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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung einer Schleifscheibe, die eine metallische
Stütze enthält, welche mit Schleifsegmenten versehen
ist, die Schleifkörper und ein Beschichtungsbindemittel
aufweisen.
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Schleifwerkzeuge bestehen in den verschiedensten
Anwendungen und Abmessungen.
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Diese Werkzeuge sind herkömmlicherweise auf Grundlage
von Schleifteilchen (Aluminiumoxid, Siliziumkarbid usw.)
entwickelt worden, die in organischen oder keramischen
Bindemitteln eingebaut sind.
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Da der Verschleiß dieser Werkzeugart sehr groß ist, sind
Schleifwerkzeuge entwickelt worden, bei denen Segmente,
die in einem metallischen Beschichtungsbindemittel
eingesetzte Schleifkörper enthalten, mit einer
metallischen Stütze verbunden sind. Diese Verbindung
erfolgt durch Schweißen, Löten oder auch durch
Direktsinterung des Beschichtungsbindemittels, wodurch
die Schleifkörper auf die metallische Stütze des
Werkzeugs gesetzt werden.
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Diese Verbindungsverfahren bieten im kalten Zustand
ausreichende mechanische Eigenschaften zur
Gewährleistung der Kohäsion des Werkzeugs gegenüber den
äußeren Belastungen (Schneidkräfte, Stöße, Schwingungen,
Zentrifugalkraft usw.). Wenn das Werkzeug trocken
betrieben wird, oder bei unzureichender Kühlung ist
diese Kohäsion nicht mehr gewährleistet, und zwar
insbesondere, weil die Zwischenelemente zwischen der
metallischen Stütze und dem Bindemittel, nämlich
Kupfer-, Zinn-, Silber- oder Kadmiumlegierungen,
niedrige Schmelzpunkte besitzen (zwischen 500 und 900ºC)
und bereits bei ca. 200ºC eine Verringerung der
mechanischen Festigkeit aufweisen.
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Man kennt eine Technik zur Herstellung von
Schleifscheiben, die zum Schneiden von Natur- oder
Kunststeinen bestimmt sind, bei der man Schleifsegmente
mittels eines Laserstrahls, der den Umfang der
Kontaktfläche zwischen einem Segment und der Scheibe
zumindest teilweise durchquert, am Umfang der Scheibe
verschweißt (siehe zum Beispiel die US-A-4689919).
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Die geringe Größe des auf die Stelle der Schweißung
konzentrierten Laserstrahls setzt voraus, dass die
Geometrie der zusammenzufügenden Teile genau ist und
dass in jedem Fall das Spiel zwischen den
zusammenzufügenden Elementen kleiner ist als die Größe
des auftreffenden Laserstrahls. Segmente mit einem
Innenradius, der bezüglich des Radius des Stahlkörpers
zu klein oder zu groß ist und die deshalb Spiele von ca.
einem Zehntel mm aufweisen, werden nicht durchlaufend
geschweißt und können somit nicht vollständige
Sicherheit gewährleisten.
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Schließlich können nicht alle Materialien auf sichere
Weise durch Laserstrahlen verschweißt werden.
Insbesondere Bindemittel, die optisch reflektierende
Materialien, wie zum Beispiel Kupfer und Silber,
enthalten, können nicht unter Garantie vollständiger
Sicherheit geschweißt werden. Folglich müssen die
Segmente mit einer schweißbaren Zwischenschicht
hergestellt werden, die eine Verbindung dieses Segments
mit dem Werkzeugkörper gestattet.
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Diese Laserschweiß-Verbindungstechnik, die trotz der
oben erwähnten Probleme für ihre Anwendung auf
Schneidscheiben zufriedenstellend ist, ist aufgrund von
nachfolgend angeführten Schwierigkeiten niemals auf
Schleifscheiben angewendet worden. Bei Schleifscheiben,
die zum Schleifen oder zur Oberflächenbehandlung
bestimmt sind, sind die Segmente an der Vorderseite der
metallischen Stütze und nicht an ihrem Umfang
angebracht. Eine Laserschweißung, die durch Durchgang
eines Laserstrahls entlang dem Umfang des Segments auf
der Vorderseite der metallischen Stütze erfolgt, setzt
zur Erzielung einer zuverlässigen Schweißung voraus,
dass die Maßtoleranzen der Segmente enger sind als die
Breite des Laserstrahls, die in einem Bereich von
mehreren Zehntel mm liegt, und dass der Laserstrahl sehr
genau diesen Umfang durchquert. Eine solche Präzision
lässt sich schwer herstellen.
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Eine andere Begrenzung dieses Vefahrens besteht darin,
dass die maximale Länge der Schweißnaht gleich dem
Umfang des Segments ist und dass sich diese Schweißnaht
bei Anwendungen, bei denen die Segmente starken
mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, als ungenügend
erweisen kann.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines Verfahrens zur Herstellung von Schleifscheiben,
bei dem Schleifsegmente mit einer metallischen Stütze
verbunden werden, die hohen Temperaturen standhält und
keine Segmente mit genauen Abmessungen und keinen
genauen Durchgang dieser Kontur benötigt.
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Dieses Ziel wird durch das Verfahren nach Anspruch 1
erreicht. Man stellt eine Schleifscheibe mit mindestens
einer Stütze her. Diese Stütze(n) und diese Scheibe
weisen eine Vorderseite und eine Rückseite auf. Ein
Umfangsbereich der Vorderseite dieser Scheibe ist mit
Schleifsegmenten versehen. Gemäß der Erfindung werden
die Schleifsegmente durch Laserschweißen an der Stütze
befestigt, wobei der Laserstrahl an die Rückseite der
Stütze angelegt wird, und zwar im Wesentlichen senkrecht
dazu. Der Laserstrahl durchquert somit die Dicke der
metallischen Stütze und bildet eine Schweißung an der
Kontaktfläche zwischen der Stütze und dem Segment.
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Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung wird die
mindestens einen Stütze durch die eigentliche Scheibe
gebildet.
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Gemäß diesem Verfahren ist es möglich, eine Schweißnaht
im Inneren des Segmentumfangs herzustellen. Diese Naht
kann aus mehreren durchgehenden oder getrennten
Abschnitten bestehen. Somit kann in Abhängigkeit von der
mechanischen Festigkeit, die man erhalten möchte, eine
Schweißnaht mit ausreichender Länge hergestellt werden.
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Des Weiteren umfasst die Erfindung eine Schleifscheibe,
bei der die Schleifsegmente durch Laserschweißen an der
Stütze befestigt sind, wobei der Laserstrahl an die
Rückseite der Stütze angelegt wird, und zwar im
Wesentlichen senkrecht zu dieser Stütze.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen
aus der folgenden Beschreibung einer vorteilhaften
Ausführungsform hervor, wobei auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird; es zeigen darin:
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- Fig. 1 und 2 einen Aufriss und eine
Schnittansicht einer aus dem Stand der Technik
bekannten Schneidscheibe;
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- Fig.
3 und 4 Einzelansichten dieser Scheibe, die
die sich aus Maßtoleranzen ergebenden Probleme
aufzeigen;
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- Fig. 5 eine Scheibe und ein Segment, das eine
Zwischenschicht aufweist;
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- Fig. 6 und 7 einen Aufriss und eine
Schnittansicht einer Schleifscheibe, die nicht ohne
Auftreten von Schwierigkeiten hergestellt werden
könnte;
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- Fig. 9 und 8 einen Aufriss und eine
Schnittansicht einer erfindungsgemäßen
Schleifscheibe;
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- Fig. 10 eine als Schnitt ausgeführte Detailansicht
einer erfindungsgemäß hergestellten Schweißung;
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- Fig. 11 eine als Schnitt ausgeführte Detailansicht
einer anderen erfindungsgemäß hergestellten
Schweißung, bei der das Schleifsegment eine
Zwischenschicht aufweist;
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- Fig. 12 bis 16 Aufrisse der Rückseite von
erfindungsgemäßen Schleifscheiben, die mehrere
mögliche Anordnungen der Schweißnaht zeigen;
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- Fig. 17 einen Aufriss einer erfindungsgemäßen
Schleifscheibe, bei der die Segmente mit
demontierbaren metallischen Teilchen verbunden
sind, die die Stützen bilden;
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- Fig.
18 einen Aufriss einer erfindungsgemäßen
Schleifscheibe, bei der die Segmente eine komplexe
Form aufweisen;
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- Fig. 19 einen Aufriss eines erfindungsgemäßen
Schleifwerkzeugs, bei dem die metallische Stütze an
einer Scheibe angebracht werden soll.
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Die im Aufriss und in der Schnittansicht von Fig. 1
bzw. 2 dargestellten Schleif-Schneidscheiben weisen
einen kreisförmigen Stahlkörper 1 auf, der mit
Schleifsegmenten 2 versehen ist, welche durch eine oder
zwei durch Laserschmelzen hergestellten Schweißnähte 3
verbunden sind. Wenn der Innenradius der Segmente 2
nicht vollkommen gleich dem Außenradius der Scheibe 1
ist, tritt ein Zwischenraum auf, der in den Fig. 3
und 4 durch a und b dargestellt wird. Wenn dieser
Zwischenraum größer ist als die Abmessungen des
Schweißlaserstrahls, kommt es zu einem Schweißfehler.
Bei Schneidscheiben kann man jedoch die geometrischen
Herstellungsparameter der Segmente und die Führung des
Laserstrahls genau einstellen, so dass dieser Nachteil
nicht unüberwindbar ist.
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Fig. 5 zeigt eine Schneidscheibe, bei der ein Segment 2
an seiner Kontaktfläche mit der Scheibe eine
Zwischenschicht 4 aufweist. Diese Zwischenschicht 4
bildet einen Grundbestandteil des Segments, besteht aber
aus einem Bindemittel, das durch Laser leicht geschweißt
werden kann. Des Weiteren kann diese Zwischenschicht
keine Schleifkörper enthalten.
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Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Schleifscheibe 1, bei
der die Schleifsegmente 2 an der Vorderseite der Stütze
angebracht sind. Das Segment ist durch Anlegen eines
Laserstrahls 5 entlang dem Umfang der Kontaktfläche des
Segments und der Stütze zur Bildung einer Schweißnaht 3
mit der Stütze verschweißt worden. Ein solches Verfahren
kann aufgrund von Schwierigkeiten bei der Herstellung
von Segmenten mit genauen Abmessungen und beim genauen
Anlegen des Laserstrahls 5 an den zu schweißenden Umfang
nicht verwendet werden.
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Die Fig. 8 und 9 zeigen eine erfindungsgemäße
Schleifscheibe. Das Segment ist durch Anlegen eines
Laserstrahls 5 an die Rückseite der Stütze, und zwar im
Wesentlichen senkrecht zur Stütze, innerhalb des Umfangs
der Kontaktfläche des Segments und der Stütze zur
Bildung einer Schweißnaht 3 mit der Stütze verschweißt
worden.
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Mit geeigneter Werkzeugausrüstung zum Festhalten der
Segmente gestattet eine Durchschweißung die Herstellung
von Nähten, wie sie in Fig. 10 dargestellt sind. Die
Schweißparameter (Generatorleistung,
Bewegungsgeschwindigkeit, Position des Fokus usw.)
gestatten die Einstellung der Einbrandtiefe der
Schweißnaht im Schleifsegment. Intensive Versuche haben
gezeigt, dass durch Einbrandtiefen von 0,1 mm bis 1 mm
Scherfestigkeitswerte um 250 N pro mm Nahtlänge für
Bindemittel auf Kobalt- oder Eisenbasis und von 80 N pro
mm für Bindemittel, die bis zu 30% Kupfer enthalten, die
in beiden Fällen an eine Stütze aus Stahl, der weniger
als 0,6% Kohlenstoffäquivalent enthält, geschweißt sind,
erhalten werden können.
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Durch eine gute Einstellung der Schweißparameter kann
die Einbrandtiefe begrenzt werden.
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In diesem Bereich kommt es zu einer unvermeidlichen
Beeinträchtigung des Bindemittels und einer
Graphitisierung des Diamanten. Es handelt sich um einen
Bereich, der am Ende der Lebensdauer des Werkzeugs
erreicht wird, und man kann diesem Fehler im Allgemeinen
Rechnung tragen.
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Dieser Fehler kann verschwinden, wenn man, wie in Fig.
11 dargestellt, Segmente 2 einsetzt, die einen Bereich
aufweisen, der keine Schleifkörper 4 enthält. Dieser
Bereich kann bei schwer schweißbaren Bindemitteln die
Festigkeit der Naht verbessern.
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Laserschweißen eignet sich für Materialien, die die
Energie des einfallenden Strahls absorbieren können, und
eignet sich nicht oder nur unter Schwierigkeiten für
optisch reflektierende Materialien. Weiterhin liegt das
Interesse der Erfindung darin, die Beständigkeit von
Nähten, die an Segmenten hergestellt werden, die optisch
reflektierende Bindemittel enthalten, dadurch zu
verbessern, dass die allgemein aus Stahl bestehende,
optisch weniger stark reflektierende Stütze als Erstes
von dem Strahl beaufschlagt wird.
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Wie in Fig. 12 dargestellt, befindet sich die Bahn a b
c d des Laserstrahls innerhalb des Umfangs des Segments.
Enge Maßtoleranzen des Segments oder eine extreme
Genauigkeit der Laserstrahlbahn sind nicht erforderlich.
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Die Längen der Bahnen können auf die Belastungen der
Segmente abgestimmt werden. Die Fig. 13, 14 und 15
zeigen Segmente verschiedener Größe und Form, die
entlang einer einfachen Linie, entlang einer sich knapp
im Inneren des Umfangs befindenden Bahn bzw. entlang
einem komplexeren Profil geschweißt sind.
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Die Erfindung kann auf einfache Segmentformen angewandt
werden, wie in den Fig. 13, 14 und 15 gezeigt.
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Die Erfindung gestattet das Schweißen von aneinander
anstoßenden oder praktisch aneinander anstoßenden
Segmenten, wie in Fig. 16 gezeigt.
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Die Segmente können, wie in Fig. 17 dargestellt, mit
einem demontierbaren metallischen Körper verbunden sein.
Dieser bildet ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei
dem die Stützen 1 von der eigentlichen Scheibe
verschieden sind.
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Die Erfindung gestattet das Schweißen von komplexeren
Formen, wie in Fig. 18 dargestellt, und von Segmenten
zylindrischer Form, wie in Fig. 19 dargestellt. Dieser
letztere Fall bildet ein anderes Ausführungsbeispiel der
Erfindung, in dem die Stützen 1 von der eigentlichen
Scheibe verschieden sind.
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Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens zeigt sich, wenn die Schleifkörper Diamant
enthalten: Diamant ist eine instabile allotrope Form von
Kohlenstoff, die unter thermischer Belastung, selbst
unter einer Schutzatmosphäre, in seinen stabilen
Zustand, den Graphitkohlenstoff, zurückkehrt.
Herkömmliche Schweißverfahren, nämlich Gasschweißen,
Elektroschweißen, WIG-Schweißen, MIG-Schweißen usw.,
eignen sich nicht zur Herstellung von Diamantwerkzeugen.
Das Graphitisierungsphänomen tritt nämlich ab 900ºC auf
und hängt von der Dauer der thermischen Belastung ab.
Nur Laserschmelzschweißen gestattet durch die
geometrische Genauigkeit des Strahls die Herstellung der
Diamantwerkzeuge ohne Zerstörung einer zu großen
Diamantmenge.