DE69901438T2

DE69901438T2 - Schleifwerkzeuge

Info

Publication number: DE69901438T2
Application number: DE69901438T
Authority: DE
Inventors: Sergej-Tomislav Buljan; Srinivasan Ramanath; H. Williston
Original assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2019-02-05
Also published as: HUP0102438A2; DK1066134T3; CN1294543A; DE69901438T4; AU2657399A; WO1999048646A1; HUP0102438A3; JP2006346857A; IL138434A0; PL197639B1; DE69901438D1; CZ20003542A3; EP1066134B9; SE1066134T5; DK1066134T5; ES2174590T3; ID25820A; SE1066134T3; SK14402000A3; CN1130274C

Description

Die Erfindung betrifft Schleifwerkzeuge, die zum Präzisionsschleifen von harten spröden Materialien, wie beispielsweise Keramiken und Compositen mit Keramik, bei Umfangsscheibengeschwindigkeiten von bis zu 160 m/Sek. geeignet sind, und zum Oberflächenschleifen von Keramikwafern geeignet sind. Die Schleifwerkzeuge umfassen einen Scheibenkern oder eine Nabe angebracht an einen metallgebundenen Superschleifrand mit einer Verbindung, welche während Schleifvorgängen thermisch stabil ist. Diese Schleifwerkzeuge schleifen Keramik mit hohen Materialentfernungsraten (zum Beispiel 19-380 cm³/Min/cm) mit einer geringeren Abnützung der Scheibe und weniger Schäden am Werkstück als bei herkömmlichen Schleifwerkzeugen.
Ein Schleifwerkzeug, das zum Schleifen von Saphir und anderen Keramikmaterialien geeignet ist, wird in U.S.-A-5,607,489 an Li offenbart. Wie beschrieben, enthält das Werkzeug Metallmanteldiamant, gebunden in einer keramischen Matrix, umfassend 2 bis 20 Volumen-% an festem Schmiermittel und mindestens 10 Volumen-% Porosität.
Ein Schleifwerkzeug mit Diamant, gebunden in einer Metall- Matrix, umfassend 15 bis 50 Volumen-% ausgewählter Füllstoffe, wie beispielsweise Graphit, wird in U.S.-A-3,925,035 an Keat offenbart. Das Werkzeug wird zum Schleifen von Sintercarbiden verwendet.
Eine Trennscheibe mit metallgebundenem Diamantschleifkorn wird in U.S.-A-2,238,351 an Van der Pyl offenbart. Die Bindung besteht aus Kupfer, Eisen, Zinn und, wahlweise, Nickel, und das gebundene Schleifkorn wird auf einen Stahlkern gesintert, wahlweise mit einem Lötschritt, um eine ausreichende Adhäsion zu gewährleisten. Die beste Bindung weist Angaben zufolge eine Rockwell B-Härte von 70 auf.
Ein Schleifwerkzeug mit Feindiamantkorn (Bort), das in einer Metallbindung mit relativ geringer Schmelztemperatur gebunden ist, wie beispielsweise einer Bronzebindung, wird in U.S.-Re- 21,165 offenbart. Die Niedrigschmelzbindung dient dazu, eine Oxidation des Feindiamantkorns zu vermeiden. Ein Schleifrand ist als einzelnes ringförmiges Schleifsegment ausgebildet und dann an eine zentrale Scheibe aus Aluminium oder einem anderen Material angebracht.
Keines dieser Schleifwerkzeuge hat sich als vollständig zufriedenstellend beim Präzisionsschleifen von Keramikkomponenten erwiesen. Diese Werkzeuge schaffen es nicht, strengen Spezifikationen in Bezug auf Teilform, Größe und Oberflächenqualität im Betrieb bei kommerziell ausführbaren Schleifraten gerecht zu werden. Die meisten kommerziellen Schleifwerkzeuge, die zum Gebrauch bei solchen Vorgängen empfohlen werden, sind Harz- oder keramisch gebundene Superschleifscheiben, die zum Betrieb bei relativ geringem Schleifleistungsvermögen konstruiert sind, um somit Schäden an der Oberfläche und der Schicht unter der Oberfläche von keramischen Komponenten zu vermeiden. Das Schleifleistungsvermögen wird auf Grund der Tendenz von Keramikwerkstücken, die Scheibenfläche zu verstopfen, wodurch die Scheibe ein ständiges Nachbearbeiten und Abziehen erfordert, um Präzisionsformen aufrecht zu erhalten, weiter reduziert.
Da die Marktnachfrage nach Präzisionskeramikkomponenten in Produkten wie beispielsweise Motoren, feuerfesten Ausstattungen und elektronischen Vorrichtungen (zum Beispiel Wafern, Magnetköpfen und Anzeigenfenstern) gestiegen ist, ist der Bedarf an verbesserten Schleifwerkzeugen zum Präzisionsschleifen von Keramik gewachsen.
Bei der Fertigbearbeitung von Hochleistungskeramikmaterialien wie beispielsweise Aluminiumtitancarbid (AlTiC) für elektronische Bauteile erfordern Oberflächenschleif- oder "Abschleif"-Vorgänge eine glatte Oberflächenbeschaffenheit hoher Qualität in Schleifvorgängen mit niedriger Kraft und relativ geringer Geschwindigkeit. Beim Abschleifen dieser Materialien wird das Schleifleistungsvermögen durch die Werkstückoberflächenqualität und die Kontrolle der angewandten Kraft ebenso wie durch hohe Materialentfernungsraten und Verschleißfestigkeit der Schleifscheibe bestimmt.
Die Erfindung betrifft ein Oberflächen-Schleifwerkzeug, umfassend einen Kern mit einer minimalen spezifischen Festigkeit von 2,4 MPa-cm³/g, eine Kerndichte von 0,5 bis 8,0 g/cm³, eine kreisförmige äußere Begrenzung und einen Schleifrand, der durch eine Mehrzahl von Schleifsegmenten definiert ist; wobei die Schleifsegmente, in Mengen, die in der Summe maximal 100 Volumen-% ergeben, von 0,05 bis 10 Volumen-% Superschleifmittelkorn, von 10 bis 35 Volumen-% zerbröckelnden Füllstoff und von 55 bis 89,95 Volumen-% Metallbindungs-Matrix mit einer Bruchzähigkeit von 1,0 bis 3,0 MPa·m1/2 enthalten. Die spezifische Festigkeit wird definiert als das Verhältnis des geringeren Wertes der Streckgrenze oder der Bruchspannung des Materials dividiert durch die Dichte des Materials. Der zerbröckelnde Füllstoff ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, hexagonalem Bornitrid, hohlen keramischen Kugeln, Feldspat, Nephelinsyenit, Bimsstein, calciniertem Ton und Glaskugeln sowie deren Kombinationen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Metallbindungsmatrix maximal 5 Volumen-% Porosität.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen durchgehenden Rand aus Schleifsegmenten, die mit der äußeren Begrenzung eines Metallkerns verbunden sind, um eine Schleitscheibe vom Typ 1A1 zu bilden.
Fig. 2 zeigt einen diskontinuierlichen Rand aus Schleifsegmenten, die mit der äußeren Begrenzung eines Metallkerns verbunden sind, um eine Schleiftasse zu bilden.
Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Menge des entfernten Materials und der Normalkraft beim Schleifen eines AlTiC- Werkstücks mit den Schleifscheiben von Beispiel 5.
Bei den Schleifwerkzeugen der Erfindung handelt es sich um Schleifscheiben mit einem Kern mit einer zentralen Bohrung zur Anbringung der Scheibe auf einer Schleifmaschine, wobei der Kern so gestaltet ist, dass ein Rand mit Superschleifmittel mit einer Metallbindung entlang der Peripherie der Scheibe gehalten wird. Diese beiden Teile der Scheiben werden mit einer Verbindung zusammengehalten, welche unter Schleifbedingungen thermisch stabil ist, und die Scheibe und ihre Komponenten sind darauf ausgelegt, Beanspruchungen zu tolerieren, die bei Scheibenumfangsgeschwindigkeiten von bis zu mindestens 80 m/Sek., vorzugsweise bis zu 160 m/Sek. erzeugt werden. Bevorzugte Werkzeuge sind Scheiben vom Typ 1A und Schleiftassen wie beispielweise Scheiben vom Typ 2 oder Typ 6 oder glockenähnliche Schleiftassen vom Typ 11V9.
Die Form des Kerns ist im wesentlichen kreisförmig. Der Kern kann jegliches Material mit einer spezifischen Festigkeit von mindestens 2,4 MPa-cm³/g, vorzugsweise 40-185 MPa-cm³/g umfassen. Das Kernmaterial weist eine Dichte von 0,5 bis 8,0 g/cm³, vorzugsweise 2,0 bis 8,0 g/cm³ auf. Zu Beispielen für geeignete Materialien zählen Stahl, Aluminium, Titan und Bronze und deren Composite und Legierungen sowie Kombinationen hiervon. Verstärkte Kunststoffe mit der genannten minimalen spezifischen Festigkeit können zum Aufbau des Kerns verwendet werden. Composite und verstärkte Kernmaterialen weisen typischerweise eine kontinuierliche Phase eines Metalls oder einer Kunststoff-Matrix auf, oft in Pulverform, wozu Fasern oder Körner oder Partikel eines härteren, nachgiebigeren und/oder weniger dichten Materials als diskontinuierliche Phase hinzugegeben wird. Beispiele für Verstärkungsmaterialien, die zur Verwendung im Kern der Werkzeuge der Erfindung geeignet sind, sind Glasfaser, Kunststofffaser, Aramid-Faser, Keramik-Faser, keramische Partikel und Körner und hohle Füllstoffmaterialien wie beispielsweise Glas-, Mullit-, Aluminiumoxid- und Zeolite®- Kugeln.
Stahl und andere Metalle mit Dichten von 0,5 bis 8,0 g/cm³ können zur Herstellung der Kerne für die Werkzeuge der Erfindung verwendet werden. Bei der Herstellung der Kerne zur Verwendung für Hochgeschwindigkeitsschleifen (zum Beispiel mindestens 80 m/Sek.) werden Leichtgewichtmetalle in Pulverform (d. h. Metalle mit Dichten von etwa 1,8 bis 4,5 g/cm³) wie beispielsweise Aluminium, Magnesium und Titan und Legierungen hiervon sowie Mischungen hiervon bevorzugt. Besonders bevorzugt sind Aluminium und Aluminiumlegierungen. Metalle mit Sintertemperaturen zwischen 400 und 900ºC, vorzugsweise 570 bis 650ºC, werden ausgewählt, wenn ein Ko-Sinter-Zusammensetzungs-Verfahren zur Herstellung der Werkzeuge stattfindet. Füllstoffmaterialien mit geringer Dichte können hinzugefügt werden, um das Gewicht des Kerns zu reduzieren. Poröse und/oder hohle keramische oder Glasfüllstoffe wie beispielsweise Glaskugeln und Mullitkugeln sind für diesen Zweck geeignet. Ebenso geeignet sind anorganische und nichtmetallische Fasermaterialien. Wenn durch die Verarbeitungsbedingungen angezeigt, kann eine effektive Menge an Schmiermittel oder anderen Verarbeitungshilfsmitteln, welche in der Technik der Metallbildungen und Superschleifmittel bekannt sind, dem Metallpulver vor dem Pressen und Sintern hinzugegeben werden.
Das Werkzeug sollte fest, beständig und dimensionsstabil sein, um den möglicherweise destruktiven Kräften zu widerstehen, welche im Hochgeschwindigkeitsbetrieb entstehen. Der Kern muss eine minimale spezifische Festigkeit zum Betrieb von Schleifscheiben mit der sehr hohen Winkelgeschwindigkeit aufweisen, welche nötig ist, um eine Tangentialkontaktgeschwindigkeit zwischen 80 und 160 m/s zu erreichen. Die minimale spezifische Festigkeit, die für die Kernmaterialien, die bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen, nötig ist, beträgt 2,4 MPa-cm³/g.
Die spezifische Festigkeit wird als das Verhältnis der Streckgrenze (oder Bruchspannung) des Kernmaterials dividiert durch die Kernmaterialdichte definiert. Bei spröden Materialien, bei denen die Bruchfestigkeit geringer als die Streckgrenze ist, wird die spezifische Festigkeit durch Anwendung der geringeren Zahl bestimmt, nämlich der Bruchfestigkeit. Die Streckgrenze eines Materials ist die minimale in Spannung angewendete Kraft, wobei die Dehnung des Materials zunimmt, ohne dass die Kraft weiter vergrößert wird. Zum Beispiel weist auf über etwa 240 (Brinell-Skala) gehärteter Stahl ANSI 4140 eine Zugfestigkeit von über 700 MPa auf. Die Dichte dieses Stahls beträgt etwa 7,8 g/cm³. Somit beträgt seine spezifische Festigkeit etwa 90 MPa-cm³/g. Gleichermaßen weisen bestimmte Aluminiumlegierungen, zum Beispiel Al 2024, Al 7075 und Al 7178, die auf eine Brinell- Härte über etwa 100 wärmebehandelbar sind, Zugfestigkeiten von mehr als etwa 300 MPa auf. Solche Aluminiumlegierungen weisen eine geringe Dichte von etwa 2,7 g/cm³ auf und zeigen somit eine spezifische Festigkeit von mehr als 110 MPa-cm³/g.
Titanlegierungen und Bronze-Composite und -Legierungen, die mit einer Dichte von nicht mehr als 8,0 g/cm³ hergestellt sind, sind ebenso zur Verwendung geeignet.
Das Kernmaterial sollte zäh, thermisch stabil bei Temperaturen, welche in der Schleifzone erreicht werden (beispielsweise etwa 50 bis 200ºC), resistent gegenüber chemischer Reaktion mit Kühlmitteln und Schmiermitteln, welche beim Schleifen verwendet werden, und widerstandsfähig gegenüber Verschleiß durch Abnutzung auf Grund der Bewegung des Schneidabfalls in der Schleifzone sein. Obwohl einige Aluminiumoxide und andere Keramiken annehmbare Versagenswerte (das heißt über 60 MPa-cm³/g) aufweisen, sind sie im Allgemeinen zu spröde und versagen strukturell beim Hochgeschwindigkeitsschleifen auf Grund eines Bruchs. Daher ist Keramik zur Verwendung im Werkzeugkern nicht geeignet. Metall, besonders gehärteter Werkzeugqualitätsstahl, ist bevorzugt.
Das Schleifsegment der Schleifscheibe zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist ein an einem Kern angebrachter segmentierter oder durchgehender Rand. Ein segmentierter Schleifrand ist in Fig. 1 gezeigt. Der Kern 2 weist eine zentrale Bohrung 3 zur Anbringung der Scheibe an einer Welle eines maschinellen Antriebs (nicht dargestellt) auf. Der Schleifrand der Scheibe umfasst Superschleifkörner 4 eingebettet (vorzugsweise in gleichmäßiger Konzentration) in eine Metall-Matrix-Bindung 6. Eine Mehrzahl an Schleifsegmenten 8 bauen den in Fig. 1 gezeigten Schleifrand auf. Auch wenn die dargestellte Ausführungsform 10 Segmente zeigt, ist die Anzahl an Segmenten nicht entscheidend. Ein einzelnes Schleifsegment, wie in Fig. 1 gezeigt, weist eine schräg abgeschnittene rechteckige Ringform (eine Bogenform), gekennzeichnet durch eine Länge 1, eine Breite w und eine Tiefe d auf.
Die Ausführungsform einer Schleitscheibe, die in Fig. 1 gezeigt ist, steht repräsentativ für Scheiben, welche gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgreich eingesetzt werden können, und sollte nicht als Einschränkung gesehen werden. Zu den zahlreichen geeigneten geometrischen Variationen für segmentierte Schleifscheiben zählen tassenförmige Scheiben, wie in Fig. 2 gezeigt, Scheiben mit Öffnungen durch den Kern und/oder Lücken zwischen aufeinander folgenden Segmenten und Scheiben mit Schleifsegmnenten mit einer im Vergleich zum Kern unterschiedlichen Breite. Öffnungen oder Lücken werden manchmal verwendet, um Wege bereit zu stellen, um Kühlmittel zur Schleifzone zu leiten, und um Schneidabfall aus der Zone weg zu leiten. Ein im Vergleich zur Kernbreite breiteres Segment wird gelegentlich verwendet, um die Kernstruktur vor Abnützung durch den Kontakt mit Schleifabfall beim radialen Eindringen der Scheibe in das Werkstück zu schützen.
Die Scheibe kann hergestellt werden, indem zunächst einzelne Segmente von vorher bestimmter Dimension gebildet werden, und anschließend die vorgeformten Segmente an den Umfang 9 des Kerns mit einem geeigneten Haftmittel angebracht werden. Ein anderes bevorzugtes Herstellungsverfahren umfasst die Bildung von Segmentvorläufereinheiten aus einer Pulvermischung aus Schleifkorn und einem Bindemittel, Formung der Zusammensetzung um den Umfang des Kerns und Anwendung von Wärme und Druck zur Schaffung und Anbringung der Segmente in situ (an Ort und Stelle) (d. h. gemeinsames Sintern des Kerns und des Randes). Ein gemeinsames Sinterverfahren ist bevorzugt zur Herstellung von Oberflächenschleiftassen zur Verwendung zum Abschleifen von Wafern und Chips von Hartkeramik wie beispielsweise AlTiC.
Bei der Schleifrandkomponente der Schleifwerkzeuge der Erfindung kann es sich um einen durchgehenden Rand oder einen diskontinuierlichen Rand handeln, wie in Fig. 1 beziehungsweise 2 dargestellt. Der durchgehende Schleifrand umfasst mindestens 2 Schleifsegmente, die separat in Formen gesintert werden und dann einzeln am Kern mit einer thermisch stabilen Verbindung (das heißt bei den anzutreffenden Temperaturen während des Schleifens an dem Teil der Segmente weg von der Schleiffläche, typischerweise etwa 50 bis 350ºC, stabile Verbindung) angebracht werden. Diskontinuierliche Schleifränder, wie in Fig. 2 gezeigt, werden aus mindestens 2 derartiger Segmente hergestellt, und die Segmente sind durch Schlitze oder Lücken in dem Rand getrennt, und passen nicht Ende an Ende entlang ihrer Längen, 1, zusammen, wie bei den segmentierten durchgehenden Schleifrandscheiben. Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und sind nicht dazu bestimmt, die Arten von Werkzeugkonstruktionen der Erfindung einzuschränken; beispielsweise können diskontinuierliche Ränder bei 1 A-Scheiben und durchgehende Ränder bei Schleiftassen verwendet werden.
Für Hochgeschwindigkeitsschleifen, insbesondere Schleifen von Werkstücken mit einer zylindrischen Form, wird ein durchgehender Rand, Scheibe vom Typ 1 A, bevorzugt. Segmentierte durchgehende Schleifränder werden im Vergleich zu einem einzigen durchgehenden Schleifrand, geformt als Einzelstück in Ringform, aufgrund der einfacheren Erzielung einer wirklich runden planaren Form während der Herstellung eines Werkzeugs aus mehreren Schleifsegmenten bevorzugt.
Für das Schleifen bei niedrigerer Geschwindigkeit (beispielsweise 25 bis 60 m/Sek.), insbesondere das Schleifen von Oberflächen und die Fertigbearbeitung flacher Werkstücke, werden diskontinuierliche Schleifränder (beispielsweise die in Fig. 2 gezeigte Schleiftasse) bevorzugt. Da bei Oberflächenfertigbearbeitungsvorgängen mit niedriger Geschwindigkeit die Oberflächenqualität entscheidend ist, können in den Segmenten Schlitze gebildet sein, oder es können einige Segmente aus dem Rand herausgelassen werden, um die Entfernung von Abfallmaterial zu unterstützen, welches die Werkstückoberfläche verkratzen könnte.
Die Schleifrandkomponente enthält ein Superschleifkorn, das in einer Metall-Matrix-Bindung gehalten wird, was typischerweise durch Sintern einer Mischung aus Metallbindungspulver und dem Schleifkorn in einer Form gebildet wird, welche so gestaltet ist, dass sich die gewünschte Größe und Form des Schleifrands oder der Schleifrandsegmente ergeben.
Das in dem Schleifrand verwendete Superschleifkorn kann ausgewählt sein aus Diamant, in natürlicher und synthetischer Form, CBN und Kombinationen dieser Schleifmittel. Die Korngröße und die Art, die ausgewählt werden, hängen von der Art des Werkstücks und der Art des Schleifverfahrens ab. Beispielsweise wird beim Schleifen und Polieren von Saphir oder AlTiC eine Superschleifmittelkorngröße im Bereich von 2 bis 300 Mikrometer bevorzugt. Zum Schleifen von anderem Aluminiumoxid wird im Allgemeinen eine Superschleifmittelkorngröße von etwa 125 bis 300 Mikrometer (Körnungsnummer 60 bis 120; Norton Company Korngröße) bevorzugt. Zum Schleifen von Siliciumnitrid wird im Allgemeinen eine Korngröße von etwa 45 bis 80 Mikrometer (Körnungsnummer 200 bis 400) bevorzugt. Feinere Korngrößen sind bei der Oberflächenfertigbearbeitung bevorzugt und größere Korngrößen sind für Zylinder-, Profil- oder Innendurchmesserschleifvorgänge bevorzugt, wobei größere Mengen an Material entfernt werden.
Als Volumenprozentsatz des Schleifrands enthalten die Werkzeuge 0,05 bis 10 Volumen-% Superschleifmittelkorn, vorzugsweise 0,5 bis 5 Volumen-%. Eine kleinere Menge eines zerbröckelnden Füllstoffmaterials mit einer Härte von weniger als jener der Metallbindungs-Matrix kann als Bindungsfüllstoff beigegeben werden, um die Abtragungsrate der Bindung zu erhöhen. Als Volumenprozentsatz der Randkomponente kann ein Volumenprozentsatz des Füllstoffs von 10 bis 35 Volumen-%, vorzugsweise 15 bis 35 Volumen-%, verwendet werden. Geeignete zerbröckelnde Füllstoffmaterialien müssen durch geeignete thermische und mechanische Eigenschaften gekennzeichnet sein, um den Sintertemperatur- und Druckbedingungen zu widerstehen, welche bei der Herstellung der Schleifsegmente und zum Zusammenbauen der Scheibe eingesetzt werden. Graphit, hexagonales Bornitrid, hohle keramische Kugeln, Feldspat Nephelinsyenit, Bimsstein, calcinierter Ton und Glaskugeln sowie deren Kombinationen sind Beispiele für nützliche zerbröckelnde Füllstoffmaterialien.
Jede zum Binden von Superschleifmitteln geeignete Metallbindung mit einer Bruchzähigkeit von 1,0 bis 6,0 MPa·m1/2, vorzugsweise 2,0 bis 4,0 MPam1/2, kann hierbei verwendet werden. Die Bruchzähigkeit ist der Belastungsintensitätsfaktor, bei welchem ein in einem Material begonnener Riss sich in dem Material ausbreitet und zum Bruch des Materials führt. Die Bruchzähigkeit wird als K1C = (σf) (π1/2) (c1/2), ausgedrückt, wobei K1C die Bruchzähigkeit darstellt, σf die Belastung darstellt, die beim Bruch ausgeübt wird, und C die Hälfte der Risslänge ist. Es gibt mehrere Verfahren, die zur Bestimmung der Bruchzähigkeit verwendbar sind, und jedes weist einen Anfangsschritt auf, bei dem ein Riss von bekannter Dimension im Testmaterial erzeugt wird, und anschließend eine Belastungsbeanspruchung ausgeübt wird, bis das Material bricht. Die Belastung beim Bruch und die Risslänge werden in die Gleichung substituiert und die Bruchzähigkeit berechnet. (Die Bruchzähigkeit von Stahl beträgt beispielsweise etwa 30-60 MPa·m1/2, von Aluminiumoxid etwa 2-3 MPa·m1/2, von Siliciumnitrid etwa 4-5 MPa·m1/2 und von Zirkonoxid 'beziehungsweise von Zirkondioxid beträgt etwa 7-9 MPa·m1/2).
Um eine optimale Haltbarkeit der Scheibe und eine optimale Schleifleistung zu erreichen, sollte die Bindungsabtragungsrate gleich der oder etwas höher als die Abtragungsrate des Schleifkorns während Schleifvorgängen sein. Füllstoffe wie beispielsweise jene, die oben genannt werden, können der Metallbindung hinzugegeben werden, um die Scheibenabnutzungsrate zu verringern. Metallpulver, die dazu tendieren, eine relativ dichte Bindungsstruktur (das heißt weniger als 5 Volumen-% Porosität) zu bilden, sind bevorzugt, um während des Schleifens höhere Materialentfernungsraten zu erzielen.
Materialien, die in der Metallbindung des Randes nützlich sind, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Bronze, Kupfer und Zinklegierungen (Messing), Kobalt und Eisen sowie deren Legierungen und Mischungen hiervon. Diese Metalle können wahlweise mit Titan oder Titanhydrid oder einem anderen mit dem Superschleifmittel reaktiven (d. h. Aktivbindemittelkomponenten) Material verwendet werden, welches dazu fähig ist, eine chemische Carbid- oder Nitridbindung zwischen dem Korn und dem Bindemittel an der Oberfläche des Superschleifkorns unter den ausgewählten Sinterbedingungen zu bilden, um die Verbindungen zwischen Korn und Bindemittel zu festigen. Stärkere Korn/Bindemittel-Wechselwirkungen beschränken einen frühzeitigen Verlust an Korn sowie eine Beschädigung des Werkstücks und eine kürzere Lebenszeit des Werkstücks als Folge eines verfrühten Kornverlusts.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Schleifrands umfasst die Metall-Matrix 55 bis 89,95 Volumen-% des Rands, noch bevorzugter 60 bis 84,5 Volumen-%. Der zerbröckelnde Füllstoff umfasst 10 bis 35 Volumen-% des Schleifrands, vorzugsweise 15 bis 35 Volumen-%. Die Porosität der Metall-Matrix-Bindung sollte auf einem Maximum von 5 Volumen-% während der Herstellung des Schleifsegments gehalten werden. Die Metall- Bindung weist vorzugsweise eine Knoop-Härte von 2 bis 3 GPa auf.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Schleitscheibe vom Typ 1A ist der Kern aus Aluminium hergestellt, und der Rand enthält eine Bronzebindung aus Kupfer- und Zinnpulvern (80/20 Gewichtsprozent), und, wahlweise, mit der Zugabe von 0,1 bis 3,0 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent Phosphor in Form eines Phosphor-/Kupferpulvers. Bei der Herstellung der Schleifsegmente werden die Metallpulver dieser Zusammensetzung mit Diamantschleifkorn der Körnungsnummer 100 bis 400 (160 bis 45 Mikron) gemischt, in Schleifrandsegmente geformt und im Bereich von 400 bis 550ºC bei 20 bis 33 MPa gesintert oder verdichtet, um einen dichten Schleifrand zu ergeben, vorzugsweise mit einer Dichte von mindestens 95% der theoretischen Dichte (das heißt mit nicht mehr als etwa 5 Volumen-% Porosität).
Bei einem typischen Ko-Sinter-Verfahren zur Herstellung einer Scheibe wird das Metallpulver des Kerns in eine Stahlform gegeben und bei 80 bis 200 kN (etwa 10 bis 50 MPa Druck) kaltgepresst, um ein Teil in Form eines Grünlings zu bilden, welcher eine Größe des etwa 1, 2 bis 1,6fachen der gewünschten Enddicke des Kerns aufweist. Das Grünlingkernteil wird in eine Graphitform gegeben, und eine Mischung des Schleifkorns (2 bis 300 Mikrometer Körnungsnummer) und der Metall-Bindungs- Pulvermischung wird dem Hohlraum zwischen dem Kern und dem äußeren Rand der Graphitform zugegeben. Ein Fixierring kann dazu dienen, das Schleifmittel und die Metallbindungspulver auf die selbe Dicke wie der Kernvorformling zu kompaktieren. Der Inhalt der Graphitform wird dann bei 370 bis 410ºC unter 20 bis 48 MPa Druck 6 bis 10 Minuten lang heißgepresst. Wie in der Technik bekannt, kann die Temperatur rampenartig erhöht werden (zum Beispiel von 25 auf 410ºC über 6 Minuten; über 15 Minuten auf 410ºC gehalten) oder allmählich erhöht werden, vor Druck auf den Inhalt der Form ausgeübt wird.
Anschließend an das Heißpressen wird die Graphitform von dem Teil abgenommen, das Teil wird gekühlt und das Teil wird durch herkömmliche Verfahren fertigbearbeitet, um einen Schleifrand zu erhalten, welcher die gewünschten Dimensionen und Toleranzen aufweist. Beispielsweise kann das Teil auf Maß unter Verwendung keramischer Schleifscheiben auf Schleifmaschinen oder Carbidschneidern auf einer Drehmaschine fertigbearbeitet werden.
Wenn der Kern und der Rand der Erfindung gemeinsam gesintert werden, ist eine Entfernung von nur wenig Material nötig, um dem Teil seine endgültige Form zu verleihen. Bei anderen Verfahren zur Bildung einer thermisch stabilen Verbindung zwischen dem Schleifrand und dem Kern kann eine maschinelle Bearbeitung sowohl des Kerns als auch des Rands nötig sein, bevor ein Zementier-, Verbindungs- oder Diffusionsschritt stattfindet, um eine geeignete Oberfläche zu gewährleisten, damit die Teile zusammenpassen und verbunden werden können.
Bei der Schaffung einer thermisch stabilen Verbindung zwischen dem Rand und dem Kern unter Verwendung segmentierter Schleifränder kann jedes thermisch stabile Haftmittel mit der Festigkeit, um Umfangsscheibengeschwindigkeiten von bis zu 160 m/Sek. zu widerstehen, verwendet werden. Thermisch stabile Haftmittel sind gegenüber Schleifverfahrenstemperaturen, welche in dem Bereich der Schleifsegmente weg von der Schleiffläche erwartet werden, stabil. Derartige Temperaturen liegen typischerweise im Bereich von etwa 50 bis 350ºC.
Die Haftmittelbindung sollte mechanisch sehr fest sein, um den destruktiven Kräften zu widerstehen, welche bei der Drehung des Schleifrade und während des Schleifvorgangs auftreten. Zweikomponenten-Epoxidharz-Bindemittel sind bevorzugt. Ein bevorzugtes Epoxid-Bindemittel, ein Technodyne® HT-18 Epoxidharz (erhalten von Taoka Chemicals, Japan) und der modifizierte Aminhärter hiervon können im Verhältnis von 100 Teilen Harz zu 19 Teilen Härter gemischt werden. Füllstoffe wie beispielsweise feines Silikapulver können in einem Verhältnis von 3,5 Teilen pro 100 Teilen Harz hinzugegeben werden, um die Bindemittelviskosität zu erhöhen. Segmente können um den gesamten Umfang der Schleifscheibenkerne oder einen Teilumfang des Kerns angebracht werden, und zwar mit dem Bindemittel. Die äußere Begrenzung der Metallkerne kann zum Erhalt eines Rauhigkeitsgrads vor der Anbringung der Segmente sandgestrahlt werden. Das verdickte Epoxid-Bindemittel wird an die Enden und den Boden der Segmente aufgebracht, welche, wie im Wesentlichen in Fig. 1 gezeigt, um den Kern angeordnet sind und während der Aushärtung mechanisch an Ort und Stelle gehalten werden. Man lässt das Epoxid-Bindemittel aushärten (beispielsweise bei Raumtemperatur über 24 Stunden, anschließend 48 Stunden bei 60ºC). Eine Entwässerung des Bindemittels während der Aushärtung und Bewegung der Segmente wird während der Aushärtung durch die Zugabe an ausreichendem Füllstoff minimiert, um die Viskosität des Epoxid-Bindemittels zu optimieren.
Die Haftmittelbindefestigkeit kann durch Spintest bei einer Beschleunigung von 45 Umdrehungen/Min., wie dies zur Messung der Berstgeschwindigkeit der Scheibe geschieht, getestet werden. Die Scheiben zeigten Berstwerte entsprechend mindestens 271 m/s Tangential-Kontaktgeschwindigkeiten, um für den Betrieb unter derzeitig anwendbaren Sicherheitsstandards von 160 m/s Tangential-Kontaktgeschwindigkeit in den Vereinigten Staaten befähigt zu sein.
Die Schleifwerkzeuge der Erfindung sind insbesondere für Präzisionsschleifen und Fertigbearbeitung spröder Materialen gestaltet, wie beispielsweise weiterentwickelter keramischer Materialien, Glas und Komponenten enthaltend keramische Materialen und Keramikverbundmaterialien. Die Werkzeuge der Erfindung werden bevorzugt, um keramische Materialien zu schleifen, die folgendes umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind: Silicum, mono- und polykristalline Oxide, Carbide, Boride und Silicide; polykristallinen Diamant; Glas; und Composite von Keramik in einer nichtkeramischen Matrix; und Kombinationen hiervon. Beispiele für typische Werkstückmaterialien umfassen, sind aber nicht beschränkt auf AlTiC, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid, stabilisiertes Zirkonoxid, Aluminiumoxid (zum Beispiel Saphir), Borcarbid, Bornitrid, Titandidorid und Aluminiumnitrid und Composite dieser Keramiken sowie bestimmte Metall-Matrix-Composite wie beispielsweise Sinterkarbide und harte spröde amorphe Materialien wie beispielsweise Mineralglas beziehungsweise anorganisches Glas. Mit diesen verbesserten Schleifwerkzeugen können entweder Einzelkristallkeramiken oder polykristalline Keramiken geschliffen werden. Bei jeder Art von Keramik nimmt die Qualität des Keramikteils und die Wirksamkeit des Schleifvorgangs mit einer Erhöhung der Umfangsscheibengeschwindigkeit der Scheiben der Erfindung bis zu 80 bis 160 m/s zu.
Zu den keramischen Teilen, die durch die Verwendung der Schleifwerkzeuge der Erfindung verbessert werden, zählen Keramikmotorventile und -stäbe, Pumpendichtungen, Kugellager und Anschlussstücke, Schneidwerkzeugeinsätze, Verschleißteile, Ziehwerkzeuge zur Metallformung, feuerbeständige Komponenten, Sichtanzeigenfenster, Flachglas für Windschutzscheiben, Türen und Fenster, Isolatoren und elektrische Teile und keramische elektronische Komponenten, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, Siliciumwafer, AlTiC-Chips, Lese-Schreib-Köpfe, magnetische Köpfe und Substrate.
Wenn nicht anders angegeben, sind alle Teile und Prozentsätze in den folgenden Beispielen auf das Gewicht bezogen. Die Beispiele stellen die Erfindung nur dar und sind nicht darauf ausgerichtet, die Erfindung zu beschränken.

Beispiel 1

Erfindungsgemäße Schleifscheiben wurden in Form von Diamantscheiben mit Metall-Bindung vom Typ 1A1 unter Verwendung der unten beschriebenen Materialien und Verfahren hergestellt.
Eine Mischung aus 43,74 Gew.-% Kupferpulver (Dendritic FS Grad, Partikel-Größe +200/-325 Mesh, erhalten von Sintertech International Marketing Corp., Ghent, Nt; 6,24 Gew.-% Phospor/Kupfer-Pulver (Grad 1501, +100/-325 Mesh Partikel- Größe, erhalten von New Jersey Zinc Company, Palmerton, PA); und 50,02 Gew.-% Zinnpulver (Grad MD115, +325 Mesh, 0,5% Maximum, Partikelgröße, erhalten von Alcan Metal Powders, Inc., Elizabeth, New Jersey) wurde hergestellt. Diamantschleifkorn (synthetischer Diamant mit der Korngröße 320, erhalten von General Electric, Worthington, Ohio) wurde der Metallpulvermischung hinzu gegeben, und die Kombination wurde bis zur gleichmäßigen Vermischung gemischt.
Die Mischung wurde in eine Graphitform gegeben und bei 407ºC 15 Minuten lang bei 3000 psi (2073 N/cm²) heißgepresst, bis eine Matrix mit einer Zieldichte von über 95% der theoretischen gebildet wurde (zum Beispiel für die Scheibe #6 in Beispiel 2: > 98,5% der theoretischen Dichte). Die Rockwell-B-Härte der für die Scheibe #6 hergestellten Segmente betrug 108. Die Segmente enthielten 18,75 Volumen-% Schleifkorn. Die Segmente wurden auf die erforderliche bogenförmige Geometrie geschliffen, um mit der Peripherie eines maschinell bearbeiteten Aluminiumkerns (7075 T6 Aluminium, erhalten von Yarde Metals, Tewsbury, MA) zusammenzupassen, wobei sich eine Scheibe mit einem Außendurchmesser von etwa 393 mm und Segmenten von 0,62 cm Dicke ergab.
Die Schleifsegmente und der Aluminiumkern wurden mit einem mit einem Silika gefüllten. Epoxid-Bindemittelsystem (Technodyne HT-18 Haftmittel, erhalten von Taoka Chemicals, Japan) zusammengebaut, um Schleifscheiben mit einem kontinuierlichen Rand bestehend aus mehreren Schleifsegmenten herzustellen. Die Kontaktoberflächen des Kerns und der Segmente wurden entfettet und sandgestrahlt, um eine geeignete Adhäsion zu gewährleisten.
Zur Kennzeichnung der Maximal-Betriebsgeschwindigkeit dieser neuen Scheibenart wurden Vollgrößenräder mit Absicht bis zur Zerstörung gedreht, um die Berstfestigkeit und die Nenn- Maximal-Betriebsgeschwindigkeit gemäß dem Verfahren zum Testen der Maximal-Betriebsgeschwindigkeit der Norton Company zu bestimmen. Die Tabelle unten fasst die Bersttestdaten für typische Beispiele der metallgebundenen Testscheiben mit 393 mm Durchmesser zusammen. Berstfestigkeits-Daten von Scheiben mit Metallbindung des Experiments
Gemäß dieser Daten ist bei den Schleifscheiben des Experiments, die diese Konstruktion aufweisen, eine Betriebsgeschwindigkeit von bis zu 90 m/s (17.717 Fuß/Min.) erlaubt. Höhere Betriebsgeschwindigkeiten von bis zu 160 m/s können mühelos durch einige weitere Modifikationen beim Herstellungsprozess und der Scheibenkonstruktionen erreicht werden.

Beispiel 2

Auswertung der Schleifleistung

Drei metallgebundene Segmentscheiben des Experiments mit 393 mm Durchmesser, 15 mm Dicke, 127 mm zentraler Bohrung (15,5 in · 0,59 in · 5 in), die gemäß des Verfahrens von Beispiel 1 oben hergestellt wurden (#4 mit Segmenten mit einer Dichte von 95,6% der theoretischen, #5 mit 97,9% der theoretischen und #6 mit 98,5% theoretischer Dichte) wurden auf ihre Schleifleistung getestet. Der anfängliche Test bei 32 und 80 m/s ergab, dass Scheibe #6 die Scheibe mit der besten Schleifleistung aus den drei Scheiben war, auch wenn alle Scheiben des Experiments akzeptabel waren. Scheibe 46 wurde bei drei Geschwindigkeiten getestet: 32 m/s (6252 sfpm), 56 m/s (11.000 sfpm) und 80 m/s (15,750 sfpm). Zwei handelsübliche Schleifscheiben des Standes der Technik, die zum Schleifen weiterentwickelter Keramikmaterialien empfohlen werden, dienten als Kontrollscheiben und wurden zusammen mit den Scheiben der Erfindung getestet. Bei der einen handelte es sich um eine keramisch gebundene Diamantscheibe (SD320-N6V10- Scheibe, erhalten von Norton Company, Worcester, mm und bei der anderen um eine harzgebundene Diamantscheibe (SD320- R4BX61SC-Scheibe, erhalten von der Norton Company, Worcester, MA). Die Harzscheibe wurde bei allen drei Geschwindigkeiten getestet. Die keramische Scheibe wurde auf Grund von Geschwindigkeitstoleranz-Überlegungen nur bei 32 m/s (6252 sfpm) getestet.
Über eintausend Profilschliffe von 6,35 mm (0,25 Inch) Breite und 6,35 mm (0,25 Inch) Tiefe wurden auf Siliciumnitrid- Werkstücken durchgeführt. Die Schleiftestbedingungen waren wie folgt:

Schleiftestbedingungen

Maschine: Studer Grinder Model S40 CNC
Scheibenspezifikationen: SD320-R4BX619C, SD320-N6V10,
Größe: 393 mm Durchmesser, 15 mm Dicke und 127 mm Loch.
Scheibengeschwindigkeit: 32,56 und 80 m/s (6252, 11000 und 15750 sfpm)
Kühlmittel: Inversol 22 @60% Öl und 40% Wasser
Kühlmitteldruck: 270 psi (19 kg/cm²)
Materialentfernungsrate: variiert, beginnend bei 3,2 mm³/s/mm (0,3 in³/Min./in)
Arbeitsmaterial: Si&sub3;N&sub4; (Stangen hergestellt aus NT551 Siliciumnitrid, erhalten von Norton Advanced Ceramics, Northboro, Massachusetts) 25,4 mm (1 in) Durchmesser · 88,9 mm (3,5 in) lang
Arbeitsgeschwindigkeit: 0,21 m/s (42 sfpm), konstant
Durchmesser bei Arbeitsbeginn: 25,4 mm (1 Inch)
Durchmesser bei Arbeitsende: 6,35 mm (0,25 Inch)
Für Vorgänge, bei denen ein Abrichten und eine Nachbearbeitung notwendig ist, waren die Bedingungen, die für die metallgebundenen Scheiben der Erfindung geeignet sind, wie folgt:

Abrichtvorgang

Scheibe: 5SG46IVS (erhalten von Norton Company)
Scheibengröße: 152 mm Durchmesser (6 Inch)
Scheibengeschwindigkeit: 3000 rpm (U/min); bei einem Verhältnis von +0,8 relativ zur Schleifscheibe
Führung: 0,015 in (0,38 mm)
Kompensation: 0,0002 in
Nachbearbeitungsvorgang:
Stab: 37C220H-KV (SiC)
Art: Hand Stick Dressing (Handstabnachbearbeitung)
Tests wurden in einer Zylinderaußendurchmesserprofilart beim Schleifen der Siliciumnitridstäbe durchgeführt. Um die beste Steifheit des Arbeitsmaterials während der Schleifens zu bewahren, wurden die 88,9 mm (3,5 in)-Proben in einem Futter gehalten, wobei ungefähr 31 mm (1-1/4 in) zum Schleifen freigelegt waren. Jede Reihe von Profilschleiftests begann am anderen Ende jedes Stabs. Zuerst machte die Scheibe eine 6,35 mm (1/4 Inch) breite und 3,18 mm (1/8 Inch) radiale Profiltiefe, um einen Test zu vervollständigen. Die Arbeitsrate in Umdrehungen je Minute (rpm) wurde dann wieder eingestellt, um den Verlust an Arbeitsgeschwindigkeit auf Grund eines reduzierten Arbeitsdurchmessers auszugleichen.
Noch zwei ähnliche Profilschliffe wurden an der gleichen Stelle ausgeführt, uni den Arbeitsdurchmesser von 25,4 nun (1 in) auf 6,35 mm (1/4 in) zu reduzieren. Anschließend wurde die Scheibe lateral 6,35 mm (1/4 in) näher zum Futter hin bewegt, um die nächsten 3 Profilschliffe auszuführen. Vier laterale Bewegungen wurden auf der gleichen Seite einer Probe ausgeführt, um die zwölf Profilschliffe an einem Ende einer Probe zu vervollständigen. Die Probe wurde anschließend umgedreht, um das andere Ende für weitere zwölf Schliffe freizulegen. Insgesamt wurden 24 Profilschliffe an jeder Probe durchgeführt.
Die Anfangsvergleichstests für die metallgebundenen Scheiben der Erfindung und die Harz- und keramischen Scheiben fanden bei 32 m/s Umfangsgeschwindigkeit bei drei Materialentfernungsraten (MRR') von etwa 3,2 mm³/s/mm (0,3 in³/Min/in) bis etwa 10,8 mm³/s/mm (1,0 in³/Min/in) statt. Tabelle 1 zeigt die Leistungsunterschiede, wie durch G- Verhältnisse angegeben, zwischen den drei verschiedenen Scheibenarten nach 12 Profilschliffen. Das G-Verhältnis ist das einheitenlose Verhältnis des Volumens an entferntem Material zum Volumen der Scheibenabnutzung. Die Daten zeigten, dass die keramische Scheibe Grad N bessere G-Verhältnisse als die Harzscheibe Grad R bei den höheren Materialentfernungsraten aufwies, woraus man annehmen kann, dass eine weichere Scheibe beim Schleifen eines keramischen Werkstücks eine bessere Leistung erbringt. Die härtere metallgebundende Scheibe (#6) des Experiments war jedoch weitaus besser als die Harzscheibe und die keramische Scheibe bei allen Materialentfernungsraten.
Tabelle 1 zeigt die veranschlagten G-Verhältnisse für die Harzscheibe und die neue metallgebundene Scheibe (#6) bei allen Materialentfernungsratenbedingungen. Da sich nach zwölf Schliffen bei jeder Materialentfernungsrate für die metallgebundene Scheibe keine messbare Scheibenabnutzung ergab, wurde ein symbolischer Wert von 0,01 Mil (0,25 um) Radialscheibenabnutzung für jeden Schliff genommen. Dies ergab das berechnete G-Verhältnis von 6051.
Obwohl die metallgebundene Scheibe der Erfindung eine Diamantkonzentration von 75 enthielt (etwa 18,75 Volumen-% Schleifkorn im Schleifsegment) und die Harz- und keramischen Scheiben eine Konzentration von 100 beziehungsweise 150 aufwiesen (25 Volumen-% beziehungsweise 37,5 Volumen-%), zeigte die Scheibe der Erfindung immer noch eine bessere Schleifleistung. Bei diesen relativen Kornkonzentrationen würde man von den Kontrollscheiben mit einem höheren Volumenprozentsatz an Schleifkorn eine bessere Schleifleistung erwarten. Daher waren diese Ergebnisse unerwartet.
Tabelle 1 zeigt die Oberflächenbeschaffenheits- (Ra) und Welligkeits- (Wt)-Daten, welche an Proben gemessen wurden, welche mit den drei Scheiben bei der geringen Testgeschwindigkeit geschliffen wurden. Der Welligkeitswert, Wt, ist die Maximal-Spitze-zu-Tal-Höhe des Welligkeitsprofils. Alle Daten zur Oberflächenbeschaffenheit wurden an Oberflächen gemessen, die durch Zylinderprofilschleifen ohne Ausfunken geschaffen wurden. Diese Oberflächen sind normalerweise rauer als Oberflächen, die durch Transversalschleifen geschaffen wurden.
Tabelle 1 zeigt den Unterschied des Schleifenergieverbrauchs bei verschiedenen Materialentfernungsraten für die drei Scheibenarten. Die Harzscheibe wies einen niedrigeren Energieverbrauch als die anderen beiden Scheiben auf; die metallgebundene Scheibe des Experiments und die keramische Scheibe zeigten jedoch einen vergleichbaren Energieverbrauch. Die Scheibe des Experiments nahm eine akzeptable Menge an Energie für Keramikschleifvorgänge auf, insbesondere im Hinblick auf die bei den Scheiben der Erfindung beobachteten vorteilhaften Daten für das G-Verhältnis und die Oberflächenbeschaffenheit. Im Allgemeinen zeigten die Scheiben der Erfindung eine Leistungsaufnahme proportional zu den Materialentfernungsraten. Tabelle 1
Beim Messen der Schleifleistung bei 80 m/s (15.750 sfpm) in einem zusätzlichen Schleiftest unter den selben Bedingungen wiesen die Harzscheibe und die Metallscheibe des Experiments einen vergleichbaren Energieverbrauch bei einer Materialentfernungsrate (MRR) von 9,0 mm³/s/mm (0,8 in³/Min/in) auf. Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurden die Scheiben des Experiments bei zunehmenden Materialentfernungsraten ohne einen Leistungsverlust oder nicht akzeptable Strombelastungen betrieben. Die Leistungsaufnahme der metallgebundenen Scheibe war in etwa proportional zur Materialentfernungsrate. Die höchste in dieser Studie erzielte Materialentfernungsrate betrug 47,3 mm³/s/mm (28,4 cm³/Min/cm).
Die Daten von Tabelle 2 sind Durchschnittswerte von 12 Schleifdurchgängen. Die einzelnen Werte in Bezug auf die Energie blieben für die Scheibe des Experiments innerhalb jeder Materialentfernungsrate bei jedem der zwölf Durchgänge bemerkenswert konsistent. Normalerweise würde man eine Energiezunahme erwarten, wenn aufeinanderfolgende Schleifdurchgänge ausgeführt werden und die Schleifkörner in der Scheibe allmählich stumpf werden oder die Fläche der Scheibe mit Werkstückmaterial beladen wird. Dies wird oft beobachtet, wenn die Materialentfernungsrate erhöht wird. Jedoch zeigen die konstanten Leistungsverbrauchsniveaus, welche innerhalb jeder MRR während der zwölf Schleifvorgänge beobachtet wurden, unerwarteterweise, dass die Scheibe des Experiments ihre scharfen Schnittpunkte während der gesamten Länge des Tests bei allen Materialentfernungsraten beibehielt.
Des Weiteren war es während dieses gesamten Tests mit Materialentfernungsraten im Bereich von 9,0 mm³/s/mm (0,8 in³/Min/in) bis 47,3 mm³/s/mm (4,4 in³/Min/in) nicht notwendig, die Scheibe des Experiments abzurichten oder nachzubearbeiten.
Die gesamte kumulative Menge an Siliciumnitridmaterial, die ohne nachgewiesene Scheibenabnutzung geschliffen wurde, entsprach 271 cm³ pro cm (42 in³ pro Inch) Scheibenbreite. Im Gegensatz dazu betrug das G-Verhältnis für die Harzscheibe mit einer Konzentration von 100 bei 8,6 mm³/s/mm (0,8 in³/Min/in) Materialentfernungsrate etwa 583 nach zwölf Profilschliffen. Das Rad der Erfindung zeigte keine messbare Scheibenabnutzung nach 168 Profilschliffen bei 14 verschiedenen Materialentfernungsraten.
Tabelle 2 zeigt, dass die mit der metallgebundenen Scheibe des Experiments geschliffenen Proben bei allen 14 Materialentfernungsraten konstante Oberflächenbeschaffenheiten zwischen 0,4 um (16 uin) und 0,5 um (20 uin) aufrechterhielten und Welligkeitswerte zwischen 1,0 um (38 uin) und 1,7 um (67 uin) aufwiesen. Die Harzscheibe wurde bei diesen hohen Materialentfernungsraten nicht getestet. Jedoch wiesen die Keramikstäbe, die mit der Harzscheibe geschliffen wurden, bei etwa 8,6 mm³/s/mm (0,8 in³/Min/in) etwas bessere aber vergleichbare Oberflächenbeschaffenheiten auf (0,43 versus 0,5 um) und zeigten eine schlechtere Welligkeit (1,73 versus 1,18 um).
Überraschenderweise gab es keine offensichtlichen Verschlechterungen in der Oberflächenbeschaffenheit, wenn die Keramikstäbe mit der neuen metallgebundenen Scheibe geschliffen wurden, wenn die Materialentfernungsrate zunahm. Dies steht im Gegensatz zu der allgemeinhin beobachteten Verschlechterung der Oberflächenbeschaffenheit mit einer Zunahme der Schneidraten bei Standardscheiben, wie beispielsweise der hierin verwendeten Kontrollscheiben.
Die Gesamtergebnisse zeigen, dass die Metallscheibe des Experiments in der Lage war, effektiv bei einer MRR zu schleifen, welche über 5 mal so hoch wie die MRR war, welche mit einer kommerziell verwendeten harzgebundenen Standardscheibe erreichbar ist. Die Scheibe der Erfindung hatte ein über 10 mal so hohes G-Verhältnis im Vergleich zur Harzscheibe bei den niedrigeren Materialentfernungsraten. Tabelle 2 14 MRRs, getestet bei 80 m/s Scheibengeschwindigkeit
Bei einem Betrieb bei Scheibengeschwindigkeiten von 32 m/s (6252 sfpm) und 56 m/s (11.000 sfpm) (Tabelle 1) war der Energieverbrauch bei all den getesteten Materialentfernungsraten für die metallgebundene Scheibe höher als jener der Harzscheibe. Jedoch wurde der Energieverbrauch für die metallgebundene Scheibe bei der hohen Scheibengeschwindigkeit von 80 m/s (15.750 sfpm) (Tabellen 1 und 2) vergleichbar oder etwas geringer als jener der Harzscheibe. Insgesamt zeigte die Tendenz, dass der Energieverbrauch sowohl für die Harzscheibe und die metallgebundene Scheibe des Experiments mit zunehmender Scheibengeschwindigkeit abnahm, wenn bei einer gleichen Materialentfernungsrate geschliffen wurde. Der Energieverbrauch während des Schleifens, wobei eine beträchtliche Menge hiervon als Wärme an das Werkstück geht, ist beim Schleifen von Keramikmaterialien weniger wichtig als beim Schleifen von metallischen Materialien, was auf die größere thermische Stabilität der Keramikmaterialien zurückzuführen ist. Wie durch die Oberflächenqualität der Keramikproben, welche mit den Scheiben der Erfindung geschliffen wurden, gezeigt, beeinträchtigte der Energieverbrauch das fertiggestellte Stück nicht, und er befand sich auf einem akzeptablen Niveau.
Bei der metallgebundenen Scheibe des Experiments war das G- Verhältnis im Wesentlichen bei 6051 bei allen Materialentfernungsraten und Scheibengeschwindigkeiten konstant. Bei der Harzscheibe nahm das G-Verhältnis mit zunehmenden Materialentfernungsraten bei jeder konstanten Scheibengeschwindigkeit ab.
Tabelle 2 zeigt die Verbesserung bei den Oberflächenbeschaffenheiten und der Welligkeit bei geschliffenen Proben bei einer höheren Scheibengeschwindigkeit. Außerdem zeigten die mit der neuen metallgebundenen Scheibe geschliffenen Proben die niedrigste gemessene Welligkeit unter allen Scheibengeschwindigkeiten und Materialabtragungsraten, welche getestet wurden.
Bei diesem Test zeigte die metallgebundene Scheibe eine bessere Scheibenhaltbarkeit im Vergleich zu den Kontrollscheiben. Im Gegensatz zu den handelsüblichen Kontrollscheiben war es nicht nötig, die Scheiben des Experiments bei den erweiterten Schleiftests abzurichten und nachzubearbeiten. Die Scheibe des Experiments wurde bei Scheibengeschwindigkeiten von bis zu 90 m/s erfolgreich betrieben.
Beispiel 3
In einem nachfolgenden Schleiftest der Scheibe des Experiments (#6) bei 80 m/Sek. unter den selben Betriebsbedingungen wie jenen in dem vorherigen Beispiel wurde eine MRR von 380 cm³/Min/cm erreicht, wobei eine Messung der Oberflächenbeschaffenheit (Ra) von nur 0,5 um (12 uin) erzeugt wurde und ein akzeptables Energieniveau gebraucht wurde. Die beobachtete hohe Materialentfernungsrate ohne die Oberfläche des keramischen Werkstücks zu beschädigen, die durch den Gebrauch des Werkzeugs der Erfindung erreicht wurde, wurde noch für überhaupt keinen Schleifvorgang eines keramischen Materials mit irgendeiner handelsüblichen Schleifscheibe irgendeiner Bindungsart angegeben.

Beispiel 4

Ein tassenförmiges Schleifwerkzeug wurde geschaffen und für das Schleifen von Saphir auf einer Vertikalspindelmaschine vom "Blanchard-Typ" getestet.
Eine tassenförmige Scheibe (Durchmesser = 250 mm) wurde aus Schleifsegmenten hergestellt, welche mit jenen in der Zusammensetzungen identisch waren, welche in Beispiel 1, Scheibe #6, verwendet wurden, mit der Ausnahme, dass (1) der Diamant eine Korngröße von 45 Mikron (U.S. Mesh 270/325) aufwies und in den Schleifsegmenten mit 12,5 Volumen-% (50 Konzentration) vorhanden war und (2) die Segmentgrößen eine Sehnenlänge von 46,7 mm (133,1 mm Radius), eine Breite von 4,76 mm und eine Tiefe von 5,84 mm aufwiesen. Diese Segmente wurden entlang der Peripherie einer Seitenoberfläche eines tassenförmigen Stahlkerns mit einer zentralen Spindelbohrung verbunden. Die Oberfläche des Kerns wies entlang der Peripherie Rinnen auf, wodurch einzelne, flache Taschen mit den selben Breiten- und Längendimensionen wie jener der Segmente gebildet wurden. Ein Epoxid-Bindemittel (Technodyne HT-18 Bindemittel, erhalten von Taoka, Japan) wurde den Taschen und den Segmenten, welche in die Taschen eingesetzt wurden, zugegeben, und man lies das Haftmittel aushärten. Die fertiggestellte Scheibe ähnelte der in Fig. 2 gezeigten Scheibe.
Die Schleiftasse wurde erfolgreich zum Schleifen der Oberfläche eines Arbeitsmaterials bestehend aus einem festen Saphirzylinder mit 100 nun Durchmesser eingesetzt, wobei sich eine akzeptable Oberflächenflachheit unter vorteilhaften Schleifbedingungen in Bezug auf das G-Verhältnis, die MRR und den Energieverbrauch ergab.

Beispiel 5

Tassenförmige Schleifwerkzeuge vom Typ 2A2 (280 mm Durchmesser), die zum Abschleifen von AlTiC- oder Siliciumwafern geeignet sind, wurden mit den in Tabelle 3 unten beschriebenen Schleifsegmenten hergestellt. Außer wie unten angegeben wiesen die Segmente Größen von 139,3 mm Radiuslänge, 3,13 mm Breite und 5,84 mm Tiefe auf. Diamantschleifmittel mit Bindungs-Batch-Mischungen ausreichend zur Herstellung von 16 Segmenten pro Scheibe in den in Tabelle 3 gegebenen Proportionen wurden hergestellt, indem die gewogenen Komponenten durch ein 140/170 U.S. Mesh-Sieb gesiebt wurden und die Komponenten gemischt wurden, um sie gleichmäßig zu vermischen. Das für jedes Segment benötigte Pulver wurde gewogen, in eine Graphitform gegeben, nivelliert und kompaktiert. Die Graphitsegmentformen wurden bei 405ºC 15 Minuten lang bei 3000 psi (2073 N/cm²) heißgepresst. Nach dem Abkühlen wurden die Segmente aus der Form entfernt.
Der Zusammenbau einer Scheibe durch das Anhaften der Segmente auf einen maschinell bearbeiteten 7075 T6 Aluminiumkern erfolgte wie in Beispiel 1. Die Segmente wurden entfettet, sandgestrahlt, mit Haftmittel beschichtet und in Hohlformen gesetzt, welche so maschinell bearbeitet sind, dass sie der Scheibenperipherie entsprechen. Nach dem Aushärten des Haftmittels wurde die Scheibe auf Maß maschinell bearbeitet, ausgeglichen und geschwindigkeitsgetestet. Tabelle 3 Bindungszusammensetzung Tabelle 4 Schleifsegmentzusammensetzung Volumen-%
a. Das gesamte in den Segmenten verwendete Diamantkorn hatte eine Korngröße von 325 Mesh (49 Mikrometer), mit Ausnahme von Probe (1), bei welcher das Korn 270 Mesh (57 Mikrometer) aufwies. Die Diamantkonzentrationsniveaus sind unter dem Volumen-%-Wert Diamant angegeben.
b. Die Porosität wurde aus der Beobachtung der Mikrostruktur der Segmente eingeschätzt. Auf Grund der Bildung von intermetallischen Legierungen war die Dichte der Testproben oft größer als die theoretische Dichte von in den Segmenten verwendeten Materialien.

Beispiel 6

Schleifleistungsbewertung

Proben mit 280 mm Durchmesser, 29,3 mm Dicke, 228,6 mm Zentralbohrung, (11 in · 1,155 in · 9 in), niedriger Diamantkonzentration, von graphitgefüllten Segmentscheiben des Experiments, welche gemäß Beispiel 5 hergestellt wurden, wurden auf ihre Schleifleistung getestet. Die Leistung dieser Proben wurde mit jener der Kontrollabschleifscheibe von Beispiel 5 verglichen, welche mit der Hoch-(Konzentration 75) -diamantschleifsegmentzusantmensetzung von Beispiel 1 (Scheibe #6) ohne Graphitfüllstoff hergestellt wurde.
über 70 Schliffe, jeder 114,3 mm (4, 5 Inch) breit und 1,42 mm (0,056 Inch) tief, wurden an AlTiC-Werkstücken (AlTiC Grad 210, erhalten von 3 M Corporation, Minneapolis, MN) mit entweder 4,5 in (114,3 mm) oder 6,0 in (152,4 mm) Quadratdimensionen ausgeführt, und die Mikron an entferntem Material und die Normalschleifkraft wurden aufgezeichnet. Die Schleiftestbedingungen waren wie folgt:

Schleiftestbedingungen

Maschine: Strasbaugh Grinder Model 7AF
Schleifart: Vertikalspindelprofilschleifen
Scheibenspezifikationen: 280 mm Durchmesser, 29,3 mm Dicke und 229 mm Loch
Scheibengeschwindigkeit: 1.200 rpm (Umdrehungen pro Minute)
Arbeitsgeschwindigkeit: 19 rpm (Umdrehungen pro Minute)
Kühlmittel: Deionisiertes Wasser
Materialentfernungsrate: Variiert, 1,0 Mikron/Sek. bis 5,0 Mikron/Sek.
Die Scheiben wurden mit einem 6 Inch (152,4 mm) großen Nachbehandlungskissen der Spezifikation 38A240-HVS dress pad (Nachbehandlungskissen), erhalten von Norton Company, Worcester, MA, abgerichtet und nachbearbeitet. Nach dem anfänglichen Vorgang wurde das Abrichten und die Nachbearbeitung periodisch wie benötigt und bei Änderung von Tiefenvorschubraten durchgeführt.
Die Ergebnisse des Schleiftests (Normalkraft versus entferntes Material) für Beispiel 5, Beispiele 2,4 und 1 sind in Tabelle 5 unten und in Fig. 3 gezeigt. Tabelle 5 Normalschleifkraftwert versus entferntes Material
a. 2a ist Probe 2 von Tabelle 3 mit einer Schleifsegmentrandbreite von 3,13 mm.
b. 2b ist Probe 2 von Tabelle 3 mit einer Schleifsegmentrandbreite von 2,03 mm.
Diese Ergebnisse zeigen, dass eine bedeutende Zunahme der Normalkraft nötig war, um größere Mengen an Material bei höheren MRRs zu entfernen (im Bereich von 1 zu 3 bis 5 Mikron/Sek. MRR), wenn mit der Kontrollscheibenprobe ohne Graphitfüllstoff und einem Diamantschleifmittel Konzentration 75 Oberflächen geschliffen wurden. Im Gegensatz dazu benötigten die graphitgefüllten Scheiben von Beispiel 5 der Erfindung mit der niedrigen Diamantkonzentration (Proben 2a, 2b und 4) bedeutend weniger Normalkraft während des Schleifens. Die Kraft, die zur Entfernung einer äquivalenten Menge an Material bei einer MRR von 2 Mikron/Sekunde für die Scheibe der Erfindung nötig war, entsprach jener, die bei einer MRR von 1 Mikron/Sekunde für die Vergleichsscheibenprobe nötig war. Außerdem benötigten die Proben der Scheibe 2a etwa gleiche Normalkräfte, um bei entweder einer MRR-Rate von 1 Mikron/Sekunde oder einer MRR von 2 Mikron/Sekunde zu schleifen. Die erfindungsgemäßen Scheiben 2a, 2b und 4 von Beispiel 5 zeigten ebenso einen relativ stabilen Normalkraftbedarf, als die Menge an geschliffenem Material von 200 auf 600 Mikron schritt. Diese Art von Schleifleistung ist beim Abschleifen von AlTiC-Wafern höchst wünschenswert, da diese Niedrigkraft-Stabilzustand-Bedingungen einen thermischen und mechanischen Schaden am Werkstück minimieren.
Die Kontrollscheibe (Beispiel 1) konnte nicht bei höheren Materialentfernungsniveaus (zum Beispiel über etwa 300 Mikron) getestet werden, da die zum Schleifen mit diesen Scheiben benötigte Kraft die Normalkraftkapazität der Schleifmaschine überstieg, wobei die Maschine dazu gebracht wird, automatisch abzuschalten, und eine Ansammlung von Daten bei den höheren Materialentfernungsniveaus verhindert wird.
Man möchte sich zwar nicht auf eine bestimmte Theorie festlegen, doch es wird angenommen, dass die bessere Schleifleistung der graphitgefüllten Scheiben der Erfindung mit der niedrigen Diamantkonzentration mit der kleineren Anzahl an einzelnen Körnern pro Flächeneinheit des Schleifsegments, die mit der Oberfläche des Werkstücks zu irgendeinem Zeitpunkt während des Schleifens in Kontakt kommen, zusammenhängt. Obwohl ein Fachmann bei einer niedrigeren Diamantkonzentration eine niedrigere MRR erwarten würde, wird die Verbesserung der Schleifkraft bei der Erfindung unerwarteter Weise ohne einen Kompromiss in Bezug auf die MRR erreicht. Die Scheibe 2b, die eine Schleifsegmentbreite von 2,03 mm aufwies, benötigte weniger Kraft, um bei den selben Raten und Mengen der Materialentfernung zu schleifen, als dies bei der Scheibe 2a der Fall war, welche eine Schleifsegmentbreite von 3,13 nun aufwies. Die Probe der Scheibe 2b hat einen kleineren Oberflächenbereich und weniger Schleifpunkte in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks zu irgendeinem Zeitpunkt während der Schleifvorgänge, als dies bei der Probe der Scheibe 2a der Fall ist.

Claims

1. Oberflächen-Schleifwerkzeug umfassend einen Kern mit einer spezifischen Festigkeit von maximal 2,4 MPa-cm³/g, eine Kerndichte von 0,5 bis 8,0 g/cm³, eine kreisförmige äußere Begrenzung und einen Schleifrand, der durch eine Mehrzahl von Schleifsegmenten definiert ist, wobei die Schleifsegmente, in Mengen die in der Summe 100 Volumen-% ergeben, von 0,05 bis 10 Volumen-% Superschleifmittelkorn, von 10 bis 35 Volumen-% zerbröckelnden Füllstoff und von 55 bis 89,95 Volumen-% Metallbindungs-Matrix mit einer Bruchzähigkeit von 1,0 bis 6,0 MPa m1/2 enthalten.

2. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei der Kern ein metallisches Material ausgesucht aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Stahl, Titan und Bronze, Composite und Legierungen davon sowie deren Kombinationen enthält.

3. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die Schleifsegmente 60 bis 84, 5% Volumen-% Metallbindungs- Matrix, 0,5 bis 5 Volumen-% Schleifkorn und 15 bis 35 Volumen-% zerbröckelnden Füllstoff enthalten und die Metallbindungs-Matrix maximal 5 Volumen-% Porosität aufweist.

4. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei der zerbröckelnde Füllstoff ausgesucht ist aus der Gruppe bestehend aus Graphit, hexagonalem Bornitrid, hohlen keramischen Kugeln, Feldspat, Nephelinsyenit, Bimsstein, calciniertem Ton und Glaskugeln sowie deren Kombinationen.

5. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei das Schleifkorn ausgesucht ist aus der Gruppe bestehend aus Diamant und kubischem Bornitrid sowie deren Kombinationen.

6. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 5, wobei das Schleifkorn Diamant mit einer Korngröße von 2 bis 300 Mikrometer ist.

7. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die Metallbindung 35 bis 84 Gewicht-% Kupfer und 16 bis 65 Gewicht-% Zinn enthält.

8. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 7, wobei die Metallbindung weiterhin 0,2 bis 1,0 Gewicht-% Phosphor enthält.

9. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei das Schleifwerkzeug zumindest zwei Schleifsegmente enthält und diese eine längliche, bogenförmige Form und eine innere Krümmung aufweisen, die so ausgewählt ist, dass sie mit der kreisförmigen, äußeren Begrenzung des Kerns zusammenpassen, und jedes Schleifsegment zwei Enden aufweist, die so gestaltet sind, dass sie mit benachbarten Schleifsegmenten derart zusammenpassen, dass der Schleifrand durchgehend und im Wesentlichen ohne Lücken zwischen den Schleifsegmenten ist, wenn die Schleifsegmente mit dem Kern verbunden sind.

10. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei das Werkzeug ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Scheiben vom Typ 1A1 und Schleiftassen.

11. Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei die thermisch stabile Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend im Wesentlichen aus einer Epoxid-Haftverbindung, einer metallurgischen Verbindung, einer mechanischen Verbindung, und einer Diffusionsverbindung sowie deren Kombinationen.