DE19902818A1

DE19902818A1 - Metallmesser mit speziell angepaßter Materialhärtenverteilung für Zerkleinerungs- und Schneidmaschinen

Info

Publication number: DE19902818A1
Application number: DE1999102818
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Bauer; Marcus Weis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-01-25
Filing date: 1999-01-25
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2019-01-26
Also published as: DE19902818C2

Abstract

Der Erfindung liegt das Problem des Verschleißes von Messern in Zerkleinerungs- und Schneidmaschinen zugrunde. Verschleiß führt zu größeren Schneidkantenradien und damit zu erheblichen Einbußen bei der Schnittqualität sowie zu einem höheren spezifischen Energieeinsatz. Die derzeit bekannten, vollständig durchgehärteten Messer, können aufgrund der erforderlichen (Schneidkanten-)Stabilität nur bis zu einer bestimmten Grenze gehärtet werden. DOLLAR A Bei den erfindungsgemäßen Messern soll eine definierte Härteverteilung den (unvermeidbaren) Verschleiß so lenken, daß der Schneidkantenradius möglichst lang unter der anwendungsabhängigen Verschleißgrenze bleibt. Das Messer aus einem einzigen metallischen Werkstoff weist in der Randzone an einer der beiden Stirnseiten in einer Tiefe von wenigstens Zehntelmillimetern eine deutlich höhere Härtung auf als das verbleibende Messermaterial. Dies wird erreicht durch eine definierte Härtung des Materials. DOLLAR A Messer mit der erfindungsgemäßen Härteverteilung sind für alle Schneid- und Zerkleinerungsmaschinen ohne Umbauten oder Adapter anwendbar.

Description

Metallmesser mit speziell angepaßter Materialhärtenverteilung für Zerkleinerungs- und Schneidmaschinen.

Die Erfindung betrifft die Ausführung eines Metallmessers mit speziell angepaßter Materialhärtenverteilung für Zerkleinerungs- und Schneidmaschinen gemäß Anspruch 1.

Messer in Schneid- und Zerkleinerungs maschinen, wie z. B. Schlagscheren, Schneid mühlen oder Rotorscheren, brauchen eine bestimmte Schärfe, um sinnvoll schneiden zu können. Die Messer sind jedoch gebrauchsbe dingt einem mehr oder weniger starken Verschleiß unterworfen, wodurch die Schneidfähigkeit abnimmt. Werden Messer aus sehr hartem Material gefertigt, sind sie widerstandsfähiger gegenüber Verschleiß, sind jedoch aufgrund ihrer Sprödigkeit stoß empfindlich, wodurch es schneller zu Messer kantenausbrüchen kommt. Bei zu geringer Messerhärte kommt es hingegen zu Schneid kantenverformungen und stärkerem Ver schleiß. Bei stumpfen Messern nimmt die Komponente des Quetschens eine immer größere Rolle ein, was sich in einer erhöhten Zerkleinerungs- oder Schneidarbeit, einer höheren Wärmeentwicklung und einer Verschlechterung der Schnittflächen äußert. Stumpfe Messer werden daher üblicherweise ersetzt oder nachgeschliffen, wofür sie in der Regel aus der Zerkleinerungs- bzw. Schneid maschine ausgebaut werden müssen.

Zur Erläuterung des Verschleißes an den relevanten Messertypen wird zunächst die Schneidgeometrie anhand der Verhältnisse in einer rotierenden Zerkleinerungsmaschine (Schneidmühle) beschrieben (Fig. 1). Die jeweils dem Schnittgut vor dem Schnitt zugewandten Flächen der Messer bezeichnet man als Spanfläche 4, welche mit der Freifläche 3 die Schneidkante SK bildet. Freifläche und Spanfläche spannen den Keilwinkel β auf, zwischen der Spanfläche und der Senkrechten zur Relativbewegungsrichtung (gemessen von der jeweiligen Schneidkante SK) wird der Spanwinkel γ und zwischen der Freifläche und der Relativbewegungsrichtung wird der Freiwinkel α gebildet. Übliche Werte für die Winkel sind:

- Rotormesser (1): α_R = 10°, β_R = 60°, γ_R = 20°
- Statormesser (2): α_S= 5°, β_S = 90°, γ_S = 5°

Die Schneidkantenradien der Messer liegen nach dem Anschleifen bei ca. 10 µm, die maximal tolerierbaren Schneidkantenradien liegen je nach Einsatzfall bei teilweise über 0,5 mm, wobei das Rotormesser aufgrund seines kleineren Keilwinkels im allgemeinen schneller verschleißt als das Statormesser. Weiterhin sind die Statormesser rechteckig ausgeführt, sodaß jedes Messer vier nutzbare Schneidkanten hat und bei Erreichen der maximal tolerierbaren Schneidkantenradien im Rahmen der Wartungs arbeiten bis zu vier mal gedreht werden kann bevor es nachgeschliffen werden muß. Rotor messer müssen hingegen bei Erreichen des maximal tolerierbaren Schneidkantenradius direkt nachgeschliffen oder ausgetauscht werden, wofür das Messer üblicherweise ausgebaut werden muß.

Verfahren, die Schneidfähigkeit von Messern zu verlängern zielen also üblicherweise darauf ab, die Verschleiß festigkeit des Materials zu erhöhen. Ein einfacher Weg hierfür ist die Erhöhung der Härte, womit man aber Einbußen in der Stabilität der Schneide in Kauf nehmen muß, da die größere Härte auch eine größere Sprödigkeit des Materials mit sich bringt. Heute verwendete Messer sind üblicher weise durchgehärtet und angelassen auf eine Härte von ca. 55 bis 62 HRC je nach Anwendungsfall. Dem Härten kann ggf. eine Tiefkühlung nachgeschaltet werden, um eine weitere Umwandlung des Restaustenites zu erreichen. Allgemein wird bei der Wahl des Härteverfahrens und -verlaufes auf eine feine Karbidverteilung geachtet, da diese lokalen Schneidenausbrüchen vorbeugt und somit bei gleicher (Makro-)Härte eine höhere Schneidkantenstabilität bewirkt.

In der Vergangenheit wurden große An strengungen unternommen, mit geeigneten Stählen und darauf abgestimmten Härtever fahren die jeweils optimale Konstellation von Härte und Schneidkantenstabilität für die verschiedenen Einsatzzwecke zu finden. Großangelegte Untersuchungsreihen für die üblichen Messerstähle brachten eine Verbes serung, jedoch stieß man bald an die Grenzen des Werkstoffes Stahl.

Ein weiteres, seit längerem bekanntes Verfahren war die Verarbeitung mehrerer verschiedener Materialien für die Messer schneide - dies wird als Verbund- oder Sandwichmesser bezeichnet. Üblicherweise bedient man sich dabei eines harten Werkstoffes, der die unmittelbare Schneid kante ausbildet und in einen weicheren (und damit zäheren) Werkstoff eingebettet ist, mit welchem der restliche Messerkörper gefertigt wird. Da der harte Werkstoff vergleichsweise dünn verarbeitet ist, wird so eine gewisse Elastizität gewährleistet, während die eigentliche Tragwirkung (Einleitung der Schneidkräfte) vom weicheren Werkstoff übernommen wird. In der ferneren Vergangenheit wurden zwei ver schiedene Stahlsorten miteinander verschmiedet, sodaß die härtere Qualität im Bereich der späteren Schneidkante lag [z. B. Patent DG-AS 21 06 998]. Jedoch gestaltete sich das (Nach-) Schleifen derartiger Klingen problematisch, da beide Keilflächen sehr gleichmäßig abgetragen werden mußten, damit die Schneidkante im Bereich des harten Werkstoffes zu liegen kam. In der näheren Vergangenheit wurden aufgrund der großen Fortschritte der Keramikindustrie auch Keramikverbundmesser entwickelt, bei denen eine geeignete Keramik in einen Trägerwerkstoff eingeklebt wurde. Diese Messer haben sich jedoch aufgrund ihres hohen Preises nur in speziellen Anwendungsgebieten durch setzen können.

Angeregt durch die Erfolge von Beschichtungen in der Zerspanungstechnik wurde 1989 von Gerber ein völlig neuartiger Weg begangen: durch die Ausbildung einer beschichteten (und damit verschleißfesten) und einer unbeschichteten Keilfläche wurde erreicht, daß das Messer stets derart verschleißt, daß immer eine schneidfähige Schneidkante, gebil det aus dem harten Beschichtungsmaterial, erhalten bleibt (Selbstschärfungseffekt). Gerber erreichte diese Ausbildung der Schneidkanten durch komplettes Beschichten des gesamten Messers und anschließendes Abschleifen der Beschichtung an einer Keilfläche. Als Hart stoffschicht kommt in diesem Fall Titannitrid zum Einsatz [Patent DE 37 00 250 C2]. Diese Idee wurde 1996 von den Zwillingswerken wiederaufgegriffen, wobei in diesem Fall die Hartstoffschicht (hier Wolframcarbid+Kobalt) durch Flammspritzen auf der gewünschten Fläche aufgetragen wird [Patent EP 0 707 921 A2]. Der Hintergrund der Ausnutzung eines Selbstschärfungseffektes ist bei dieser Art der Ausführung jedoch derselbe. Während Gerber eher den industriellen Einsatz anstrebte, setzen die Zwillingswerke diese Technologie für den Haushalts- und Küchenbedarf ein. Aufgrund des großen technischen Aufwandes sind die derart hergestellten Messer jedoch sehr teuer.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt somit das Problem zugrunde die Standzeit von Messern, die in herkömm lichen Zerkleinerungs- und Schneidmaschinen eingesetzt werden, zu erhöhen. Da die Schneidfähigkeit von Messern insbesondere durch den vorliegenden Schneidkantenradius bestimmt wird, muß dieser Radius möglichst lange möglichst klein gehalten werden.

Lösung dieses Problems ist die Verwendung eines Messers, das sich durch eine speziell an die Schneidaufgabe angepaßte Härteverteilung auszeichnet. Die erfindungs gemäße Härteverteilung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Entweder Freifläche 3 oder Spanfläche 4 (vergl. Fig. 1) weisen dabei eine besonders hohe Härte auf, die mit zunehmendem Abstand von der jeweiligen Oberfläche nach einem bestimmten Gradien ten bis auf ein bestimmtes Niveau abnimmt.

Die erfindungsgemäßen Messer können die bisher in den Zerkleinerungs- und Schneid maschinen verwendeten Messer ohne konstruktive Änderungen ersetzen und führen infolge der längeren Standzeiten zu geringeren Maschinenstillstandzeiten und Instandhaltungs kosten. Da die Herstellung der erfindungs gemäßen Messer nicht beziehungsweise nur unwesentlich teurer ist im Vergleich zu her kömmlichen Messern ergibt sich hierdurch ein Potential zur Kostenreduzierung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend für den Fall der gehärteten Freifläche eines Rotormessers anhand beige fügter Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Winkel und Bezeichnungen am Beispiel von Schneidmühlenmessern

Fig. 2 Verschleißbedingte Schneidkantenform eines Standardmessers

Fig. 3 Verteilung der Härte des erfindungsgemäßen Messers

Fig. 4 Verschleißbedingte Schneidkantenform des erfindungsgemäßen Messers

In einer Schneidmühle wird ein Rotormesser mit einer Geometrie entsprechend Fig. 1 eingesetzt. Die Schneidkante im angeschliffenen Stadium ist durch die Kontur K_G angedeutet. Der Verschleiß führt zur Ausbildung einer Abrundung der Schneidkante, die, wie in Fig. 2 dargestellt insbesondere an der Freifläche 3 einen großen Radius dec Kontur der Schneidkante K_S aufweist. Dies führt zu einer starken Quetschbeanspruchung im Schneid bereich, was zu einer deutlichen Erhöhung der Zerkleinerungsarbeit und Wärmeeinbringung führt. Deshalb wird ein solches Messer in der Praxis nachgeschliffen.

Zur Erhöhung der Standzeit wird die Verwendung eines Messers mit einer erfindungsgemäßen Verteilung der Härte H über dem senkrechten Abstand s von der Freifläche vorgeschlagen, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt. Die Materialhärte H fällt von der Randschicht auf der Seite der Freifläche vom Wert H₁ auf den Wert H₂ (Kernhärte) im Abstand s₂ ab. Grundsätzlich sind alle üblichen Oberflächenhärteverfahren zu diesem Zwecke geeignet, wie z. B. die Tauch-, Flamm- oder Induktionshärtung, das Laseroberflächenhärten sowie das Einsatz- und Nitrierhärten bzw. das Karbonitrieren. Im folgenden soll die Härtung am konkreten Beispiel des Nitrierhärtens erläutert werden:
Die Herstellung eines Messers mit dem erfindungsgemäßen Härteverlauf entsprech end Fig. 3 wäre z. B. durch die Verwendung eines Stahls 1.8515 (31CrMo12) möglich, der durch Nitrierhärten eine Oberflächenhärte H₁ an der Freifläche 3 von ca. 800 HV (entsprechend etwa 64 HRC) und eine Kernfestigkeit von 1130 N/mm² (entsprechend etwa 36 HRC) erhält (siehe Stahlschlüssel, Kap. 1). Durch geeignete Wahl der Nitriertemperatur (550 bis 580°C) und der Nitrierdauer (ca. 2 bis 3 Stunden) muß gewährleistet werden, daß die Oberflächenhärte H₁ kontinuierlich bis auf die Kernhärte H₂ abfällt und gleichzeitig die Tiefe der Nitrierschicht z. B. 0,2 mm beträgt (abgestimmt auf den hier zulässigen Schneidkantenradius). Eine Härtung der Spanfläche ist nicht vorgesehen. Damit eine gleichmäßige, gerade Schneidkante erreicht wird, muß die Freifläche für das Nitrierhärten vordem Härtevorgang bereits auf Maß gebracht werden, nach dem Härten wird nur noch die Spanfläche 4 nachgeschliffen um die gewünschte Schneidkante mit der Schneidkantenkontur K_G zu erzeugen.

Für die anderen Härteverfahren gilt allgemein, daß mit kombinierter Anwendung von Härtung und anschließendem Abschleifen der Freifläche ein vorgegebener Härteverlauf sehr gut erreicht werden kann. Wird z. B. durch den Härtevorgang der gewünschte Härteverlauf nur in größerem Abstand von der Oberfläche (größerer Tiefe) erreicht, so kann die gehärtete Oberfläche durch Schleifen soweit abgetragen werden, bis die geeignete Schicht erreicht ist und nun ihrerseits an der Oberfläche liegt. Wie bei den durchgehärteten Messern ist auch hier beim Schleifen auf eine gute Kühlung zu achten, damit das Gefüge nicht durch die Schleifwärme wieder angelassen wird und damit an Härte verliert.

Wird ein Messer mit der erfindungsgemäßen Härteverteilung aus Fig. 3 eingesetzt, so wird sich anfangs der Verschleiß bis zur Ausbildung eines gewissen Schneidkantenradius nur unwesentlich vom Verschleißbild des komplett durchgehärteten Standardmessers unterscheiden. Bei einem weiteren Verschleiß wird das Material umso stärker abgetragen, je weiter es sich von der Freifläche entfernt befindet - dies wird durch die erfindungsgemäße Härteverteilung erreicht. Durch diese Art des Verschleißes wird sich der Schneidkantenradius bei einem bestimmten Wert einstellen und über längere Zeit erhalten bleiben. Dies kommt einem permanenten Nachschleifen der Schneidkante durch die Abrasivwirkung des Schneidguts gleich. Eine mögliche Ausbildung des Schneidkantenradius (K_E) des Messers mit der erfindungsgemäßen Härteverteilung ist in Fig. 4 dargestellt. Beim Nachschärfen des erfindungsgemäßen Messers wird nur die Freifläche soweit nachgeschliffen, bis wieder eine scharfe Schneidkante ohne Ausbrüche entstanden ist.

Claims

1. Messer für Zerkleinerungs- und Schneidmaschinen, das im Schneid bereich aus nur einem metallischen Werkstoff besteht, dadurch gekennzeich net, daß entweder Freifläche (3) oder Spanfläche (4) eine besonders hohe Härte (H₁) aufweisen, die mit zunehmendem Abstand (s) von der jeweiligen Oberfläche nach einem bestimmten Gradienten auf eine definierte Mindesthärte (H₂) im restlichen Schneidbereich abnimmt.

2. Messer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernhärte (H₂) so hoch liegt, daß sie eine, abhängig von der verwendeten Messergeometrie ausrei chende Festigkeit des Messers gewähr leistet und gleichzeitig niedrig genug ist, um beim Schneid- bzw. Zerkleinerungs vorgang stärker zu verschleißen als der gehärtete Messerbereich.

3. Messer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einhärtetiefe in der Größenordnung des bei der jeweiligen Anwendung maximal tolerierbaren mittleren Schneidkantenradius liegt.

4. Messer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Härteverteilung durch ein Härteverfahren, wie z. B. Tauch-, Flamm- oder Induktionshärtung, das Laseroberflächenhärten sowie das Einsatz- und Nitrierhärten bzw. das Karbonitrieren erreicht wird.

5. Messer nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Härte der gehärteten Messerbereiche mindestens so hoch ist wie die Härte der in den jeweiligen Maschinen bisher verwendeten Messer.