DD296709A5 - Verfahren zum haerten der schneidkanten von saegen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Haerten der Schneidkanten von Saegen, Messern und Stanzwerkzeugen, vornehmlich fuer die Bearbeitung von Holz, Papier, Karton, Kunststoffen, Leder und Textilien mittels eines Energiestrahles, der ueber die zu haertenden Bereiche des Werkzeuges gefuehrt wird. Eine optimale Haertung wird dadurch erreicht, dasz als Energiestrahl ein Plasmastrahl verwendet wird, wobei der Plasmastrahl (2) mit einer Relativgeschwindigkeit (v) in bezug auf die Schneidkante des Werkzeuges von 5 bis 100 mm/sek gefuehrt wird und wobei der Abstand der Austrittsduese des Plasmabrenners (1) von der Schneidkante 2 bis 14 mm betraegt und wobei weiteres die Leistung des Plasmastrahles zwischen 1 und 10 kW liegt, sowie der Durchmesser (d) bei der Austrittsduese des Plasmabrenners (1) 3 bis 7 mm betraegt. Fig. 1

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten der Schneidkanten von Sägen, insbesondere für die Holzbearbeitung, sowie Messern oder Stanzwerkzeugen für die Holz-, Papier-, Kartonagen-, Kunststoff-, Leder- oder Textilienbearbeitung mittels eines Energiestrahles, der über die zu härtenden Bereiche dieser Werkzeuge geführt wird. Sägen, Messer oder Stanzwerkzeuge für den genannten Einsatzbereich verschließen an den Schneidkanten. Die Standzeit dieser Werkzeuge hängt ab von der Qualität der

Schneide (verwendetes Material, Härteverfahren), vom Schneidgut und von der Schnittleistung. Nach dem Ende der Standzeit werden diese Werkzeuge entweder nachgeschliffen oder verschrottet. Viele Sägen-, Messer- und Stanzwerkzeugtypen bestehen aus Kohlenstoffstahl, der durch Erwärmung und anschließender schneller Abkühlung leicht gehärtet werden kann. Da eine solche Härtung jedoch stets mit der Abnahme der Zähigkeit verbunden ist, ist eine große Härte lediglich im Bereich der Schneidkanten erwünscht. Die übrigen Teile einer Säge, eines Messers oder eines Stanzwerkzeuges sollen eine geringere Härte, dafür jedoch eine größere Zähigkeit aufweisen.

Bekannte Verfahren zur partiellen Härtung der Schneidkanten verwenden Elektronen- oder Laserstrahlen als Energiequelle. Nachteilig bei der Härtung mit Elektronenstrahlen oder Laserstrahlen sind die aufwendigen Vorrichtungen, die zur Durchführung solcher Verfahren benötigt werden. Aus diesem Grund haben sich solche Verfahren in der Praxis bisher kaum durchgesetzt. Ein weiteres bekanntes Härtungsverfahren ist die Induktive Härtung. Nach dem Schleifen der Schneidkante wird der Schneidenbereich durch einen Wirbelstrom, erzeugt durch ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, erhitzt und durch rasche Abkühlung gehärtet.

Weiters ist es aus der WO 83/00051 bekannt, eine oberflächige Härtung flächiger Bereiche mittels eines Plasmastrahles durchzuführen. Eine Härtung von Schneidkanten mittels Plasmastrahlen wurde bisher noch nicht in Betracht gezogen, da solche Plasmastrahlen eine zu geringe Stabilität aufweisen.

Bei Sägen ist das Aufschweißen von Stellite auf die Zahnspitzen bekannt. Das aufgeschweißte Stellite-Material wird anschließend auf die gewünschte Zahnspitzenform zugeschliffen. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Härten der Schneidkanten von Sägen, Messern und Stanzwerkzeugen anzugeben, bei dem ein einfach herzustellender und kostengünstig zu betreibender Energiestrahl verwendet wird. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß als Energiestrahl ein Plasmastrahl verwendet wird, wobei der Plasmastrahl mit einer Relativgeschwindigkeit in bezug auf das Werkzeug von 5 bis 100 mm/sek geführt wird und wobei der Abstand der Austrittsdüse des Plasmabrenners von der Schneidkante im Bereich zwischen 2 und 14mm liegt und wobei weiters die Leistung des Plasmastrahles zwischen 1 und 1OkW liegt, sowie der Durchmesser bei der Austrittsdüse des Plasmabrenners zwischen 3 und 7mm liegt.

Überraschenderweise wurde festgestellt, daß es bei genau abgestimmter Konstellation von Parametern durchaus möglich ist, einen Plasmastrahl zum Härten der Schneidkanten dieses Werkzeugs einzusetzen, wobei es weiters nur bei diesen Parametern möglich ist, die Härtung durch Selbstabschreckung, also ohne zusätzliche Abkühlung, etwa durch Luft oder Wasser, zu erreichen. Mit der Vorschubgeschwindigkeit ν wird die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit auf optimale Werte an unterschiedliche Materialdicken und Schneidenwinkel angepaßt. Bei dünneren Blattstärken, insbesondere unter3mm, bzw. bei kleineren Schneidenwinkeln, insbesondere unter 25°, ist die Vorschubgeschwindigkeit höher zu wählen, da sonst die Kühlrate infolge der beschränkten Wärmeableitung in das Grundmaterial für eine ausreichend hohe Härtung zu klein ist. Bei größeren Blattstärken bzw. Schneidenwinkeln kann die Vorschubgeschwindigkeit zur Erzielung größerer Härtezonen kleiner gewählt werden. Plasmastrahlen werden durch Ionisation von Argon oder Stickstoff bzw. Mischgasen hergestellt. Die Ionisation erfolgt durch eine elektrische Bogenentladung oder durch Anregung mit einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld. Durch geeignete Formgebung der Elektroden bzw. der Düsen wird ein Strahl erzielt, in dessen Achse Temperaturen bis 15000°C erreicht werden. Wird ein solcher Plasmastrahl mit den erfindungsgemäßen Parametern über die geschliffene Schneidkante einer Säge, eines Messers oder eines Stanzwerkzeuges geführt, so erhitzt sich ein lokaler Bereich der Schneidkante mit Erwärmungsraten bis 5000K/sek. Nach der Beendigung der Energiezufuhr kühlt die Schneidkante durch Selbstabschreckung, d.h. durch Wärmeabfuhr in das Grundmaterial des Werkzeug mit Abkühlgeschwindigkeiten bis 10OOK/sekab. Dabei entsteht ein feinkörniges Martensitgefüge mit Härten bis 1000HV (Vickers-Härte).

Kritisch ist jedoch bei solchen Verfahren, daß die Schneidkante während der Wärmebehandlung nicht aufschmelzen darf. Trotzdem muß eine ausreichend hohe Erwärmung im Bereich der Schneidkante gegeben sein, um die gewünschte Aushärtung sicherzustellen. Dies wird nur bei den oben angegebenen Parameterkonstellationen erreicht. Besonders günstige Bedingungen für die Härtung ergeben sich bei folgenden Werten

Leistung des Plasmastrahles: 1 bis 5 kW

Durchmesser des Strahles bei der

Austrittsdüse des Plasmabrenners: 4 bis 5,5 mm

Abstand der Austrittsdüse des

Plasmabrenners von der Schneidkante: 3 bis 9 mm

Relativgeschwindigkeit des Plasmastrahles

bezüglich der Schneidkante: 15 bis 50 mm/sek

Vorzugsweise wird ein Messer oder ein Stanzwerkzeug durch mechanische Bewegung entlang der Schneidkante durch den Plasmastrahl geführt, wobei die Achse des Plasmastrahles mit der Symmetrieachse der Schneidkante zusammenfällt. Auf diese Weise wird eine möglichst gleichmäßige Wärmeeinwirkung über Flanken der Schneidkante erzielt. Bei Sägen wird der Plasmastrahl durch mechanische Bewegung des Plasmabrenners quer zum Sägeblatt über die Zahnrückseite im Bereich der oberen Schneidkante geführt. Auf diese Weise wird eine möglichst gleichmäßige Wärmeeinwirkung über die gesamte Länge der Schneidkante der Zahnspitze erzielt. Bei bestimmten Sägeformen ist es hingegen vorteilhaft und technisch einfacher, den Plasmabrenner ohne Querbewegung entlang des Sägeblattes zu führen. Durch eine elektromagnetische Ablenkung mittels einer Spule, die im Bereich zwischen Kathode und Düsenunterkante angeordnet ist, ist eine definierte Verbreiterung des Plasmastrahles und damit eine Anpassung an die Zahngeometrie (z.B. bei geschränkten Sägen) möglich. Der Unterschied zur bekannten Methode, den Plasmastrahl beim Aufschmelzbehandeln (Auftragsschweißen) elektromagnetisch abzulenken, besteht darin, daß dort die Einwirkung des elektromagnetischen Feldes im Bereich zwischen Düsenunterkante und Werkstückoberfläche erfolgt. Bei diesem Verfahren muß sich ein Brennfleck des Lichtbogens auf der Werkstückoberfläche befinden. Diese bekannte Methode funktioniert bei der Plasmahärtung nicht, da hier der Lichtbogen zwischen Kathode und Düsenunterkante brennen muß.

Eine Verringerung des Energiebedarfs beim Härten kann dadurch erreicht werden, daß der Plasmastrahl im Impulsbetrieb arbeitet, mit einer Impulsfrequenz f, mit f = Vorschubgeschwindigkeit des Sägeblattes dividiert durch den Zahnabstand, wobei die Impulsdauer im Bereich von 0,2 bis 0,8sek liegt.

Bei Messern ist es weiters möglich, daß die Achse des Plasmastrahles einen bestimmten Winkel (z.B. 90°, 135° oder die Hälfte des Schneidenwinkels) zur Symmetrieachse der Schneidkante einnimmt. Man kann so eine zur Symmetrieachse unsymmetrische Verteilung der Härtezone und damit eine Anpassung an spezielle Verschleißsituationen erreichen. Insbesonders bei Messerblättem mit einer Dicke über 5mm ist damit eine gute Anpassung der Härtezone an verschiedene Schneidengeometrien möglich.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert:

Die Fig. 1 zeigt schematisch die prinzipielle Anordnung der Plasmaanlage am Beispiel einer Sägehärtung.

Der Plasmabrenner 1 erzeugt aus dem zugeführten Gas mit Hilfe einer elektrischen Bogenentladung einen Plasmastrahl 2, der an der Austrittsdüse des Plasmabrenners 1 austritt. Der Abstand zwischen der Austrittsdüse und der Schneidkante ist a. Der Plasmastrahl wird auf die Zahnspitze 5 eines Sägezahnes 4 gerichtet und erhitzt diesen Bereich. Nach Beendigung der Energieeinwirkung kühlt der erhitzte Bereich rasch ab und härtet. Danach wird das Sägeblatt 3 weiterbewegt und der Plasmastrahl 2 auf die Zahnspitze 5a des folgenden Zahnes 4a gerichtet.

Figur 2 zeigt den Bereich der Zahnspitze eines Sägeblattes im Detail in axonometrischer Darstellung. Der Plasmastrahl 2 hat einen Durchmesser d und wird mit einer Relativgeschwindigkeit ν entweder entlang der Schneidkante 6 oder in Richtung der Zähnung bewegt.

Figur 3 zeigt schematisch die prinzipielle Anordnung der Plasmaanlage am Beispiel einer Messerhärtung. Der Plasmastrahl wird unter einem Winkel α auf die Schneidkante 9 des Messers gerichtet und mit der Geschwindigkeit ventlang dieser Kante bewegt, wobei diese Kante erhitzt wird. Nach Beendigung der Energieeinwirkung kühlt der erhitzte Bereich durch Selbstabschreckung rasch ab und härtet.

Figur 4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den Plasmabrenner im Bereich der Austrittsdüse. Ein Elektromagnet 10, angeordnet im Bereich zwischen Kathode 8 und Düsenunterkante 11 bewirkt durch hochfrequente Ablenkung des Lichtbogens innerhalb des Düsenbereiches eine Aufweitung des Plasmastrahles

Ausführungsbeispiele

Die folgenden Ausführungsbeispiele sollen den Einsatz des Verfahrens näher erläutern:

Beispiel 1

Härtung einer Gattersäge

Material: Bandstahl B412 (legierter Stahl mit 0,85% C, 0,3% Si, 0,3% Mn, 0,5% Cr, 0,4% Ni, 0,25% V) 45 Zähne, Zahnabstand 30 mm,

Breite b der Schneidkante: 3,5mm,

Härte in unbehandeltem Zustand 420HV.

Plasmaleistung (kW)	2,5	3,5	2,0
Strahldurchmesser (d in mm)	4,0	4,0	4,0
Abstand (a in mm)	5,0	6,0	4,0
Vorschubgeschwindigkeit (v in mm/sek)	25	30	20
Gasdurchfluß (l/min)	7	10	7
maximale Härte (HV)	920	940	900

Praktische Schneidversuche in Sägewerken ergaben eine Erhöhung der Standzeit um den Faktor

Beispiel 2

Härtung einer Kreissäge

Material: Sägestahl B412,50 Zähne, Zahnabstand 30mm, Breite b der Schneidkante: 4,0mm,

Härte in unbehandeltem Zustand 410HV.

Plasmaleistung (kW) 3,0

Strahldurchmesser (din mm) 4,0

Abstand (a in mm) 5,0

Vorschubgeschwindigkeit (v in mm/sek) 30

Gasdurchfluß (l/min) 8

maximale Härte (HV) 900

Beispiel 3

Härtung einer Bandsäge

Material: Sägestahl B412, Bandlänge 6m, Zahnabstand 15mm, Breite b der Schneidkante: 1,5mm,

Härte in unbehandeltem Zustand 410HV.

Plasmaleistung (kW) 1,5

Strahldurchmesser (din mm) 3,0

Abstand (a in mm) 5,0

Vorschubgeschwindigkeit (v in mm/sek) 20

Gasdurchfluß (l/sek) 7

maximale Härte (HV) 900

Beispiel 4

Härtung eines Stanzmassers für Leder und Textilien Material: Bandstahl CK60 (Werkstoff-Nr. 1.1221) Dicke: 2mm Härte in unbehandeltem Zustand: 300HV (Vickers)

Plasmaleistung (kW)	1	2	4
Strahldurchmesser (d in mm)	4	4	4
Abstand (a in mm)	4	6	8
Winkel zwischen Plasmaachse und
Achse der Schneidkante (Grad)	0	0	0
Vorschubgeschwindigkeit (vin mm/sek)	25	35	50
Gasdurchfluß (l/min)	5	5	5
maximale Härte (HV)	860	890	940

Beispiel 5

Härtung eines Hobelmessers für die Holzbearbeitung Material: 80CrV2 (Werkstoff-Nr. 1.2235) Dicke: 8 mm Härte in unbehandeltem Zustand: 280HV (Vickers)

Plasmaleistung (kW) Strahldurchmesser (d in mm) Abstand (a in mm) Winkel zwischen Plasmaachse und

Achse der Schneidkante (Grad) Vorschubgeschwindigkeit (v in mm/sek) Gasdurchfluß (l/min) maximale Härte (HV)

CSI	3	5
4	4	4
4	6	8
60	90	120
20	30	40
5	5	6
840	880	905

Claims (14)

1. Verfahren zum Härten der Schneidkanten von Sägen, Messern und Stanzwerkzeugen, vornehmlich für die Bearbeitung von Holz, Papier, Karton, Kunststoffen, Leder und Textilien, mittels eines Energiestrahles, der über die zu härtenden Bereiche des Werkzeuges geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiestrahl ein Plasmastrahl verwendet wird, wobei der Plasmastrahl (2) mit einer Relativgeschwindigkeit (v) in bezug auf die Schneidkante des Werkzeuges von 5 bis 100 mm/sek geführt wird und wobei der Abstand der Austrittsdüse des Plasmabrenners (1) von der Schneidkante 2 bis 14mm beträgt und wobei weiters die Leitung des Plasmastrahles zwischen 1 und 10 kW liegt sowie der Durchmesser (d) bei der Austrittsdüse des Plasmabrenners (1) 3 bis 7 mm beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Plasmastrahles zwischen 1 und 5 kw liegt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Plasmastrahles (2) bei der Austrittsdüse des Plasmabrenners zwischen 4 und 6 mm liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) der Austrittsdüse des Plasmabrenners (1) von der Schneidkante 3 bis 10mm beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativgeschwindigkeit (v) des Plasmastrahles (2) bezüglich der Schneidkante 15 bis 50 mm/sek beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl (2) durch mechanische Bewegung des Plasmabrenners (1) quer zum Sägeblatt (3) über den Zahnrücken (7) im Bereich der oberen Schneidkante geführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der Querbewegung des Plasmastrahles die Säge stillsteht und daß anschließend die Säge um eine Zahnteilung weitertransportiert wird, worauf die nächste Querbewegung des Plasmastrahles die folgende Zahnspitze (5) härtet.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl beim Härten von Sägen auf die Mitte der Zahnspitze ausgerichtet ist und das Sägeblatt eine kontinuierliche oder schrittweise Bewegung in Richtung der Zähnung durchführt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl im Impulsbetrieb arbeitet, mit einer Impulsfrequenz f von f = Vorschubgeschwindigkeit des Sägeblattes dividiert durch den Zahnabstand, wobei die Impulsdauer im Bereich von 0,2 bis 0,8 Sekunden liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sägeblatt (3) einen kontinuierlichen Vorschub in Richtung der Zähnung durchführt, während der Plasmastrahl (2) eine Querbewegung mit einer Frequenz zwischen 10 und 200 Hertz durchführt, hervorgerufen durch eine elektromagnetische Ablenkung im Bereich zwischen Kathodenspitze und Düsenunterkante des Plasmabrenners.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Plasmastrahles mit der Symmetrieachse der Schneidkante eines Messers zusammenfällt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Plasmastrahles mit der Symmetrieachse der Schneidkante eines Messers einen Winkel α einschließt, der etwa dem halben Schneidenwinkel β entspricht.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Plasmastrahles mit der Symmetrieachse der Schneidkante eines Messers einen Winkel α von etwa 90° einschließt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Plasmastrahles mit der Symmetrieachse der Schneidkante einen Winkel α von etwa 135° einschließt.