Hoehleistungssehleifverfahren, insbesondere zur Bearbeitung von Metallen aller Härtegrade Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochleistungs- schleifverfahren, insbesondere zur Bearbeitung von Metallen aller Härtegrade, unter Verwendung .einer mit hoher Umfangsgeschwindigkeit umlaufenden, mit ihrem Umfang schleifenden Scheibe, einer grossen Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes und zwei Kühlmittelstrahlen hoher Geschwindigkeit, die von gegenüberliegenden Seiten auf die Schleifstelle ge richtet sind.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Er höhung der Spanleistung einen Schnellschliff mit mehrstufigen Schleifscheiben auszuführen, die aus konzentrischen, mit Stirnflächen schleifenden Topf scheiben bestehen. Nach diesen von Osenberg durch geführten Versuchen soll ein wirksames Schnellschlei fen durchführbar sein, wenn die Schleifkörper eine hohe Umfangsgeschwindigkeit haben, ferner eine hohe Vorschubgeschwindigkeit angewendet wird,
temperaturfeste Schleifkörper Verwendung finden und grosse und breite Spanräume zwischen den stirn- seitigen Schleifflächen der Topfscheiben vorhanden sind. Man geht hierbei von der überlegung aus, dass beim Auftreffen eines Schleifkorns auf das Werk stück hohe Oberflächentemperaturen (bis 1650 ) auftreten, und dass solche hohen Temperaturen er wünscht sind, da sich bei der Warmbearbeitung von Metallen bzw. Stahl kleinere Schnittkräfte ergeben, die hohe Schnittgeschwindigkeiten ermöglichen.
Diese Versuche mit mehrstufigen Schleifscheiben haben sich in der Praxis nicht bewährt, da die höhere Spanleistung mit einem ausserordentlich hohen Verschleiss der Schleifscheibe verbunden ist. Bei keramischen Schleifscheiben ist dieser Schle-if scheibenverschleiss annähernd so gross wie die Menge des zerspanten Materials, und bei kunststoffgebun denen Schleifscheiben beträgt der Verschleiss etwa 33% der Spanmenge. Dieser ausserordentliche Ver schleiss, ebenso wie die hohe Temperatur haben ihre Ursache darin, dass die beim Schleifen erzeugten Späne und gelösten Schleifkörner zwischen den Stirnflächen der Schleifscheibe und dem Werkstück eingeklemmt sind, bevor sie nach aussen geschleudert werden, so dass damit eine schädliche Reibung ent steht,
die das Werkstück erhitzt und die Schleif scheibe rasch abnutzt.
Ein Schnellschliff mit diesem bekannten Ver fahren ist also. nicht nur sehr unwirtschaftlich, son dern es ist auch ein Präzisionsschliff, das heisst ein Schleifen auf ein genaues Mass nicht möglich, weil die Zustellung der Schleifscheibe im Hinblick auf den enormen Verschleiss nicht mit der tatsächlich erziel ten Schnittiefe übereinstimmt.
Die Erfindung geht genau im Gegensatz zu dem vorerwähnten Schnellschleifverfahren von folgenden Gedanken aus: Die Schleifscheibe, die als Fräswerk- zeug mit .einer Vielzahl von Schneiden an den wirk samen Schleifkörnern anzusehen ist, soll in ihrer Schneidfähigkeit möglichst lang erhalten bleiben, und es soll demgemäss auch der Verschleiss der Scheibe möglichst gering sein.
Das setzt jedoch voraus, dass die an der Schleif- bzw. Schneidstelle entstehende Wärme einerseits auf ein Minimum beschränkt und die Wärme anderseits so abgeführt wird, dass sie sich auf das Werkstück nicht übertragen kann.
Nach den früheren Vorschlägen des Erfinders wird in die sem Sinn an Stelle von mehreren stirnseitig schlei fenden Topfscheiben eine mit hoher Umfangsge- schwindigkeit umlaufende, mit ihrem Umfang schlei fende Scheibe verwendet, gegenüber welcher das Werkstück mit grosser Vorschubgeschwindigkeit be wegt wird und ferner zwei Kühhnittelstrahlen hoher Geschwindigkeit von gegenüberliegenden Seiten auf die Schleifstelle gerichtet werden.
Eingehende Untersuchungen des Erfinders haben nun ergeben, dass die Spanleistung dieses Schleif verfahrens aussergewöhnlich gesteigert und zugleich überraschenderweise der Schleifscheibenverbrauch auf einen minimalen Wert gesenkt werden kann, wenn dieses Hochleistungsschleifverfahren mit einer Kombination ganz bestimmter Merkmale durchge führt wird, nämlich a) Verwendung einer kunstharzgebundenen Schleif scheibe mit einem Härtegrad von mindestens Q und einer Körnung von l6-36; b) ständiges Schärfen der Schleifkörner und Profi lierung der Schleifscheibe während des Schleifens;
c) Austritt der Kühlmittelstrahlen in grösstmöglicher Nähe der Schleifstelle mit einem hohen Druck von etwa 4-6 atü an der Austrittsstelle; d) eine Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe von mindestens 50 m/sek.; e) eine Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes von 0,8-1 m/sek.
Mit diesem Schleifverfahren ist es möglich, eine sehr hohe Spanleistung bei verblüffend geringem Schleifscheibenverschleiss zu erzielen. Bei der Bear beitung von Metal'l'en aller Härtegrade einschliess lich Stahl kann eine spezifische Spanmenge von 5-8 cm3 pro kW und Minute erzielt werden. Bei dieser sehr grossen Spanleistung wäre ein entspre chend hoher Schleifscheibenverbrauch zu erwarten.
Bei der Einhaltung der vorerwähnten Kombinations merkmale des vorliegenden Schleifverfahrens ist je doch überraschenderweise dieser Schleifscheibenver- brauch ausserordentlich niedrig und beträgt nur (in Volumen gerechnet) etwa 3-7% der Spanmenge. Dank dieser ungewöhnlich niedrigen Abnutzung der Schleifscheibe ist mit dem Verfahren nicht nur ein Schnell- bzw.
Grobschliff möglich, sondern auch ein Präzisionsschleifen. Im Hinblick auf die ganz geringfügige Abnutzung der Scheibe ist nämlich die Zustellung der Schleifscheibe, die bei diesem Ver fahren durchschnittlich 0,04 mm betragen kann, genau gleich der Schnittiefe, das heisst genau gleich der Dicke der vom Werkstück abgenommenen Schicht. Es ist also kein Nachmessen des Werk stückes bzw. kein nochmaliges Nachschleifen bis auf das vorgeschriebene Mass erforderlich.
Das Schleifverfahren ist im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungs beispielen (Flächenschleifen) erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer Schleif scheibe mit Kühl- und Abrichtvorrichtung und hin und her bewegtem Werkstück, Fig. 2 eine Aufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1, ohne Schleifscheibe, Fig. 3 die Unteransicht einer Schleifscheibe mit profilierter Schleiffläche und Kühlvorrichtung, Fig. 4 einen Teil einer Schleifscheibe im Schnitt beim Abrichten. Fig. 5 und 6 zeigen das Schleifen eines zylin drischen Werkstückes mit einer besonderen Schleif scheibe, in schaubildlicher Darstellung und in Sei tenansicht.
Es bezeichnet 1 eine um die Achse A-A umlau fende, mit ihrem Umfang 2 schleifende Scheibe, 3 ein gegenüber der Schleifscheibe mit der Geschwin digkeit v hin und her bewegtes Werkstück, 4 zwei. zwischen Werkstück und Schleifscheibe angeordnete Düsen für das Kühl- und Schmiermittel und 5 ein Werkzeug zum Schärfen der Schleifscheibe.
Die Schleifscheibe 1 läuft mit einer hohen Um fangsgeschwindigkeit u um, die mindestens 50 m/sek. bzw. etwa 60-80 m/sek. beträgt. Vorzugsweise wird eine höhere Umfangsgeschwindigkeit von 80 m ge wählt, da sie den Durchgang der Schleifkörner am Werkstück vervielfacht und damit eine maximale Spanleistung sichert. Bei wesentlicher überschrei tung dieser Umfangsgeschwindigkeit werden die beim Schleifen auf die Schneiden der Schleifkörner auftretenden Stösse zu gross, so dass die Schneiden bzw. Schleifkörner ausbrechen.
Eine Umfangsge schwindigkeit von 50-60 m ist jedoch bereits aus reichend, da damit eine so hohe Schnittgeschwin digkeit erzielt wird, dass die abgetrennten Späne nicht Zeit haben, ihre Wärme auf das Werkstück zu übertragen.
Wenn z. B. die Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe 60 m/sek. beträgt und die erzeugten Späne eine mittlere Länge von 0,5 mm aufweisen, so werden diese Späne jeweils in 1/12"(),o sek. ge schnitten. Diese so kurze Schnittzeit macht die über tragung der Wärmekalorien auf das Werkstück prak tisch zu Null.
Aus dem gleichen Grunde wird auch das Werk stück 3 mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit v von 0,8-1 m/sek. bewegt. Diese Geschwindigkeit versteht sich sowohl für hin und her bewegte als auch sich drehende zylindrische Werkstücke. Diese hohe Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes ge genüber der Scheibe ist notwendig, damit die Kalo rien, die von den Spänen übertragen werden können, sich auf eine möglichst grosse Oberfläche des Werk stückes verteilen.
Zur Durchführung des vorliegenden Schleifver fahrens ist ferner eine besondere Schmierung und Kühlung erforderlich. Mittels der gegenüberliegen den Düsen 4 wird zweckmässig Öl als Kühl- und Schmiermittel unter einem hohen Druck, der an der Austrittsstelle 6 der Düsen etwa 4-6 atü beträgt, der Schleifstelle 7 zugeführt. Durch den hohen Druck entstehen zwei entgegengesetzt gerichtete, sich an der Schleifstelle treffende Kühlmittelstrahlen, durch die unmittelbar an der Schleifstelle ein homogenes öl bad geschaffen wird, welches die jeweils wirksamen Schneiden der Schleifkörner umspült.
Es wird damit jede Kavitation an der Schleifstelle vermieden, welche die Ursache für eine starke örtliche Erhitzung ist, die nicht nur eine vorzeitige Abnutzung der Schleifkörner, sondern auch eine Beschädigung der Werkstückoberfläche (z. B. feine Haarrisse) zur Folge hätte.
Diese Kavitationserscheinungen treten einerseits durch die beim Umlauf der Scheibe erzeugte Luft turbulenz auf, durch welche an der Berührungsstelle zwischen Scheibe und Werkstück ein örtliches Va kuum erzeugt wird.
Anderseits. wird beim Ausheben von jedem Span durch die Schneide eines Schleifkorns jeweils eine kleine Nut gebildet, durch die ebenfalls ein Vakuum bzw. eine Mikrokavitation entsteht.
Beide Kavitationserscheinungen werden dadurch von vornherein unterbunden, dass im Sinne der Er findung an der Schleifstelle 7 ständig Kühlmittel mit einem grösseren Überdruck vorhanden ist, das Unter druckstellen bzw. die erwähnten kleinen Nuten im Augenblick ihrer Entstehung ausfüllt.
Durch diese besondere intensive Kühlung und Schmierung der Schnittstelle - in Verbindung mit den nachstehend noch erörterten Massnahmen - tritt an der Berührungsstelle zwischen Schleifscheibe und Werkstück trotz grosser Spanleistung nur eine er staunlich geringe Wärmeentwicklung auf. Dies zeigt sich darin, dass bei dem Schleifvorgang das Werk stück praktisch kalt bleibt bzw. nur handwarm wird und die erzeugten Metall- bzw. Stahlspäne zum grössten Teil keine Verfärbung zeigen. Die sonst beim Schleifen durch hohe Wärmeentwicklung gebil deten Schmelzkugeln in den Spänen sind bei dem vorliegenden Schleifverfahren überhaupt nicht vor handen.
Charakteristisch für dieses Schleifverfahren ist die Spanbildung, wie sie bei Drehbänken mit Dreh stählen auftritt. So werden beispielsweise Späne er zielt, die bei weichem Stahl eine Länge von 0,5 bis 2,0 mm und eine Breite von 0,04-0,06 mm, und bei gehärtetem Schnellstahl eine mittlere Länge von 0,7 mm und eine Breite von 0,02-0,05 mm haben.
Die besonders wirksame Kühlung und Schmie rung der Schnittstelle wird nicht nur durch die ent gegengesetzt auf die Schleifstelle gerichteten, unter hohem Druck austretenden Ölstrahlen, sondern auch dadurch erzielt, dass eine grössere Ölmenge zuge führt wird, die insgesamt etwa 15 Liter pro Minute und pro cm Schleifscheibenbreite beträgt.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind die Kühlmittelaustritte 6 so nahe wie möglich an die Schleifstelle 7 herangerückt, wobei ausserdem die Düsen 4 keilartig so zwischen Schleifscheibe und Werkstück angeordnet sind, dass nur kleinste Spalte zwischen Schleifscheibe und Düsen bzw. zwischen Düsen und Werkstück vorhanden sind. So beträgt der Spalt<I>s</I> zwischen der sich über die Breite<I>b</I> der Scheibe erstreckenden Düse 6 und dem Schleifschei- benumfang 2 nur etwa 0,2 mm.
Dank dieser Anord nung entsteht also im Bereich der Schleifstelle 7 eine weitgehend abgeschlossene Druckölzone. Das zur Schleifstelle gepresste Öl kann, wie mit Pfeilen in Fig. 2 angedeutet, an der Schleifstelle nur nach bei den Seiten entweichen. Die Düsenaustritte 6 sind stets dem Profil der Schleifscheibe angepasst. So zeigt Fig. 3 beispielsweise bei einer Schleifscheibe 10 mit profilierter bzw gekrümmter Schleiffläche 11 die Anordnung von Düsen 12 mit entsprechend ge krümmtem Düsenaustritt 13, der sich eng an die Fläche 11 anschmiegt.
Durch die besondere aus Fig. 1 ersichtliche Anordnung der Düsen 4, die keil artig die Zwischenräume zwischen Schleifscheibe und Werkstück ausfüllen und sich dicht an die Schleifscheibe anschmiegen, kann die von der rotie renden Schleifscheibe mitgerissene turbulente Luft überhaupt nicht mehr in die Nähe der Schleifstelle gelangen, so dass auch eine Vakuumbildung an die ser Stelle von vornherein vermieden wird.
Von besonderer Bedeutung für die Durchfüh rung des vorliegenden Schleifverfahrens ist ferner die Art der Schleifscheibe. Erfindungsgemäss wird eine Schleifscheibe mit hartem bis sehr hartem synthe tischen Bindemittel und mit Schleifkörnern grober Körnung verwendet. Es eignen sich hierfür Schleif scheiben mit Kunstharzbindung, die eine Mindest härte von Q, vorteilhaft die Härte T, aufweist und ein dichtes Gefüge haben.
Das Bindemittel der Schleifscheibe muss so hart sein, dass weder durch den Arbeitsdruck zwischen Schleifscheibe und Werk stück, noch durch den vom Schärfwerkzeug 5 aus geübten Druck oder Schlag die Schleifkörner aus der Schleifscheibe herausgerissen werden. Von Be deutung ist ferner die Art der Schleifkörner. Es wer den Schleifkörner, vorteilhaft aus Kunstkorund, mit einer groben bis mittelgroben Körnung, das heisst einer Körnung von 16-36, verwendet, vorzugsweise in der Körnung von 24-30.
Die Verwendung von groben Schleifkörnern hat verschiedene Wirkungen: Grobe Schleifkörner dieser Grösse stellen gegenüber dem Schärfwerkzeug eine genügend schwere Masse dar. Feinere Körner haben gegenüber den Stössen des Schärfwerkzeuges nicht genügend Masse, und es ist deshalb schwierig, von solchen feinen Körnern feine Teilchen mit einem Schärfwerkzeug abzusplit tern.
Ausserdem haben grobe Schleifkörner in Verbin dung mit dem nachbeschriebenen Schärfen der Schleifscheibe den Vorzug - wie in Fig. 4 veran schaulicht -, dass auf jedem Schleifkorn 8 eine grössere Zahl von Schneidkanten 9 gebildet werden, so dass durch die Vervielfältigung der Schneidkanten und -spitzen auf den groben Körnern die Leistung der Schleifscheibe beträchtlich erhöht wird.
Zur Durchführung des Schleifverfahrens, das heisst zur Erzielung einer hohen spezifischen Span leistung bei geringstem Verschleiss der Schleifscheibe ist ferner ein ständiges Schärfen der Schleifkörner und zugleich die Profilierung der Schleifscheibe wäh rend des Schleifens erforderlich. Hierzu kann ein Ab- richtdiamant 5 (als passives Werkzeug) benutzt wer den, der mit einer gewissen radialen Zustellung z angestellt und längs des Schleifscheibenumfangs bzw. parallel zur Achse<B>A -A</B> langsam in Richtung <I>a</I> hin- und wieder zurückbewegt wird.
Im Hinblick auf den überraschend geringen Verschleiss der Scheibe ist nur eine sehr kleine Zustellung z des Diamanten von etwa 0,002-0,010 mm notwendig, wobei der Dia mant in Richtung a mit etwa 0,02-0,10 mm pro Umdrehung bewegt wird. Je grösser diese Vorschub geschwindigkeit a ist, um so weiter sind die vom Diamanten jeweils erzeugten Schneidkanten in axialer Richtung voneinander entfernt. Da die Schleifscheibe mit einer sehr hohen Umfangsgeschwindigkeit um läuft, so treffen die Schleifkörner 8 mit hoher kine tischer Energie auf die Spitze des passiven Diaman ten 5.
Dies bewirkt, dass - auch im Hinblick auf die sehr kleine Zustellung z - nur von der Oberfläche der Schleifkörner feinste Teilchen abgesplittert wer den, so dass auf jedem Schleifkorn eine Mehrzahl von Schneiden entsteht, wie in Fig. 4 veranschaulicht. Infoge dieses kontinuierlichen Abziehvorganges wäh rend des Schleifens werden die Schleifkörner ständig scharf gehalten. Es hat sich herausgestellt, dass trotz der verhältnismässig groben Körnung dieser Schleif körner eine hohe Präzision bzw. eine hohe Ober flächengüte mit diesem Schleifverfahren erreicht wer den kann.
Das ständige Schärfen der Schleifscheibe kann auch mit einem Schlagwerkzeug 5 ausgeführt wer den, das in Richtung B radial zur Schleifscheiben achse schnell hin und her bewegt wird. Die Spitze des Schlagwerkzeuges trifft also in rascher Folge mit einem Schlag auf die Schleifkörner auf und splittert von deren Oberfläche feinste Teilchen ab. Vorzugs weise wird das Schlagwerkzeug mit Ultraschall frequenz hin und her bewegt.
Um die oben erwähnte öldruckzone im Bereich der Schneidstelle 7 aufrechtzuerhalten, werden die beiden Kühlmittelstrahlen in Abhängigkeit von der Abnutzung der Schleifscheibe so verstellt, dass ihr Abstand bzw. der Abstand s der Düsen 6 von dem Umfang der Schleifscheibe konstant bleibt.
Dem gemäss sind die Verstelleinrichtungen von Schärf- werkzeug 5 und Düsen 4 so miteinander gekoppelt, dass gleichzeitig mit der Zustellung z des Schärf- werkzeuges eine Zustellung z1 der Düsen in ent- gegengesetzter Richtung erfolgt, wobei z und z,, gleich gross sind.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass bei Durchführung des vorliegenden Schleifverfahrens praktisch für alle Metalle einschliesslich Stahl grosser Härte und Festigkeit, also für Metalle und Stähle aller Härtegrade die gleichen Schleifscheiben, das heisst Schleifscheiben mit hartem Bindemittel und Schleifkörnern grober Körnung Verwendung finden können.
Dies steht im Gegensatz zu der bisherigen Erfahrung, gemäss welcher die Härte des zu schlei fenden Materials mit der Härte des Schleifscheiben bindemittels in bestimmter Abhängigkeit steht und demgemäss zum Schleifen harter Metalle Scheiben mit weichem Bindemittel und umgekehrt Verwen dung finden müssen.
Mit dem vorliegenden Schleifverfahren können auch weichere, zur Verschmierung der Schleifscheibe neigende Metalle geschliffen werden. Ein Verstopfen der Schleifscheiben durch Späne, die sich auf deren Oberfläche festsetzen, wird durch das ständige Ab richten der Scheibe mit dem Schärfwerkzeug 5 ver hindert.
Die Zustellung C der Schleifscheibe nach jedem Hub v des Werkstückes kann von 0,01 bis zu 0,1 mm betragen, und zwar in Abhängigkeit von der Mate rialhärte bzw. auch in Abhängigkeit davon, ob grob oder fein geschliffen werden soll.
In Fig. 5 und 6 ist das erfindungsgemässe Schlei fen eines zylindrischen Werkstückes 14 mit einer be sonderen Schleifscheibe 15 veranschaulicht, die vor teilhaft auch zum Schleifen von ebenen Flächen Ver wendung finden kann. Diese Schleifscheibe weist eine zum Grobschleifen bestimmte, sich über eine erheb liche Breite d der Scheibe erstreckende, schwach konische Schleifzone 16, und eine zum Feinschliff bestimmte, zylindrische Schleifzone 17 auf. Vorteil haft erstreckt sich die konische Schleifzone 16 an nähernd über die halbe Breite der Schleifscheibe, wie aus Fig. 6 hervorgeht. Der Konuswinkel ist wesentlich kleiner als dargestellt und beträgt nur etwa 2 .
Die Grösse dieses Winkels wird so ge wählt, dass bei jeder Umdrehung des in Pfeilrichtung D bewegten Werkstückes die Dicke der von dem Schleifkonus 16 abgehobenen Späne 0,01-0,03 nun beträgt.
Die unterschiedliche Schleifwirkung der Zonen 16 und 17 kann noch dadurch verstärkt werden, dass die Zone 1.6 gröbere und die Zone 17 feinere Schneiden aufweist. Zu diesem Zweck kann eine Schleifscheibe mit groben Schleifkörnern gleicher Grösse Verwendung finden, wobei deren konische Schleifzone 16 durch schnellere Vorschubbewegung a des Abrichtwerkzeuges 5 und deren zylindrische Schleifzone 17 durch langsamere Bewegung a des Abrichtwerkzeuges geschärft wird.
Durch die schnel lere Bewegung a (Fig. 1) entstehen weniger zahl reiche, aber tiefere Schneiden 9 (Fig. 4), während bei langsamer Bewegung a eine grössere Zahl von Schneiden entsteht, die jedoch eine geringere Höhe aufweisen.
Die Verwendung einer Schleifscheibe mit einem in der Hauptsache schleifenden Konus 16 nach Fig. 5 und 6 hat gegenüber einer normalen Scheibe mit zy lindrischer Schleiffläche auch den Vorzug des ge ringeren Verschleisses, da nicht nur eine Kante der Schleifscheibe, sondern eine grössere Konusfläche 16 zur gleichmässigen Wirkung kommt.