DE10127546B4

DE10127546B4 - Verfahren zur Herstellung einer Klinge eines Schneidwerkzeugs und das Halbzeug zu dessen Realisierung

Info

Publication number: DE10127546B4
Application number: DE10127546A
Authority: DE
Inventors: Boris Dr. Boguslavskij
Original assignee: KAN-TECH GmbH; KAN Tech GmbH
Current assignee: KAN-TECH GmbH; KAN Tech GmbH
Priority date: 2001-06-05
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2021-06-06
Also published as: DE10127546A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Klingee eines Schneidwerkzeugs, wobei ein Klingenrohling (3) aus einer Halbzeugplatte ausgeschnitten wird, wobei eine zu einer Schneide (7) umzuformende Schnittfläche (5) des Klingenrohlings (3) in einen durch zumindest einen beweglichen Stempel (1,2) gebildeten Schmiedespalt einer Ultraschallschmiedevorrichtung eingeführt wird, wobei die Schnittfläche (5) unter Einwirkung des Stempels (1,2) zu einer Schneide (7) ausgeformt wird, und wobei die so erhaltene Klinge der Ultraschallschmiedevorrichtung entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Klingenrohling (3) vor der Ausformung der Schnittfläche (5) zur Schneide (7) zumindest im Bereich der Kanten der Schnittfläche (5) mit einem abgerundeten Querschnitt versehen wird.

Description

Die Erfindung gehört in den Bereich des Maschinenbaus, und zwar der Metallbearbeitung durch Ultraschallschmieden, und kann zur Herstellung von Klingen mit erhöhten technischen Betriebseigenschaften und zur Gestaltung von Klinge mit kleiner Dicke eingesetzt werden.
Als Klinge ist Teil eines ein fertigen Schneidwerkzeugs bezeichnet. Hierbei kann es sich um Schneidwerkzeuge des alltäglichen Gebrauchs, wie beispielsweise Haushaltsmesser oder Rasierklingen, oder um in gewerblichen oder medizinischen Bereichen gebräuchliche Schneidwerkzeuge, wie beispielsweise Skalpelle oder technische Messer für Hand- oder Maschinenantrieb, handeln.
Eine Schneide ist jene Kante einer Klinge, mit welcher ein Gegenstand geschnitten wird.
Eine Schneide wird als scharfkantig bezeichnet, wenn die Dicke der Schneide unmittelbar bei der Kante unter 20 μm, besser unter 10 μm, optimalerweise unter 3 μm, liegt.
Eine Schnittfläche ist eine Fläche, die beim Ausschneiden des Klingenrohlings aus einer Halbzeugplatte entsteht. Schnittflächen verlaufen meist orthogonal zu den Hauptflächen der Halbzeugplatte.

Üblicherweise verwendet man zur Herstellung von Schneiden von kleiner Dicke wie Rasierklingen ein aus der SU 318205 bekannter Schleifverfahren.

Zu den Nachteilen und einschränkenden Eigenschaften des Schleifverfahrens gehören:
eine nicht ausreichende Oberflächenqualität der Schneide, bedingt durch große Metallkörner im Bereich der Schneide, große Schwierigkeiten und Arbeitsaufwand bei der Durchführung vieler Nachfolgeschleifarbeitsgänge, verursacht durch den Bedarf an hochpräzisen technologischen Nachfolgeeinrichtungen und Sonderzubehör während des Schleifvorganges, der Einsatz von Härten vor der Gestaltung der Messer schneide, wodurch die Bearbeitung erschwert wird. Ferner unterliegt die im Schleifverfahren erzeugte Schneide während der Lagerung einer Korrosion, bedingt durch während der Formgestaltung der Schneide sich im Zuge des Schleifens entwickelnder hoher lokaler Temperaturen, welche in Metall wie Anlassen nach dem Härten einwirken, was zum Abfall der Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit der Schneide führt.

Eine Ultraschallschmiedevorrichtung ist eine Maschine, bei welcher zumindest ein Schmiedestempel mit Ultraschall hinund her- oder auf- und ab- bewegt wird. Es kann ein einzelner Schmiedestempel eingerichtet sein, welcher einer feststehenden Stützfläche gegenüber angeordnet ist. Dann bewegt sich der Schmiedestempel im wesentlichen orthogonal zu der Stützfläche. Es können aber auch zwei einander gegenüberstehende Schmiedestempel eingerichtet sein. Die Schmiedestempel arbeiten dann vorzugsweise in Gegenphase zueinander. Es sind aber auch Phasenverschiebungen gegenüber der Gegenphase bis zu 90° und mehr möglich. Zwischen den Schmiedestempeln bzw. zwischen Schmiedestempel und Stützfläche ist ein Spalt mit einer Spaltweite eingerichtet, welche gewährleistet, daß die Schmiedestempel bzw. der Schmiedestempel und die Stützfläche sich zu keiner Phase eines Schwingungszyklus berühren. An diesen Spalt schließt sich ein im Querschnitt keilförmiger Schmiedespalt an, in welchem die Schneide durch Einwirkung des Schmiedestempels bzw. der Schmiedestempel ausgeformt wird. Im Falle von Schmiedestempeln/Stützflächen, welche einen in Richtungen orthogonal zur Schwingungsrichtung runden Querschnitt aufweisen, wird der Klingenrohling mit seiner Schnittfläche in definiertem, vorzugsweise konstantem, Abstand zur Mittelachse des Schmiedestempels mittels einer geeigneten Haltevorrichtung für den Klingenrohling entlanggeführt (es ist auch umgekehrt die Führung der Ultraschallschmeidevorrichtung entlang der feststehenden Schnittfläche möglich, es können auch Schnittfläche und Ultraschallschmiedevorrichtung beweglich und gegeneinander geführt sein). Dabei ist die Eintauchtiefe der Schnittfläche des Klingenrohlings in den Schmiedespalt vorgegeben und so gewählt, daß eine Schneide mit vorgegebener Dicke entsteht. Die Eintauchtiefe läßt sich unschwer anhand weniger Experimente ermitteln. Es ist möglich, daß die Schnittfläche in mehreren Durchgängen durch den Schmiedespalt geführt wird, wobei dann die Eintauchtiefe (bezogen auf die unverformte Schnittfläche) für jeden Durchlauf zunehmend eingestellt wird. Es ist auch möglich, die Eintauchtiefe innerhalb eines Durchlaufes zu variieren, wodurch Übergänge zwischen einem Bereich mit scharfkantiger Schneide und stumpfer Kante geschaffen werden. Die Eintauchtiefe kann auf die verschiedensten Weisen gesteuert werden. Im einfachsten Fall erfolgt die Führung des Klingenrohlings bzw. der Haltevorrichtung gegenüber den Stempeln mittels einer mechanischen Steuerfläche. Diese entspricht dann in ihrem, Verlauf dem Verlauf der Schnittfläche in Richtung der Hauptebenen des Klingenrohlings (geradlinig, gebogen, komplex). Es ist aber auch möglich, die Eintauchtiefe über auf die Haltevorrichtung einwirkende elektromechanisch, elektromotorische oder piezoelektrische Stellglieder einzustellen und/oder zu steuern nach Maßgabe der Position des Klingenrohlings innerhalb eines Durchlaufes. Weiterhin ist es möglich, den Öffnungswinkel des Schmiedespaltes zu variieren und zu steuern. Hierzu kann zumindest ein Stempel um eine durch die (imaginäre) Spitze des keilförmigen Schmiedespaltes und orthogonal zur Querschnittsebene des Schmiedespaltes verlaufende Schwenkachse verschwenkt werden. Es ist möglich, bei der Herstellung einer Klinge in verschiedenen Durchläufen mit unterschiedlichem Öffnungswinkel zu arbeiten. Insbesondere kann in einem ersten Durchlauf der Öffnungswinkel um den Faktor 0,1 bis 0,9, vorzugsweise 0,35 bis 0,75, kleiner als der Winkel in einem zweiten, optional letzten Durchlauf. Für den zweiten Durchlauf kommen Winkel im Bereich von 10° bis 50°, vorzugsweise 15° bis 30°, in Frage. Weiterhin ist es möglich, daß die Schenkel des keilförmigen Schmiedespaltes im Querschnitt geradlinig ausgeführt sind. Es ist auch möglich, die Schenkel mit konkavem oder konvexem Querschnitt bzw. Verlauf auszuführen. Die beiden Schenkel eines Schmiedespaltes können auch unterschiedlich in den vorstehenden Varianten ausgeführt sein.

Die das Ultraschallschmieden zur Herstellung von Messerschneiden verwendenden Verfahren RU 2025189 C1 ermöglichen die Erzielung einer höheren Qualität der Schneide durch Überfließen von Kleinkörnern des Metalls in den Bereich der Schneide. Aber in den meisten Fällen ist es bei bekannten Verfahren zur Herstellung von qualitativ hochwertigen Messerschneiden erforderlich, den Klingenrohling mehrere Male zwischen den Schmiedestempeln der Ultraschalleinrichtung durchzuführen. Üblicherweise sind drei bis zehn Durchläufe vorgesehen. Zudem erfordern diese Verfahren die Durchführung zusätzlicher Nachbehandlungen wie z.B. elektrochemisches Schleifen in Elektrolytlösung.

Die Notwendigkeit einer Nachbehandlung nach der Ultraschallbearbeitung zum Erreichen von hoher Schneidequalität ist nicht durch das Anlassen des Metalls, wie dies beim Schleifen der Fall ist, sondern dadurch, dass das Metall an der Schnittkante der Schneide unter Einwirkung von Ultraschall nach diversen Richtungen fließbar ist und es dadurch zur Gratbildung an der Schnittkante kommt.

Zum Entfernen von Oberflächenschichten des Metalls muss man zu unterschiedlichen Zusatzverbesserungen greifen, z.B. die Stempelachsen zueinander derart geneigt anzuordnen, dass ein Spalt entsteht, über welchen das Metall der Oberflächenschicht ausfließen kann. Ein derartiges Verfahren zeigt beispielsweise die SU 1827904 A1 Aus der SU 1720779 A1 ist ein er Verfahren zur Herstellung einer Werkzeugschneide bekannt bestehend aus Formgebung des Klingenrohlings und Umformung der Stirnseite des Klingenrohlings zwischen konisch aufeinander zulaufenden Stempeloberflächen durch Ultraschallschmieden bei gleichzeitiger Querbewegung des Klingenrohlings zu den Stempelachsen zur Erzielung einer keilförmigen Gestalt der Schneide am Klingenrohling.

Bekannt ist auch das aus einem Klingenrohling gearbeitete Halbzeug zur Herstellung von keilförmigen Schneiden im Ultraschallschmiedeverfahren.

Dieser Klingenrohling kann eine rechteckige wie bei der Herstellung von Rasiermessern, oder eine dem vorgegebenen krummlinigen Umriss folgende Grundform, wie bei der Herstellung von Skalpellen aufweisen.

Bei dem bekannten Verfahren wird dem Halbzeug während der Umformung eine Bewegung quer zu der statischen Betätigungskraft vermittelt und ein Spalt zwischen den Stempeln, welche der Doppelamplitude von Ultraschallschwingungen entspricht, während des gesamten Umformungszykluses beibehalten.

Vorteil des Verfahrens besteht in der Möglichkeit der Fertigung eines Erzeugnisses mit einer 1 bis 3 μm starken Schneide ohne Grat oder nur mit einem minimalen Grat.

Zu den Nachteilen des Verfahrens gehören: komplizierte Durchführung des Ultraschallschmiedens, bedingt durch die Notwendigkeit einer Größenauswahl für statische Stirnverstärkung bei der Schwankung der Klingenrohlingsgrößen und Abweichung der effektiven (tatsächlichen) Bewegungsbahn der Klingenrohlinge von der im Bewegungsmechanismus des Halbzeuges vorgegebenen Bahn, die Schwierigkeit, das Maß des Spaltes zwischen den Stempeln während des gesamten Umformungszyklus zu halten, und dass der Klingenrohling mehrmals in einer Querbewegung zwischen den Stempeln zur Erzielung von Minimalstärken der Schneide hindurchgeführt werden muss.

Der Hauptnachteil des Verfahrens, welches anscheinend eine qualitativ hochwertige Schneide mit darin vorhandenen kleinen Körner des Metalls und minimalen Stärken bzw. Dikken erzeugen lässt, besteht darin, dass es, wie Untersuchungen gezeigt haben, einen verdeckten Materialfehler aufweist, welcher in der Längssymmetrieebene der Schneide liegt.

Dieser verdeckte Materialfehler lässt sich unter dem Mikroskop im Mikroschnitt der Schnittkante der Schneide als einen schmalen schlitzartigen Hohlraum entdecken, welcher in der Längssymmetrieebene der Schneide liegt und die Schnittkante der Schneide etwa in zwei Symmetriehälften teilt. Die Ursache des Materialfehlers ist auf die unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten der einzelnen Metallschichten im Querschnitt des Halbzeuges während des Ultraschallschmiedens zurückzuführen. In dem Bereich, in welchem der Klingenrohling an den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel anliegt, erfolgt das Ausfließen des Metalls unter Einwirkung von Ultraschallschwingungen intensiver als in den Mittelschichten. Die Oberschichten des Metalls und der Kleinkörner bilden einen schmalen Spalt in Richtung der Längssymmetrieebene des Klingenrohlings, indem sie sich während der Querbewegung des Klingenrohlings zur Stempelachse in den Bereich der Schnittkante der Schneide verlagern. Wenn dieser Klingenrohling die konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel verlässt, schließen sich die Metallschichten zusammen und ermöglichen dadurch die Herstellung einer sehr schmalen Schneide. Aber der verdeckte Materialfehler beeinträchtigt erheblich die Qualität der Schneide, insbesondere deren Verschleißfestigkeit. Die zusammengeschlossenen Metallschichten in der Schnittkante der Schneide müssen dann durch Nachbehandlung beseitigt werden, was sogleich zu einer rapiden Verdickung der Schneide bis zu über 8μm führt. Ohne Nachbehandlung lässt sich der schlitzartige Mikrohohlraum praktisch nicht beseitigen.

Darüber hinaus lässt sich das Verfahren schlecht automatisieren. Der Grund liegt in der Unterschiedlichkeit der zu bearbeitenden Werkstoffe, der Differenz in der Klingenrohlingsdicke für konkrete Werkstücke, Differenz in der Klingenrohlingsdicke innerhalb der Toleranz. Das bekannte Verfahren gewährleistet keine gleichbleibende Qualität der herzustellenden Erzeugnisse.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Steigerung der Erzeugnisqualität, Gewährleistung der Fertigungsgerechtheit unterschiedlicher Erzeugnistypen, Herabsetzung des Arbeitsaufwandes sowie Gewährleistung von Automatisierungsmöglichkeiten des Verfahrens bei gleichzeitiger Herabsetzung der Anzahl von Arbeitsschritten zur Herstellung der Schneide.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Klinge sowie einen Klingenrohling gemäß der Patentansprüche 1 bis 4.

Das technische Ergebnis, das bei der Umsetzung des angemeldeten Verfahrens erzielt werden kann, besteht in der Verbesserung der Schneidenqualität bei gleichzeitiger Gewährleistung der vorgegebene minimalen Dicke, Verkürzung der Bearbeitungszeit, Verminderung der Anzahl von Durchgängen im Zuge des Ultraschallschmiedens des Halbzeugs, Entfallen der Nachbehandlung durch Erreichen einer qualitativ hochwertigen Schneide sofort nach dem Ultraschallschmieden.

Das durch Anwendung des Halbzeuges erzielbare technische Ergebnis besteht in der Gewährleistung einer derartigen Ausführungsform, welche die Realisierung des angemeldeten Verfahrens ohne Änderung der wesentlichen Standardbedingungen der Ultraschallbearbeitung und Einsatz von zusätzlichen Maschinen und Sonderausstattung ermöglicht.

Als Schneidtechniken zur Herstellung der Schnittfläche kommen alle üblichen mechanischen und elektromechanischen Schneidtechniken, wie mittels einer Schlagschere oder mittels Funkenerosion in Frage. Unter dem Begriff des Schneidens im Sinne der Erfindung sind aber auch Stanztechniken subsumiert. Die erzeugte Schnittfläche ist typischerweise geradlinig. Besonders einfach erfolgt das Schneiden durch Erzeugen einer zu den Hauptflächen der Großplatte im wesentlichen orthogonalen Schnittfläche, wobei zwei Kanten mit jeweils Winkeln von ca. 90° entstehen. Sodann werden die Kanten der Schnittfläche abgerundet.

Ein abgerundeter Querschnitt umfaßt verschiedene konkrete Formen. Hierunter fallen zunächst beispielsweise die Kreissegmentform, Elisensegmentform, Hyperbelsegmentform oder Elipsensegmentform. Aber auch vieleckige Verläufe sind hierunter zu verstehen, wobei die Verläufe zwischen den Ecken wiederum geradlinig oder wie vorstehend sein können. Zweckmäßig ist es, wenn der Übergangswinkel zwischen einem abgerundeten Querschnittsbereich (wovon im Bereich der Schnittfläche mehrere angeordnet sein können) und einem hieran anschließenden Bereich, insbesondere einer Hauptfläche des Klingenrohlings, von 180° bis nicht weniger als 100°, vorzugsweise nicht weniger als 160°, beträgt.

Im Einzelnen sind die folgenden Ausführungsformen der Durchführung des Verfahrens möglich, wobei es zweckmäßig ist, dass

– bei der Formgebung des Klingenrohlings dessen Schnittfläche entweder durch Walzen oder durch Schleifen oder Stauchen der Kanten im Werkzeug abgerundet wird,
– bei der Formgebung des Klingenrohlings dessen Schnittfläche mit einem Abrundungsradius R innerhalb von 0,3 t bis 0,7 t abgerundet wird, wobei t die Dikke des Klingenrohlings bedeutet,
– bei der Formgebung des Klingenrohlings Schrägen zwischen der abgerundeten Schnittfläche und den Hauptflächen des Klingenrohlingskörpers hergestellt werden.

Zusätzlich zu den vorstehenden Ausführungsformen ist es möglich, dass die erwähnten Schrägen in einem Durchlauf durch Ultraschallschmieden der abgerundeten Stirnkante des Klingenrohlings bei gleichzeitiger Querbewegung des Klingenrohlings zu den Stempelachsen hergestellt werden.

Hierbei ist es möglich, dass im zweiten Durchlauf der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Stempeloberflächen während der Querbewegung des Klingenrohlings zur Herstellung des Erzeugnisses größer als der Winkel zwischen den während des erwähnten ersten Durchlaufes hergestellten Schrägenoberflächen des Klingenrohlings gewählt wird.

Hierbei ist es zweckmäßig, dass der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Stempeloberflächen während des zweiten Durchlaufes im Bereich von 15° bis 30°und der Winkel zwischen dem konisch aufeinander zulaufenden Stempeloberflächen während des ersten Durchlaufes in Bereich von 10° bis 14° gewählt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit 1 bis 10, vorzugsweise 1 bis 5, höchstvorzugsweise 1 bis 2, Durchläufen zur Herstellung einer Klinge arbeiten.

Ferner ist es möglich, die erwähnten Schrägen ebenso wie die Abrundung entweder durch Stauchen im Werkzeug oder durch Walzen oder Schleifen bei gleichzeitiger Abrundung der Schnittkante zwischen den Hauptflächen des Klingenrohlings zu erzeugen.

Zusätzlich zu der vorherigen Variante der Durchführung des Verfahrens ist es zweckmäßig, dass der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel größer als der Winkel zwischen den Schrägenoberflächen des Klingenrohlings gewählt wird.

Es ist zweckmäßig, dass der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel in Bereiche von 15° bis 30° und der Winkel zwischen den Schrägenoberflächen des Klingenrohlings im Bereich 10° bis 14° gewählt wird.

Es sind weitere Varianten für die Ausführung des Klingenrohlings möglich, bei denen es zweckmäßig ist, dass

– das Verhältnis von Abrundungsradius R der Schnittfläche zu der Dicke t des Klingenrohlings im Bereich von 0,3 ≤ R/t ≤ 0,7 liegt.
– zwischen der abgerundeten Schnittfläche und den Hauptflächen des Klingenrohlingskörpers Schrägen ausgeführt werden,
– der Winkel zwischen Schrägenoberflächen des Klingenrohlings im Bereich von 10° bis 80°,
– der Winkel zwischen den Schrägenoberflächen des Klingenrohlings im Bereich von 10° bis 14° liegt.

Die beschriebenen Vorteile sowie die Besonderheiten der vorliegenden Erfindung sind in den beiliegenden Abbildungen (Fig.) anhand der besten Ausführungsvarianten erläutert.
1 stellt schematisch eine Einrichtung für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, in welcher Pfeile die Wirkungsrichtung der Ultraschallschwingungen anzeigen,
2 stellt den Schnitt A-A gemäß 1 dar, in welcher mit einem Pfeil die Bewegungsrichtung des Halbzeuges angezeigt wird,
3 stellt schematisch die Bereich der Umformungsherde zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel einmal für einen Klingenrohling mit rechteckiger und zum anderen mit abgerundeter Schnittfläche dar,
4 stellt ein Schema der Änderung der Querschnittsform des als rechteckigen Klingenrohling ausgebildeten Halbzeuges beim Ultraschallschmieden, a- vor der Vorformung, b- bei der anschließenden Umformung, c- mitten im Umformungsprozess, d- bei der Entnahme des Fertigteiles von konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel, dar,
5 stellt ein Schema der Änderung der Querschnittsform des als ein Klingenrohling mit abgerundeter Stirnkante ausgebildeten Halbzeuges a- vor der Vorformung, b- bei der anschließenden Umformung, c- mitten im Umformungsprozess, d- bei der Entnahme des Fertigteiles von konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel, dar,
6 stellt eine Schema der Änderung der Querschnittsform des als ein Klingenrohling mit abgerundeter Stirnkante und Schrägen ausgebildeten Halbzeugs a- vor der Vorformung, b- ganz am Anfang der Umformung, c- mitten im Umformungsprozess, d- bei der Entnahme des Fertigteiles von konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel dar.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens (1,2) weist die Einrichtung die Stempel 1 und 2 auf, deren Laufflächen konisch aufeinander zulaufend sind und einen Öffnungswinkel bilden, welcher dem Winkel des keilförmigen Querschnittes der Klinge des Klingenrohlings entspricht. Die Stempel 1 und 2 sind über Wellenleiter jeweils mit Erzeugern von Ultraschallschwingungen verbunden. Der einen Bewegungsmechanismus enthaltende Halter 4 sorgt für die geradlinige Bewegung des Klingenrohlings quer zu den Längsachsen der Stempel 1 und 2 zur Herstellung von geraden Schneiden. Zur Herstellung von Schneiden mit krummliniger Umrissform, wie Skalpellen, erfolgt die Querbewegung des Klingenrohlings auf der Kreisbahn des erforderlichen Radius oder auf der krummlinigen Bahn, welche mit der vorgegebenen krummlinigen Umrissform der Klingenrohlingskante identisch ist (in 2 ist eine einfache geradlinige Bewegung des Klingenrohlings 3 gezeigt).
Der Umformungsprozess des Klingenrohlings 3 wird in der 3 erläutert, in welcher der Klingenrohling mit rechteckiger Stirnkante durch gestrichelte Linien und der Klingenrohling 3 mit abgerundeter Stirnkante 5 durch durchgehende Fettlinie dargestellt ist.
Der Beginn der Umformung erfolgt sowohl für den Klingenrohling mit rechteckiger Schnittfläche als auch für den Klingenrohling 3 mit abgerundeter Schnittfläche 5 in einer Zone A des Umformsbereiches, welche sich aus der Dicke t des Klingenrohlings 3 ergibt. Mit fortschreitender Querbewegung des Klingenrohlings 3 zur Längsachse der Stempel 1 und 2 erfolgt das Überfließen des Metalls in Richtung der Längsachse der Stempel 1 und 2 und in gewissen Zone B (3) nimmt der Klingenrohling 3 mit ursprünglich rechteckiger Stirnkante im Querschnitt die Form an, wie diese in 4 b dargestellt ist. Diese Querschnittsform des Klingenrohlings wird aufgrund des beschleunigten Materialflusses der äußeren Metallschichten in Richtung der Längsachse der Stempel 1 und 2 bei gleichzeitig zunehmender Verlangsamung des Materialflusses der inneren Metallschichten mit Annäherung an die Längssymmetrieebene des Klingenrohlings 3 gebildet. Setzt man das Ultraschallschmieden fort, so wird der Querschnitt des Klingenrohlings 3 mit rechteckiger Stirnkante in gewisser Zone C des Umformsbereiches (3) dem in 4c dargestellten Profil entsprechen. Verlässt der Klingenrohling 3 die Zonen A, B und C des Umformsbereiches an den Stempeln 1 und 2 und die Zone D, in welchem die Schnittkante der Schneide ausgebildet wird, so erfolgt das Zusammenschließen von äußeren Metallschichten und es fällt ein Fertigteil mit schlitzartigem Mikrohohlraum 6 (4 d) an. Das Ultraschallschmieden erfolgt kontinuierlich, wodurch die Formgebung der Schneide (4a – 4d)fließend erfolgt. Die Zonen A, B, C stellen Momentaufnahmen des Formgebungsprozesses dar und sind derart ausgewählt, einzelne Phasen des angemeldeten Verfahrens zu erläutern.
Die Bildung des schlitzartigen Mikrohohlraumes 6 erfolgt unabhängig davon, wie oft der Klingenrohling 3 durch die Stempel 1 und 2 hindurchgeführt wird.
Wird der Klingenrohling 3 mit rechteckiger Stirnkante nur einige Male zwischen den Stempeln 1 und 2 hindurchgeführt, wird das Längenmaß des schlitzartigen Mikrohohlraumes 6 groß sein. Mit steigender Anzahl an Durchgängen zwischen den Stempeln 1 und 2 verringert sich das Längenmaß des Spaltes, aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeit des Metallflusses bei größerer und kleinerer Wirkungskraft der Ultraschallschwingungen. Die Dicke des entstandenen schlitzartigen Hohlraumes 6 hängt praktisch nicht von der Anzahl der Durchläufe und der Bewegungsgeschwindigkeit des Klingenrohlings 3 ab. Daher ist beim Klingenrohling 3 mit rechteckiger Schnittfläche der verdeckte Materialfehler unvermeidbar, wodurch sämtliche Vorteile des Ultraschallschmiedens bei der Herstellung von Schneiden 7 mit einer Dicke im μm-Bereich geschmälert werden (4d).
Der Beginn der Umformung erfolgt bei dem Klingenrohling 3 mit abgerundeter Schnittfläche 5 (mit abgerundeten Kanten der Schnittfläche 5) ebenso in Zone A des Umformsbereiches (3), welcher aber in einem Abstand 1 von deren Schnittfläche liegt. Mit fortschreitender Querbewegung des Klingenrohlings 3 zur Längsachse der Stempel 1 und 2 erfolgt auch das Überfließen des Metalls in Richtung der Längsachse der Stempel 1 und 2. In einer Zone B (3) nimmt der Klingenrohling 3 mit abgerundeter Schnittfläche im Querschnitt die in 5b gezeigte Form an. Im weiteren Fortgang des Ultraschallschmiedens wird der Querschnitt des Klingenrohlings mit der abgerundeten Schnittfläche in einer Zone C des Umformsbereiches (3) demjenigen gemäß 5c entsprechen. Wenn der Klingenrohling 3 die Zonen A, B und C des Umformsbereiches verlässt und die eine hohe Fließgeschwindigkeit aufweisenden äußeren Schichten in einer Zone D zusammenfließen, entsteht das Fertigerzeugnis mit Schneide 7, ohne dass ein schlitzartiger Mikrohohlraum 6 gebildet wird (5d). Bei Einsatz des Klingenrohlings 3 mit abgerundeter Schnittfläche 5 entsteht kein schlitzartiger Mikrohohlraum 6, wie groß auch die Anzahl der Durchläufe des Klingenrohlings 3 zwischen den Stempeln 1 und 2 sein mag. Daher ist beim Ultraschallschmieden des Klingenrohlings 3 mit abgerundeter Schnittfläche 5 der dem Klingenrohling 3 mit rechteckiger Schnittfläche eigene verdeckte Materialfehler vermeidbar und die Anzahl der Durchläufe zur Herstellung der Schneide 7 mit einer Dicke im μm-Bereich reduzierbar. Auf diese Weise lässt sich die Herstellungsdauer für die keilförmigen Werkzeugschneide sowohl durch Erhöhung der Leistung von Ultraschallschwingungen als auch durch Reduzierung der Anzahl von Durchgängen verringern.
Üblicherweise liegt die Anzahl von Durchgängen zur Herstellung der keilförmigen Werkzeugschneide aus dem Klingenrohling 3 mit rechteckiger Schnittfläche bei drei bis zehn. Wie die Untersuchungen gezeigt haben, beträgt die Anzahl von Durchgängen für den Klingenrohling 3 mit abgerundeter Schnittfläche 5 zwischen 1 und 2. Hierbei können je nach den an das Erzeugnis gestellten Anforderungen die Schneiden mit einer Dicke von 1 μm bis 7 μm erzeugt werden.
Die Schnittfläche 5 (5a) lässt sich entweder durch Walzen oder Schleifen oder Stauchen der Klingenrohlingskanten im Werkzeug oder durch andere bekannte Verfahren abrunden. Hierbei ergibt sich im Unterschied zur Herstellung von keilförmigen Schneiden im Schleifverfahren kein Verlust des Metallwerkstoffes. Das Härten erfolgt nach dem Ultraschallschmieden der keilförmigen Schneide.
Wie die Untersuchungen gezeigt haben, kann man die Schnittfläche 5 des Klingenrohlings 3 mit dem Abrundungsradius R in einem genügend großen Bereich von 0,3 t bis 0,7 t abrunden, wobei t die Dicke des Klingenrohlings 3 bedeutet. Für den Klingenrohling 3, bei welchem die Abrundung der Schnittfläche direkt am Klingenrohlingskörper erfolgt, wird der Radius im Bereich von 0,5 t bis 0,7 t liegen. Zur Wahl von Abrundungsradius R im Bereich von 0,3 t bis 0,5 t können an den Klingenrohling Schrägen 8 ( 6a) ausgebildet werden. Die Schräge 8 kann gleichzeitig mit der Herstellung der abgerundeten Schnittfläche 5 durch Stauchen oder durch Walzen oder Schleifen in einem Werkzeug durch ein anderes bekanntes Verfahren erzeugt werden. Die Wahl eines konkreten Abrundungsradius R ebenso wie eines Neigungswinkels α der Schrägen hängt vom Werkstoff des Klingenrohlings 3 ab. Für Werkstoffe, welche unter Einwirkung des Ultraschallschmiedens schnell fließen, setzt man kleinere Werte als Abrundungsradius R und für zähflüssige Werkstoffe größere Werte an. Für Werkstoffe, welche unter Einwirkung des Ultraschallschmiedens Schnellfließen, läuft der Herstellungsprozess der Schneide 7 und die Bildung der Schräge 8 (6a) bei einem Abrundungsradius R von 0,3 t bis 0,5 t und unter Wirkrichtung in der Zone A (3) des Umformsbereiches (Übergang der Schräge 8 in die Körperoberflächen des Klingenrohlings 3) ähnlich dem Schema (5) ab, nur, dass die äußeren schnellfließenden Schichten eine Neigung zu deren Bewegungsrichtung aufweisen. Dadurch ergibt sich eine Schneide ohne verdeckten Materialfehler. Der Winkel a der Schrägen 8 des Klingenrohlings 3 (6a) wird unter der Wirkrichtung in Zone A (3, 6a) innerhalb von 10° bis 80° gewählt und dieser Winkel hängt von der nach der Umformung des Klingenrohlings 3 zu erreichenden vorgegebenen Breite k der keilförmigen Schneide (5d) ab.
Die Schrägen 8 können auch durch Ultraschallschmieden der abgerundeten Schnittfläche 5 des Klingenrohlings 3 bei gleichzeitiger Querbewegung des Klingenrohlings 3 zu den Längsachsen der Stempel 1, 2 in einem Durchlauf gebildet werden. Dies ist aus 5b,c, ersichtlich. In diesem Falle lässt man den Klingenrohling 3 mit abgerundeter Schnittfläche (5a) durch Ultraschallschmieden in einem Durchlauf in den Zustand gemäß 5b, c umformen, um anschließend den Klingenrohling 3 in der erreichten Form als Halbzeug (6a) mit Schrägen 8 zum Beispiel zur wiederholten Umformung, mit Anfang des Umformungsbereiches in der Zone A (3, 6a) zu verwenden.
Um aber das Ultraschallschmieden mit erhöhter Geschwindigkeit durchzuführen, ist es zweckmäßig, den zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Stempeloberflächen liegenden Winkel β im zweiten Durchlauf der Querbewegung des Klingenrohlings 3 größer als den zwischen den während des erwähnten ersten Durchlaufes hergestellten Schrägen des Klingenrohlings 3 liegenden Winkel α (6a, b) zu wählen. In diesem Falle verlagert sich im zweiten Durchlauf die im Startbereich der Umformung liegende Zone A₁ (6b) an die Stelle, an der die Abrundung der Schnittfläche in die Schräge 8 übergeht, d.h. in Richtung der Schnittkante der Schneide 7. Da in diesem Fall die Gesamtfläche der durch Ultraschallschmieden bearbeiteten Oberfläche kleiner wird, kann die Durchgangsgeschwindigkeit des Klingenrohlings 3 zwischen den Stempeln 1 und 2 erhöht werden, was zur Steigerung der Produktivität des Gesamtverfahrens führt. Dadurch ergibt sich die keilförmige Schneide ohne verdeckten Materialfehler, weil die Schnittfläche 5 (6) bei der Durchführung des Verfahrens an der im Startbereich der Umformung liegende Zone A₁ die Abrundung beibehält.
Der Winkel β zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel 1 und 2 wird im zweiten Durchlauf innerhalb 15° bis 30° und der Winkel a zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel 1 und 2 im ersten Durchlauf innerhalb 10° bis 14° liegen.
Ein ähnliches Verfahren kann auch bei einem Halbzeug verwendet werden, an dem die Schrägen 8 entweder durch Stauchen oder Walzen oder Schleifen im Werkzeug bei gleichzeitiger Abrundung der Schnittfläche des Klingenrohlings 3 erzeugt werden. In diesem Falle wird der Klingenrohling 3 lediglich einmal zum Ultraschallschmieden beginnend in Zone A₁ des Startbereiches der Umformung, welche sich an die Stelle des Überganges der Schrägen 8 in die Abrundung der Schnittfläche verlagert hat, zwischen den beiden Stempeln 1 und 2 hindurch geführt. Der Winkel a der Schrägen 8 des Klingenrohlings 3 (6a) wird bei der Wirkrichtung in Zone A₁ (6b) innerhalb 10° bis 14° gewählt.
Somit ist die Schnittfläche 5 an dem Halbzeug des durch die konisch aufeinander zulaufenden Stempel 1 und 2 zu verformenden Klingenrohlings 3 in beliebiger Durchführungsvariante des angemeldeten Verfahrens als abgerundet ausgebildet.
Die Beispiele der Durchführung des Verfahrens.
Beispiel 1.
Der Klingenrohling 3 (Halbzeug) ist aus Stahl 65X13. Die Dicke t des Halbzeugs liegt bei 0,1 mm. Der Radius R der Abrundung beträgt 0,05 mm. Die Ultraschallschwingungen mit einer Amplitude von 10μm und einer Frequenz von 18,3 kHz werden den Stempeln 1 und 2 durch Magnitostriktionsumformer PMC 16 A-18 vermittelt. Der Prozess wird nach dem Schema gemäß 5 geführt. Der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel 1 und 2 beträgt 30°. In einem Durchlauf wird eine keilförmige Schneide mit einer Dicke von 3 bis 4 μm ohne verdeckten Materialfehler erzeugt.
Beispiel 2.
Der Klingenrohling 3 ist aus Stahl 65X13. Die Dicke t des Halbzeugs liegt bei 0,1 mm. Der Radius R der Abrundung beträgt 0,07 mm. Die Lage um die Ultraschallschwingungen wie im Beispiel 1. Der Prozess wird nach dem Schema gemäß 5 geführt. Der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel 1 und 2 beträgt 30°. Es wird eine keilförmige Schneide von 5 bis 7μm ohne verdeckten Materialfehler in einem Durchlauf erzeugt.
Beispiel 3.
Der Klingenrohling 3 ist aus Stahl 65X13. Die Dicke t des Halbzeugs liegt bei 0,1 mm. Der Radius R der Abrundung beträgt 0,04 mm. Der Winkel α der Schräge 8 beträgt 10°. Die Lage um die Ultraschallschwingungen wie im Beispiel 1. Der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel 1 und 2 beträgt 30°. Der Prozess wird nach dem Schema gemäß 5 (mit Halbzeug gemäß 6a) beginnend in Zone A des Startbereiches der Umformung, wo die Abrundung der Schnittfläche in die Hauptflächen des Klingenrohlingskörpers übergeht, durchgeführt. In einem Durchlauf führt eine keilförmige Schneide mit einer Dicke von 1,2 bis 2,5 μm ohne verdeckten Materialfehler erzeugt.
Beispiel 4.
Der Klingenrohling 3 ist aus Stahl 65X13. Die Dicke t des Halbzeugs liegt bei 0,4 mm. Der Radius R der Abrundung beträgt 0,2 mm. Die Lage um die Ultraschallschwingungen wie im Beispiel 1. Der Prozess wird nach dem Schema gemäß 5 geführt. Der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel 1 und 2 beträgt 30°. In einem Durchlauf wird eine keilförmige Schneide ohne verdeckten Materialfehler mit einer Dicke von 6 bis 7 μm erzeugt. Beim Ultraschallschmieden in zwei Durchgängen wird die Dicke der Schneide 2 bis 3 μm betragen.
Beipiel 5.
Der Klingenrohling 3 ist aus Stahl 65X13. Die Dicke t des Halbzeugs liegt bei 0,4 mm. Der Radius R der Abrundung beträgt 0,28 mm. Die Lage um die Ultraschallschwingungen wie im Beispiel 1. Der Prozess wird nach dem Schema gemäß 5 geführt. Der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel 1 und 2 beträgt 30°. In einem Durchlauf wird ein keilförmige Schneide mit einer Dicke von 8 bis 9 μm ohne verdeckten Materialfehler erzeugt. Beim Ultraschallschmieden in zwei Durchgängen wird die Dicke der Schneide 2,5 bis 3,5 μm betragen.
Beispiel 6.
Der Klingenrohling 3 ist aus Stahl 65X13. Die Dicke t des Halbzeugs liegt bei 0,4 mm. Der Radius R der Abrundung beträgt 0,12 mm. Der Winkel a der Schräge beträgt 75°. Die Lage um die Ultraschallschwingungen wie im Beispiel 1. Das Ultraschallschmieden wird nach dem Schema gemäß 5 beginnend in Zone A des Startbereiches der Umformung, wo die Abrundung der Schnittfläche in die Hauptflächen des Klingenrohlingskörpers übergeht, durchgeführt. In einem Durchlauf wird eine keilförmige Schneide mit einer Dicke von 4 bis 5 μm ohne verdeckten Materialfehler erzeugt. Beim Ultraschallschmieden in zwei Durchgängen wird die Dicke der Schneide 1,5 bis 2,5 μm betragen.
Beispiel 7.
Der Klingenrohling 3 ist aus Stahl 65X13. Die Abrundung und die Schrägen 8 sind durch vorheriges Stauchen des Klingenrohlings 3 in der Dicke erzeugt. Die Dicke t des Halbzeugs liegt bei 0,4 mm. Der Radius R der Abrundung beträgt 0,12mm. Der Winkel α der Schräge beträgt 14°. Die Lage um die Ultraschallschwingungen wie im Beispiel 1. Der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden der Stempel 1 und 2 beträgt 25°. Das Ultraschallschmieden wird nach dem Schema (gemäß 6) beginnend in Zone A₁ des Startbereiches der Umformung an der Stelle des Klingenrohlings, an der die Abrundung der Schnittfläche in die Schrägen 8 des Klingenrohlingskörpers übergeht, durchgeführt. Der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel 1 und 2 beträgt 25°. In einem Durchlauf wird eine keilförmige Schneide mit einer Dicke von 1,2 bis 2,0 μm ohne verdeckten Materialfehler erzeugt.
Beispiel 8.
Der Klingenrohling 3 ist aus Stahl 65X13. Die Abrundung und die Schrägen 8 sind durch ein vorheriges Stauchen des Klingenrohling 3 in der Dicke erzeugt. Die Dicke t des Halbzeugs liegt bei 0,4 mm. Der Radius R der Abrundung beträgt 0,1 mm. Der Winkel α der Schräge beträgt 10°. Die Lage um die Ultraschallschwingungen wie im Beispiel 1. Der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel 1 und 2 beträgt 30°. Das Ultraschallschmieden wird nach dem Schema (gemäß 6) beginnend in Zone A₁ des Startbereiches der Umformung an der Stelle des Klingenrohlings, an der die Abrundung der Schnittfläche in die Schrägen 8 des Klingenrohlingskörpers übergeht, durchgeführt. In einem Durchlauf wird eine keilförmige Schneide mit einer Dicke von 1,2 bis 2,0 μm ohne verdeckten Materialfehler erzeugt.
Beispiel 9.
Der Klingenrohling 3 ist aus Stahl 65X13. Die Abrundung und die Schrägen 8 sind durch ein vorheriges Stauchen des Klingenrohlings 3 in der Dicke erzeugt. Die Dicke t des Halbzeugs liegt bei 0,4 mm. Der Radius R der Abrundung beträgt 0,15 mm. Der Winkel a der Schräge beträgt 12°. Die Lage um die Ultraschallschwingungen wie im Beispiel 1. Der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel 1 und 2 beträgt 18°. Das Ultraschallschmieden wird nach dem Schema (gemäß 6) beginnend in Zone A₁ des Startbereiches der Umformung an der Stelle des Klingenrohlings, an der die Abrundung der Schnittfläche in die Schrägen 8 des Klingenrohlingskörpers übergeht, durchgeführt. In einem Durchlauf wird eine keilförmige Schneide mit einer Dicke von 1,6 bis 2,4 μm ohne verdeckten Materialfehler erzeugt.
Beispiel 10.
Der Klingenrohling 3 ist aus Stahl 65X13. Die Abrundung und die Schrägen 8 sind durch vorheriges Stauchen des Klingenrohlings 3 in der Dicke erzeugt. Die Dicke t des Halbzeuges liegt bei 0,4mm. Der Radius R der Abrundung beträgt 0,15mm. Der Winkel a der Schräge beträgt 10°. Die Lage um die Ultraschallschwingungen wie im Beispiel 1. Der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel 1 und 2 beträgt 25°. Das Ultraschallschmieden wird nach dem Schema (gemäß 6) beginnend in Zone A₁ des Startbereiches der Umformung an der Stelle des Klingenrohlings, an der die Abrundung der Schnittfläche in die Schrägen 8 des Klingenrohlingskörpers übergeht, durchgeführt. In einem Durchlauf wird eine keilförmige Schneide mit einer Dicke von 1,0 bis 1,5 μm ohne verdeckten Materialfehler erzeugt.
Beispiel 11.
Der Klingenrohling 3 ist aus Stahl 65X13. Die Dicke t des Halbzeugs beträgt 0,4 mm. Der Radius der Abrundung beträgt 0,2 mm. Die Abrundung wurde durch vorheriges Stauchen des Klingenrohlings 3 in der Dicke und die Schräge 8 durch Ultraschallschmieden des Klingenrohlings 3 in einem Durchlauf mit einem Winkel von 12° zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel 1 und 2 erzeugt. Nach dem Ultraschallschmieden ergibt sich der Abrundungsradius von 0,12 mm (5b). Der Winkel a der Schräge beträgt 12°. Die Lage um die Ultraschallschwingungen wie im Beispiel 1. Der Winkel zwischen den konisch aufeinander zulaufenden Oberflächen der Stempel 1 und 2 beträgt in dem zweiten Durchlauf 25°. Das Ultraschallschmieden wird nach dem Schema gemäß 6) beginnend in Zone A₁ des Startbereiches der Umformung an der Stelle des Klingenrohlings, an der die Abrundung der Schnittfläche in die Schrägen 8 des Klingenrohlingskörpers übergeht, durchgeführt. In einem Durchlauf wird eine keilförmige Schneide mit einer Dicke von 1,0 bis 1,4 μm ohne verdeckten Materialfehler erzeugt.
Es ist zweckmäßig, die Fertigungserzeugnisse gemäß Beispiel 1 bis 3, welche nach dem anschließenden Härten des durch Ultraschallschmiedens bearbeiteten Klingenrohlings 3 erzeugt werden, bei der Herstellung unterschiedlicher Werkzeuge für Haushaltsgebrauch wie Rasiermesser zu verwenden. Die Erzeugnisse gemäß Beispiel 4 bis 11 sind sinnvoller bei der Herstellung von medizinischem Instrumentarium wie chirurgischen Skalpellen, ophtalmologischen Scheren, endoskopischen Schneidwerkzeugen u.a.m. zu verwenden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Werkzeugschneiden und das hierzu verwendbare Halbzeug sind zur industriemäßigen Produktion von unterschiedlichen Werkzeugen mit hohen Verschleißfestigkeitseigenschaften und Schneiden von kleiner Dicke anwendbar.
Informationsquellen:

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Klingee eines Schneidwerkzeugs, wobei ein Klingenrohling (3) aus einer Halbzeugplatte ausgeschnitten wird, wobei eine zu einer Schneide (7) umzuformende Schnittfläche (5) des Klingenrohlings (3) in einen durch zumindest einen beweglichen Stempel (1,2) gebildeten Schmiedespalt einer Ultraschallschmiedevorrichtung eingeführt wird, wobei die Schnittfläche (5) unter Einwirkung des Stempels (1,2) zu einer Schneide (7) ausgeformt wird, und wobei die so erhaltene Klinge der Ultraschallschmiedevorrichtung entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Klingenrohling (3) vor der Ausformung der Schnittfläche (5) zur Schneide (7) zumindest im Bereich der Kanten der Schnittfläche (5) mit einem abgerundeten Querschnitt versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Klingenrohling (3) vor der Ausformung der Schnittfläche (5) zur Schneide (7) im gesamten Bereich der Schnittfläche (5) mit einem abgerundeten Querschnitt versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der abgerundete Querschnitt eine kreissegmentförmige Form aufweist, wobei der Radius des Kreissegmentes das 0,2 bis 1-fache, vorzugsweise das 0,3 bis 0,7-fache, der unmittelbar an die Abrundung anschließenden Dicke des Klingenrohlings (3) beträgt.
Klingenrohling (3) zur Herstellung einer Klinge in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest die Kanten der zur Schneide (7) umzuformenden Schnittfläche (5) einen abgerundeten Querschnitt aufweisen.