DE19951587C2 - Werkzeug zum scherenden Trennen von Halbzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Werkzeug zum scherenden Trennen von Halbzeugen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es allgemein aus der Werkstattechnik und der industriel­ len Anwendung bekannt ist.

Bekannte Scherwerkzeuge der angesprochenen Art haben auswech­ selbare Schermesser aus gehärtetem Stahl. Bei einem Serien­ einsatz in der industriellen Fertigung macht sich die be­ schränkte Lebensdauer der Schermesser in einem häufigen Wech­ sel und in einer Produktionsunterbrechung bemerkbar. Zwar kann auch noch mit einem stumpf gewordenen Schermesser das Halbzeug bearbeitet und auf diese Weise die Nutzungsdauer der Schermesser etwas verlängert werden, jedoch geht dies nur zu Lasten der Schnittqualität. Außerdem wird dadurch die Hubme­ chanik insgesamt und ihr Antrieb stärker belastet, was für die Lebensdauer der Maschine ungünstig ist.

Die DE 297 16 511 U1 zeigt hartmetall-armierte Schneidleis­ ten, bei denen es sich vermutlich um Kanteneinsatzstücke für Schermesserbalken handelt. Die bekannte Schneidleiste besteht aus einem im Querschnitt rechteckigen Schneidleistenkörper aus Stahl, an dessen Kanten kleinere, leistenförmige Hartme­ talleinsätze eingelassen und durch Schrauben, Kleben oder Lö­ ten mit dem Schneidleistenkörper verbunden sind. Durch das formschlüssige Einsetzen von vorgeformten Hartmetall-Leisten in entsprechende Aussparungen des Schneidleistenkörpers soll das kostspielige Hartmetallbeschichten desselben durch ther­ misches Aufspritzen oder PTA-Auftragsschweißen vermieden wer­ den und die Schneidleiste einfacher und kostengünstiger her­ stellbar sein. Durch symmetrische Ausbildung der Schneidleis­ te kann diese nach dem Stumpf-werden der benutzten Schneid­ kante gewendet und eine neue Schneidkante zum Einsatz ge­ bracht werden. Diese Druckschrift vermittelt den Gedanken, dass Schermesserbalken aus einem zäh-harten, duktilen Werk­ stoff bestehen müssen und allenfalls der beim Scheren hoch beanspruchte Kantenbereich lokal mit einem spröd-harten Werk­ stoff armiert sein darf.

Eine ähnlich Empfehlung gibt die japanische Offenlegungs­ schrift JP 08-325707 AA, die das Herstellen einer aus Werk­ zeugstahl bestehenden, über 1 m breiten Schneidleiste zum Scheren von Stahlplatten behandelt. Zur Verbesserung der Standzeit der Schneidleiste ist diese an ihrer Oberfläche mit einer Hartkeramik aus Titannitrid, -carbid oder Carbonitrid beschichtet. Die Keramikbeschichtung wird durch ein Ionen- Implantations-Verfahren aufgebracht. Zur Verbesserung der Le­ bensdauer der Schneidleiste, insbesondere der Haftung der Ke­ ramikschicht wird diese lagenweise aufgetragen. Dabei wird auf dem Werkzeugstahl der Schneidleiste zunächst eine Lage aus Titannitrid aufgetragen und diese mit einer metallischen Titanschicht überzogen. Unmittelbar auf die metallische Ti­ tanschicht wird wenigstens eine weitere Keramikschicht aus Titannitrid, -carbid oder Carbonitrid appliziert. Als äußers­ te Beschichtung wird eine Keramiklage angebracht. Die Empfeh­ lung dieser Druckschrift geht dahin, maschinenverwendbare Schermesser in der Basis aus Werkzeugstahl herzustellen und diese an der beim Scheren beanspruchten Oberfläche mit einer Keramikschicht zu überziehen.

Die DE 196 18 803 C2 zeigt eine aus Keramik bestehende Klinge eines manuell zu handhabenden Schneidmessers. Diese Druck­ schrift behandelt ein spezifisches Problem von manuell zu handhabenden Schneidmessern, die hoher Biegebeanspruchung und/oder Schlagbeanspruchung ausgesetzt sein können und da­ durch vorzeitig zu Bruch gehen. Die Bruchgefahr einer solchen Keramik-Klinge soll dadurch vermindert werden, dass der Klin­ genrücken verrundet ausgebildet wird, dass also die Klingen- Seitenflächen mit Rundungen in den Klingenrücken übergehen. Diese Druckschrift vermittelt dem Fachmann den Gedanken, dass von scharfen Kanten an Keramikkörpern eine Bruchgefahr aus­ geht. Die als Abhilfe vorgeschlagene Verrundung des Messerü­ ckens ist bei in Maschinen einzusetzenden Schermesserbalken zum scherenden Trennen von Halbzeugen jedoch nicht anwendbar.

Die DE 39 12 674 A1 zeigt eine Handschere mit einem Paar von manuell gegeneinander verschwenkbaren Scherenarmen, die je­ weils auswechselbare Schneideinsätze tragen. Je nach zu tren­ nendem Schneidgut sollen unterschiedliche Schneideinsätze an den Scherenarmen befestigt werden, die sich durch den verwen­ deten Werkstoff, insbesondere z. B. Keramik, und/oder durch den Schliff der Schneide unterscheiden. Stumpf gewordene Schneideinsätze sollen rasch durch neue ersetzt werden kön­ nen. Aus dieser Druckschrift entnimmt der Fachmann die tech­ nische Lehre, dass austauschbare Schermessereinsätze aus Ke­ ramik lediglich für Handscheren, also bei Anwendungsfällen mit geringen Scherkräften geeignet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrunde ge­ legte Werkzeug im Hinblick auf eine höhere Produktivität der Maschine und eine höhere Qualität der erzeugten Schnitte zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Werkzeuges erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Aufgrund der Werkstoffwahl einer schlagfesten Keramik, insbesondere Siliziumnitrid oder Zir­ konoxid können der Verschleiß und die störungs- und wechsel­ bedingten Stillstandszeiten reduziert sowie die Standzeit der Schermesser und die Schnittflächenqualität deutlich verbes­ sert werden. Die Standzeit wird nicht nur durch die größere Werkstoffhärte der Keramik verursacht, sondern auch durch die ge­ ringere Adhäsions- und Freßneigung der Keramik gegenüber dem zu scherenden Werkstoff. Die Keramikmesser arbeiten auch ohne Schmiermittel einwandfrei. Aufgrund der höheren Standzeit der Messer und ihrer Anspruchslosigkeit bezüglich einer Schmierung reduzieren sich auch die Wartungs- und Instandhaltungskosten der Anlage. Insgesamt werden also die Produktivität und das Arbeitsergebnis verbessert. Es sind ohne weiteres auch Schnit­ te bei hohen Werkstofftemperaturen möglich, was insbesondere beim Einsatz in Schmieden - Portionieren des erwärmten Vorma­ terials, Entgraten des warmen Schmiederohlings - vorteilhaft ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand verschiedener in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbei­ spiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnittes ei­ ner Coilschere mit austauschbar darin befestigten Kera­ mikleisten als Schermesser,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Paares von pro­ fil-angepaßten Formmessern zum Abscheren eines Rundma­ terials,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Keramikteile - Stempel und Matrize - eines Werkzeuges zum Formlochen oder Stanzen von Blechen und

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Teil eines zweiteiligen Werk­ zeuges zum Rundlochen mit Keramikeinsätzen im Bereich des Stempels und der Matrize.

In Fig. 1 ist die technische Einsatzmöglichkeit der Erfindung am Beispiel einer ausschnittsweise angedeuteten Hubschere 1 zum Trennen von in einem sog. Coil aufgewickelten Blechen zu Blechtafeln dargestellt. Das abgewickelte und gerade gerichte­ te Blech wird über einen Scherentisch 2 bis zu nicht darge­ stellten Anschlägen geschoben, die entsprechend der gewünsch­ ten Länge der Blechtafeln eingestellt sind. In den Scheren­ tisch, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel zugleich die Funktion eines ortsfesten Schermesserbalkens hat, ist aus­ tauschbar ein Schermesser 7 so eingelassen, daß die Scherkante bündig zur Tischoberfläche liegt. An seitlichen Ständern ist in Führungen 5 ein Schermesserbalken 3 hubbeweglich geführt, der über einen Hubstößel 4 von einem nicht dargestellten Hub­ antrieb bewegbar ist. Auch an dem hubbeweglichen Schermesser­ balken 3 ist ebenfalls ein Schermesser 6 austauschbar befe­ stigt.

Um mit der Hubschere eine höhere Produktivität und eine höhere Qualität der erzeugten Schnitte erreichen zu können, sind er­ findungsgemäß die austauschbaren Schermesser 6 und 7 aus einer schlagfesten Keramik hergestellt, und zwar aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder - beim Einsatzfall für Coilscheren bevorzugt - aus Zirkonoxid (ZrO₂). Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel einer Coilschere sind die Schermesser 6 und 7 im wesentlichen leistenförmig und geradlinig ausgebildet, die mittels Schrauben an den Schermesserbalken 3 bzw. an den Sche­ rentisch 2 angeschraubt werden können.

Die angenähert leistenförmigen Schermesser 6 und 7 werden end­ formnah aus einem Keramikpulver unter Wärme und Druck in einem beheizten Formwerkzeug gesintert. Eine andere Möglichkeit be­ steht darin, zunächst aus einer pastösen Masse, die aus Kera­ mikpulver und Binder besteht, einen formbeständigen Grünling zu formen und diesen anschließend endformnah mechanisch zu be­ arbeiten. Ein durch Sintern bei erhöhten Temperaturen fertig gestellter Rohling wird dann bezüglich der Feinabmessungen und der endgültigen Form durch Sonderverfahren mechanisch bearbei­ tet. Hierbei können Schleifen mit Diamantscheibe, laserunter­ stütztes Drehen oder Fräsen, Laserabtragen, Laserbohren oder Ultraschallberabeitung in Frage kommen. Im Zusammenhang mit der endgültigen Form der Schermesser ist u. a. auch die Frei­ fläche des Schermessers bzw. deren Winkel gegenüber der frei liegenden Flachseite zu erwähnen; dieser Freiwinkel beträgt etwa 2°30'. Die leistenförmigen Schermesser werden in forment­ sprechende Aussparungen der Schermesserbalken eingesetzt und sind darin - abgesehen von der bereits erwähnten Verschraubung - formschlüssig aufgenommen, wobei die Schnittkraft über eine Flanke oder Schulter der Aussparung vom Schermesserbalken in das Schermesser eingeleitet wird. Die nicht schneidenden, nach Einbau des Schermessers in der Ausparung verdeckt liegenden "Kanten" der leistenförmigen Schermesser sind zur Vermeidung von Kantenpressungen und dadurch verursachten lokalen Span­ nungsspitzen sauber gebrochen oder gerundet.

Eine gegenüber der Darstellung nach Fig. 1 modifizierte Sche­ renform dient zum scherenden Trennen von Walzprofilen. Insbe­ sondere beim Formschmieden werden Vierkant- oder Rundmateria­ lien bedarfsgerecht in bestimmte, relativ kurze Abschnitte ge­ trennt. Dieses Trennen der teilweise hochfesten Stähle kann in kaltem Zustand, u. U. aber auch in warmen Zustand erfolgen. Meist werden die Profile durch Scheren getrennt, weil dieses Verfahren am rationellsten ist und keinen Materialverbrauch verursacht.

In Fig. 2 ist strichpunktiert ein Paar von Schermesserbalken 18, 18' einer solchen Profiltrennschere abgedeutet. Im wesent­ lichen sind in Fig. 2 lediglich die austauschbar daran befe­ stigten Schermesser als anschraubbare, profil-angepaßte Form­ messer 15, 16 dargestellt. Mit Rücksicht auf den Umstand, daß diese Formmesser zum scherenden Trennen von Rundmaterial aus­ gebildet sind, weisen die Formmesser jeweils eine halbkreis­ förmige Aussparung 17 auf. Mit den Formmessern soll das Rund­ material im Warmzustand, z. B. bei heller Gluht, abgeschert werden. Zu diesem Zweck ist als Werkstoff für die Formmesser Siliziumnitrid (Si₃N₄) gewählt. Trotz eines gegenüber Stahl un­ terschiedlichen Temperatur-Ausdehnungskoeffizient können Schermesser aus Siliziumnitrid bei geeigneter Gestaltung der Verschraubung unter Verwendung von Dehnschrauben bei allen Temperaturen spannungsfrei an den Schermesserbalken befestigt werden. Die Schneidkanten dieser im Warmzustand arbeitenden Schermesser sind mit einem Kantenradius oder einer Kantenfase von etwa 0,2 mm versehen. Der Neigungswinkel der Freifläche beträgt hier etwa 2°.

Abgesehen von einem Abscheren eines Halbzeuges, z. B. eines Bleches oder Walzprofils, kommen Schervorgänge als Schneid oder Stanzvorgänge auch beim vollständigen oder partiellen Lo­ chen eines Bleches oder von platten- oder schalenförmigen Ge­ bilden vor, wobei hier außer Metallen auch andere Werkstoffe, insbesondere Kunststoffe ohne und mit Faserverstärkung in Fra­ ge kommen.

In den Fig. 3 und 4 sind derartige Lochwerkzeuge darge­ stellt, wobei Fig. 4 einen Lochstempel mit Matrize für ein Rundloch und Fig. 3 eine Garnitur für das Formlochen zeigt.

Bei dem teilweise in Fig. 4 gezeigten Lochwerkzeug ist im Oberwerkzeug 8 ein Lochstempel 10 und im Unterwerkzeug 9 eine im wesentlichen hutförmige Lochmatritze austauschbar eingelas­ sen. Der Lochstempel 10 besteht seinerseits aus einem Stahl­ stift mit Kopf und einer unterseitigen Bohrung, in die der ei­ gentliche Lochstift als Keramikeinsatz 11 eingesetzt ist. Der Keramikeinsatz kann in die Bohrung eingeklebt, eingeschrumpft oder auch unter plastischer Verformung des Stempelschaftes im Bohrungsbereich eingewalzt sein. Der Keramikeinsatz ist an dem unterseitig frei herausragenden Stirnende mit einer definiert und fein gerundeten Kante (z. B. Kantenrundungsradius R < 0,3 mm) begrenzt. Im Mantelbereich ist das vordere Ende unmittel­ bar hinter der Schneidkante leicht konisch nach hinten ver­ jüngt, so daß sich hier ein Freiwinkel von etwa 1°20' ergibt. Die Länge, auf der sich der Lochstift verjüngt, entspricht mindestens dem zweifachen der Materialdicke, die gelocht wer­ den soll. Die für den Lochstift verwendete Keramik ist wahl­ weise Siliziumnitrid oder Zirkonoxid.

Die im Unterwerkzeug eingesetzte Lochmatritze 12 weist in der Oberseite eine auf den Durchmesser des Lochstiftes 11 abge­ stimmte Bohrung auf, die sich nach unten ebenfalls leicht ko­ nisch erweitert. Die Einsatzteile 10 und 12 sind stramm in die jeweiligen Werkzeugteile 8 bzw. 9 eingepaßt und sehr genau in den beiden gegenüberliegenden Werkzeugteilen zueinander ausge­ richtet, was eine sehr genaue Fertigung voraussetzt. Nach Zer­ legen der Werkzeugteile lassen sich die Einsatzteile badarfweise durch auspressen demontieren und gegebenenfalls durch neue oder auch durch überarbeitete oder nachgearbeitete Einsatzteile ersetzen.

Die Fig. 3 zeigt die Keramikteile eines Lochstempels 13 und einer Lochmatritze 14 für ein zu schneidendes Formloch. Die wahlweise aus einer der beiden genannten Keramiken bestehende Lochmatritze 14 ist in geeigneter Weise in ein Unterwerkzeug zu integrieren und darin lagesicher und exakt zu fixieren. Der Lochstempel 13 ist nach dem Vorbild der Fig. 4 in einen me­ tallenen Stempelträger einzusetzen, wobei dieser unterseitig eine formgenaue, durch Senkerodieren erzeugte Aussparung auf­ weist.

Claims (9)

1. Werkzeug, insbesondere Hubschere, zum scherenden Trennen von Halbzeugen, mit einem Paar von relativ zueinander hubbe­ weglichen Scherwerkzeugen, insbesondere Schermesserbalken, an die eine Garnitur von Schermesser aus einem härteren Werkstoff als dem der Scherwerkzeuge oder Schermesserbalken austauschbar befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die austauschbaren Schermesser (6, 7; 10-12; 13, 14; 15, 16) zumindest bezüglich eines schneidwirksamen Teiles aus schlag­ fester Keramik bestehen.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikwerkstoff für die Schermesser (6, 7; 10-12; 13, 14; 15, 16) Siliziumnitrid (Si₃N₄) ist.

3. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikwerkstoff für die Schermesser (6, 7; 10-12; 13, 14; 15, 16) Zirkonoxid (ZrO₂) ist.

4. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schermesserbalken als ein Lochwerkzeug (8, 9) und die aus­ tauschbar daran befestigte Garnitur von Schermesser als Loch­ stempel (10, 11; 13) und als Lochmatritze (12; 13) ausgebildet sind.

5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lochstempel (13) und die Lochmatritze (14) unrund zum Formlochen ausgebildet sind.

6. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schermesserbalken (2, 3) Teil einer Coilschere (1) und die austauschbar daran befestigte Garnitur von Schermesser als ge­ radlinige, daran anschraubbare Keramikleisten (6, 7) ausgebil­ det sind.

7. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schermesserbalken (18, 18') Teil einer Walzprofil-Schere und die austauschbar daran befestigte Garnitur von Schermesser als anschraubbare, profil-angepaßte Formmesser (15, 16) ausge­ bildet sind.

8. Werkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzprofil-Schere zum Trennen von Rundmaterial ausgebildet ist und die Formmesser jeweils mit einer halbkreisförmigen Aussparung (17) versehen sind.

9. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidkanten der Schermesser mit einem Kantenradius oder einer Kantenfase weniger als 0,3 mm, vorzugsweise von etwa 0,2 mm versehen sind.