Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifgegenstands unter Verwendung von länglichen bzw. gestreckten Schleifkörnern, um Schleifgegenstände bzw. abrasive Gegenstände mit hoher Permeabilität zu erhalten, die für Hochleistungsschleifanwendungen geeignet sind. Die Schleifgegenstände weisen eine noch nie da gewesene Verbindungsporosität, Offenheit und Schleifleistung auf.

Poren, insbesondere solche die in einem Schleifwerkzeug miteinander verbunden sind, spielen aus zwei Gesichtspunkten eine wichtige Rolle. Poren bilden den Zugang für Schleiffluide wie beispielsweise Kühlmittel zur Ableitung der Hitze, die während des Schleifens entstanden ist, um die Schleifumgebung konstant kühl zu halten, und Schmiermittel bzw. Schmierstoffe zur Verringerung der Reibung zwischen den sich bewegenden Schleifkörnern und der Oberfläche des Arbeits- bzw. Werkstücks und zur Erhöhung des Verhältnisses von Schneid- zu Schmierungseffekten. Die Fluide und Schmierstoffe minimieren den metallurgischen Schaden (z. B. Brand) und maximieren die Lebensdauer des Schleifwerkzeugs. Dies ist insbesondere für Tiefschnitt- und moderne Präzisionsverfahren (z. B. Kriechgangschleifen bzw. Tiefschleifen) für hoch effizientes Schleifen notwendig, bei dem eine erhebliche Materialmenge in einem Tiefschleifdurchgang entfernt wird, ohne auf die Genauigkeit der Werkstückabmessung zu verzichten. Durch diese Erfindung wurde aufgezeigt, dass die Schleifleistung nicht anhand der Porosität in Form von Volumenprozent des Schleifwerkzeugs vorausgesagt werden kann. Stattdessen bestimmt die strukturelle Offenheit (d. h. die Porenverbindung) der Scheibe, die durch ihre Durchlässigkeit für Fluide (Luft, Kühlmittel, Schmiermittel und dergl.) quantifiziert wird, die Schleifleistung des Werkzeugs.

Die Durchlässigkeit bzw. Permeabilität ermöglicht auch die Beseitigung von Material (z. B. Metallchips oder -span), das von einem zu schleifenden Gegenstand entfernt wird. Die Beseitigung bzw. der Abtransport von Trümmern ist wichtig, wenn das zu schleifende Werkstückmaterial schwierig zu bearbeiten ist oder gummiartig ist (wie beispielsweise Aluminium oder einige Legierungen), bei denen lange Metallchips hergestellt werden. Eine Zusetzung der Schleifoberfläche der Scheibe ist schnell erfolgt und bei Abwesenheit von Scheibendurchlässigkeit wird der Schleifvorgang erschwert.

Zur Herstellung eines Schleifwerkzeugs, das den Porositätsanforderungen entspricht, wurden über die Jahre eine ganze Reihe von Verfahren entwickelt.

US-Patent Nr. A-5,221,294 von Carman et al. offenbart abrasive Scheiben bzw. Schleifscheiben mit 5 bis 65% Porenvolumen, das durch den Einsatz eines Einschrittverfahrens erreicht wird, bei dem eine organische porenbildende Struktur während des Aushärtens durchgebrannt wird, um eine netzartige abrasive Struktur zu erzeugen.

Die japanische Patent Nr. A-91-161273 von Gotoh et al. offenbart Schleifgegenstände mit großvolumigen Poren, wobei jede Pore einen Durchmesser von dem 1 bis 10-fachen des mittleren Durchmessers des in dem Gegenstand verwendeten Schleifkorns aufweist. Die Poren werden unter Verwendung von Materialien, die während des Härtens ausbrennen, erzeugt.

Die japanische Patent Nr. A-91-281174 von Satoh et al. offenbart Schleifgegenstände mit großvolumigen Poren, wobei jede Pore einen Durchmesser von mindestens dem 10-fachen des mittleren Durchmessers des in dem Gegenstand verwendeten Schleifkorns aufweist. Eine Porosität von 50 Vol.-% wird erreicht, indem organische poreninduzierende bzw. porenverursachende Materialien während des Härtens ausgebrannt werden.

US-Patent Nr. A-5,037,452 von Gary et al. offenbart einen nützlichen Hinweis, um die strukturelle Stärke bzw. Festigkeit, die zur Bildung von sehr porösen Scheiben benötigt wird, zu definieren.

US-Patent Nr. A-5,203,886 von Sheldon et al. offenbart eine Kombination aus organischen Poreninduktoren (z. B. Walnussschalen) und geschlossenzellige Poreninduktoren (z. B. Blasen-Aluminiumoxid), die zur Herstellung von Schleifscheiben mit glasartiger Bindung und hoher Porosität geeignet sind. Eine „natürliche oder verbleibende Porosität" (berechnet auf ungefähr 28–53%) wird als ein Teil der Gesamtporosität der Schleifscheibe beschrieben.

US-Patent Nr. A-5,244,477 von Rue et al. offenbart faserartige Schleifpartikel, die in Verbindung mit Poreninduktoren verwendet werden, um Schleifgegenstände enthaltend 0–73 Vol.-% Poren herzustellen.

US-Patent Nr. A-3,273,984 von Nelson offenbart einen Schleifgegenstand enthaltend eine organische oder harzige Bindung und mindestens 30 Vol.-% Schleifkorn und höchstens 68 Vol.-% Porosität.

US-Patent Nr. A-5,429,648 von Wu offenbart glasartige Schleifscheiben enthaltend einen organischen Poreninduktor, der zur Bildung eines Schleifgegenstands mit 35–65 Vol.-% Porosität ausgebrannt wird.

Diese und andere ähnliche Bemühungen fallen in zwei Hauptkategorien, von denen keine wirklich den Anforderungen für ein Schleifwerkzeug mit hoher Durchlässigkeit standhält.

Die erste Kategorie betrifft Ausbrennverfahren. Porenstruktur wird durch Zusatz von organischen poreninduzierenden Medien (wie beispielsweise Walnussschalen) zu dem Scheiben-Mischschritt erzeugt. Diese Medien zerfallen thermisch beim Brennen des Schleifwerkzeug-Rohlings, so dass Hohlräume oder Poren in dem gehärteten Schleifwerkzeug zurückbleiben. Nachteile dieses Verfahrens umfassen: Feuchtigkeitsabsorption während der Lagerung des Poreninduktors, Mischinkonsistenz und Mischtrennung, die teilweise auf Feuchtigkeit und teilweise auf Dichtigkeitsunterschiede zwischen dem Schleifkorn und dem Poreninduktor zurückzuführen sind, das Formdickewachstum oder „Rückfederung" aufgrund zeitabhängiger Verformungsentwicklung auf dem Poreninduktor beim Herausnehmen der Form, wobei unkontrollierbare Abmessung des Schleifwerkzeugs verursacht wird, Unvollständigkeit beim Ausbrennen des Poreninduktors oder „Coring"/"Schwärzen" eines gebrannten Schleifgegenstands, falls entweder die Aufheizgeschwindigkeit nicht langsam genug ist oder der Erweichungspunkt eines glasartigen Bindemittels nicht hoch genug liegt, und aus der Luft stammende Emissionen und Gerüche, wenn der Poreninduktor thermisch abgebaut wird, oftmals einen negativen Umwelteinfluss verursachen.

Die zweite Kategorie ist das geschlossenzellige oder Blasenverfahren. Das Einführen von Materialien wie z. B. Blasen-Aluminiumoxid in ein Schleifwerkzeug erzeugt Porosität ohne einen Ausbrennschritt. Die durch die Blasen erzeugten Poren befinden sich jedoch innen und sind geschlossen, so dass die Porenstruktur für den Durchgang von Kühlmittel und Schleifmittel nicht durchlässig ist, und die Porengröße typischerweise für das Abtragen von Metallchips nicht groß genug ist.

Zur Überwindung dieser Nachteile und um die entsprechenden Vorteile jedes poreninduzierenden Verfahrens noch zu erhalten und zu maximieren zieht die Erfindung einen Vorteil aus den schlechten Packeigenschaften von länglichen oder faserähnlichen Schleifkörnern mit einem Seitenverhältnis bzw. Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D) von mindestens 5 : 1, um die Scheibendurchlässigkeit sowie -porosität zu erhöhen. Ausgewählte Füllstoffe mit einer ähnlichen faserartigen Form können verwendet werden oder in Kombination mit dem faserartigen Schleifkorn.

Wenn die länglichen Schleifkörner in Schleifgegenstand-Zusammensetzungen verwendet werden, so erzeugen sie hohe Porosität, hohe Permeabilität und hohe Leistungsfähigkeit in den Schleifwerkzeugen nach dem Brennen oder Härten, und zwar ohne die Nachteile des Ausbrenn- und Poreninduktorverfahrens.

Das Dokument US-A-5,035,729 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifgegenstands mit einer Porosität von 0–79 Vol.-% aus einer Mischung umfassend eine glasartige Bindung und Schleifkörner mit einem bevorzugten Verhältnis von Länge zu Querschnittbreite von 2–8.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifgegenstands, umfassend mindestens ungefähr 55–80 Vol.-% Verbindungsporosität und für das Schleifen wirksame Mengen an Schleifkorn und Verbindung, welches die Schritte umfasst:

• a) Mischen eines Gemisches umfassend längliches bzw. gestrecktes Schleifkorn mit einem Verhältnis von Länge/Querschnittbreite von mindestens 5 : 1 und glasartige Verbindung zur Bildung eines Schleifgemisches,
• b) Pressen des Schleifgemisches in eine Form zur Bildung eines Grünschleifgegenstands, und
• c) Brennen des Grünschleifgegenstands bei 600–1200°C unter Bedingungen, die für das Härten des Grünschleifgegenstands und Formen des Schleifgegenstands wirksam sind, wobei der Brennschritt über eine Zeitspanne erfolgt, die mindestens der Hälfte der Zeit entspricht, die unter den gleichen Bedingungen benötigt wird, um einen gleichwertigen Grünschleifgegenstand zu brennen, der kein Schleifkorn oder Füllstoff mit einem Längen/Breitenverhältnis von größer als 4 : 1 enthält, und wobei der Schleifgegenstand eine Luftdurchlässigkeit aufweist, die in cm³/Sekunde*kPa gemessen mindestens das 1,77-fache (cm³ Luft/Sekunde/Zoll Wasser mindestens das 0,44-fache) der Querschnittbreite in Mikrometern des Schleifkorns beträgt.

Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifgegenstands umfassend von ungefähr 40 bis weniger als 55 Vol.-% Verbindungsporosität und für das Schleifen wirksame Mengen an Schleifkorn und Verbindung, welches die Schritte umfasst:

• a) Mischen eines Gemisches umfassend längliches Schleifkorn mit einem Verhältnis von Länge/Querschnittbreite von mindestens 5 : 1 und glasartige Verbindung zur Bildung eines Schleifgemisches,
• b) Pressen des Schleifgemisches in eine Form zur Bildung eines Grünschleifgegenstands, und
• c) Brennen des Grünschleifgegenstands bei 600 bis 1200°C unter Bedingungen, die für das Härten des Grünschleifgegenstands und Formen des Schleifgegenstands wirksam sind,

In der Durchführung dieses Verfahrens weist der Schleifgegenstand nach dem Härten weniger als 3 Vol.-% Größenabweichung im Vergleich zu dem Grünschleifgegenstand auf und der Grünschleifgegenstand ist nach dem Pressen im Wesentlichen frei von Rückfederung.

Der erfindungsgemäß hergestellte Schleifgegenstand umfasst effektive Mengen an Schleifkorn und Bindung, welche für die Schleifvorgänge benötigt werden, und umfasst optional Füllstoffe, Schmiermittel oder andere Komponenten. Die Schleifgegenstände enthalten vorzugsweise das maximale Volumen an durchlässiger Porosität die erreicht werden kann, während gleichzeitig eine ausreichende strukturelle Festigkeit bzw. Härte zum Widerstehen der Schleifkräfte bewahrt wird. Schleifgegenstände beinhalten Werkzeuge wie beispielsweise Schleifscheiben, Schleifsteine und Scheibensegmente sowie andere Formen von gebundenen Schleifkörnern, die erzeugt werden, um einem Werkstück Abrasion zu verleihen.

Der Schleifgegenstand kann ungefähr 40 bis 80 Vol.-%, vorzugsweise 45 bis 75 Vol.-% und am meisten bevorzugt 50 bis 70 Vol.-% an Verbindungsporosität umfassen. Verbindungsporosität ist die Porosität des Schleifgegenstands, die aus den Lücken zwischen Partikeln von gebundenem Schleifkorn besteht, die für die Strömung eines Fluids offen sind.

Der Ausgleich des Volumens, 20 bis 60%, ist Schleifkorn und Bindung in einem volumetrischen Verhältnis von Korn zu Bindung von ungefähr 20 : 1 bis 1 : 1. Diese Mengen sind für das Schleifen effektiv bzw. wirksam, wobei höhere Mengen an Bindung und Korn für größere Schleifscheiben und für Formulierungen enthaltend eher organische Bindungen als glasartige Bindungen benötigt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Schleifgegenstände mit einer glasartigen Bindung gebildet und umfassen 15 bis 40% Schleifkorn und 3 bis 15% Bindung.

Um die beobachteten signifikanten Verbesserungen in der Lebensdauer der Scheibe, der Schleifleistung und der Werkstückoberflächenqualität zu zeigen, müssen die gemäß der Erfindung hergestellten Schleifgegenstände eine minimale Permeabilitätskapazität hinsichtlich dem freien Hindurchfließenlassen von Fluid durch den Schleifgegenstand aufweisen. Wie hier verwendet, ist die Permeabilität eines Schleifwerkzeugs Q/P, worin Q die Fließgeschwindigkeit ausgedrückt als cm³ des Luftstroms bedeutet, und P bedeutet Differentialdruck. Q/P ist der zwischen der abrasiven Werkzeugstruktur und der Atmosphäre gemessene Differentialdruck bei einer gegebenen Fließgeschwindigkeit eines Fluids (z. B. Luft). Diese relative Durchlässigkeit Q/P ist proportional zu dem Produkt des Porenvolumens und des Quadrats der Porengröße. Größere Porengrößen sind bevorzugt. Die Porengeometrie und die Schleifkorngröße oder „Grit" sind andere Faktoren, die Q/P beeinflussen, wobei größere Korngrößen eine höhere relative Durchlässigkeit erzeugen. Q/P wird unter Verwendung des nachstehend in Beispiel 6 beschriebenen Verfahrens und der Apparatur gemessen.

Für Schleifwerkzeug mit von ungefähr 55% bis 80% Porosität in einer glasartigen Bindung unter Verwendung einer Schleifkorngröße von 80 bis 120 Grit (132 bis 194 Mikrometer) in der Querschnittbreite, wird deshalb eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 160,6 cm³/Sekunde*kPa (40 cm³/Sekunde/Zoll Wasser) benötigt, um die Vorteile der Erfindung zu erzeugen. Für eine Schleifkorngröße von mehr als 80 Grit (194 Mikrometer) wird eine Durchlässigkeit von mindestens 200,8 cm³/Sekunde*kPa (50 cm³/Sekunde/Zoll Wasser) benötigt.

Die Beziehung zwischen Durchlässigkeit und Korngröße für 55% bis 80% Porosität kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: Minimale Durchlässigkeit in cm³/Sekunde kPa = 1,77 × Querschnittbreite (in cm³/Luft/Sekunde/Zoll Wasser = 0,44 × Querschnittbreite) in Mikrometern des Schleifkorns. Eine Querschnittbreite von mindestens 220 Grit (70 Mikrometer) ist bevorzugt.

Für ein Schleifwerkzeug mit von ungefähr 40% bis weniger als ungefähr 55% Porosität in einer glasartigen Bindung unter Verwendung einer Schleifkorngröße von 80 bis 120 Grit (132 bis 194 Mikrometer) wird eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 116,5 cm³/Sekunde*kPa (29 cm³/Sekunde/Zoll Wasser) benötigt, um die Vorteile der Erfindung zu erzeugen. Für eine Schleifkorngröße von mehr als 80 Grit (194 Mikrometer) wird eine Durchlässigkeit von mindestens 168,7 cm³/Sekunde*kPa (42 cm³/Sekunde/Zoll Wasser) benötigt.

Die Beziehung zwischen Permeabilität und Korngröße für von ungefähr 40% bis weniger als 55% Porosität kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: Minimale Permeabilität in cm³/Sekunde*kPa = 0,88 × Querschnittbreite (in cm³/Luft/Sekunde/Zoll Wasser = 0,22 × Querschnittbreite) in Mikrometer des Schleifkorns.

Ähnliche relative Permeabilitätsgrenzen für andere Korngrößen, Bindungstypen und Porositätsgrade können durch den Fachmann bestimmt werden, indem diese Verhältnisse und das D'Arcy-Gesetz auf empirische Daten für einen bestimmten Typ eines Schleifgegenstands angewandt werden.

Ein Korn mit einer kleineren Querschnittbreite benötigt die Verwendung von Faser-Abstandshaltern (z. B. Blasen-Aluminiumoxid) zur Aufrechterhaltung der Permeabilität während der Formungs- und Brennschritte. Größe Korngrößen können eingesetzt werden. Die einzige Einschränkung hinsichtlich einer wachsenden Korngröße ist, dass die Größe angemessen ist für das Werkstück, die Schleifmaschine, die Scheibenzusammensetzung und -geometrie die Oberflächengüte und anderes, und für variable Elemente, die durch den Fachmann gemäß der Erfordernisse eines bestimmten Schleifablaufs ausgewählt und realisiert werden.

Die erhöhte Durchlässigkeit und verbesserte Schleifleistung der Erfindung ist auf die Bildung einer einzigartigen, stabilen Verbindungsporosität, definiert durch eine Matrix von faserigen Partikeln („die Fasern") zurückzuführen. Die Fasern können aus Schleifkorn oder einer Kombination aus länglichem Schleifkorn und faserigen Füllstoffen bestehen. Die Fasern werden mit den Bindungskomponenten und anderen Schleifwerkzeug-Komponenten gemischt, anschließend gepresst und zur Bildung des Werkzeugs gehärtet oder gebrannt.

Falls die Partikel durch ein anderes Verfahren noch lockerer angeordnet sind, wie beispielsweise durch den Zusatz von geringen Mengen Poreninduktor zur weiteren Trennung von Faserkornpartikeln, so werden noch höhere Porositäten erzielt. Beim Brennen kann der aus organischen Poreninduktorteilchen bestehende Gegenstand schrumpfen, was zu einem Gegenstand führt mit einer geringeren Abmessung, wenn der Poreninduktor thermisch abgebaut wird, weil die Partikel für die Integrität des Gegenstands miteinander verbunden sein müssen. Organische Poreninduktoren werden deshalb besonders bevorzugt vermieden, und falls verwendet, sind sie auf weniger als 5 Vol.-% der Scheibe beschränkt. Das endgültige Ausmaß der Schrumpfung nach dem Brennen des Schleifwerkzeugs und die daraus resultierte erzeugte Permeabilität ist eine Funktion des Längenverhältnisses der Faserpartikel. Je größer das L/D ist, desto höher ist die Permeabilität der gepackten Anordnung der Fasern.

Es wird angenommen, dass längliches bzw. langgestrecktes Korn strukturelle Anisotropie in den Schleifscheiben erzeugt und dass dies die tatsächliche Anzahl an Schneidpunkten der Scheiben im Vergleich zu granulärem Schleifkorn erhöht. Die Scheiben sind deshalb schärfer. Außerdem liegen mehr Bindungsstellen vor, die pro Korn mit einem länglichen Korn erzeugt werden. Die Bindung ist daher stärker und das Korn verfügt über eine längere Nutzdauer. Diese Effekte erlauben die Erzeugung von höherer Porosität, Scheiben mit höherer Permeabilität, mit gleicher oder höherer struktureller Festigkeit mit einem länglichen Korn im Vergleich zum gleichen Korntyp mit einem kleinen L/D.

In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Herstellung der abrasiven Gegenstände kann jede abrasive Mischungsformulierung eingesetzt werden, vorausgesetzt die Mischung enthält Schleifkorn mit einem Seitenverhältnis von mindestens 5 : 1 und vorausgesetzt es wird nach dem Formen und Brennen des Gegenstands ein Gegenstand mit den hier spezifizierten Eigenschaften hinsichtlich minimaler Durchlässigkeit und Verbindungsporosität erzeugt.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schleifgegenstand ein faserartiges Schleifkornpartikel, in das gesintertes Sol-Gel-Alpha-Aluminiumoxid basierend auf polykristallinem Schleifmaterial, vorzugsweise mit Kristalliten die nicht größer als 1 bis 2 Mikron, bevorzugter kleiner als 0,4 Mikron in der Größe sind, eingebaut ist. Geeignete faserartige Kornpartikel sind in den US-Patent Nrn. A-5,244,477 von Rue et al., A-5,129,919 von Kalinowski et al., A-5,035,723 von Kalinowski et al. und A-5,009,676 von Rue et al. beschrieben. Andere Typen von polykristallinem Aluminiumoxid-Schleifkorn mit größeren Kristalliten, aus denen faserartiges Schleifkorn erhalten werden kann und hier auch verwendet wird, sind beispielsweise in US-Patent Nrn. A-4,314,705 von Leitheisen et al. und A-5,431,705 von Wood, die hier durch Bezugnahme eingebracht sind, offenbart. Ein über diese Quellen erhältliches faserartiges Korn weist vorzugsweise ein L/D-Verhältnis von mindestens 5 : 1, vorzugsweise von 6 : 1 auf. Verschiedene faserartige Gebilde können verwendet werden einschließlich z. B. gerader, gekrümmter, korkenzieherartiger und gebogener Fasern. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Aluminiumoxid-Fasern hohle Gebilde.

Jedes Schleifkorn kann in den Gegenständen der Erfindung eingesetzt werden, wobei es nicht darauf ankommt, ob es in faserartiger Form in Kombination mit einer größeren Menge an faserartigem Korn vorliegt oder nicht. Herkömmliche Schleifmittel einschließlich Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Zirkon-Aluminiumoxid, Granat und Schmirgel können in einer Korngröße von ungefähr 0,5 Mikrometer bis 5.000 Mikrometer, vorzugsweise ungefähr 2 Mikrometer bis 200 Mikrometer eingesetzt werden, es können aber auch andere Schleifmittel eingesetzt werden. Diese Schleifmittel und Superschleifmittel können in Form von herkömmlichen Kornpartikeln oder gestreckten Partikeln mit einem Seitenverhältnis von mehr als 4 : 1 eingesetzt werden. Superschleifmittel einschließlich Diamant, kubischem Bornitrid und Borsuboxid (wie in US-Patent Nr. A-5,135,892 beschrieben) können in den gleichen Korngrößen wie das herkömmliche Schleifkorn eingesetzt werden, sie sind aber nicht auf diese beschränkt.

Während jede normalerweise in Schleifgegenständen verwendete Bindung mit den faserförmigen Partikeln zur Bildung eines gebundenen Schleifgegenstands eingesetzt werden kann, ist eine glasartige Bindung für strukturelle Festigkeit und für Präzisionsschleifzwecke bevorzugt. Andere in der Technik bekannte Bindungen wie beispielsweise organische, metallische und harzartige Bindungen in Verbindung mit entsprechenden Aushärtemitteln können für beispielsweise Gegenstände mit einer Verbindungsporosität von ungefähr 40% bis 70% eingesetzt werden.

Der Schleifgegenstand kann andere Additive einschließlich Füllstoffe, vorzugsweise als nichtsphärische Gebilde, beispielsweise faserartige oder verfilzte oder zusammengeballte faserartige Partikel, Schmierstoffe und Verarbeitungshilfsmittel, wie beispielsweise antistatische Mittel oder temporäre Bindemittel zum Formen und Pressen der Gegenstände einschließen, sie sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Wie hier verwendet schließt der Begriff „Füllstoffe" Poreninduktoren des geschlossenzelligen Typs und des organischen Materialtyps aus. Die angemessenen Mengen dieser optionalen Schleifgemischkomponenten können durch den Fachmann leicht bestimmt werden.

Geeignete Füllstoffe schließen sekundäre Schleifmittel, Feststoffschmiermittel, Metallpulver oder -partikel, keramische Pulver, wie beispielsweise Siliziumkarbide und andere in der Technik bekannte Füllstoffe ein.

Das das faserartige Material, Bindung und andere Komponenten umfassende Schleifmittelgemisch wird gemischt und unter Verwendung herkömmlicher Techniken und Ausrüstung geformt. Der Schleifgegenstand kann durch Kälte-, Wärme- oder Hitzepressen oder durch irgend ein dem Fachmann bekanntes Verfahren geformt werden. Der Schleifgegenstand kann durch Brennverfahren gebrannt werden, die in der Technik bekannt sind und die je nach Typ und Menge der Bindung und anderer Komponenten ausgewählt sind, vorausgesetzt die Brennzeit und Brenntemperatur nehmen im Allgemeinen ab, soweit der Porositätsgehalt sinkt.

In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann die Brenntaktzeit für eine Schleifscheibe umfassend (z. B. Sol-Gel-Aluminiumoxid) Schleifkorn mit einem Seitenverhältnis von mindestens 5 : 1 in einer glasartigen Bindung um die Hälfte der Anforderungen für den gleichen Volumenprozentsatz an Verbindungsporosität in einer Schleifscheibe umfassend organischen Poreninduktor und kein Korn oder Füllstoff mit einem L/D-Verhältnis von mehr als 4 : 1 reduziert sein. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Schleifscheibengemisch umfassend 30 bis 40% Korn (80 bis 120 Grit, 6 : 1 L/D-Sol-Gel-Aluminiumoxid), 3 bis 15% glasartige Bindung, 0 bis 5% Füllstoffe und 0 bis 0,5% Verarbeitungshilfsmittel, bezogen auf Vol.-%, in einem Mischer gemischt, anschließend in Scheibenpressformen hineingefüllt, gepresst und anschließend bei 35% relativer Feuchtigkeit und ungefähr 43°C getrocknet. Die gepressten Grünscheiben werden durch Erhitzen für ungefähr 4 Stunden bei 1250°C in einem Brennofen gebrannt.

Dieses Verfahren erzeugt eine Scheibe mit einer Vol.-%-Porosität, die derjenigen entspricht, die unter Verwendung einer gleichen Menge an Korn und 5% bis 25% organischem Poreninduktor, bezogen auf das Volumen der Grünscheibe, erhalten wird, jedoch eine 2 bis 5-fach höhere Durchlässigkeit im Vergleich zur Scheibe mit Poreninduktor aufweist. Solche Scheiben des Stands der Technik sind in der US-Patent Nr. A-5,429,648 genau beschrieben, die hier durch Referenz eingebracht ist. Das Verfahren wird außerdem bei dem 5-fachen der Rate des Ausbrennverfahrens und bei der Hälfte der Brennzeit (unter Verwendung des gleichen Brennofens, der Formen und der Brenntemperaturen) abgeschlossen.

Gemäß diesem Verfahren hergestellte Schleifgegenstände zeigen verbesserte Schleifleistung, insbesondere beim Präzisions-Kriechgangschleifen bzw. -Tiefschleifen. Derartige Schleifwerkzeuge weisen eine längere Scheibenstandzeit, ein höheres G-Verhältnis (Verhältnis von Metallentfernungsrate zu Scheibenabriebsrate) und niedrigerer Leistungsaufnahme auf als ähnliche Werkzeuge, die aus dem gleichen Schleifgemisch hergestellt sind, jedoch geringere Porosität und Durchlässigkeit aufweisen und/oder die gleiche Porosität oder geringere Durchlässigkeit aufweisen. Die Schleifwerkzeuge der vorliegenden Erfindung erzeugen auch eine bessere und glattere Werkstückoberfläche als herkömmliche Werkzeuge.

Dieses Beispiel zeigt die Herstellung von Schleifscheiben unter Verwendung von „seeded" Sol-Gel-Aluminiumoxid (TARGA^TM)-Körnern mit einem langen Seitenverhältnis (Körner bezogen über Norton Company, Worcester, MA) mit einem durchschnittlichen L/D ~ 7,5, ohne Zusatz eines Poreninduktors. Die folgende Tabelle 1 führt die Formulierungen fürs Mischen auf:

Für jede Schleifscheibe wurde das Gemisch gemäß der vorstehenden Formulierungen und Reihenfolgen in einer Hobart^®-Mischvorrichtung zubereitet. Jeder Bestandteil wurde nacheinander zugegeben und mit den davor zugesetzten Bestandteilen für ungefähr 1–2 Minuten nach jeder Zugabe gemischt. Das gemischte Material wurde nach dem Mischen in eine Stahlform mit einem Durchmesser von 7,6 cm (3 Zoll) oder 12,7 cm (5 Zoll) gegeben und wurde in einer hydraulischen Formgebungspresse für 10–20 Sekunden kaltgepresst, was zu diskähnlichen Scheiben in einer Dicke von 1,59 cm (5/8 Zoll) mit einem Loch von 2,22 cm (7/8 Zoll) führte. Das Gesamtvolumen (Durchmesser, Loch und Dicke) der Formscheibe und das Gesamtgewicht der Bestandteile wurden durch die gewünschte und berechnete Enddichte und -porosität einer solchen Schleifscheibe beim Brennen vorbestimmt. Nachdem kein Druck mehr auf die gepressten Scheiben ausgeübt wurde, wurde die Scheibe per Hand aus der Form auf einer Brennplatte herausgenommen, um es 3–4 Stunden zu trocknen, bevor es in einem Brennofen bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 50°C/Stunde von 25°C bis auf ein Maximum von 900°C gebrannt wird, wobei die Scheibe für 8 Stunden bei dieser Temperatur gehalten wurde, bevor sie in dem Brennofen natürlicherweise auf Raumtemperatur abfiel.

Die Dichte der Scheibe wurde nach dem Brennen hinsichtlich jeder Abweichung von der berechneten Dichte untersucht. Die Porosität wurde aus den Dichtemessungen bestimmt, da das Verhältnis der Dichten von dem Schleifkorn und dem glasartigen Bindemittel vor dem Ansetzen bekannt war. Die Porositäten der drei Schleifgegenstände betrugen 51 Vol.-%, 58 Vol.-% bzw. 62 Vol.-%.

Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung von zwei Scheiben unter Verwendung von TARGA^TM-Körnern mit einem L/D ~ 30, ohne irgendeinen Poreninduktor, für extrem hoch poröse Schleifscheiben.

Die folgende Tabelle 2 führt die Mischungsformulierungen auf. Nach dem Formen und Brennen wie in Beispiel 1 wurden glasartige Schleifscheiben mit Porositäten (4) 77 Vol.-% und (5) 80 Vol.-% erhalten.

Dieses Beispiel zeigt, dass dieses Verfahren Schleifwerkzeuge im kommerziellen Maßstab herstellen kann, d. h. mit einem Durchmesser von 500 mm (20 Zoll). Drei große Scheiben (20 × 1 × 8 Zoll oder 500 × 25 × 200 mm) wurden unter Verwendung von langen TARGA^TM-Körnern mit einem durchschnittlichen L/D ~ 6,14, 5,85 bzw. 7,6 ohne Zusatz von Poreninduktor, für Schleifscheiben zum Tiefschleifen im kommerziellen Maßstab hergestellt.

Die folgende Tabelle 3 fuhrt die Mischungsformulierungen auf. Im Formzustand betrug die maximale Rückfederung weniger als 0,2% (oder 0,002 Zoll oder 50 &mgr;m, verglichen mit der Korndicke von 194 &mgr;m) der Scheibendicke, also um einiges weniger im Vergleich zu Schleifscheiben mit den gleichen Angaben, die jedoch Poreninduktor enthalten. Die Formpressdicke war sehr gleichmäßig von Ort zu Ort, betrug aber nicht mehr als 0,4% (oder 0,004 Zoll oder 100 &mgr;m) für die maximale Abweichung. Nach dem Formen wurde jede Schleifscheibe durch einen Kühlring aus der Scheibenumrandung auf eine Brennplatte bzw. Brennunterlage angehoben, um sie über Nacht in einem feuchtigkeitskontrollierten Raum zu trocknen. Jede Scheibe wurde in einem Brennofen mit einer Aufheizgeschwindigkeit von etwas langsamer als 50°C/Stunde und einer Haltetemperatur von 900°C für 8 Stunden gebrannt, dem ein programmiertes Abkühlen auf Raumtemperatur in dem Brennofen folgte.

Nach dem Brennen wurden die Porositäten dieser drei glasartigen Schleifscheiben mit folgenden Werten bestimmt: (6) 54 Vol.-%, (7) 54 Vol.-% und (8) 58 Vol.-%. In diesen Scheiben wurden keine Brennrisse festgestellt und die Schrumpfung vom geformten Volumen zum gebrannten Volumen entsprach der oder betrug weniger als die Schrumpfung, die in kommerziellen Schleifscheiben zu beobachten ist, die mit Blasen-Aluminiumoxid hergestellt sind, um der Struktur Porosität zu verleihen. Die maximalen Abweichungen in diesen drei Schleifscheiben betrugen 13,6 g (0,48 Unzen), 7,38 g (0,26 Unzen) bzw. 11,08 g (0,39 Unzen), d. h. nur 0,1% bis 0,2% des Gesamtgewichts der Scheibe. Die abweichenden Daten lagen weit unter der oberen Grenze bei der eine Abgleichskorrektur notwendig ist. Diese Ergebnisse zeigen die signifikanten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung von qualitätsbeständigen Scheiben mit hoher Porosität im Vergleich zu herkömmlichen Scheiben.

(I) Schleifscheiben umfassend einen äquivalenten Volumenprozentsatz an Offenporosität wurden auf einer Anlage für den kommerziellen Maßstab aus den folgenden Gemischen hergestellt, um die Produktivität der automatischen Press- und Formungsanlage unter Verwendung der Gemische enthaltend Poreninduktor mit der Produktivität der erfindungsgemäßen Gemische ohne Poreninduktor zu vergleichen.

Ein fünffacher Produktivitätszuwachs (Rate der Scheibenproduktion in dem Formgebungsverfahren pro Zeiteinheit) wurde für das Gemisch der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Gemisch enthaltend Poreninduktor beobachtet. Das erfindungsgemäße Gemisch zeigte freie Fließeigenschaften, die automatische Pressabläufe erlaubten. Ohne Poreninduktor zeigte das Gemisch der Erfindung keine Rückfederung nach dem Pressen und kein „Coring" (sog. Kornseigerung) während des Brennens. Die Durchlässigkeit der Scheiben der vorliegenden Erfindung betrug 172,7 cm³/Sekunde*kPa (43 cm³/Sekunde/Zoll Wasser).

(II) Schleifscheiben umfassend einen äquivalenten Volumenprozentsatz an Offenporosität wurden aus den folgenden Gemischen hergestellt, um die Brenneigenschaften der Gemische mit Poreninduktor mit denen der erfindungsgemäßen Gemische zu vergleichen.

Die Scheiben der Erfindung zeigten keine Anzeichen für ein Zusammensacken, Brennrisse oder „Coring" nach dem Brennen. Die erfindungsgemäßen gepressten Grünscheiben hatten vor dem Brennen eine hohe Durchlässigkeit von 88,4 cm³/Sekunde*kPa (22 cm³/Sekunde/Zoll Wasser) im Vergleich zu den gepressten Grünscheiben, die aus einem herkömmlichen Gemisch enthaltend Poreninduktor hergestellt sind, deren Durchlässigkeit 20,1 cm³/Sekunde*kPa (5 cm³/Sekunde/Zoll Wasser) betrug. Es wird angenommen, dass die hohe Gründurchlässigkeit eine hohe Masse/Hitze-Übertragungsrate während des Brennens erzeugt, was zu erfindungsgemäßen Scheiben mit der Fähigkeit zu einer höheren Hitzerate im Vergleich zu herkömmlichen Scheiben führt. Das Brennen der erfindungsgemäßen Scheibe wurde in der Hälfte der Zeit abgeschlossen, die für herkömmliche Scheiben benötigt wird, unter Verwendung entsprechender Hitzezyklen. Die Durchlässigkeit der gebrannten Scheiben der Erfindung betrug 180,7 cm³/Sekunde*kPa (45 cm³/Sekunde/Zoll Wasser).

Dieses Beispiel zeigt, dass Schleifscheiben mit hoher Porosität unter Verwendung von voragglomerierten Körnern hergestellt werden können. Das voragglomerierte Korn wurde durch eine kontrollierte Reduktion in der Extrusionsrate während der Extrusion eines länglichen Kornpartikels hergestellt, was zu Agglomeraten führte, damit das extrudierte Korn vor dem Trocknen gebildet wird.

Scheiben mit hoher Porosität wurden wie in Beispiel 1 beschrieben aus agglomeriertem und länglichem TARGA^TM-Korn ohne Verwendung eines Poreninduktors (ein durchschnittliches Agglomerat hatte ~ 5 bis 7 längliche Körner und die durchschnittliche Abmessung von jedem betrug ~ 194 × 194 × (194 × 5,96) &mgr;m) hergestellt. Das nominale Seitenverhältnis betrug 5,96 und das LPD betrug 0,99 g/cm³. Die folgende Tabelle 5 erfasst die Mischformulierungen. Nach dem Formen und Brennen wurden glasartige Schleifscheiben mit einer Porosität von 54 Vol.-% hergestellt. Scheibe 11 Mischformulierung Gewichtsteile Schleifkorn* 100 Poreninduktor 0 Dextrin 2,7 Aroma Glue 3,2 Ethylenglykol 2,2 glasartiges Bindemittel 20,5 (Agglomerate von 80 Grit, ~194 × 194 × 1160 &mgr;m)

Dieses Beispiel beschreibt einen Messtest hinsichtlich der Permeabilität und er zeigt, dass die Permeabilität von Schleifgegenständen durch den Einsatz von Schleifkörnern in Form von faserartigen Partikeln stark erhöht werden kann.

Eine quantitative Messung der Offenheit von porösen Medien durch den Permeabilitätstest, bezogen auf das D'Arcy-Gesetz, welches das Verhältnis von Strömungsrate und Druck auf poröse Medien bestimmt, wurde zur Beurteilung der Scheiben eingesetzt. Ein nicht-destruktives Testgerät wurde aufgebaut. Das Gerät bestand aus einer Luftzufuhr, einem Strömungsmesser (zur Messung von Q, der Einlass-Luftströmungsrate) einem Druckanzeigeinstrument (zur Messung der Druckänderung bei verschiedenen Scheibenlagen) und aus einer mit der Luftzufuhr verbundenen Düse, um den Luftstrom in Richtung der verschiedenen Oberflächenstellen auf der Scheibe auszurichten.

Ein Lufteinlassdruck Po von 1,76 kg/cm² (25 psi), eine Einlass-Luftströmungsrate Qo von 14 m³/Stunde (500 Fuß³/Stunde) und eine Düsenversuchsgröße von 2,2 cm wurden in dem Test verwendet. Datenpunkte (8–16 pro Schleifscheibe) (d. h. 4–8 pro Seite) wurden genommen, um einen genauen Mittelwert zu berechnen.

Tabelle 6 zeigt den Vergleich von den Permeabilitätswerten (Q/P, in cm³/Sekunde*kPa (cm³/Sekunde/Zoll Wasser)) von verschiedenen Schleifscheiben.

Die Daten wurden unter Verwendung von Scheiben von mindestens einem halben Zoll (1,27 cm) Dicke, typischerweise einem Zoll (2,54 cm) Dicke standardisiert. Es war nicht möglich Scheiben herzustellen, die als Kontrollen für Beispiel 2 dienen, weil das Gemisch nicht zu dem Hochporositätsgehalt der erfindungsgemäßen Scheiben geformt werden konnte (dies wurde erreicht unter Verwendung von länglichem Schleifkorn in einem andersartigen Standardschleifgemisch). Die Kontrollscheiben wurden unter Verwendung eines 50/50 Vol.-% Gemisches eines 4 : 1 Seitenverhältnis Sol-Gel-Aluminium-Schleifkorns mit einem 1 : 1 Seitenverhältnis Sol-Gel- oder 38A Aluminiumoxid-Schleifkorn hergestellt, wobei alle von Norton Company (Worcester, MA) bezogen wurden.

Die Daten die für Scheibe 11, welche aus agglomeriertem länglichem Schleifkorn bestand, erhalten wurden, konnten deshalb weder zu einem direkten Vergleich mit den nicht-agglomerierten länglichen Kornpartikeln noch zur Beschreibung der Durchlässigkeit, die durch die folgende Gleichung beschrieben wird, hergenommen werden: Durchlässigkeit in cm³/Sekunde*kPa = 1,77 × Querschnittbreite (in cm³/Luft/Sekunde/Zoll Wasser = 0,44 × Querschnittbreite) in Mikrometer des Schleifkorns. Die Durchlässigkeit der erfindungsgemäßen Scheibe wurde jedoch sehr positiv mit der Kontrolle verglichen und entsprach annähernd der vorausgesagten Durchlässigkeit für eine Scheibe, die ein anderes nicht-agglomeriertes längliches Korn vom gleichwertigen Typ enthält.

Die Daten zeigen, dass die Scheiben, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, eine ungefähr 2–3 Mal höhere Permeabilität als herkömmliche Schleifscheiben mit der gleichen Porosität aufweisen.

Dieses Beispiel zeigt, wie das L/D-Seitenverhältnis von Schleifkorn die Schleifleistung in einem Tiefschleifgang verändert. Ein Satz Schleifscheiben mit einer Porosität von 54% und gleichen Mengen Schleifmittel und Bindemittel, hergestellt in einer Norton Company Fabrikanlage mit einem Durchmesser von 15,8 × 2,54 × 20,32 cm (20 × 1 × 8 Zoll) wurden für den Test ausgewählt, wie nachstehend in Tabelle 7 gezeigt.

Diese Scheiben wurden hinsichtlich ihrer Schleifleistung untersucht. Das Schleifen wurde auf Blöcken von 20,32 × 10,66 × 5,33 cm (8 × 4 × 2 Zoll) von 4340-Stahl (Rc 48–52) durch eine „down-cut", nicht-kontinuierliche Abricht-Tiefschleifoperation auf einer Blohm-Maschine entlang der längsten Abmessung der Blöcke durchgeführt. Die Scheibengeschwindigkeit betrug 30,5 m/Sekunde (6000 S. F. P. M.), die Tiefe des Schnittes betrug 0,318 cm (0,125 Zoll) und die Tischgeschwindigkeit betrug von 19,05 cm/min (7,5 Zoll/min) bei einem Zuwachs von 6,35 cm/min (2,5 Zoll/min) bis zum Werkstückbrand. Die Schleifleistung wurde durch die Verwendung von länglichen Targa-Körnern deutlich verbessert, um Schleifscheiben mit 54% Porosität und einer Luftdurchlässigkeit von mindestens ungefähr 200,8 cm³/Sekunde kPa (50 cm³/Sekunde/Zoll Wasser) herzustellen. Tabelle 8 fasst die Ergebnisse der verschiedenen Schleifaspekte zusammen. Neben den Vorteilen von Verbindungsporosität sind sowohl die Schleifproduktivität (gekennzeichnet durch Metallentfernungsrate) als auch der Schleifbarkeitsindex (G-Verhältnis dividiert durch die spezifische Energie) eine Funktion des Seitenverhältnisses vom Schleifkorn: die Leistung erhöht sich mit ansteigendem L/D.

Geschwindigkeit in cm/min gleichbedeutend mit 2,54 × Geschwindigkeit in Zoll/min. Kraft in kg/cm gleichbedeutend mit 5,59 × Kraft in Pfund/Zoll.

Ähnliche Schleifleistungsergebnisse wurden für Scheiben erhalten, die 80 bis 120 Grit Schleifkorn enthalten. Bei kleineren Korngrößen wurden signifikante Schleifverbesserungen für Scheiben mit einer Durchlässigkeit von mindestens ungefähr 160,6 cm³/Sekunde*kPa (40 cm³/Sekunde/Zoll Wasser) festgestellt.