Die Erfindung bezieht sich auf ein Schleifelement, ein Verfahren zur Her- Stellung eines solchen Schleifelementes und ein Spritzgieß-Werkzeug zur Herstellung eines solchen Schleifelementes nach dem Verfahren.

Es ist bekannt, nach der sogenannten SolGel-Technik hergestellte Kera- mikschleifkörner in gebundenen Schleifelementen oder in Schleifmitteln auf Unterlage zu verwenden. Weiterhin ist es bekannt nach der Sol-Gel Technik geometrisch bestimmte Schleifkörner z. B in. Dreieckform herzustellen. Hiermit ausgerüstete Schleifwerkzeuge sind aggressiver und standfester als konventionelle Werkzeuge mit SolGel-Schleifmitteln. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schleifelement zu schaffen, das bei sehr guten Schleifeigenschaften und hoher Standfestigkeit besonders einfach herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Schleifelement mit den Merkmalen des An- Spruches 1 , durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 15 und die Herstellung in einem Spritzgieß-Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruches 21 gelöst.

Wesentlich ist, dass das Schleifelement nach der Erfindung als ein einheit- liches Teil durch Spritzgießen hergestellt wird, wobei der scheibenförmige Grundkörper und die auf diesem ausgebildeten Schneiden aus Hartstoffen gebildet sind. Die einzelnen Schneiden sind jeweils - bezogen auf die Drehrichtung des Schleifelementes im Einsatz - einer in der Regel zylindrischen Öffnung im Grundkörper unmittelbar nachgeordnet, sodass die Span- fläche der jeweiligen Schneide sich unmittelbar an die Wand der Öffnung, anschließt und sich in deren Verlängerung erstreckt, wodurch sich der Spanwinkel ausbildet. Es lässt sich in sehr einfacher Weise ein Spanwinkel von α = 0° oder ein positiver oder negativer Spanwinkel einstellen, wobei die Grenzen hierfür in Anspruch 2 angegeben sind.

Eine besonders günstige und für den Schneideffekt optimale Anordnung ergibt sich mit den Merkmalen der Ansprüche 3 bis 5, da hierdurch die Schneiden einen geringen radialen Versatz gegenüber der nacheilenden oder voreilenden Schneide aufweisen. Durch die Weiterbildung nach Anspruch 6 und/oder 7 wird dann gleichsam der Ausklang zum äußeren Rand des Schleifelementes hin geschaffen.

Durch die weitere Ausbildung nach Anspruch 8 werden die vorgenannten Vorteile optimiert.

Durch die Weiterbildung nach den Ansprüchen 9 und/oder 10 wird erreicht, dass die Schneiden nur mit ihrer Schneidkante mit dem zu schneidenden Werkstoff in Berührung kommen und dass somit keine bzw. keine nennenswerte Reibung an den Seitenflanken der Schneiden auftritt. Weiterhin wird hierdurch erreicht, dass der beim Schleifvorgang abgeschnittene Werkstoff des zu bearbeitenden Werkstücks weich oder sanft über die Spanfläche abfließen kann. Eine optimale Höhe der Schneiden über dem Grundkörper wird durch die Ausgestaltung nach Anspruch 1 1 erreicht. Die Ansprüche 12 und 13 geben die besonders günstigen Materialien für die Herstellung des Schleifelementes an; deren optimale Korngröße ergibt sich aus Anspruch 14. Der Kern des besonders günstigen Verfahrens nach Anspruch 15 besteht darin, dass die Herstellung des Schleifelements praktisch in einem Arbeitsgang aus einer durch Mischen und Kneten hergestellten Ausgangsmasse durch Spritzgießen erfolgt. Hierbei erhält das Schleifelement im Wesentlichen bereits seine endgültige Form bestehend aus einem in der Regel schei- benförmigen Grundkörper, den Öffnungen und den Schneiden. Nach dem Entformen des durch Spritzgießen hergestellten Roh-Bauteils wird das Bindemittel durch Lösungsmittel und/oder thermisch, also unter Wärme, entfernt. Danach folgt ein Sintern des Roh-Bauteils, wodurch das Schleifelement seine endgültige Härte erreicht.

Die Ansprüche 16 bis 20 geben wieder, in welcher Form die

Hartstoffe und welche Bindemittel eingesetzt werden und wie die Bindemittelentfernung und das Sintern materialspezifisch erfolgen. Anspruch 21 gibt das Spritzgieß-Werkzeug wieder, mit dem insbesondere die für das Schleifelement wesentliche Formgebung erfolgt.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Spritzgieß-Werkzeugs zur Herstellung eines Roh-Bauteils eines erfindungsgemäßen Schleifelementes, eine Draufsicht auf eine Formplatte des Spritzgieß- Werkzeugs gemäß Fig. 1 , einen Teilschnitt durch das Werkzeug gemäß der Schnittlinie III-III in Fig. 2, die Anordnung von Bolzen am Werkzeug-Oberteil, einen Teilquerschnitt durch ein Schleifelement nach der Erfindung, mit Schneiden mit teilzylindrischer Spanfläche, eine Draufsicht auf die Schneide nach Fig. 5 mit vorgeordneter Öffnung im Schleifelement, eine die Lage der Schneide zur vorgeordneten Öffnung zeigende Draufsicht, eine Draufsicht auf eine Schneide mit teilkonischer Spanfläche und vorgeordneter Öffnung, einen Querschnitt durch die Schneide nach Fig. 8 gemäß der Schnittlinie IX-IX in Fig. 8, eine Draufischt auf eine Schneide mit gegenüber den Fig. 8 und 9 abgewandelter teilkonischer Spanfläche mit vorgeordneter Öffnung und

Fig. 1 1 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie XI-XI in Fig. 10. Ein weiter unten noch näher zu beschreibendes Schleifelement 1 nach Art einer Schleifscheibe, wird durch Spritzgießen in einem nur schematisch dargestellten Spritzgieß-Werkzeug 2 hergestellt. Dieses Spritzgieß- Werkzeug 2 weist ein Werkzeug-Unterteil 3 und ein Werkzeug-Oberteil 4 auf, die in geschlossenem Zustand des Werkzeugs 2 ineinander greifen. Das Werkzeug-Oberteil 4 ist zweiteilig aufgebaut und weist eine innere Formplatte 4' und eine obere Schließplatte 4" auf. Im geschlossenen Zustand des Spritzgieß-Werkzeugs 2 wird vom Unterteil 3 und von der Form- platte 4' ein Formraum 5 begrenzt, in dem das Schleifelement 1 durch

Spritzgießen geformt wird. Der Formraum 5 ist - in der Draufsicht - kreisförmig ausgebildet und weist eine Mittel- Achse 6 auf. Konzentrisch zu dieser Achse 6 ist im Werkzeug-Oberteil 4 ein Einlass 7 für eine von einer Spritzgießmaschine einzuspritzende Spritzmasse 8 vorgesehen.

Im Werkzeug-Oberteil 4 sind - dem Formraum 5 zugewandt - zahlreiche Bolzen 9 befestigt, denen jeweils eine Bohrung 10 im Werkzeug-Unterteil 3 und eine Bohrung 10' in der Formplatte 4' zugeordnet sind, so dass - bei geschlossenem Spritzgieß-Werkzeug 2 - jeweils ein Bolzen 9 eine Boh- rung 10' durchsetzt und in eine Bohrung 10 eingereift, wie in Fig. 3 angedeutet ist.

In der dem Formraum 5 zugewandten Oberfläche 1 1 der Formplatte 4' ist jedem Bolzen 9 zugewandt je eine Ausnehmung 12 ausgebildet, auf die weiter unten noch ausführlich eingegangen wird.

Die Achsen 13 der Bohrungen 10 und 10' und entsprechend der Bolzen 9 liegen - wie Fig. 4 erkennen lässt - auf einer als archimedische Spirale oder als Spirale mit progressiver Steigung ausgebildeten ersten Spur 14, deren Radius vom inneren Anfang 15 dieser ersten Spur 14 bis zu deren äußerem Ende 16 von einem Radius Rl auf einen Radius R2 zunimmt. Von diesem Ende 16 an verläuft ein kurzer sich etwa über einen halben Umfang auf jeden Fall aber über weniger als einen vollen Umfang erstreckender Abschnitt einer degressiven zweiten spiralförmigen Spur 17. Außen sind noch auf einer kreisförmigen Spur 18 mit der Achse 6 als Mittelachse ebenfalls Bohrungen 10 und dementsprechend Bolzen 9 angeordnet.

Der Abstand a der auf einer Spur, also der ersten Spur 14, der zweiten Spur 17 und der Spur 18 benachbart angeordneten Bohrungen 10 voneinander, ist für alle Bohrungen 10, 10' gleich.

Die Form der Ausnehmungen 12 in der inneren Oberfläche 1 1 der Formplatte 4' wird anhand der Figuren 5 und 6 mittelbar erläutert. Diese Figuren zeigen jeweils einen Teil- Ausschnitt eines im Spritzgieß-Werkzeug 2 aus der Spritzmasse 8 ausgeformten Schleifelementes 1 mit einer Schneide 19, deren Form der jeweiligen Ausnehmung 12 entspricht, die durch je einen Bolzen 9 verschlossen ist. Die Schneide 19 weist eine zur Achse 13 des Bolzens 9 bzw. der Bohrung 10 konzentrische, der Umfangsfläche des Bolzens 9 entsprechende teilzylindrische oder teilkonische Spanfläche 20 mit einem Spanwinkel -30° < α <30°, auf. Zur Erzeugung eines in Fig. 5 dargestellten Spanwinkels α = 0° ist der in der Ausnehmung 12 befindliche Abschnitt 9' des Bolzens 9 zylindrisch ausgebildet. Zur Erzeugung eines Spanwinkels α Φ 0° ist dieser Abschnitt 9' des Bolzens 9 konisch ausgebil- det. Wenn der Abschnitt 9' sich vom Werkzeug-Unterteil 3 weg verjüngt, dann muss aus entformungstechnischen Gründen der Bolzen 9 im Werkzeug-Unterteil 3 angebracht sein.

Die Schneide 19 weist einen Keilwinkel ß auf, für den gilt: 30° < ß < 120°. Die Schneide 19 weist einen abgerundeten Endabschnitt 22 mit einem Radius r2 auf, der kleiner ist als der Radius rl der jeweiligen Bohrung 10 bzw. des Bolzens 9. Von der Spanfläche 20 führen Seitenflanken 23, 24 zu dem erwähnten Endabschnitt 22, wie insbesondere Fig. 6 entnehmbar ist. Die Schneide 19 verjüngt sich also zum Endabschnitt 22 hin. Die Schneide 19 weist eine Höhe b über dem Grundkörper 25 des Schleifelementes 1 auf, wobei diese Höhe b gleichzeitig die Höhe über einer zylindrischen Öffnung 26 ist, die durch den jeweiligen Bolzen 9 in dem scheibenförmigen Grund- körper 25 des Schleifelementes geformt wird. Die teilzylindrische oder teilkonische Spanfläche 20 schließt sich also direkt an diese Öffnung 26 an.

Wie Fig. 5 und 6 weiterhin erkennen lassen, ist die durch die Durchdringung der Spanfläche 20 und des Schneidenrückens (Freifläche) 21 gebilde- te Schneidkante 27 gegenüber der ersten Spur 14 bzw. der zweiten Spur 17 bzw. der kreisförmigen Spur 18 nach außen versetzt. In Fig. 7 ist dies in einem x-y-z-Koordinatensystem dargestellt, dessen y- Achse durch die jeweilige Achse 13 einer Bohrung 10 und damit der Öffnung 26 und die Mittel-Achse 6 des Schleifelementes 1 gelegt ist. Die x-Achse liegt senkrecht hierzu und zur Achse 13. Die nur in Fig. 5 angedeutete z- Achse ist deckungsgleich mit der jeweiligen Achse 13 einer Öffnung 26. In Fig. 7 sind die Begrenzungslinien der Seitenflanken 23, 24 der Schneide 19 in der Ebene des Grundkörpers 25 dargestellt, wie es auch in Fig. 5 angedeutet ist. In dieser Ebene, aus der die Schneiden 19 hervorragen, schneiden die Seitenflanken 23, 24 die Begrenzungslinie, d.h. die als Kreis dargestellte Wand 28 der Öffnung 26. Auf diese Schnittpunkte oder Eckpunkte 23' bzw. 24' gerichtete, von der jeweiligen Achse 13 ausgehende Strahlen r23 bzw. r24 schließen mit der x-Achse Winkel γ bzw. δ ein. Der Winkel γ ist der Winkel, der der - bezogen auf die Mittel- Achse 6 - außen liegenden Seitenflanke 23 der Schneide 19 zugeordnet ist. Der Winkel δ ist der Winkel, der der Seitenflanke 24 der Schneide 19 zugeordnet ist, die der Mittel- Achse 6 zugewandt ist. Es gilt: 0° < γ < 45° und 0° < δ < 45°. Wenn α < 0 ist, dann fallen in der Draufsicht, wie sie in den Fig. 6 und 7für eine teilzylindrische Spanfläche 20 dargestellt ist, die Wand 28 der Öffnung 26 und die Schneidkante 27 nicht zusammen. Vielmehr ist in diesem Fall für α < 0 die Darstellung der Schneidkante 27 zeichnerisch von der Wand 28 der Öffnung 26 in den Zahnrücken (Freifläche) 21 hineinzuzie- hen, wie Fig. 8 und 9 entnehmbar ist. Alternativ wölbt sich die Schneidkante 27 für α > 0 von der Wand 28 der Öffnung 26 zu letzterer hin, wie Fig. 10 und 1 1 entnehmbar ist. In den Fig. 8 bis 1 1 mit teilkonischen Ausgestaltungen der Spanflächen 20 mit Schneidkanten 27 wurden dieselben Bezugsziffern wie für die oben geschilderte teilzylindrische Ausgestaltung der Spanflächen 20 mit Schneidkante 27 gewählt, um die Übersichtlichkeit der Beschreibung nicht zu stören.

Sind die beiden Winkel γ und δ ungleich, ergibt sich eine schräg zum durch die x-Achse gebildeten Schnittgeschwindigkeitsvektor ausgebildete

Schneidkante 27, wodurch dynamische Schnittkräfte reduziert werden, die durch das Eintauchen der Schneidkante 27 in einen zu schleifenden Werkstoff erzeugt werden. Durch diese Ausgestaltung wird das Eintauchen besonders sanft. Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung weiterhin im Zusammenhang mit Fig. 7 ergibt, ist der Endabschnitt 22 derart gegenüber der x-Achse, also dem Schnittgeschwindigkeitsvektor, nach innen hin ver- setzt, dass eine Kollision der der Seitenflanken 23 bzw. 24 der Schneide 19 mit einem Werkstück bei der Schnittbewegung sicher vermieden wird. Wie insbesondere Fig. 2 erkennen lässt, ist die jeweilige Öffnung 26 der

Schneidkante 27 bzw. der Spanfläche 20 der zugehörigen Schneide 19 be- zogen auf die Drehrichtung 29 beim Schleifeinsatz vorgeordnet, so dass Späne durch diese Öffnung 26 weggefördert werden können.

Es sei wiederholt, dass die Ausnehmungen 12 und der jeweilige Abschnitt 9' der Bolzen 9 gleichsam das negative Abbild der Schneide 19 bilden.

Die Herstellung des Schleifelementes erfolgt folgendermaßen:

Zur Vorbereitung des eigentlichen - bereits erwähnten - Spritzgieß- Vorgangs wird ein sogenannter Feedstock, also eine Ausgangsmasse, hergestellt. Diese Ausgangsmasse enthält organische Bindemittel, die bei Erwärmung formbar bzw. spritzbar werden. Bei derartigen organischen Bindemitteln handelt es sich um Hochpolymere, zum Beispiel Polyolefme, Polyamide oder Polyacrylate und geeignete Weichmacher zur Senkung der Schmelzviskosität, wie z. B. Phtalate, Parafme oder Polyäthylenglykole. Diesen organischen Bindemitteln wird Hartstoff in Form von Partikeln zugesetzt, bei denen es sich entweder um Al ₂ O ₃ - oder ZrO ₂ - oder Si N ₄ - oder SiC-Partikel oder mit Cobalt ummantelte Wolframcarbidpartikel handelt. Aus den Hochpolymeren und den Hartstoff-Partikeln wird auf einem Extruder durch Mischen und Kneten der sogenannte Feedstock hergestellt. Die Hartstoff-Partikel werden hierbei in den Hochpolymeren dispergiert.

In einem anschließenden Arbeitsschritt wird die Ausgangsmasse in einer Spritzgieß-Maschine erwärmt und in das Spritzgieß-Werkzeug 2 gespritzt, wodurch der Grundkörper 25 mit den zahlreichen entsprechend der obigen Beschreibung ausgebildeten und angeordneten Schneiden 19 und den jeweils den Schneiden 19 zugeordneten Öffnungen 26 geformt wird. Nach dem Entformen des als oh-Bauteil vorliegenden spritzgegossenen Schleifelementes 1 werden die organischen Bindemittel dieses Roh- Bauteils durch handelsübliche Lösungsmittel und/oder thermische Behandlung entfernt. Diese Bindemittel-Entfernung erfolgt bei Einsatz von Al ₂ O ₃ - oder ZrO ₂ - oder Si ₃ N ₄ - oder WC-Co Partikeln bei einer Temperatur von 510°C und unter Umgebungsluft.

Bei SiC- Partikeln erfolgt die Bindemittelentfernung unter Schutzgas oder Vakuum bei einer Temperatur von 280°C bis 1000°C. Die Wahl der Temperatur hängt davon ab, welche Restfestigkeit des spritzgegossenen Bauteils nach der Bindemittelentfernung für die weitere Handhabung erforder- lieh ist. Wenn das thermische Entfernen des Bindemittels zu einer Zerstörung oder zu hohen Versprödungen des Roh-Bauteils führen würde, wird eine weitgehende oder vollständige Entfernung des Bindemittels durch geeignete handelsübliche Lösungsmittel angewendet. Im Anschluss an die Bindemittelentfernung wird das Roh-Bauteil gesintert, und zwar unter folgenden Arbeits-Bedingungen:

Al ₂ O ₃ und ZrO ₂ : 1300°C bis 1700°C unter Atmosphäre, drucklos

SiC: 1900°C bis 2200°C unter Argon- Schutzgas, drucklos

Si ₃ N ₄ : 1600°C bis 1800°C unter Stickstoff-Schutzgas, 7 bis 50 bar

WC-Co: 1250°C bis 1500°C unter Argon-Schutzgas, 1 bis 50 bar.

Beim Sinterprozess wachsen die Partikel durch Festkörperdiffusion zu einem Körper, dem Schleifelement 1 zusammen, mit Korngrößen k von 0,1 μηι < k < 15 μηι.

Bei dem Sinterprozess behält die jeweilige Schneide 19 im Wesentlichen die Form, die sie beim Spritzgießen erhalten hat. Die Spanfläche 20 ist durch den Abschnitt 9' des jeweiligen Bolzens 9 geformt. Die übrige Form der Schneide 19 ist durch die entsprechende Form der Ausnehmung 12 gebildet worden.