[0001] Werkzeuge, die auf ihrer Arbeitsfläche mit einer Schicht aus Hartstoffschneidkörnern
wie beispielsweise CBN oder Diamant versehen sind, finden als Schleif-, Hon-, Trenn-
oder Abrichtwerkzeuge unter der Bezeichnung CBN-Schleifscheibe oder -Schleifschnecke,
CBN-Honrad, Trennscheibe, Formabricht- oder Profilabrichtrolle, Diamantabrichtzahnrad
etc. in vielen Fertigungsbereichen zunehmend Verwendung. Insbesondere in den Anwendungsfällen,
in denen sie als Profilschleifscheibe, Profilabrichtrolle oder Abrichtzahnrad eingesetzt
werden, sind an die topologische Genauigkeit ihrer Schneidoberfläche hohe Anforderungen
gestellt. Weil eine Nachbearbeitung der mit Hartstoffschneidkörnern besetzten Schneidoberflächen
nur begrenzt und mit hohem Aufwand möglich ist, werden solche Werkzeuge vielfach im
sogenannten Umkehrverfahren hergestellt, wobei das Werkzeug, ausgehend von einer genau
gefertigten Negativform, von Aussen, d.h. der umfangseitigen Hartstoffschneidkörnerschicht,
nach innen zur Werkzeugaufnahmebohrung aufgebaut wird.
[0002] In DE 37 26 855 A1 wird der Aufbau des Werkzeugs und die Verfahrensweise bei der
Werkzeugherstellung am Beispiel einer Abrichtprofilrolle beschrieben. Die Herstellung
des Metallrings mit den Hartstoffschneidkörnern auf dessen Peripherie ist zwar in
dieser Schrift nicht dargelegt. Es handelt sich dabei jedoch um ein bekanntes Verfahren.
Der Ring entsteht durch galvanisches Einnikkeln der an der umfangseitigen Innenwandung
der Negativform anliegenden Hartstoffschneidkörner. In diesen Ring wird ein vorzugsweise
aus gehärtetem Stahl gefertigter Grundkörper mit genau bearbeiteter Bohrung und stirnseitiger
Anschlagfläche eingesetzt, der zur Aufnahme des Werkzeugs auf der Werkzeugspindel
dient. Nach exakter Zentrierung des Grundkörpers zum Zentrum der Negativform mittels
einer geeigneten Vorrichtung werden der die Hartstoffschneidkörner tragende äussere
Metallring und der Grundkörper durch Ausgiessen des Zwischenraums mit bei niedriger
Temperatur verflüssigbarem Metall, z.B. einer Wismut-Zinnlegierung, oder einem selbstaushärtenden
reinen oder mit Feststoffpartikeln versetzten giessbaren Kunststoff zu einer Einheit
miteinander verbunden. Bei sehr hohen Genauigkeitsanforderungen ist es vielfach notwendig,
die Bohrung und die stirnseitige Anschlagfläche des Grundkörpers nach dem Vergiessen
vor der Entfernung der Negativform nachzuschleifen, um den geforderten Rund- und Planlauf
der Werkzeugschneidoberfläche zur Werkzeugspindel sicherzustellen.
[0003] Mit dem heute verwendeten Umkehrverfahren lassen sich sehr genaue Werkzeuge herstellen.
Die Vielzahl der Fertigungsoperationen und die langen Badzeiten für das Einnickeln
der Hartstoffschneidkörner verursachen jedoch lange Fertigungszeiten und hohe Fertigungskosten,
durch die die Wirtschaftlichkeit der Prozesse beschränkt wird, in denen sie heute
Verwendung finden.
[0004] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für den beschriebenen Verwendungszweck
ein Werkzeug und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, welche kürzere
Fertigungszeiten und niedrigere Herstellkosten ermöglichen. Erfindungsgemäss wird
diese Aufgabe durch ein Werkzeug und ein Herstellverfahren mit den Merkmalen gemäss
den Patentansprüchen gelöst.
[0005] Dabei werden unter Beibehaltung der hohen Form-, Rundlauf und Planlaufgenauigkeit
des zur Feinbearbeitung wie Schleifen und Honen oder zum Abrichten von Schleifscheiben,
Schleifschnecken und Honrädern eingesetzten Werkzeugs die Herstellungszeit und die
Herstellkosten erfindungsgemäss dadurch gesenkt, dass die auf die innere Wandung der
Negativform aufgebrachten Hartstoffschneidkörner nicht in einer galvanisch erzeugten
Metallschicht vollständig eingenickelt sondern nach nur kurzzeitigem Annickeln in
einer selbstaushärtenden Vergussmasse gebunden werden, welcher Feststoffpartikel aus
Metall, Glas, Kohlenstofffasern, Mineralien oder anderen geeigneten Materialien beigemengt
werden können, und dass der gesamte Zwischenraum zwischen der umfangseitigen inneren
Wandung und der den Aufnahmesitz und die Anlagestirnflächen bildenden Innenkontur
der Negativform mit Vergussmasse gefüllt wird, wodurch sich der Herstellaufwand des
Werkzeugs um die Herstellung, das genaue Positionieren und dass Vergiessen eines metallischen
Grundkörpers reduziert.
[0006] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen am
Beispiel einer Profilabrichtrolle näher beschrieben. Darin zeigen
- Figur 1
- einen Achsschnitt der erfindungsgemässen Negativform mit Profilabrichtrolle,
- Figur 2
- die in Figur 1 eingekreiste Einzelheit, vergrössert dargestellt, und
- Figur 3
- eine Variante zu Figur 2 mit angenickelten Hartstoffschneidkörnern
[0007] In dem hier gewählten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Negativform 1 des
Werkzeugs 2 ein direkt oder im Umkehrverfahren hergestellter topfförmiger Metallkörper,
der mit einem Deckel 3 verschlossen ist. Die Innenkontur der Negativform 1 entspricht
in ihrem Querschnitt dem umfang-, stirn- und bohrungseitigen Konturverlauf des Werkzeugachsschnitts.
Der Grund 11 des Hohlraums der Negativform 1, der Mantel 12 des zentralen zylindrischen
Zapfens 13 sowie die Innenseite 14 des Deckels 3 sind mit einer elektrisch isolierenden
Beschichtung versehen. Im geschlossenen Innenraum befinden sich beispielsweise eine
oder mehrere ringförmige Elektroden 15, die über einen isolierten Leiter 20 an den
einen Pol einer Gleichstromquelle 17 angeschlossen sind, deren anderer Pol über den
Schalter 16 mit der Negativform 1 verbunden ist.
[0008] Auf der umfangseitigen Innenfläche 4 der Negativform 1 liegen die Hartstoffschneidkörner
5. Der Innenraum der Negativform 1 ist ausgefüllt mit selbst aushärtender giessbarer,
mit Feststoffpartikeln 8 versetzter Vergussmasse 6, welche die Hartstoffschneidkörner
5 bindet und stützt und zugleich die stirnund bohrungsseitige Werkzeugaufnahme 7,
7' bildet.
[0009] Die Zusammensetzung der Vergussmasse 6 und die Art und Grösse der beigemengten Feststoffpartikel
8 sind so gewählt, dass die Festigkeit, die Wärmebeständigkeit und der Aushärteverzug
der Belastung bzw. den Genauigkeitsanforderungen des Werkzeugs optimal entsprechen.
Als Vergussmasse 6 sind zum Beispiel ein 2-Komponenten-Kunstharz und Keramik geeignet.
Die beigemengten Feststoffpartikel 8 sind vorzugsweise Metallspäne, Glassplitter,
Korundkörner, Keramikpartikel oder Mineralien wie beispielsweise Silikate oder Borate
mit unterschiedlichen Korngrössen und Kornformen. Durch gezielte Abstimmung der Anteile
an Feststoffpartikel 8, deren Material, Form, Grösse und Verteilung zu den Anteilen
an giessbarem Kunststoff lassen sich gewünschte Eigenschaften wie Formstabilität,
mechanische Festigkeit und Temperaturbeständigkeit optimal einstellen. Durch die Verwendung
unterschiedlicher Partikelgrössen können Zwischenräume zwischen grösseren Partikel
durch kleinere gefüllt werden, wodurch eine hohe Formstabilität und Festigkeit erreicht
wird. Als Hartstoffschneidkörner 5 eignen sich zum Beispiel Diamant-, CBN- oder Korundkörner.
Die Bohrungen 9, 10 dienen der Zuführung der flüssigen Vergussmasse 6 zum Innenraum
der Negativform 1.
[0010] Bei einer ersten Variante, die sich vor allem für kostengünstige Hartstoffschneidkörner
eignet, zum Beispiel solchen aus Korund, werden die Schneidkörner 5 in einer solchen
Menge in den Hohlraum der um ihre Achse 18 rotierenden Negativform 1 eingefüllt, dass
die Hartstoffschneidkörner 5 mindestens die ganze Innenfläche 4 der Negativform 1
bedecken. Die Schichtdicke wird dabei je nach Innenkontur 4 unterschiedlich sein.
Die rotierende Negativform 1 wird anschliessend über die Bohrungen 9, 10 mit flüssiger
Vergussmasse 6 gefüllt, wobei der Hohlraum zum Beispiel vorgängig evakuiert wird.
Die Vergussmasse wird ausgehärtet. Bei dieser Variante sind die Elemente 15, 16, 17
nicht erforderlich.
[0011] Bei teuren Hartstoffschneidkörnern zum Beispiel aus Diamant oder CBN werden die Schneidkörner
5 ebenfalls in der obigen Menge eingefüllt und die Form 1 1 um ihre Achse 18 gedreht.
Anschliessend wird ein nickelhaltiger Elektrolyt durch die Bohrungen 9, 10 eingefüllt.
Der Schalter 16 wird eingeschaltet, und die peripheren Körner 5 werden an die Innenfläche
4 mit einer dünnen Nickelschicht 19 angenickelt. Darauf wird der Deckel 3 geöffnet,
und alle ausser den angenickelten Schneidkörnern 5 sowie der Elektrolyt werden ausgeschüttet.
Der Deckel wird wieder geschlossen, und durch die Bohrungen 9, 10 wird die Vergussmasse
6 in der obigen Art eingefüllt. Die Rotation ist bei diesem Verfahrensschritt nicht
unbedingt erforderlich.
[0012] Statt des Annickelns kann diese Methode auch verwendet werden, indem die Innenfläche
4 der Negativform 1 vorgängig mit einem Haftmittel gleichmässig beschichtet wird.
[0013] Für das Annickeln der Schneidkörner 5 an die Innenfläche 4 kommt statt der Elektrolyse
auch ein chemisches Abscheiden von Metallen an dieser Innenfläche 4 in Frage.
[0014] Um unerwünschte Hohlräume im Werkzeugkörper zu vermeiden und die der Vergussmasse
6 beigemischten Feststoffpartikel 8 untereinander zu einer stabilen Anlage zu bringen,
wird die mit Vergussmasse gefüllte Negativform 1 geschleudert und/oder gerüttelt und/oder
unter Vakuum gesetzt.
[0015] Nach dem Aushärten der Vergussmasse 6 wird die Negativform beispielsweise durch Zerspanen
und Abätzen entfernt und bei Bedarf die Aufnahmebohrung des Werkzeugs durch eine geeignete
Nachbearbeitung auf das geforderte Mass gebracht. Allfällige Angussreste an den Zuführstellen
der Vergussmasse 6 in den Innenraum der Negativform 1 werden mittels spanendem Abtrag
entfernt.
1. Werkzeug zum Schleifen, Honen oder Trennen oder zum Abrichten von Schleif-, Hon- oder
anderen Feinbearbeitungswerkzeugen mit einer Aufnahmebohrung (7) und stirnseitigen
Anlageflächen (7') zur Aufspannung auf einer Werkzeugspindel oder einen Werkzeugspanndorn,
dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Werkzeugkörper einschliesslich der Aufnahmebohrung
(7) und der stirnseitigen Anlageflächen (7') aus ausgehärteter Vergussmasse (6) besteht,
in die zumindest an der Peripherie (4) Hartstoffschneidkörner (5) eingebettet sind.
2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (6) aus einer
Mischung aus Kunstharz oder Keramik und Feststoffpartikeln (8) besteht.
3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der Vergussmasse
(6) beigemischten Feststoffpartikel (8) unterschiedliche Form und Grösse aufweisen.
4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffpartikel
(8) Mineralien, insbesondere Silikate und Borate sind.
5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkörper
aus Vergussmasse (6) mit zonenweise unterschiedlicher Zusammensetzung besteht.
6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschneidkörner
auf der Arbeitsoberfläche des Werkzeugs zusätzlich durch eine galvanisch oder chemisch
erzeugte Metallschicht (19) gebunden sind.
7. Verfahren zur Herstellung des Werkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mittels einer
Negativform (1), deren umfangseitige Innenkontur (4) das Negativ der umfangsseitigen
Aussenkontur des Werkzeugs darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Herstellung
des Werkzeugs verwendete Negativform (1) mit einem Deckel (3) verschlossen wird, dass
der so gebildete Hohlraum neben der umfangseitigen Aussenkontur auch die Konturen
der Aufnahmebohrung und der Stirnseiten des Werkzeugs (2) enthält und dass zur Bildung
des Werkzeugkörpers der gesamte Hohlraum der Negativform (1) mit Vergussmasse (6)
gefüllt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Negativform (1) während
des Einfüllens der Vergussmasse (6) rotiert.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Negativform (1)
nach dem Einfüllen der Vergussmasse (6) geschleudert und/oder gerüttelt und/oder unter
Vakuum gesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschneidkörner
(5) an der umfangseitigen Innenfläche (4) der Negativform (1) vor deren Auffüllen
mit Vergussmasse (6) mittels einer galvanisch oder chemisch erzeugten Metallschicht
(19) gebunden werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem aus
der Negativform (1) und dem Deckel (3) gebildeten Hohlraum in zeitlicher Aufeinanderfolge
Vergussmasse (6) mit unterschiedlicher Zusammensetzung zugeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem aus
der Negativform (1) und dem Deckel (3) gebildeten Hohlraum zur Bildung der Aussenzone
des Werkzeugs Vergussmasse zugeführt wird, die mit Hartstoffschneidkörnern 5 versetzt
ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmebohrung
(7) und die stirnseitigen Anlageflächen (7') des Werkzeugs mittels eines geeigneten
Feinbearbeitungsverfahrens, vorzugsweise Schleifen oder Läppen, nachbearbeitet werden.