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Die Erfindung betrifft die prozess-
und energieoptimierte Ausgestaltung eines Glühkopfes für den Einsatz in Drahtziehmaschinen.
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Drahtziehmaschinen werden eingesetzt,
um den Durchmesser metallischer Drähte von einem beliebigen Ausgangsdurchmesser
auf ein definiertes Endmaß zu
ziehen und somit zu verjüngen.
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Bekannte Produktionsanlagen für diesen Prozess
bestehen im wesentlichen aus drei Komponenten, der Ab- und Aufspulvorrichtung,
den Ziehsteinen und den Glühköpfen. Der
kontinuierliche Transport des Drahtes durch den Ziehprozess erfolgt durch
die Umspulung des Drahtes mittels Ab- und Aufspulvorrichtung. Die
Abspulvorrichtung am Anfang des Prozesses dient zum Abwickeln des
unbehandelten Drahtes von einer Spule. Mit der Aufspulvorrichtung
wird der. gezogene Draht am Ende wieder auf einen Spulenkörper aufgewickelt.
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Zwischen dem Ab- und dem Aufspuler
befinden sich nacheinander zuerst die Ziehsteine und nachfolgend
die Glühköpfe. Die
Ziehsteine sind maßangefertigte
Werkzeuge, in deren Mitte sich ein Loch befindet, dessen Durchmesser
dem Endmaß des
zu verjüngenden
Drahtes entspricht.
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Wenn das Verhältnis von Ausgangsdraht- zu Enddrahtdurchmesser
besonders groß ist,
kann der Ziehprozess auch in mehreren Stufen erfolgen. Dabei werden
mehrere Ziehsteine mit jeweils kleiner werdenden Lochdurchmessern
bis hin zum Nennmaß hintereinander
angeordnet.
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Der Drahtquerschnitt wird beim Umspulen durch
die Ziehsteinlöcher
,gepresst'. Das überschüssige Material
des Drahtquerschnittes, dass nicht durch die Öffnung der Ziehsteine gelangen
kann wandert vor dem Ziehstein zurück und verlängert den Ursprungsdraht proportional
zur Querschnittsverringerung. Der gezogene Draht ist gegenüber dem
Ursprungsdraht dünner,
aber dementsprechend länger, die
Massenbilanz ist somit ausgeglichen.
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Die Ziehsteinöffnungen sind vorwiegend mit einer
Diamant-, oder einer ähnlich
harten Oberfläche versehen,
um mechanische Abnutzungen zu vermindern.
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Ziehsteine können in einer Produktionsanlage
auch parallel angeordnet sein, um mehrere Drähte in einem Produktionsgang
gleichzeitig zu ziehen.
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Durch das mechanische ,Hindurchpressen' des Drahtes durch
eine im Verhältnis
zum Drahtdurchmesser kleineres Loch, entstehen Gefügeänderungen
im Metallgitter die durch Verspannungen in der Gitterstruktur charakterisiert
sind.
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Diese Strukturänderungen verringern die mechanische
Festigkeit und die Flexibilität
der Drähte
erheblich. Um die Gefügestruktur
und damit den Draht wieder zu entspannen ist dem Ziehprozess unmittelbar
ein Glühprozess
nachgeordnet.
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Die Drähte werden dabei über mehrere nacheinander
angeordnete Glühköpfe geführt und unter
der bestehenden Zugspannung auf ungefähr 40°C–60°C erwärmt. Die Gefügespannungen
im Draht werden in Folge der Erwärmung
abgebaut und die Festigkeit und Flexibilität des Drahtes wieder entsprechend
erhöht.
Meist werden mehrere Drähte
parallel über
einen Glühköpfe geführt.
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Glühköpfe sind rotierende metallische
Zylinder, über
die der Draht mit einem maschinen- und prozessabhängigen Umschlingungswinkel
geführt wird. Über Schleifenringe
wird ein Kurzschlussstrom in den rotierenden Zylinder eingeprägt, der
diesen entsprechend aufheizt. Gleichzeitig kann der Zylinder mit
Wasser von innen gekühlt
werden, um eine geregelte Oberflächentemperatur
zu gewährleisten.
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Bekannt sind Glühköpfe, die aus mehreren Einzelkomponenten
bestehen. Auf der Oberfläche
eines Messingzylinders sind mehrere parallel angeordnete Metallbänder, zum
Beispiel aus Nickel aufgebracht, die untereinander durch Messingringe
getrennt sind. Die Drähte
werden in den Nuten über
die Nickelbänder
geführt.
Die Bänder
liegen über
dem Zylinderumfang schlüssig
auf der Messingoberfläche,
sind aber wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der verschiedenen Metalle nicht als Ring geschlossen.
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Solche Ausgestaltungen von Glühköpfe führen zum
schnellen Verschleiß an
der drahtführenden Oberfläche und
erfordern wegen der hohen Übergangswiderstände zwischen
den Metallen hohe Energiekosten für die Erwärmung der Kopfoberfläche.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung,
eine Vereinfachung der Glühköpfe, insbesondere
in Hinsicht auf die Verschleißdauer,
die Rüstzeiten
in der Maschine, die Energiekosten durch verbesserten Wärmetransport
sowie die Lebensdauer zu erreichen.
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Diese Vorteile werden durch Vereinfachung des
Aufbaus der Glühköpfe erreicht.
Wesentlich dabei ist, dass der Glühkopf aus nur einem Werkstoff aufgebaut
ist.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
der 1-4 erläutert.
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Folgende Figuren zeigen:
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1:
Dreidimensionale Ansicht des Glühkopfes,
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2:
Ausgestaltung mit alternierender Konusfläche,
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3:
Ausgestaltung mit unterteilter Oberfläche,
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4:
Ausgestaltung mit genuteter Oberfläche,
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1,
zeigt den Glühkopf
mit einer Wasserzulauföffnung
A und Befestigungsbohrungen B an der oberen Flanschseite. Der Draht
C wird über
die plan ausgestaltete Oberfläche
D geführt
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2,
zeigt einen Zylinder mit alternierendem Konuswinkel α über dem
Zylinderumfang. Betrachtet man die Rotation des Zylinders um 180° von aus
der Perspektive der über
die Oberseite laufenden Drähte,
so werden sich die Drähte
von Position E1 parallel auf der Oberfläche nach Position E2 bewegt, so
dass eine dauerhafte punktförmige
Belastungen und damit ein lokaler Abrieb vermieden wird. Die Drähte bleiben
während
der Rotation unverändert
an ihrer Position, der rotiernde Zylinderkopf ändert aber die Neigung der
Zylinderoberfläche
von α1 nach α2 kontinuierlich
während
jeder halben Umdrehung.
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Durch das wechselnde ,Gefälle', das der Draht bei
der Rotation des Glühkopfes
somit erfährt, sucht
er ständig
die energetisch günstigste
Position auf der Glühkopfoberfläche zu erreichen.
Die Pfeile zeigen die erzwungene Bewegungsrichtung an. Dadurch wird
eine permanente Parallelverschiebung der Drähte erzwungen. Eine solche
Oberfläche
kann zum Beispiel durch CNC-Fräsung
erreicht werden.
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3,
zeigt eine unterteilte Oberfläche
G, bei der die Drähte
zwischen Trennstegen in Einzelsegmenten geführt werden. Die Stege werden
als Ringe oder Scheiben auf den Zylinder aufgeschoben und verschraubt,
verschweißt,
verlötet,
verklebt oder verpresst.
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Bei hoher Drahtanzahl können die
Drähte
H besser über
die gesamte Fläche
des Glühkopfes
verteilt werden. Werden viele Drähte
gleichzeitig über
einen Glühkopf
geführt,
so wächst
die Gefahr, dass einzelne Drähte übereinanderlaufen.
Bei den hohen Geschwindigkeiten und der mechanischen Scherwirkung
solcher Überkreuzungen
würde dies
unmittelbar zum Drahtbruch führen.
Durch eine räumliche Aufteilung
und Abtrennung in einzelne Bereiche der Glühkopfoberfläche wird diese Gefahr erheblich
gemindert. Die Drähte
können
sich parallel nur noch in ihren jeweiligen Segmenten und damit sehr
begrenzt auf der Oberfläche
bewegen
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4,
zeigt eine rillen- bzw nutförmige
Oberfläche
I. Die Nuten können
zum Beispiel durch Fräsen
aus dem Zylinderkörper
hergestellt werden.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht ebenfalls, dass
die Drähte
J bei hoher Anzahl wie in 3 über die
Oberfläche
gleichmäßiger aufgeteilt
werden können
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Wesentlich bei der Erfindung ist,
dass die Glühköpfe aus
einem elektrisch leitendem und somit auch thermisch leitendem Material
gefertigt sind.
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Kupfer ist durch seine hohe elektrische
und damit thermische Leitfähigkeit
besonders geeignet. Auch Glühköpfe aus
Silber oder Messing können
wegen ihrer elektrischen Leitfähigkeit
genutzt werden. Entscheidend dabei ist der thermische Kontaktwiderstand
zum jeweiligen Drahtmaterial, der möglichst niedrig sein sollte.
Je nach Drahtmaterial und mechanischer Belastung der Glühkopfoberfläche können auch
Legierungen, wie zu Beispiel Kupfer-Zirkon eingesetzt werden. Dieser
Werkstoff ermöglicht
durch seine hohe Festigkeit eine sehr abriebfeste Oberfläche zu erreichen.
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Ein Glühkopf aus nur einem elektrisch
und thermisch leitendem Material hat den Vorteil, dass eine Erwärmung gleichförmig erfolgt,
da eine unsymmetrische Stromverteilungen in Folge verschiedener miteinander
mehr oder weniger schlüssig
verbundener Werkstoffe entfällt.
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Hohe Übergangswiderstände zum
Beispiel zwischen einem Messingzylinder und Nickelbändern, wie
bei den herkömmlichen
Glühköpfen erfordern
bei gleicher Glühkopftemperatur
eine höhere
elektrische Energiezufuhr im Vergleich zu den neuausgestalteten
Köpfen,
die wegen der nicht vorhandenen Übergangswiderstände die
Energiekosten erheblich reduzieren.
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Bei den herkömmlichen Glühköpfen haben sich die Nickelbänder in
Folge der Reibung des Drahtes auf der Bandoberfläche von dem Zylinder gelöst, insbesondere,
da sie als offener Ring um den Zylinder liegen. Durch die Ausgestaltung
eines kompakten Zylinders aus einem Material ist dieser fast verschleißfrei. Häufige Kontrollen
des Glühkopfzustandes
und damit verbundene Rüstzeiten
entfallen.
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Die Ausgestaltung der Zylinderoberfläche ist abhängig von
der Anzahl der über
einen Glühkopf
geführten
Drähte.
Die Größe eines
Glühkopfes
ist maschinen- und drahtspezifisch. Auf einem Glühkopf von zum Beispiel 200mm
Länge kann
sich ein Draht von zum Beispiel 2mm Durchmesser über die gesamte Länge des
Glühkopfes
parallel frei verschieben. Sofern viele Drähte gleichzeitig über einen
Glühkopf
geführt
werden, ist es daher sinnvoll, den Glühkopf durch Nuten (I), Rillen,
oder wellenförmige
Verwertungen in mehrere Bereiche aufzuteilen. Die Drähte werden
dann auf diese Bereiche verteilt und eine Parallelverschiebung der
Drähte
mit der Folge von Überkreuzungen
und Drahtbrüchen
wird erheblich vermindert.
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Die Erfindung ermöglicht in einfacher Weise solche
Oberflächen
herzustellen. Ein Zylinder kann durch Fräsen entsprechend einfach verarbeitet
werden. Auch ist es möglich
Ringe aus dem Material des Zylinders als Trennstege (G) über den
Zylinder zu schieben und auf der Zylinderoberfläche in definierten Abständen zum
Beispiel aufzupressen oder zu verschrauben.
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Die Erfindung ermöglicht zudem besondere von
Ausgestaltungen der Oberfläche,
wie die Herstellung einer alternierender Konusfläche gemäß 2 über dem
Zylinderumfang, bei der eine Parallelbewegung der Drähte auf
der Zylinderoberfläche erzwungen
wird und eine punktförmige
Belastung der Kopfoberfläche
vermieden wird. Durch die permanente Änderung der Konussteigung über dem
Glühkopfumfang
versuchen die Drähte
während
der Rotation des Glühkopfes
durch paralleles Hin- und
Herwandern (E) ihre stets optimale energetisch günstigste Position zu erreichen.
Sofern viele Drähte
gleichzeitig über
einen Glühkopf
geführt
werden, sollten solche Bereiche ähnlich
wie in 3 und 4 zwischen Stegen oder Nuten
verlaufen, um ein Überkreuzen mehrerer
Drähte
zu verhindern
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Die Glühkopfzylinder können gemäß 1 an den Enden mit Flanschen
abgeschlossen sein, um Einlassöffnungen
und Befestigungsvorrichtungen, wie Gewinde für die Fixierung des Glühkopfes
in der Ziehmaschine vorzusehen und den Zylinderinnenraum für die Wasserspülung abzuschließen.
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Glühköpfe die von innen mit Wasserspülung gekühlt werden,
müssen
als Hohlzylinder gefertigt werden, da der Zylinderinnenraum permanent
mit Wasser durchspült
wird um den Glühkopf
von innen nach außen
zu kühlen.
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Ziehmaschinen können mit diesen neuen Glühköpfen ausgestattet
werden und verringern dadurch erheblich energie- und prozessbedingte
Kosten. Gleichzeitig erhöhen
sie die Maschinenleistung durch entsprechend geringere Standzeiten.