DE3619765A1 - Verfahren zur herstellung einer schneidwerkzeugeinrichtung sowie nach diesem verfahren hergestellte werkzeugeinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schneidwerkzeugeinrichtung, insbesondere einer Rotationsschneidwerkzeugeinrichtung für bogenartiges oder bandartiges Material sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Werkzeug.

Die in Betracht gezogene Art von Rotationsschneidwerkzeugeinrichtungen besteht im allgemeinen aus zwei Zylindern, nämlich einem Patrizenzylinder als Schneidwerkzeug und einem Matrizenzylinder als Gegenzylinder oder Widerlager. Das Schneidwerkzeug ist oberhalb des Gegenzylinders bzw. Widerlagers angeordnet und das zu schneidende Material, beispielsweise Papier oder Karton, läuft zwischen diesen Werkzeugen hindurch, beispielsweise wie ein Blech durch eine Walzenanordnung. Die theoretischen Längsachsen der Werkzeuge liegen in einer gemeinsamen vertikalen Ebene.

Das Schneidwerkzeug wird aus einem Metallzylinder hergestellt, in dessen Mantelfläche ein Gitter von Schneid- und Prägestegen ausgearbeitet wird. Das abgewickelte Bild der Mantelfläche des Zylinders entspricht der Ausbildung der auszuschneidenden Gegenstände.

Die Mantelfläche des Gegenzylinders weist ihrerseits ein Gitter von Nuten auf, deren Anordnung jeweils nur der Anordnung der Prägestege des Schneidwerkzeuges entspricht. In bestimmten Fällen kann der Gegenzylinder auch glatt sein; er wird dann vorzugsweise als Widerlager (enclume) bezeichnet.

Die Herstellung einer derartigen Werkzeugeinrichtung kann nach verschiedenen Methoden erfolgen, d. h., daß die Gitter der Stege oder Nuten entweder durch Fräsen oder durch Elektroerosion erzeugt werden können. Die verwendeten Fräsmaschinen bzw. Elektroerosionsmaschinen sind numerisch gesteuerte Maschinen, die eine präzise und automatische Bearbeitung erlauben. In den meisten Fällen werden die Werkzeugeinrichtungen mittels Elektroerosion hergestellt; dabei wird beispielsweise eine Graphitelektrode verwendet, die zuvor entsprechend der durchzuführenden Schneidarbeit geformt wurde. Ein Gerät dieser Art ist in US-PS 3 796 851 beschrieben.

Es sei bemerkt, daß bei der Herstellung dieser Art von Werkzeugeinrichtungen der Gegenzylinder immer viel einfacher zu bearbeiten ist, da es lediglich genügt, in die Mantelfläche des Zylinders Nuten einzustechen. Die Bearbeitungszeit ist dementsprechend relativ kurz und es ist nicht einmal erforderlich, diese mittels Elektroerosion durchzuführen, da eine einfache Fräsmaschine genügt. Dieses gilt jedoch keineswegs für das Schneidwerkzeug, welches ja keine Nuten sondern vielmehr Stege aufweisen muß. D. h., daß von der Mantelfläche des Zylinders ein beträchtliches Materialvolumen abgetragen werden muß. Abgesehen davon, daß bei einer Fräsbearbeitung die Bearbeitungszeit erheblich ist, müssen auch bestimmte Probleme in Rechnung gezogen werden, die damit zusammenhängen, daß das Fräswerkzeug einen bestimmten Durchmesser hat und daß die Ecken an den Kreuzungspunkten der Stege unzureichend sind, so daß diese nachgearbeitet werden müssen. Die gewählte Lösung ist deshalb die Elektroerosion. Damit ist das Problem der Ecken an den Kreuzungspunkten der Stege zwar gelöst, die Bearbeitungszeit ist jedoch nach wie vor erheblich. Andererseits ist der Verwender bezüglich der mechanischen Eigenschaften der Stege von der Qualität des zur Herstellung des Schneidwerkzeugkörpers, d. h. des Zylinders, verwendeten Materials abhängig, ob er nun die eine oder die andere der oben genannten Methoden verwendet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu vermeiden. Dazu wird ein Herstellungsverfahren angewendet, mit welchem es möglich ist, die Bearbeitungszeit für ein Schneidwerkzeug ganz erheblich zu verringern, wobei gleichzeitig die Möglichkeit besteht, die mechanischen Eigenschaften der ausgearbeiteten Stege zu modifizieren.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen, insbesondere den Ansprüchen 1 und 3 enthaltenen Merkmale gelöst.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil eines ersten Schneidwerkzeuges;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil eines zweiten Schneidwerkzeuges;

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Schneidsteg;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Prägesteg;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Schneidwerkzeuges;

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Schachtelzuschnitt;

Fig. 7 eine Darstellung der abgewickelten Mantelfläche eines Schneidwerkzeuges.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil eines ersten Schneidwerkzeuges, genauer eines Schneidwerkzeuges 3, welches mittels Elektroerosion aus einem Metallzylinder 1 herausgearbeitet wurde; dabei ist in dieser Figur nur ein Segment dargestellt. Das Schneidwerkzeug 6, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, weist auf seiner Mantelfläche eine Vielzahl von Stegen 2 auf, welche Schneidstege oder Prägestege sein können. Diese Stege 2 sind in der Form eines Gitters angeordnet, so daß sie mehrere Maschen bilden, die jeweils der Form entsprechen, welche ein Schachtelzuschnitt 5 oder ein anderer auszuschneidender Gegenstand haben soll (siehe Fig. 6).

In Fig. 1 wurde zum Zwecke einer Vereinfachung der Zeichnung lediglich ein Schneidsteg 2 dargestellt. Um am Ende des Bearbeitungsvorganges ein Schneidwerkzeug 3 zu erhalten, ist es erforderlich, das gesamte Material 4 in der Umgebung der Stege 2 zu erodieren.

Das Materialvolumen V, welches mittels Elektroerosion oder mittels Fräsen abgetragen werden muß, errechnet sich mit Hilfe der folgenden Formel:

V = V _cour - V _d - V _r ;

dabei ist V _cour das gesamte Materialvolumen der Schicht, aus welcher die Stege ausgearbeitet werden, V _d das gesamte Materialvolumen der Schneidstege und V _r das gesamte Materialvolumen der Prägestege.

Die Formel, welche eine Berechnung des Volumens V _cour erlaubt, lautet folgendermaßen: dabei ist L die Länge des Zylinders, d der Außendurchmesser des Zylinders und h die Höhe der Stege. Für die in Fig. 7 dargestellte Anordnung berechnet sich das gesamte Materialvolumgen V _d der Schneidstege wie folgt:

V _d = S _d · L _d

In diesem Ausdruck entspricht S _d dem Querschnitt eines Schneidsteges 10 (siehe Fig. 3) und L _d der Gesamtlänge aller Schneidstege.

Die Grundrißform eines Schachtelzuschnittes 5 oder eines auszuschneidenden Gegenstandes wird auf die Mantelfläche des Werkzeuges aufgetragen, z. B. mit drei Schachteln über die Länge L des Zylinders und vier Schachteln in seiner Abwicklungsrichtung oder Umfangsrichtung (siehe Fig. 6 und 7); dies erlaubt die Bestimmung der Größe L _d der untentehenden Formel bei insgesamt 12 Schachteln im gewählten Beispiel.

Diese Formel kann wie folgt vereinfacht werden:

Der Ausdruck S _d , nämlich die Querschnittsfläche des Schneidsteges (siehe Fig. 3) errechnet sich nach folgender Formel:

Die endgültige Form der Formel zur Berechnung des Gesamtvolumens der Schneidstege ist damit:

Das gesamte Materialvolumen V _r der Prägestege im gewählten Beispiel wird durch folgenden Ausdruck bestimmt: dabei ist S _r die Querschnittsfläche eines Prägesteges und L _r die Gesamtlänge der Prägestege.

Die Berechnung der Querschnittsfläche S _r des Prägesteges 11 (siehe Fig. 4) erfolgt mit Hilfe der folgenden Formel:

Mit Bezug auf Fig. 6 erhält man die Gesamtlänge L _r der Prägestege mit folgender Formel: die sich wie folgt vereinfachen läßt: Das Gesamtvolumen V _r ist damit

Diese Ausdrücke erlauben die Aufstellung der für die Berechnung des gesamten abzutragenden Materialvolumens V erforderlichen Formel:

Für das gewählte Beispiel werden Werte für die verschiedenen Parameter angegeben, die es im folgenden erlauben, einen quantitativen Vergleich der bei unterschiedlichen Bearbeitungsbedingungen zu erodierenden Materialvolumina anzustellen.

Die in Betracht gezogenen Werte sind:

Gemäß obenstehender Formel ist das gesamte zu erodierende Volumen V gleich 922487 mm³, das ist ungefähr 1 dm³.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Teils eines zweiten Schneidwerkzeuges 6, welches aus einem Metallzylinder 7 mit einem Durchmesser d ₁ hergestellt ist und auf dessen Mantelfläche in einem einzigen Arbeitsvorgang mittels eines bekannten Materialauftragsverfahrens ein Wulst 8 eines metallischen Materials aufgetragen wurde, welches gegenüber den Eigenschaften des Zylinders 7 unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweist, wobei diese in Abhängigkeit von der für das Schneidwerkzeug 6 vorgesehenen Arbeit wählbar sind. Das Material 8 kann vorzugsweise ein Mikropulvergemisch sein (z. B. unter der Bezeichnung "Eu Tro Loy" der Firma CASTOLIN auf dem Markt und aufgetragen mit Hilfe des "Eu Tronic GAP-Verfahrens", welches von dem gleichen Unternehmen entwickelt wurde). Der Auftrag des Materials 8 erfolgt in der Weise, daß dieses auf allen Zonen aufgebracht wird, welche einen Schneidsteg 9 oder Prägesteg darstellen sollen, gemäß der Anordnung in Fig. 7. Der Querschnitt des aufgetragenen Materials 8 hat etwa die Form eines Kreissegmentes mit einem Radius R, einem Segmentwinkel α über einer Bogenhöhe f. Der Durchmesser d ₁ ist relativ groß im Verhältnis zum Radius R; man kann deshalb annehmen, daß die Sehne a des Kreissegmentes annähernd eine Gerade ist, um die Berechnung des Gesamtvolumens V ₁ des aufgetragenen Materials zu vereinfachen. Die meßbaren Größen nach dem Auftrag des Materials 8 sind die Entfernung "a", die der Sehne des Kreissegmentes entspricht, und die Entfernung "f", die dessen Bogenhöhe entspricht. Damit kann man die Fläche S _mat unter Verwendung der folgenden Formel berechnen: darin ist R der Radius des fiktiven Kreises, in welchen das Segment des Materials 8 einbeschrieben ist, "f" der gemessene Wert der Bogenhöhe und "a" die gemessene Sehnenlänge; mit α als dem Winkel des Kreissegmentes errechnet sich der Radius R in folgender Weise: der Winkel α in Graden ergibt sich aus der Formel

Das gesamte zu beachtende Volumen V _mat hängt von der Länge der Schneidstege und Prägestege ab, die weiter oben bereits angegeben wurde und errechnet sich durch die Formel:

Die in diesem Beispiel den verschiedenen Faktoren zugeordneten numerischen Werte sind:
a = 6 mm
f = 2 mm

Damit ergibt sich unter Verwendung der geeigneten Formeln, daß R gleich 3,25 mm und α gleich 134,76° ist. Das gesamte Volumen V _mat des aufzutragenden Materials ist damit
238 485 mm³.

Um das Schneidwerkzeug 6 zu verwirklichen, muß der Wulst des aufgetragenen Materials noch in Abhängigkeit von der Form der gewünschten Stege bearbeitet werden.

Während dieses Bearbeitungsvorganges ist die Materialmenge V _er zu erodieren, die mit Hilfe der folgenden Formel errechnet wird:

V _r und V _d wurden bereits im ersten, oben genannten Beispiel berechnet; der Wert von V _er wird damit gleich 238 485 - 16 806 - 5 574 = 216 105 mm³. Die Zahlen zeigen, daß für ein gleiches Werkzeug die zweite, oben beschriebene Lösung gegenüber der ersten Lösung eine weitaus geringere Materialabtragung erfordert. Wenn nur die Bearbeitungszeiten der beiden Beispiele berücksichtigt werden in der Erkenntnis, daß die Erosionszeiten dem abzutragenden Materialvolumen proportional sind, kann man folgenden Verhältniswert η angeben:

Wenn η das Verhältnis zweier zu erodierender Volumina ist, kann der Bearbeitungszeitgewinn G folgendermaßen ausgedrückt werden:

Es ist offensichtlich, daß ein Zeitgewinn in einer derartigen Größe einen beachtlichen Effekt für die Kosten des hergestellten Werkzeuges hat. Der Querschnitt eines Schneidsteges 10, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, ist trapezförmig. Die Bezeichnung T _D bezieht sich auf die große Basisseite des Trapezes, P _D auf die kleine Seite und H _D auf die Höhe. Fig. 4 betrifft einen Prägesteg 11, welcher ebenfalls Trapezform aufweist und für den die Seite P _R die große Basisseite des Trapezes, T _R die kleine Seite und H _R die Höhe sind.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Schneidwerkzeuges 3. Diese Figur zeigt eine allgemeine Darstellung eines derartigen Werkzeuges und dient insbesondere zur Definition der Seiten L bzw. d, welche die Länge bzw. den Durchmesser des Werkzeuges bezeichnen (siehe auch Fig. 1 und 2).

Fig. 6 ist eine Draufsicht auf einen Schachtelzuschnitt 5, dessen in durchgehende Linien dargestellten Außenkonturen den Schneidstegen 10 entsprechen und dessen innere, gestrichelt dargestellte Linien den Prägestegen 11 entsprechen. Die Seiten A, B und H bezeichnen jeweils die Breite, die Dicke und die Höhe der herzustellenden Schachtel, während die Strecke P die Breite der Klebelasche dieser Schachtel angibt.

Fig. 7 ist eine Draufsicht auf die abgewickelte Mantelfläche eines Schneidwerkzeuges 6. Die Länge, strichpunktiert dargestellt, entspricht der Länge des Zylinders, an welchem das Schneidwerkzeug verwirklicht wird, während die Seite C seinem Umfang entspricht. Damit ist auch die Konfiguration angegeben, welche eine plane Graphitelektrode hat, die zur Darstellung des Werkzeuges verwendet wird. In dieser Figur sind die Schneidstege 10 mit durchgehenden Linien, die Prägestege 11 mit gestrichelten Linien dargestellt. Wie man sieht, ist eine bestimmte Anzahl von Schneidstegen 10 jeweils einem Schachtelzuschnitt 5 gemeinsam; das wurde bei der vorangehenden Berechnung zur Bestimmung der Gesamtlänge der Stege in Betracht gezogen.

Das Schneidwerkzeug 6, welches man bei dieser Herstellungsweise erhält, hat mehrere Vorteile, nämlich einen kaum erhöhten Herstellungspreis im Verhältnis zu einem auf konventionelle Weise hergestelten Werkzeug und die einzigartige Möglichkeit, die physikalischen Eigenschaften des Materials für die Stege in Abhängigkeit von den Schneidarbeiten, die durchgeführt werden sollen, wählen zu können. Der Verwender hat damit ein Schneidwerkzeug zur Hand, welches preiswert und an die Anforderungen bezüglich einer langen Lebensdauer angepaßt ist, die er in Abhängigkeit von dem zu schneidenden Material fordert.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung einer Schneidwerkzeugeinrichtung, insbesondere einer Rotationsschneidwerkzeugeinrichtung für bogenartiges oder bandartiges Material, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Mantelfläche eines Metallzylinders (7) ein Materialwulst (8) aufgetragen wird, wobei dieser Materialwulst (8) in der Anordnung eines Maschengitters aufgetragen wird, dessen Maschen jeweils der Form eines auszuschneidenden Gegenstandes entsprechen, und daß sodann dieser Materialwulst (8) ohne jede Bearbeitung anderer Bereiche der Mantelfläche dieses Metallzylinders bearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag des Materialwulstes (8) in einem einzigen Arbeitsgang durch Mikropulverisation erfolgt und daß dieser sodann durch Elektroerosion mittels einer Planelektrode aus Graphit bearbeitet wird.

3. Schneidwerkzeug, hergestellt durch ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses in einer ersten Fertigungsstufe die Form eines Metallzylinders (7) aufweist, dessen Mantelfläche mit einem Maschengitter aus Materialwülsten (8) belegt ist, welche einen kreisabschnittförmigen Querschnitt haben.

4. Schneidwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieses in seiner zweiten und dritten Fertigungsstufe die Form eines Metallzylinders (7) aufweist, dessen Mantelfläche aus dem Materialwulst (8) herausgearbeitete Schneidstege (10) und Prägestege (11) trägt.

5. Schneidwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Eigenschaften des Materialwulstes (8) und die mechanischen Eigenschaften des Metallzylinders (7) unterschiedlich sind.

6. Schneidwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialwulst (8) aus einer Metallegierung besteht, die durch Mikropulverisation aufgetragen wird.