Richtwerte für den Elastizitätsmodul und die Zugfestigkeit dieser Fasern seien folgende Werte angeführt: Elastizitätsmodul E>= loo GN/m2 (kN/mm2) Bruchzugfestigkeit MZ,B 2 GN/m2 (kN/mm2) Um die Haftung der Fasern in der Matrix des Bindemittels zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Fasern mit einer Oberflächenschicht versehen sind, die eine hohe chemische und/oder physikalische Affinität zum Bindemittel und den Fasern aufweist.
Dazu können beispielsweise die Metalldrähte mit einem Primer versehen sein. Kohlenstoffasern werden an der Oberfläche vorzugsweise anoxydiert bzw. werden C-bzw.
SiC-Whisker an der Oberfläche abgeschieden.
Hochfeste Fasern bereiten bei der Herstellung von Geweben von standardmäßigem Aufbau (annähernd gleiche Festigkeit und Steifigkeit in Schuß- und Kettrichtung) oft Schwierigkeiten.
Daher ist weiters vorgesehen, daß die Scheibe als Armierung zumindest ein Gewebe aufweist, dessen Schuß (oder Kette) aus Fasern mit den erwähnten hohen Festigkeits-und E-Modul Eigenschaften besteht und dessen Kette (bzw.
Schuß ) von elastischeren und biegsameren Fasern, beispielsweise üblichen Glas- oder organischen Fasern, gebildet wird (sog. unidirektionale Gewebe).
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht dabei mindestens zwei derartige Gewebe in gekreuzter Anordnung vor.
Als Feinkorn kommen die bekannten Schleifmittel, wie z.B. Korunde, Siliciumkarbid, Borkarbid, und als schleifaktive Füllstoffe z.B. Kryolith , Pyrit etc.
in Frage.
Dabei kann das Einlegen der Armierung in das Feinkorn sowohl beim Imprägnieren der Armierung als vorbereitenden Arbeitsgang oder erst beim Fertigen des Schleifkörpers erfolgen.
Durch diese feinkörnige Umhüllung, die selbstverständlich beim Herstellprozeß, der nicht Gegenstand dieser Erfindung ist, vom erwähnten Oberzugsmaterial durchtränkt wird, werden die Armierungsfasern einerseits beim Herstellprozeß der Schleifkörper (Pressen) geschützt, andererseits wird der erwähntefekt des Verschmierens der Schleifscheibenoberfläche beim Schleifen verringert.
Die hohen mechanischen Festigkeits- und E-Modul-Werte bleiben erhalten, auch bei sehr kerbempfindlichen Armierungen, wie z.B. Kohlenstoffasern.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Schleif-bzw.
Trennschleifscheibe wird eine hohe zulässige Umfangsgeschwindigkeit bei geringer Flatterneigung, hohe dynamische Stabilität und damit ein möglichst geringer Schnittverlauf erzielt. Außerdem wird die Gefahr eines Scheibenbruches wesentlich verringert.
Ebenso kommt es zu einer Verbesserung der Oberflächenqualität der mit diesen Scheiben geschliffenen bzw.
trenngeschl i ffenen Materialien.
Es hat sich dabei als wesentlich herausgestellt, daß die erfindungsgemäß eingesetzten Armierungsfasern bzw.Drähte bei gleicher oder sogar verbesserter Zugfestigkeit einen wesentlich höheren E-Modul als übliche Armierungsfasern aufweisen, der bis zum Einsatz der Scheiben ganz oder nur mit geringem Abfall erhalten bleibt.
Erfindungsgemäß konnten Scheiben erzeugt werden, deren E-Modul das Fünffache herkömmlicher mit einer üblichen Glasfaserarmierung versehenen Scheiben betrug. Ebenso lagen die mechanischen Festigkeitswerte (Zugfestigkeit, Bruchumfangsgeschwindigkeit der Scheiben) beim Doppelten der üblichen Werte.
Dies ist insbesondere deswegen von Bedeutung, da eine Steigerung des E-Moduls bei den derzeit im technischen Einsatz stehenden organischen Schleifkörperbindungen als solchen (Phenol-, Epoxy-, Polyesterharzen usw.) nur in geringem Ausmaß möglich ist. Es kommt also praktisch nur der Weg über faserstoffarmierte Verbundwerkstoffe in Frage.
Nachstehend eine Aufstellung der erzielten E-Modul- und Festigkeitswerte von faserarmierten Prüfkörpern.
Die Probeschleifkörper wurden in üblicher Weise aus Schleifkorn und einer Mischung aus Phenolharzen mit anorganischen Füllstoffen als Bindemittel hergestellt.
Dabei war das (Gewichts-)Verhältnis von Harz zu Füllstoff 1 : 1.
Der Anteil der Armierung betrug bei allen Fasertypen 20 Volumsprozent der Schleifmasse (Korn + Bindung). Die Fasern wurden in Form von unidirektionalen Geweben verwendet, um die Einflüsse des Webens zu verringern bzw.
die Gewebe möglichst einfach herstellern zu können.
Die Oberflächen der Fasern wurden mit haftverbessernden Oberflächenschichten versehen, so die C-Fasern anoxidiert und die Stahl drähte und Glasfasern mit einem Primer versehen.
Daten der verwendeten Armierungsfasern: E-Modul Reißfe-Bezeichnung genauere Kennzeichnung GN/m2 stigkeit GN/m Glas E-Glas, alkaliarm 73 2.2 S-Glas 85 4.4 Stahl Kohlenstoffstahl 200 4. o C-Faser Kohlenstoffaser mittlerer Festigkeit und E-Modul 300 2.5 B-Faser Borfilament mit Wolframseele 420 3.o Die Imprägnierung der Gewebe und Dichte der Fasern war gleich aufgebaut wie die Bindung der Scheiben aus Phenolharz und feinkörnigem anorganischen Füllstoff.Dabei wurde das Gewebe mit Phenolharzlösung durchtränkt, in den Füllstoff eingelegt und sodann in üblicher Weise so weit vorgetrocknet, daß es die notwendige Verarbeitungskonsistenz aufwies.
Richtrezeptur: Normalkorund 30 mesh .......... 70 Teile Phenolresol (flüssig) ........ lo Teile Phenolharz/Novolak (pulverförmig) ....................... 4 Teile Kryolith (pulverförmig) ...... 14 Teile Preßdichte (ohne Armierung) = 2.70 In die Schleifkörper wurden 2 gekreuzte Gewebe als Innenarmierung eingebaut, und zwar so, daß die beiden äußeren Schleifmasseschichten jeweils die halbe Stärke der Mittelschicht aufwiesen. Die Scheiben wurden in üblicher Weise gepreßt und ausgehärtet.
Sodann wurden der E-Modul und die Festigkeiten gemessen und aus dem E-Modul die Resonanzfrequenz berechnet.
Diese ist, wie bereits ausgeführt, ein Maß für die Seitensteifigkeit und dynamische Stabilität der Scheibe und damit ein Kriterium für die mögliche Umfangs (Arbeits-) geschwindigkeit beim Schleifen.
Die Ergebnisse sind in der folgenden Aufstellung schematisch zusammengefaßt. Die Meßwerte der erfindungsgemäßen Schleifkörper mit Glasfasern als Armierung wurden jeweils als Basis (loo) genommen.
Werkstoff E-Modul der Resonanzfre- mögliche Um-Probekörper quenz der fangsgeschwinder Armierung in % Probekgriper digkeit beim in % Schleifen in % Glas loo loo loo Stahl-Feindraht 250 150 150 C-Faser 400 200 200 B-Faser 500 220 220 X)Aus den gemessenen E-Modul-Werten berechnete Werte der Resonanzfrequenz.
Es zeigte sich eine gute Obereinstimmung zwischen den über die berechneten Resonanzfrequenzen ermittelten möglichen Umfangsgeschwindigkeiten und dem beim Schleifversuch ermittelten dynamischen Verhalten. Ein weiteres Kriterium ist natürlich die aus den Bruchumfangsgeschwindigkeiten und den Sicherheitsvorschriften fixierte zulässige Geschwindigkeit. Diese wäre z.B. bet der Verwendung von S-Glas um ca. 30% höher als beim E-Glas, doch ist die dynamische Stabilität bei beiden Glastypen annähernd gleich.
Es lassen sich also hohe Festigkeiten nur bei Fasern ausnützen, die auch einen hohen E-Modul besitzen. Eine weitere Voraussetzung ist die Erhaltung des -E-Moduls während des Herstellprozesses der Schleifkörper.
Beim Schleifen mit den Versuchsschleifkörpern wurde ein wesentlich geringeres Belegen der Scheibenoberfläche festgestellt als bei üblichen Scheiben.
Durch die vorliegende Erfindung ist es also einerseits möglich, mit hochfesten Fasern, wie Kohlenstoffasern, Stahl-Fasern, Borfasern etc., Steigerungen der Arbeitsgeschwindigkeit zu erreichen, ohne daß der relative Volumsanteil der Armierung in der Schleifscheibe steigt, und andererseits kann der bei üblichen Herstellverfahren auftretenden Festigkeitsverlust, der, wie schon erwähnt, zwischen 5 und 90% liegt, durch die erfindungsgemäße Einbettung stark verringert werden.
Letzteres bringt also auch bei der Verwendung der üblichen Glasfasern große Vorteile.

Claims

Patentansprüche: 1. Schleifscheibe, bestehend aus Schleifkorn, einem auf Kunstharzbasis aufgebauten, vorzugsweise duroplastischen Bindemittel und vorzugsweise Füllstoff mit einer in den Schleifkörper eingebetteten hochfesten Faserarmierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung Fasern von mehr als lo mm Länge 2 aufweist, deren E-Modul größer als lxlo4 kp/mm2 ist.
2. Schleifscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserarmierung von Einkristallwhiskern und/oder polykristallinen Metallwhiskern und/oder Borfasern gebildet wird.
3. Schleifscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Whisker synthetische, vorzugsweise anorganische Fasern sind.
4. Schleifscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern mit einer Oberflächenschicht versehen sind, die eine hohe chemische und/oder physikalische Affinität zum Bindemittel aufweist.
5. Schleifscheibe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Fasern anoxydiert ist.
6. Schleifscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung zumindest ein Gewebe aufweist, dessen Schuß aus Fasern mit einem E-Modul von mehr als ixio4kp/mm2 besteht und dessen Kette von elastischeren und biegsameren Fasern, beispielsweise Glas- oder organischen Fasern gebildet wird.
7. Schleifscheibe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei gekreuzte Gewebe vorgesehen sind.
8. Schleifscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung mit einem Oberzug versehen ist, der auf der Faser gut haftet und mit der Scheibenbindung eine mechanisch ausreichende chemische und/oder physikalische Verbindung eingeht und beispielsweise von einem Harz oder einer Mischung aus Harz und der im Schleifkörper verwendeten Bindung gebildet wird, wobei die Armierung in eine Schichte Feinkorn oder feinkörnigem, schleifaktivem Füllstoff eingelegt ist.
9. Schleifscheibe nach Anspruch 5 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern hochfeste Kohlenstoffäden sind, deren Oberfläche anoxydiert ist.

lo. Schleifscheibe nach Anspruch 1 und/oder 8, dadurcb gekennzeichnet, daß die Fasern von gezogenen Metalldrähten gebildet werden, die vorzugsweise aus hochlegiertem C-Stahl bestehen, und daß die Metalldrähte mit einem Primer versehen sind.