DE19902818C2 - Metallmesser mit speziell angepaßter Materialhärtenverteilung für Zerkleinerungs- und Schneidmaschinen - Google Patents
Metallmesser mit speziell angepaßter Materialhärtenverteilung für Zerkleinerungs- und SchneidmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Messer für Zerkleinerungs- und Schneidmaschinen, das im Schneidenbereich aus
nur einem Werkstoff besteht.
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.
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.
Hierzu wird auf die mit
Laserstrahl gehärtete Messer
scheibe aus der DE 43 43 222 C2 hingewiesen.
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 DE 21 06 998 B].
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 von der Firma Gerber Scientific Inc. 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). Man
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 [DE 37 00 250 C2]. Diese
Idee wurde 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 angegebenen
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde,
ein Messer für Zerkleinerungs- und
Schneidmaschinen bereitzustellen, welches sich beim Schneidvorgang selbständig
nachschärft, um dadurch längere Messerstandzeiten erreichen zu können. Da die
Schneidfähigkeit von Messern insbesondere
durch den vorliegenden Schneidkantenradius
bestimmt wird, muß dieser Radius möglichst
lange möglichst klein gehalten werden.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in den
kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 angegeben.
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
Zur Erläuterung des Verschleißes an den
relevanten Messertypen wird zunächst die
Schneidgeometrie anhand der Verhältnisse in
einer rotierenden Zerkleinerungsmaschine
(Schneidmühle) mit einem Rotormesser
mit einer Geometrie entsprechend Fig. 1
beschrieben. 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): αR = 10°, βR = 60°, γR = 20°
- - Statormesser (2): αS = 5°, βS = 90°, γS = -5°
Die Schneidkante im angeschliffenen
Stadium ist durch die Kontur KG angedeutet. Der
Verschleiß führt zur Ausbildung einer
Abrundung der Schneidkante, die, wie in Fig. 2
dargestellt insbesondere an der Freifläche 3
einen großen Radius der Kontur der
Schneidkante KS 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 vor dem Härtevorgang bereits auf Maß gebracht werden, nach dem Härten wird nur noch die Spanfläche 4 nachgeschliffen um die gewünschte Schneidkante mit der Schneidkantenkontur KG zu erzeugen.
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 vor dem Härtevorgang bereits auf Maß gebracht werden, nach dem Härten wird nur noch die Spanfläche 4 nachgeschliffen um die gewünschte Schneidkante mit der Schneidkantenkontur KG 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 (KE) 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 Schneidenbereich aus nur einem Werkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Freifläche eine besonders hohe Härte (H1) aufweist, die in der Größenordnung der bisher verwendeten Messer zwischen ca. 55 und 65 HRC liegt und die Härte mit zunehmendem Abstand (s) von der Freifläche (3) nach einem weitgehend linearen Gradienten auf eine definierte Mindesthärte (H2) des Messergrundkörpers abnimmt, die so hoch liegt, dass eine ausreichende Festigkeit des Messers gewährleistet ist und somit mindestens 30 HRC beträgt und die Einhärtetiefe dabei in der Größenordnung des maximal tolerierbaren mittleren Schneidkantenradius liegt.
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DE1999102818 DE19902818C2 (de) | 1999-01-25 | 1999-01-25 | Metallmesser mit speziell angepaßter Materialhärtenverteilung für Zerkleinerungs- und Schneidmaschinen |
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