WO2017050755A1 - Verfahren zur herstellung offenporiger, keramisch gebundener schleifwerkzeuge - Google Patents
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- B24D18/00—Manufacture of grinding tools or other grinding devices, e.g. wheels, not otherwise provided for
- B24D18/0009—Manufacture of grinding tools or other grinding devices, e.g. wheels, not otherwise provided for using moulds or presses
Definitions
- the present invention relates to a method for producing open-pore, ceramic-bonded grinding tools and grinding tools produced by this method. STATE OF THE ART
- Ceramic bonded abrasive tools are used in the art especially for surface treatment.
- abrasive grains for example those based on alumina, silicon carbide, diamond or CBN, with a binder and optionally further additives, such as. Fillers, abrasive substances, pore formers or temporary adhesives, processed into a mixture, which is then pressed to the desired shape. The resulting green body is then dried, optionally freed at suitable temperatures of the added Porenchannem and then fired ceramic.
- the grinding tools have a certain porosity, the pores should allow efficient use of cooling lubricants and the absorption and removal of grinding chips, so that a high material removal is made possible with low thermal stress on the workpiece.
- artificial pore formers are substances that can be removed from the green body at low temperatures by evaporation, sublimation or burning.
- the best-known and still most commonly used pore-forming agent for ceramic-bonded grinding tools is naphthalene, which can be removed by sublimation at about 80 ° C.
- naphthalene A disadvantage of the use of naphthalene is to be seen in particular in the toxicity and especially in the intense and typical odor, so that not only the employees in the production plants but also the residents are bothered by the exhaust air and endangered health. Despite appropriate Complex and cost-intensive protective measures do not completely eliminate nuisance and endangerment of the environment when naphthalene is used
- EP 2 540 445 A1 describes a process for the production of a bonded abrasive tool, wherein dicarboxylic acids and mixtures of dicarboxylic acids and hydrates of the dicarboxylic acids are used as pore formers.
- a disadvantage of this method is that in the decomposition of the dicarboxylic acids considerable volumes of gas are released, the mechanical
- Damage to the green body can cause, what by a time and
- dicarboxylic acids must also be granulated with relatively great effort with the addition of binders to be used easily in the mixture for the green body can, which additionally complicates the production of grinding tools and expensive.
- Burning and decomposition products of the acrylate glass are released during burning in a narrow temperature interval, whereby the cleaning of the Exhaust combustion systems to be used in the short term extremely high load, which increases the risk of incomplete combustion and thus a
- German Utility Model DE 20 2010 015 210 U1 discloses the use of thermoplastic granules as novel pore formers. The scripture are no details to refer to which thermoplastic material and how this thermoplastic granules to be used. However, it has been found that even thermoplastic polymers are usually not completely odorless process. In addition, the processing of such pore-forming agent requires a very accurate and often complicated temperature control, thereby reducing the time and energy required for the production of the
- the object is achieved by a method for producing open-pore, ceramic bonded abrasive tools with a pore content between 20 and 80 vol.%
- a method for producing open-pore, ceramic bonded abrasive tools with a pore content between 20 and 80 vol.% By using a mixture comprising abrasive grains, binders and pore formers, wherein as a pore former inorganic solid particles having an average particle diameter between 200 and 2000 ⁇ be used.
- Suitable inorganic solid particles are inorganic
- percarbonates can be used as inorganic solid particles, which decompose upon heating.
- the inorganic solid particles being melted, volatilized or decomposed on heating.
- the melt deposits on the surface of the surrounding particles, in particular on the abrasive grains, wherein at the points where the inorganic
- Solid particles templates now pores are formed.
- the combination with thermoplastic polymers provides, with the two different pore formers complement each other advantageous.
- the inorganic solid particles can be used as needed or in addition to other pore-forming agents.
- the mixture for producing open-pored, ceramic-bonded abrasive tools advantageously comprises at least one thermoplastic polymer as a further pore-forming agent.
- Pore formers have the required for the production of ceramic bonded abrasive tools positive properties, such. low tendency to swell, homogeneous stable distribution and low springback when pressing the mass, low pollution of the environment and the workplace as well as reduction of costs due to reduced burning time during the burn-out phase.
- a particularly advantageous embodiment of the present invention provides that the pore formers are used in a defined, multimodal grain distribution, so that a defined pore space with different pore sizes in the targeted Abrasive tool can be generated, which is optimized for the respective grinding operation, wherein the size of the pores is adapted to the resulting chips in the grinding process and the coolant requirement.
- the pore formers are used in each case as granules with a grain fraction in a particle size range between 50 and 2000 ⁇ .
- the pore formers preferably have a multimodal particle size distribution with at least one coarse and one fine fraction and at least two
- the average grain size d is 5 o of the fine fraction is preferably between 100 and 400 pm and the average grain size d 5 o of the coarse fraction 350 to 1000 pm.
- the mean particle size d 50 of the fine fraction is advantageously between 100 and 300 ⁇ m, the mean particle size d 50 of the middle fraction between 250 and 450 ⁇ m and the average particle size d 50 of the coarse fraction between 400 and 1000 ⁇ m.
- the present invention also provides a grinding tool with a pore fraction between 20 and 80 vol.%, which is prepared using a mixture, the inorganic solid particles, in particular glassy, crystalline and / or amorphous and / or semi-crystalline solid particles having an average particle diameter between 400 and 2000 pm as pore-forming agent.
- Abrasive grains are presented in a defined grain size and are first mixed with a powdery binder. To the mixture is then added a liquid temporary adhesive, with the aid of which the ceramic binder, which is added as a powder, is fixed on the surface of the abrasive grain.
- a temporary adhesive for example, dextrin can be used.
- Pore formers and other additives added, the pore formers as well as the abrasive grains are used in solid form in a defined grain size, which is adapted to the size of the desired pores and preferably is approximately in the grain size range of the abrasive grains used.
- the shape of the glassy, crystalline and / or amorphous and / or semicrystalline inorganic used according to the invention as a pore former is adapted to the size of the desired pores and preferably is approximately in the grain size range of the abrasive grains used.
- Solid particles are advantageously adapted to the shape of the abrasive grains.
- fillers, grinding aids and moistening agents are used as other additives which, inter alia, serve to adjust the rheology of the composition so that pressing into a homogeneous green body is made possible or facilitated.
- Abrasive tools begin with the production of a homogeneous mixture comprising abrasive grains, binders and pore formers, wherein as pore formers inorganic solids, in particular glassy, crystalline and / or amorphous and / or partially crystalline inorganic solid particles, with a middle
- Particle size between 200 and 2000 ⁇ be used. This mixture is placed in a mold and pressed to a homogeneous green body. The green body is then dried and sintered in a temperature range below 1300 ° C.
- the open-pored, ceramic bonded abrasive tools according to the invention have a pore fraction of between 20 and 80% by volume and preferably have a multimodal pore size distribution with at least two pore size maxima in the range between 100 and 000 ⁇ m.
- Abrasive tool a bi-modal pore distribution, the maximum of fine pores between 100 and 400 ⁇ and the maximum of the coarse pores between 350 and 1000 ⁇ .
- a further advantageous embodiment provides grinding tools with a multimodal pore distribution, wherein the maximum of the finest pores between 100 and 300 ⁇ , the maximum of the average pore between 250 and 450 ⁇ and the maximum of the coarsest pores between 400 and 1000 ⁇ .
- the maxima of the pore size distribution are at least 100 ⁇ apart.
- FIG. 1 shows an exemplary ceramic bonded grinding tool.
- FIG. 2 shows a highly schematic flow chart of a method for producing an open-pored, ceramic-bonded grinding tool
- Fig. 3 is a highly schematic sketch of the structure of an open-pored, ceramic bonded grinding tool. DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
- Fig. 1 shows an example of a ceramic bonded grinding tool in the form of a grinding worm for hard fine machining of gears.
- the invention is not limited to such grinding worms, but is applicable to any type of ceramic bonded grinding tools.
- a simplified flow chart for the production of a ceramic bonded grinding tool is illustrated.
- abrasive grains, a ceramic binder, a pore-forming agent and optionally adhesive and additives are mixed (step 21).
- the resulting mass is removed from the mixer, sieved, placed in a mold and pressed with a hydraulic press (step 22).
- the green body thus obtained is optionally dried and fired in an oven (step 23).
- FIG. 3 The structure of a grinding tool made in this way is shown in FIG. 3 in strong
- the abrasive grains 31 are bonded to bond bridges 32 consisting of the ceramic binder. In between there is a plurality of differently sized pores 33.
- the mixture of abrasive grains 31, bonding bridges 32 and pores 33 forms a three-dimensional open network (not visible in the sectional view of FIG. 3).
- Size distribution of the pores 33 depends strongly on the size of the pore formers.
- the pores produced artificially with Porensentnem have an irregular shape, which is derived from the geometry of the pore formers and the adjacent abrasive grains, but which can be approximately described as spherical. Their size can therefore be characterized by their average diameter.
- the abrasive grains also have any, usually irregular-polyhedral shape, but the
- the abrasive grain size can be described in the usual way by the abrasive grain diameter, which in the case of sieve grains smaller than the light
- Mesh size of the screen must be. Refer to size specifications for abrasive grains in the following always on the size of the abrasive grain determined by sieving. Likewise, size specifications or size distributions for pore-forming agents always refer to the sizes determined by sieving. Used pore formers
- glass particles Example A were each
- Pore former used.
- the selected particle size of the pore-forming agent depends on the average diameter of the abrasive grain D K and can be calculated therefrom with a factor F x that is typical for the particular pore-forming agent.
- the factor Fx 2.0 ⁇ 1.0 was selected in all cases. This is summarized in Table 1 below.
- the green bodies thus obtained had the dimensions (diameter x bore x height) 280 x 128 x 157 mm and were in an electric furnace up to a maximum temperature of 1200 ° C with a respective pore former
- the finished abrasive wheels had the properties described in Table 3 below. To test the discs was in a first step the
- Abrasive burn limit maximum achievable equivalent chip thickness h eq _th, which can be used free of burn marks, ie without thermo-mechanical surface layer damage.
- Wear limit maximum achievable equivalent chip thickness h eq _, which is applicable when a given wear criterion is maintained.
- the wheels were tested on a Reishauer RZ 260 machine using coconut oil and a diamond dressing tool.
- the workpiece was a test wheel made of 16MnCr5 material.
- a comparative disk was examined as reference value (100%) in order to rule out possible influences of the workpiece batch.
- the grinding burn test was carried out by systematic enlargement of the
- the wear test was carried out with a comparable technology, whereby in the 2nd stage the roughing stroke with variable Z-feed was used and after the finishing stroke (3rd stage) the wear in the area of use of the grinding worm was determined during the roughing stroke. When exceeding one
- the inventive pattern A has the advantage that it can be processed much easier than the two comparative samples, since the use of inorganic solid particles no complicated firing curve must be driven, the burning out of the
- open-pored, ceramic-bonded abrasive tools using glassy, crystalline and / or amorphous and / or semi-crystalline inorganic solid particles can be produced much faster than pore formers.
- the manufacturing costs can be due to the lower energy consumption, the increased throughput per unit time and the lower committee in the
- Solid particles are used as a pore former, the burning of the
- Abrasive tool release any odorous or toxic gases.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von offenporigen, keramisch gebundenen Schleifwerkzeugen mit einem Porenanteil zwischen 20 und 80 Vol.%, wobei eine Mischung aus Schleifkörnern (31), Bindemittel (32) und Porenbildnern eingesetzt wird, wobei die Porenbildner anorganische Feststoffpartikel, insbesondere glasartige, kristalline und/oder amorphe und/oder teilkristalline anorganische Feststoffpartikel, mit einem mittleren Teilchendurchmesser zwischen 400 und 2000 μιη umfassen.
Description
Verfahren zur Herstellung offenporiger, keramisch gebundener
Schleifwerkzeuge
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung offenporiger, keramisch gebundener Schleifwerkzeuge sowie nach diesem Verfahren hergestellte Schleifwerkzeuge. STAND DER TECHNIK
Keramisch gebundene Schleifwerkzeuge werden in der Technik insbesondere zur Oberflächenbearbeitung eingesetzt. Zur Herstellung der Schleifwerkzeuge werden Schleifkörner, beispielsweise solche auf Basis von Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Diamant oder CBN, mit einem Bindemittel und gegebenenfalls weiteren Additiven, wie z.B. Füllstoffen, schleifaktiven Substanzen, Porenbildnern oder temporären Klebstoffen, zu einer Mischung verarbeitet, die dann zu der gewünschten Form gepresst wird. Der dabei entstehende Grünkörper wird anschließend getrocknet, gegebenenfalls bei geeigneten Temperaturen von den zugesetzten Porenbildnem befreit und anschließend keramisch gebrannt.
Je nach Einsatzzweck weisen die Schleifwerkzeuge eine bestimmte Porosität auf, wobei die Poren einen effizienten Einsatz von Kühlschmierstoffen und die Aufnahme und Abfuhr von Schleifspänen ermöglichen sollen, so dass ein hoher Materialabtrag bei geringer thermischer Belastung des Werkstückes ermöglicht wird. Es ist üblich, der Mischung künstliche Porenbildner zuzusetzen, wobei es sich um Stoffe handelt, die aus dem Grünkörper bei niedrigen Temperaturen durch Verdampfen, Sublimieren oder Verbrennen entfernt werden können. Der bekannteste und immer noch am meisten eingesetzte Porenbildner für keramisch gebundene Schleifwerkzeuge ist Naphthalin, das bereits bei ca. 80 °C durch Sublimation entfernt werden kann. Ein Nachteil der Verwendung von Naphthalin ist insbesondere in der Toxizität und vor allem auch in dem intensiven und typischen Eigengeruch zu sehen, so dass nicht nur die Mitarbeiter in den Produktionsstätten sondern auch die Anwohner durch die Abluft belästigt und gesundheitlich gefährdet werden. Trotz entsprechender
aufwändiger und kostenintensiver Schutzmaßnahmen lässt sich bei dem Einsatz von Naphthalin eine Belästigung und Gefährdung der Umwelt nicht vollständig
vermeiden. Es wurden daher in der Vergangenheit zahlreiche Versuche unternommen,
Naphthalin durch alternative Porenbildner zu ersetzen, was jedoch häufig daran scheiterte, dass diese alternativen Stoffe nicht oder nur ungenügend die für die Herstellung von keramisch gebundenen Schleifwerkzeugen erforderlichen positiven Eigenschaften zeigen, wie z.B. geringe Rückfederung nach der Formgebung, gutes Mischverhalten, geringe Quellneigung im Zusammenhang mit den flüssigen
Anfeuchtsystemen, stabile homogene Verteilung und geringe Separationsneigung in der Fertigmasse, wenig exothermes und möglichst rückstandsfreies
Ausbrandverhalten.
In der EP 2 540 445 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs aus gebundenem Schleifmittel beschrieben, wobei als Porenbildner Dicarbonsäuren sowie Mischungen von Dicarbonsäuren und Hydraten der Dicarbonsäuren eingesetzt werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass bei der Zersetzung der Dicarbonsäuren erhebliche Gasvolumina frei werden, die eine mechanische
Schädigung des Grünkörpers bewirken können, was durch eine zeit- und
kostenaufwändige Temperaturführung vermieden werden muss. Darüber hinaus müssen die Dicarbonsäuren zusätzlich mit relativ großem Aufwand unter Zusatz von Bindemitteln granuliert werden, um problemlos in der Mischung für die Grünkörper eingesetzt werden zu können, was die Herstellung der Schleifwerkzeuge zusätzlich kompliziert und verteuert.
Die DE 196 28 820 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung poröser keramischer Erzeugnisse, wobei der keramischen Masse in festem Aggregatzustand vorliegende, in der Masse nicht lösliche oder quellbare, nicht deformierbare Acrylatgläser aus Polyacrylsäureester oder Polymethacrylsäureester, die in definierter Körnung klassierbar sind, als ausbrennbare Porenbildner zugesetzt werden. Ein Nachteil des in dem obigen Dokument beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass die
Verbrennungs- und Zersetzungsprodukte des Acrylatglases beim Ausbrennen in einem engen Temperaturintervall freigesetzt werden, wodurch die zur Reinigung der
Abgase einzusetzende Nachverbrennungsanlagen kurzfristig äußerst stark belastet werden, was die Gefahr einer unvollständigen Verbrennung und damit einer
Belastung der Umwelt mit sich bringt. Hinzu kommt, dass auch Polyacrylate nicht vollständig geruchsfrei verbrennen, was sich insbesondere dann negativ bemerkbar macht, wenn größere Mengen schlagartig verbrannt werden. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass durch die beim Ausbrennen des Porenbildners kurzzeitig
freigesetzten großen Gasvolumina Kräfte generiert werden, wodurch die
Schleifwerkzeuge geschädigt werden können. Das deutsche Gebrauchsmuster DE 20 2010 015 210 U1 offenbart den Einsatz von Thermoplastgranulaten als neuartige Porenbildner. Der Schrift sind keinerlei Details zu entnehmen, welches thermoplastisches Material und wie dieses thermoplastische Granulat eingesetzt werden soll. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass auch thermoplastische Polymere meist nicht vollkommen geruchsfrei zu verarbeiten sind. Hinzu kommt, dass die Verarbeitung derartiger Porenbildner eine sehr genaue und häufig komplizierte Temperaturführung erfordert, wodurch sich der Zeit- und Energieaufwand für die Herstellung der
Schleifscheiben erhöht.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es besteht somit weiterhin der Bedarf an einem Porenbildner und einem Verfahren zur Herstellung offen poriger Schleifwerkzeuge, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von offenporigen, keramisch gebundenen Schleifwerkzeugen mit einem Porenanteil zwischen 20 und 80 Vol.% durch den Einsatz einer Mischung, die Schleifkörner, Bindemittel und Porenbildner umfasst, wobei als Porenbildner anorganische Feststoffpartikel mit einem mittleren Teilchendurchmesser zwischen 200 und 2000 μηι eingesetzt werden. Als geeignete anorganische Feststoffpartikel sind anorganische
Verbindungen vorgesehen, die beim Erwärmen in einem Temperaturbereich
zwischen 200 und 1200 °C schmelzen, sich zersetzen oder sich verflüchtigen und dabei wenig oder keine umweltschädigenden Abgase freisetzen.
Dabei können als anorganische Feststoffpartikel beispielsweise Percarbonate eingesetzt werden, die sich beim Erwärmen zersetzen.
Besonders vorteilhaft jedoch ist der Einsatz von glasartigen, kristallinen und/oder amorphen und/oder teilkristallinen anorganischen Feststoffpartikeln als Porenbildner, wobei die anorganischen Feststoffpartikel beim Erwärmen geschmolzen, verflüchtigt oder zersetzt werden. Beim Einsatz von schmelzenden Partikeln lagert sich die Schmelze auf der Oberfläche der umgebenden Teilchen, insbesondere an den Schleifkörnern an, wobei an den Stellen, an denen die anorganischen
Feststoffpartikel vorlagen, nun Poren ausgebildet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die anorganischen Feststoffpartikel in
Kombination mit anderen Porenbildnern einzusetzen, wobei eine bevorzugte
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung die Kombination mit thermoplastischen Polymeren vorsieht, wobei sich die beiden unterschiedlichen Porenbildner vorteilhaft ergänzen. So können die anorganischen Feststoffpartikel je nach Bedarf pur oder in Ergänzung zu anderen Porenbildnern eingesetzt werden. Wenn eine Kombination mit anderen Porenbildnern eingesetzt wird, umfasst die Mischung zur Herstellung offenporiger, keramisch gebundener Schleifwerkzeuge vorteilhaft mindestens ein thermoplastisches Polymer als weiteren Porenbildner. Durch entsprechende Kombinationen kann sichergestellt werden, dass die
Porenbildner die für die Herstellung von keramisch gebundenen Schleifwerkzeugen geforderten positiven Eigenschaften aufweisen, wie z.B. geringe Quellneigung, homogene stabile Verteilung und geringe Rückfederung beim Pressen der Masse, geringe Belastung der Umwelt und des Arbeitsplatzes sowie Reduzierung der Kosten durch verkürzte Brennzeit während der Ausbrennphase.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Porenbildner in einer definierten, multimodalen Kornverteilung eingesetzt werden, so dass gezielt ein definierter Porenraum mit unterschiedlichen Porengrößen im
Schleifwerkzeug erzeugt werden kann, der für die jeweilige Schleifoperation optimiert ist, wobei die Größe der Poren den bei dem Schleifprozess entstehenden Spänen und dem Kühlmittelbedarf angepasst ist. Dabei werden die Porenbildner jeweils als Granulate mit einer Kornfraktion in einem Korngrößenbereich zwischen 50 und 2000 μιτι eingesetzt.
Vorzugsweise weisen die Porenbildner eine multimodale Korngrößenverteilung mit mindestens einer groben und einer feinen Fraktion und mindestens zwei
Korngrößenmaxima im Bereich zwischen 100 und 1000 pm auf, wobei das Maximum der feinsten Fraktion zwischen 200 und 500 pm liegt und das Maximum der gröbsten Fraktion zwischen 500 und 1500 pm liegt. Beim Einsatz einer Porenbildnermischung mit einer bi-modalen Korngrößenverteilung liegt die mittlere Korngröße d5o der Feinfraktion vorzugsweise zwischen 100 und 400 pm und die mittlere Korngröße d5o der Grobfraktion zwischen 350 und 1000 pm.
Für eine Porenbildnermischung mit einer trimodalen Korngrößenverteilung liegt die mittlere Korngröße d50 der Feinfraktion vorteilhaft zwischen 100 und 300 pm, die mittlere Korngröße d50 der mittleren Fraktion zwischen 250 und 450 pm und die mittlere Korngröße d50 der Grobfraktion zwischen 400 und 1000 pm.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Schleifwerkzeug mit einem Porenanteil zwischen 20 und 80 Vol.%, das unter Verwendung einer Mischung hergestellt wird, die anorganische Feststoffpartikel, insbesondere glasartige, kristalline und/oder amorphe und/oder teilkristalline Feststoffpartikel, mit einem mittleren Teilchendurchmesser zwischen 400 und 2000 pm als Porenbildner umfasst.
Die Herstellung von offenporigen, keramisch gebundenen Schleifwerkzeugen erfolgt üblicherweise dadurch, dass die für den Schleifprozess einzusetzenden
Schleifkörner in einer definierten Korngröße vorgelegt und zunächst mit einem pulvrigen Binder vermischt werden. Der Mischung wird dann ein flüssiger temporärer Klebstoff zugegeben, mit dessen Hilfe der keramische Binder, der als Pulver zugegeben wird, auf der Schleifkornoberfläche fixiert wird. Als temporärer Klebstoff kann beispielsweise Dextrin eingesetzt werden. Anschließend werden die
Porenbildner und sonstigen Additive zugegeben, wobei die Porenbildner ebenso wie
die Schleifkörner in fester Form in einer definierten Korngröße eingesetzt werden, die der Größe der gewünschten Poren angepasst ist und vorzugsweise annähernd im Korngrößenbereich der eingesetzten Schleifkörner liegt. Auch die Form der erfindungsgemäß als Porenbildner eingesetzten glasartigen, kristallinen und/oder amorphen und/oder teilkristallinen anorganischen
Feststoffpartikel ist vorteilhaft der Form der Schleifkörner angepasst. Als sonstige Additive werden insbesondere Füllstoffe, Schleifhilfsmittel und Anfeuchtmittel eingesetzt, die unter anderem dazu dienen, die Rheologie der Masse so einzustellen, dass das Pressen zu einem homogenen Grünkörper ermöglicht bzw. erleichtert wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, die Porenbildnermischung vor dem Einbringen in die Masse mit einem temporären Klebstoff zu vermischen, womit ebenfalls die Homogenität des Schleifwerkzeugs verbessert werden kann.
Das Verfahren zur Herstellung der offenporigen, keramisch gebundenen
Schleifwerkzeuge beginnt mit der Herstellung einer homogenen Mischung, die Schleifkörner, Bindemittel und Porenbildner umfasst, wobei als Porenbildner anorganische Feststoffe, insbesondere glasartige, kristalline und/oder amorphe und/oder teilkristalline anorganische Feststoffpartikel, mit einer mittleren
Teilchengröße zwischen 200 und 2000 μητι eingesetzt werden. Diese Mischung wird in eine Pressform gegeben und zu einem homogenen Grünkörper gepresst. Der Grünkörper wird anschließend getrocknet und in einem Temperaturbereich unterhalb von 1300 °C gesintert.
Beim Einsatz von Porenbildnermischungen mit einer multimodalen Verteilung der Porenbildner resultieren Schleifscheiben, die ebenfalls eine multimodale
Porenverteilung aufweisen, wobei die Poren einen mittleren Durchmesser zwischen 50 und 2000 μιη aufweisen. Es wurde gefunden, dass offenporige, keramisch gebundene Schleifwerkzeuge mit einer gezielten multimodalen Porenverteilung Vorteile gegenüber den konventionellen Schleifwerkzeugen haben, da es auf diese Weise möglich ist, das Schleifwerkzeug optimal den Schleifbedingungen
anzupassen. Die Vorteile spiegeln sich insbesondere wider in hohen
Abtragsleistungen bei gleichzeitig kühlem Schliff.
Die erfindungsgemäßen offenporigen, keramisch gebundenen Schleifwerkzeuge besitzen einen Porenanteil zwischen 20 und 80 Vol.% und weisen vorzugsweise eine multimodale Porengrößenverteilung mit mindestens zwei Porengrößenmaxima im Bereich zwischen 100 und 000 μιη auf.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besitzt das
Schleifwerkzeug eine bi-modale Porenverteilung, wobei das Maximum der feinen Poren zwischen 100 und 400 μιη und das Maximum der groben Poren zwischen 350 und 1000 μιη liegt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht Schleifwerkzeuge mit einer multimodalen Porenverteilung vor, wobei das Maximum der feinsten Poren zwischen 100 und 300 μιτι, das Maximum der mittleren Poren zwischen 250 und 450 μηη und das Maximum der gröbsten Poren zwischen 400 und 1000 μηι liegt.
Vorzugsweise liegen die Maxima der Porengrößenverteilung um mindestens 100 μιη auseinander.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht
einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein beispielhaftes keramisch gebundenes Schleifwerkzeug;
Fig. 2 einen stark schematischen Ablaufplan eines Verfahrens zur Herstellung eines offenporigen, keramisch gebundenen Schleifwerkzeugs; und
Fig. 3 eine stark schematisierte Skizze des Gefüges eines offenporigen, keramisch gebundenen Schleifwerkzeugs.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Fig. 1 zeigt beispielhaft ein keramisch gebundenes Schleifwerkzeug in Form einer Schleifschnecke zur Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Schleifschnecken begrenzt, sondern ist auf beliebige Arten von keramisch gebundenen Schleifwerkzeugen anwendbar.
In Fig. 2 ist ein vereinfachter Ablaufplan für die Herstellung eines keramisch gebundenen Schleifwerkzeugs illustriert. Zunächst werden Schleifkörner, ein keramischer Binder, ein Porenbildner und gegebenenfalls Kleber und Additive gemischt (Schritt 21 ). Anschließend wird die so entstandene Masse aus dem Mischer entfernt, gesiebt, in eine Form gegeben und mit einer hydraulischen Presse gepresst (Schritt 22). Der so erhaltene Grünkörper wird ggf. getrocknet und in einem Ofen gebrannt (Schritt 23).
Das Gefüge eines so gefertigten Schleifwerkzeugs ist in der Fig. 3 in stark
schematischer Form illustriert. Die Schleifkörner 31 sind mit Bindungsbrücken 32, bestehend aus dem keramischen Bindemittel, verbunden. Dazwischen befindet sich eine Vielzahl von unterschiedlich großen Poren 33. Das Gemisch aus Schleifkörnern 31 , Bindungsbrücken 32 und Poren 33 bildet ein dreidimensionales offenes Netzwerk (in der Schnittdarstellung der Fig. 3 nicht erkennbar). Die Form, Größe und
Größenverteilung der Poren 33 hängt stark von der Größe der Porenbildner ab.
Die künstlich mit Porenbildnem erzeugten Poren besitzen eine unregelmäßige Form, die sich aus der Geometrie der Porenbildner sowie der angrenzenden Schleifkörner ableitet, die jedoch näherungsweise als kugelförmig beschrieben werden kann. Ihre Größe kann daher durch ihren mittleren Durchmesser charakterisiert werden.
Größenangaben für Poren beziehen sich im Folgenden immer auf den
elektronenmikroskopisch ermittelten mittleren Durchmesser. Die Schleifkörner haben ebenfalls eine beliebige, meist unregelmäßig-polyedrische Form, die aber
üblicherweise ebenso durch die kugelförmige Beschreibung angenähert wird. Die Schleifkorngröße kann in üblicher Weise durch den Schleifkorndurchmesser beschrieben werden, der im Falle von Siebkörnungen kleiner als die lichte
Maschenweite des Siebes sein muss. Größenangaben für Schleifkörner beziehen
sich im Folgenden immer auf die durch Siebung ermittelte Schleifkorngröße. Ebenso beziehen sich Größenangaben bzw. Größenverteilungen für Porenbildner immer auf die durch Siebung ermittelten Größen. Eingesetzte Porenbildner
Im Rahmen der Versuchsbeispiele wurden jeweils Glaspartikel (Beispiel A),
Polyethylen (Vergleichsbeispiel B) und Naphthalin (Vergleichsbeispiel C) als
Porenbildner eingesetzt. Die gewählte Partikelgröße des Porenbildners richtet sich nach dem mittleren Durchmesser des Schleifkorns DK und lässt sich daraus mit einem für den jeweiligen Porenbildner typischen Faktor Fx berechnen. Um eine Vergleichbarkeit der Beispiele zu gewährleisten, wurde in allen Fällen der Faktor Fx = 2.0 ± 1.0 ausgewählt. Dies ist in der untenstehenden Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1 : Eingesetzte Porenbildner
Herstellung der Schleifscheiben
Für sämtliche getesteten Scheiben wurden die gleichen, in der Tabelle 2
wiedergegebenen Rohmaterialbestandteile eingesetzt, so dass durch den Schleiftest ein direkter Vergleich der einzelnen Porenbildner möglich ist, wobei die Mengen der einzelnen Komponenten jeweils auf das Schleifkorn (100%) bezogen sind.
Tabelle 2
Die Komponenten wurden in einen Trommelmischer eingebracht und in 23
Mischschritten ca. 60 Minuten gemischt, bis optisch eine gewisse Homogenität und Rieselfähigkeit der Masse zu erkennen war. Anschließend wurde die Masse aus dem Mischer entfernt und gesiebt. Die gesiebte Masse wurde in eine Form gegeben und mit einer hydraulischen Presse bei Drücken von 90 bar formschlüssig gepresst. Die so erhaltenen Grünkörper hatten die Abmessungen (Durchmesser x Bohrung x Höhe) 280 x 128 x 157 mm und wurden in einem elektrischen Ofen bis zu einer Maximaltemperatur von 1200 °C mit einem dem jeweiligen Porenbildner
angepassten Brennprogramm gebrannt.
Bei der Verarbeitung der Massen bis zum Brennen der Scheiben wurde bei dem Muster A und B keine Geruchsentwicklung festgestellt, während das Muster C schon beim Mischen und Pressen den für das Naphthalin charakteristischen extrem starken und unangenehmen Geruch nach Mottenpulver und Teer zeigte. Bei der
Temperaturbehandlung, bei der zunächst der Porenbildner reagiert, war das Muster A geruchsfrei, bei dem Muster B war ein leichter, jedoch nicht unangenehmer wachsähnlicher Geruch festzustellen. Das Brennen der Musterscheibe C war wieder von einer extrem starken Geruchsbelästigung begleitet.
Schleiftests
Die fertigen Schleifscheiben hatten die in der folgenden Tabelle 3 beschriebenen Eigenschaften. Zum Test der Scheiben wurde in einem ersten Schritt das
Grenzzeitspanungsvolumen bzw. die äquivalente Grenzspandicke heq_th bis zum Auftreten von Schleifbrand und in einem zweiten Schritt das
Grenzzeitspanungsvolumen bzw. die äquivalente Grenzspandicke heq_ bezüglich des Überschreitens des zulässigen Verschleißlimits bestimmt. Beide Werte sind ebenfalls in der Tabelle 3 festgehalten.
Tabelle 3
* Schleifbrandgrenze = maximal erreichbare äquivalente Spanungsdicke heq_th, die schieifbrandfrei, d.h. ohne thermomechanische Randschichtschädigung anwendbar ist.
** Verschleißgrenze = maximal erreichbare äquivalente Spanungsdicke heq_ , die bei Erhaltung eines vorgegebenen Verschleißkriteriums anwendbar ist. Die Scheiben wurden auf einer Reishauer Maschine RZ 260 unter Einsatz von Kühiöl und einem Diamantabrichtwerkzeug getestet. Als Werkstück wurde ein Prüfrad aus dem Werkstoff 16MnCr5 ausgewählt. Es wurde parallel eine Vergleichsscheibe als Bezugsgröße (100%) mituntersucht, um mögliche Einflüsse der Werkstückcharge auszuschließen.
Beim Schleifbrandtest wurde durch systematische Vergrößerung des
Axialvorschubes (Z-Vorschub) bei ansonsten gleichen Schnittwerten und
Schnittbedingungen in drei Stufen mit drei Egalisierhüben, einem Schrupphub und einem Schlichthub gearbeitet. Auf diese Weise konnte in der 2. Stufe für den
Schrupphub eine einheitliche Zustellung sichergestellt werden. Der
Schleifbrandnachweis erfolgte nach dem Schlichthub (3. Stufe) mittels Nitalätzung.
Der Verschleißtest wurde mit einer vergleichbaren Technologie durchgeführt, wobei in der 2. Stufe beim Schrupphub mit variablem Z-Vorschub gearbeitet und nach dem Schlichthub (3. Stufe) der Verschleiß im Nutzungsbereich der Schleifschnecke während des Schrupphubes bestimmt wurde. Bei einer Überschreitung einer
Formabweichung des Profils fff > 6 μιη bei vorgegebener Schleifgeschwindigkeit wird die Leistungsgrenze erreicht.
Durch eine hohe Verschleißfestigkeit wird die Abrichthäufigkeit reduziert und die Anzahl der in einem Abrichtzyklus schleifbaren Werkstücke erhöht und somit die Produktivität gesteigert. Die bei der Verarbeitung der Massen A, B vorgefundenen Bedingungen in Bezug auf die Geruchsentwicklung sowie die mechanische, physikalische und chemische Verarbeitbarkeit machen deutlich, dass die eingesetzten Porenbildner hervorragend als Ersatz für Naphthalin geeignet sind. Darüber hinaus hat das erfindungsgemäße Muster A den Vorteil, dass es sich wesentlich leichter verarbeiten lässt als die beiden Vergleichsmuster, da beim Einsatz von anorganischen Feststoffpartikeln keine komplizierte Brennkurve gefahren werden muss, die das Herausbrennen des
Porenbildners berücksichtigt und mit der verhindert wird, dass sich schlagartig große Gasvolumina entwickeln, die eine Schädigung des Schleifwerkzeugs bewirken können. Vielmehr schmilzt das Glas beim Sintervorgang auf und lagert sich an der Oberfläche der umgebenden Partikel an, während gleichzeitig an den Stellen, an denen die Glaspartikel positioniert waren, Poren gebildet werden, deren Größe von der Größe der eingesetzten Glaspartikel abhängt. Dabei lagert sich die
Glasschmelze nicht nur auf der Oberfläche der umgebenden Teilchen an, sondern
dringt auch in Risse und Kapillaren des Schleifwerkzeugs ein, wodurch die Festigkeit der Bindung und des gesamten Schleifwerkzeugs erhöht wird.
Somit lassen sich offenporige, keramisch gebundene Schleifwerkezeuge unter Verwendung von glasartigen, kristallinen und/oder amorphen und/oder teilkristallinen anorganischen Feststoffpartikeln als Porenbildner wesentlich schneller produzieren. Die Herstellkosten können aufgrund des geringeren Energieverbrauchs, des pro Zeiteinheit erhöhten Durchsatzes und des geringeren Ausschusses bei der
Produktion deutlich gesenkt werden. Als weiterer Vorteil kommt die
Umweltverträglichkeit hinzu, insbesondere wenn ausschließlich anorganische
Feststoffpartikel als Porenbildner eingesetzt werden, die beim Brennen des
Schleifwerkzeugs keinerlei geruchsintensive oder giftige Gase freisetzen.
Aufgrund eines gezielten Einsatzes der anorganischen Feststoffpartikel mit unterschiedlichen Partikelgrößen können Schleifwerkzeuge mit einer homogenen multimodalen Porenverteilung erhalten werden, die sowohl für die Aufnahme der Späne als auch für die Spülung mit dem Kühlmittel optimiert ist. Gleichzeitig kann auf diese Weise die Härte der Scheibe optimiert werden. Die Schleiftests haben gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Schleifscheiben sowohl beim Schleifbrandtest als auch beim Verschleißtest gleich gut oder besser abschneiden als der Standard oder die konventionelle mit Naphthalin gefertigte Scheibe.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung offenporiger, keramisch gebundener
Schleifwerkzeuge mit einem Porenanteil zwischen 20 und 80 Vol.%, wobei eine Mischung aus Schleifkörnern, Bindemittel und Porenbildnern eingesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Porenbildner anorganische Feststoffpartikel mit einem mittleren
Teilchendurchmesser zwischen 200 und 2000 μιη umfassen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadu rch gekennzeichnet, dass
ausschließlich anorganische Feststoffpartikel als Porenbildner eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadu rch gekennzeichnet, dass
die anorganische Feststoffpartikel zusammen mit anderen
Porenbildnern, insbesondere thermoplastischen Polymeren, eingesetzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die anorganischen Feststoffpartikel glasartige, kristalline und/oder amorphe und/oder teilkristalline Feststoffpartikel sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Porenbildner in einer multimodalen Verteilung mit mindestens einer groben und mindestens einer feinen Fraktion vorliegen, wobei das Maximum der feinsten Fraktion zwischen 200 und 500 μηη liegt und das Maximum der gröbsten Fraktion zwischen 500 und 1500 [im liegt.
Verfahren zur Herstellung offenporiger, keramisch gebundener
Schleifwerkzeuge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die Schritte:
- Herstellung einer Schleifkörner, Bindemittel und Porenbildner
umfassenden homogenen Mischung,
- Eingeben der Mischung in eine Pressform,
- Pressen der Mischung zu einem homogenen Grünkörper,
- Trocknen des Grünkörpers und
- Sintern des getrockneten Grünkörpers bei einer Temperatur unterhalb von 1300 °C.
Schleifwerkzeug hergestellt unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schleifwerkzeug einen Porenanteil zwischen 20 und 80 Vol.% aufweist, wobei die Poren einen mittleren Durchmesser zwischen 50 und
2000 μηη aufweisen.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schleifwerkzeug eine multimodale Porengrößenverteilung aufweist mit mindestens zwei Porengrößenmaxima im Bereich zwischen 100 und 1000 μιτι.
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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|---|---|---|---|
| PCT/EP2016/072292 Ceased WO2017050755A1 (de) | 2015-09-22 | 2016-09-20 | Verfahren zur herstellung offenporiger, keramisch gebundener schleifwerkzeuge |
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|---|---|
| WO (1) | WO2017050755A1 (de) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US10800006B2 (en) | 2015-04-01 | 2020-10-13 | Reishauer Ag | Open-pore, ceramic-bonded grinding tools, method for producing same, and pore former mixtures used to produce same |
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