DE4010927A1

DE4010927A1 - Schnellaufheizendes hochtemperatur-faserschneidwerkzeug

Info

Publication number: DE4010927A1
Application number: DE4010927A
Authority: DE
Inventors: Paul L Urban
Original assignee: Cooper Industries LLC
Current assignee: Cooper Industries LLC
Priority date: 1989-10-18
Filing date: 1990-04-04
Publication date: 1991-04-25
Also published as: CA2013548A1; US5064994A; CA2013548C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf erhitzte Werkzeuge zum Schneiden von Fasern, insbesondere auf schnellaufheizende Hochtemperatur-Handwerkzeuge zum Schneiden von Fasern von Spulen, Rollen oder anderen Faserträgern, mit einem Heizelement, das ein vergossenes Widerstandsheizelement aus einem temperaturfesten elektrischen Widerstandsmaterial enthält.

Viele industrielle Anwendungen erfordern das Abschneiden von Natur- oder Kunstfasern oder von aus solchen Fasern hergestellten Materialien von Spulen, Rollen oder anderen Faser- oder Fasermaterialträgern. Das Abschneiden von Fasern findet sich am häufigsten in der Textil- und anderen Industrie(n), wo Fasern und Fasermaterialien gesponnen oder gewebt und dann auf Spulen oder Rollen für die weitere Handhabung aufgewickelt werden. Obgleich das Abschneiden an sich ein einfacher Vorgang ist, hat sich in manchen Fällen das wirksamen Schneiden von Fasern als schwierig erwiesen.

Das Durchschneiden von Fasern von Hand mit einem Messer oder einem anderen scharfen Werkzeug ist häufig nicht praktisch oder praktikabel. Das manuelle Durchschneiden erfordert mitunter viel Kraft, insbesondere wenn das Material ungewöhnlich dick oder breit ist. Viele Fasermaterialien, wie beispielsweise Glas- oder Kunstfasern, sind gegenüber handgehaltenen Klingen sehr widerstandsfähig, wodurch das manuelle Zerschneiden noch schwieriger wird.

Schneidwerkzeuge, die Hochleistungslötwerkzeugen ähnlich sind und die eine erhitzte Schneidspitze verwenden, sind in letzter Zeit in Gebrauch gekommen. Solche Werkzeuge brennen oder schmelzen das Fasermaterial, was es erlaubt, die Fasern schneller zu durchschneiden, als dies mit den traditionellen Schneidmessern möglich war. Fasermaterialien, die mit handgehaltenen Messern kaum zu durchschneiden sind, können mit solchen erhitzten Werkzeugen relativ einfach durchschnitten werden.

Solche erhitzten Schneidwerkzeuge weisen jedoch eine Reihe von ihnen innenwohnenden Nachteilen auf. Viele solcher Werkzeuge verwenden Kupferschneidspitzen, die sich sehr einfach verformen, insbesondere bei hohen Temperaturen, so daß sie keine langen Standzeiten haben. Schneidwerkzeuge, die Kupferspitzen verwenden, sind auch bei Temperaturen über etwa 580°C nicht einsetzbar, weil die Kupferspitzen so weich werden, daß ihnen nur ein geringer Druck zugeführt werden kann, was das Schneiden verlangsamt und schwierig macht. Diese Temperaturbegrenzung verbietet den Einsatz solcher Werkzeuge ohnehin bei solchem Fasermaterial, das bei den höchsten Temperaturen, die für solche Werkzeuge zulässig sind, nicht brennen oder schmelzen.

Frühere erhitzte Schneidwerkzeuge verlangten vom Benutzer auch einigen Kraftaufwand, weil solche Werkzeuge aufgrund des Gewichtes des darin enthaltenen Transformators relativ schwer (0,5 bis 1 kg) waren. Die Benutzung eines solchen Werkzeugs über längere Zeit führte daher zur raschen Ermüdung der Bedienungsperson. Auch hat sich gezeigt, daß solche Werkzeuge rasch zerstört werden, weil das Fallenlassen zu größeren Beschädigungen führt. Schließlich neigen solche Werkzeuge, die Transformatoren enthalten, auch zum Durchbrennen, wenn sie über längere Zeit kontinuierlich eingeschaltet sind.

Es besteht daher der Wunsch nach einem Faserschneidwerkzeug, das die Vorteile eines erhitzten Schneidelementes mit einem leichten Gewicht verbindet und darüber hinaus bei sehr hohen Temperaturen betreibbar ist und eine lange Lebensdauer hat.

Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung beseitigt die vorerwähnten Nachteile durch eine einzigartige Kombination ihrer Elemente. Wie in bezug auf die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben wird, enthält das Schneidwerkzeug eine Heizelementpatrone und einen Körper. Die Heizelementpatrone enthält a) eine Klinge mit einem freien Ende und einem Halteende, wobei die Klinge ein Widerstandsheizelement enthält, das wenigstens teilweise in ein thermoschockfestes, elektrisch isolierendes und durchschlagfestes Material eingegossen oder davon umgeben ist; b) ein Abdeckelement mit einem vorderen Ende und einem Halteende, das das Halteende der Klinge umschließt; c) ein Patronengehäuse, das einen Teil des Halteendes des Abdeckelements umschießt; und d) Leitungen, die mit der Klinge verbunden sind und sich von der Patrone nach außen erstrecken, um dem Widerstandsheizelement Strom zuzuführen.

Bei bevorzugten Ausführungsformen besteht das Widerstandsheizelement aus bekannten Widerstandsmaterialien, wie beispielsweise Wolfram und ist in Siliciumnitrid eingebettet.

Der Körper enthält a) ein Körpergehäuse, das einen Griff ausbildet; b) eine Energiezuführung zur Zuführung von Energie zu den in dem Gehäuse angeordneten Komponenten; c) ein in dem Gehäuse angeordneter Schalter zum Aktivieren des Werkzeugs; d) einen in dem Gehäuse angebrachten Einstellschalter zum Auswählen der gewünschten Arbeitstemperatur der Klinge; und e) ein in dem Gehäuse befestigter Sockel, der zur Aufnahme der Heizelementpatrone bestimmt ist und einen elektrischen Kontakt zu den Leitungen der Heizelementpatrone herstellt. Die Energieversorgung, der Aktivierungsschalter, der Einstellschalter und der Sockel sind elektrisch derart miteinander verbunden, daß, wenn der Aktivierungsschalter betätigt wird, Energie von der Energiezuführung zu dem Widerstandselement in der Klinge durch die Leitungen zugeführt wird, wodurch die Klinge auf die gewünschte, eingestellte Temperatur erhitzt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Heizelementpatrone;

Fig. 3A eine Draufsicht auf die Heizelementpatrone, wobei die obere Hälfte des Patronengehäuses abgenommen ist, um die inneren Komponenten und die Verdrahtung zu zeigen;

Fig. 3B eine Seitenansicht der zusammengesetzten Heizelementpatrone;

Fig. 4A eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Körpers der bevorzugten Ausführungsform, wobei eine Hälfte des Körpergehäuses abgenommen ist, um die inneren Komponenten und die Verdrahtung zu zeigen;

Fig. 4B eine perspektivische Ansicht des Heizelementpatronensockels mit den von einer Schaltungskarte hinführenden Leitungen, und

Fig. 5 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Werkzeugs.

Die bevorzugte Ausführungsform des Faserschneidwerkzeugs 10 nach der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Heizelementpatrone 11 und einen Körper 12.

Die Schneidfläche der Heizelementpatrone 11 wird von der Klinge 13 gebildet, die ein freies Ende und ein Halteende aufweist. Die Klinge 13 enthält ein Widerstandsheizelement aus einem schnellaufheizenden Widerstandsmaterial, wie beispielsweie Wolfram, das in thermoschockfeste und elektrisch isolierende Materialien, wie beispielsweise Tonerdekeramik oder Siliciumnitrid, eingebettet ist. Siliciumnitrid ist bevorzugt. Es ist auch wünschenswert, daß das Vergußmaterial chemisch resistent, abriebfest und gegenüber den Betriebstemperaturen des Werkzeugs resistent ist und gute elektrische Isolationseigenschaften und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Das freie Ende der Klinge 13 kann spanabhebend bearbeitet sein, um die gewünschte Gestalt oder Form zu haben, die für den jeweiligen Anwendungszweck des Werkzeugs am besten geeignet ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Klinge 13 aus einem Wolfram-Widerstandselement, das von Siliciumnitrid umgeben ist. Die sich ergebende Klinge hat die in der nachfolgenden Tabelle I zusammengefaßten chemischen und physikalischen Eigenschaften:

Material
Widerstandselement: Wolfram
	Vergußmaterial: Siliciumnitrid
maximale Verwendungstemperatur	1350°C
Einsatzdauertemperatur	1200°C
Aufheizzeit auf 520°C (volle Leistung)	12 Sekunden
Wärmeleitfähigkeit	0,04 cal cm/cm²×s × °C
spezifische Wärme	0,16 cal/g °C
linearer Temperaturausdehnungskoeffizient	3,2×10^-16/°C (zwischen 40 und 800°C)
spezifischer elektrischer Widerstand	R_T=(1,75×T/1000+.09558) R₂₅
	R_T=spezifischer elektr. Widerstand bei der Temperatur T°C
	T=Temperatur des Heizelements in °C
	R₂₅=Temperatur des Heizelements bei 25°C
Chemische Beständigkeit	Gewichtsverminderung (nach 30 Minuten kochen)
Schwefelsäure 95%	0,13 mg/cm²
Salpetersäure 60%	0,14 mg/cm²
Natronlauge 30%	0,17 mg/cm²

Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, ist das freie Ende der Klinge 13 der bevorzugten Ausführungsform spanabhebend so bearbeitet, daß es Schrägflächen 14 aufweist, die eine Schneidkante 15 bilden, was das Faserschneiden erleichtert.

Das Halteende der Klinge 13 ist von einem im wesentlichen runden Abdeckelement 16 umschlossen, das aus Edelstahl der Type 304 hergestellt ist. Die Klinge 13 ist in das vordere Ende der Elementenabdeckung 16 durch ein Loch 17 eingesetzt. Die Klinge 13 ist an Anschlüssen 18 und 19 angebracht, die wiederum an Zuführdrähte 20 und 21 angeschweißt sind, die sich nach außen durch das hintere Ende der Elementabdeckung 16 erstrecken und dem Widerstandsheizelement Strom zuführen. Ein Teil des hinteren Endes der Klinge 13 und die Verbindung der Anschlüsse 18 und 19 mit den Zuführleitungen 20 und 21 sind von einer doppelten Glimmerschicht 22 zu Isolierzwecken und einem Klebeband 23 umgeben, das die Glimmerschicht festhält. Der größte Teil des verbleibenden Raumes innerhalb der Elementabdeckung 16 ist mit einem keramischen Pulver 47 gefüllt, um die Klinge innerhalb der Elementenabdeckung festzulegen.

Die zuvor beschriebene Anordnung mit der Klinge 13 und der Elementabdeckung 16 werden mit dem Patronengehäuse 24 kombiniert, um die bevorzugte Ausführungsform der Heizelementpatrone 11 zu vervollständigen. Das Patronengehäuse 24 besteht aus zwei Hälften 25 und 26 aus einem hochtemperaturfesten thermoplastischen oder thermofixierbaren Kunststoffmaterial. Zur Montage wird das hintere Ende der Elementabdeckung 16 durch Löcher im vorderen Ende des Patronengehäuses 24 eingeführt. Die Zuführleitungen 20 und 21 werden dann mit Zuführstiften 27 und 28 verbunden, die sich vom hinteren Ende des Patronengehäuses 24 zum Anschluß an eine elektrische Stromquelle erstrecken. Die beiden Hälften des Patronengehäuses 24 werden mittels Schrauben 30 und 31 miteinander verbunden, die auch dazu dienen, die Elementabdeckung 16 festzuhalten.

Der Körper 12 besteht aus einem Gehäuse 32, das seinerzeit aus zwei Hälften besteht, die im wesentlichen symmetrische Gestalt aufweisen und die in beliebiger Weise miteinander verbunden sind. In Fig. 4A ist eine Hälfte entfernt, um die in dem Körper 12 enthaltenen Komponenten freizulegen. Das Körpergehäuse 32 bildet einen Handgriff 33 aus, in den ein Stromversorgungskabel 34 hineinführt, das vorzugsweise Netzspannung zuführt. Ein Aktivierungsschalter 35, ein Einstellschalter 36, eine Schaltungskarte 37, ein Patronensockel 38 und ein Auswurfknopf 39 sind in dem Körper 12 montiert und in der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Weise miteinander verbunden.

Der Aktivierungsschalter 35 steuert die Stromzuführung zu dem Heizelement und ist von der Art, wie er gewöhnlich in Hochleistungslötpistolen verwendet wird. Der Einstellschalter 36 ist zwischen zwei Positionen entsprechend einer Niedrigtemperatureinstellung und einer Hochtemperatureinstellung umschaltbar. Wie in Fig. 5 gezeigt, überbrückt die Hochtemperatureinstellung die anderen Komponenten der Schaltungskarte 37, so daß mehr Strom zur Klinge 13 geführt wird, was zu einer höheren Klingentemperatur führt. In der bevorzugten Ausführungsform, die das in Tabelle I beschriebene Klingenmaterial verwendet, führt die Hochtemperatureinstellung dem Heizelement volle Leistung zu und erlaubt es, daß die Klinge eine Temperatur zwischen etwa 970 und etwa 1190°C in 12 Sekunden erreicht. Die Niedrigtemperatureinstellung führt nur die halbe Energie zu und ermöglicht es, daß die Klinge innerhalb von 15 Sekunden eine Temperatur zwischen etwa 470 und etwa 580°C erreicht.

Der Patronensockel 38 ist zur Aufnahme von Zuführstiften 27 und 28 eingerichtet. In dem Patronensockel 38 befinden sich Leitungen 40 und 41 derart, daß, wenn die Heizelementpratrone 11 in den Patronensockel 38 eingesetzt wird, die Zuführstifte 27 und 28 die Leitungen 40 und 41 berühren, um den Stromkreis zu schließen, wie in Fig. 5 gezeigt.

Der Auswerfknopf 39 hat einen Flansch 43, der sich gegen das hintere Ende des Patronengehäuses 24 erstreckt, wenn die Heizelementpatrone 11 in den Körper 12 und den Patronensockel 38 eingesetzt ist. Wenn der Auswurfknopf 39 gegen die Klinge 13 gedrückt wird, dann stößt der Flansch 43 an das Patronengehäuse 24 an und löst die Heizelementpatrone 11 aus dem Patronensockel 38. Auf diese Weise kann die Patrone entnommen und ausgetauscht werden, ohne daß die heißen Oberflächen der Patrone berührt werden müssen.

Die bevorzugte Ausführungsform ist auch mit einem Fehlerspannungsschutzschalter 44 versehen, der in einem Stecker (nicht dargestellt) an dem Zuführkabel 34 angebracht ist, um den Benutzer gegen elektrischen Schlag zu schützen. Der Schutzschalter ist so aufgebaut, daß er die Spannung von den Geräteleitungen nimmt, wenn ein möglicherweise tödlicher Strom nach Masse fließt, der 6 mA überschreitet. Der Schutzschalter begrenzt nicht die Stärke des Erdfehlerstroms. Er begrenzt lediglich die Zeit, für die ein Strom einer gegebenen Größe fließen kann. Der Schutzschalter, der in der bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, ist so gestaltet, daß er automatisch auslöst, wenn der neutrale Leiter auf der Lastseite des Stromsensors geerdet wird. Wenn der Schutzschalter auslöst, dann werden sowohl der spannungsführende als auch der neutrale Leiter unterbrochen, was jeden möglichen Stromfluß durch den Körper des Benutzers unmöglich macht. Der Schutzschalter ist mit einem Testknopf 45 versehen, mit dem der Auslösepegel des Schutzschalters geprüft werden kann. Ein simulierter Fehlerstrom wird der Sensorschaltung (nicht dargestellt) über einen Widerstand zugeführt, wenn der Testknopf 45 gedrückt wird. Der Schutzschalter ist weiterhin mit einem Rücksitzknopf 46 versehen, der die Schutzschaltung rücksetzt. Alternativ kann der Schutzschalter auch weggelassen werden, und das Schneidwerkzeug kann mit einer einfachen Erdleitung versehen sein, die sich von der Heizelementabdeckung zu einem dritten Leiter im Anschlußkabel erstreckt, der zu einem Schutzkontakt führt, wie dies bei elektrischen Geräten mit äußerlich zugänglichen Metallteilen in Europa Norm ist.

Weitere Spezifikationen für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sind in der nachfolgenden Tabelle II zusammengefaßt.

Spannung
220 Volt, 50 Hz
Leistung	55/110 W
Klingentemperatur	hoch: 970-1190°C
	niedrig: 470-580°C
Schutzschalterauslösestrom	6,0 mA max. Erdstrom
Gewicht (ohne Kabel und Stecker)	etwa 170 g

Claims

1. Schneidwerkzeug zum Schneiden von Fasern, enthaltend eine Heizelementpatrone (11) und einen Körper (12), der einen Griff (33) ausbildet, wobei die Heizelementpatrone (11) eine Klinge (13) aufweist, die ein Widerstandsheizelement enthält, das wenigstens teilweise in ein thermoschockfestes und elektrisch widerstandsfähiges Material eingegossen ist.

2. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, bei dem das letztgenannte Material Siliciumnitrid oder eine Tonerdekeramik ist.

3. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelementpatrone (11) weiterhin eine Elementabdeckung (16) enthält, die ein Ende der Klinge (13) umschließt.

4. Schneidwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelementpatrone (11) weiterhin ein Patronengehäuse (24) aufweist, das einen Teil der Elementabdeckung (16) umschließt.

5. Schneidwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelementpatrone (11) weiterhin Leitungen (20, 21) aufweist, die mit dem Widerstandsheizelement verbunden sind und sich von der Heizelementpatrone (11) zum Anschluß an eine Stromquelle nach außen erstrecken.

6. Schneidwerkzeug mit einer Heizelementpatrone (11) und einem Körper (12), wobei

a) die Heizelementpatrone (11) enthält:
eine Klinge mit einem freien Ende und einem Halteende, die ein Widerstandsheizelement aufweist, das wenigstens teilweise in ein thermoschockfestes und elektrisch widerstands fähiges Material eingebettet ist;
eine Elementabdeckung (16) mit einem vorderen Ende und einem hinteren Ende, wobei das vordere Ende der Elementabdeckung (16) das hintere Halteende der Klinge (13) umschließt;
ein Patronengehäuse (24), das ein Teil des hinteren Endes der Elementabdeckung (16) umschließt, und
Leitungen (20, 21), die mit der Klinge (13) verbunden sind, um dem Widerstandsheizelement Strom zuzuführen, und die sich von der Klinge (13) von der Heizelementpatrone (11) nach außen erstrecken, und
b) wobei der Körper (12) enthält:
ein Körpergehäuse (32), das einen Griff (33) ausbildet;
eine Stromzuführung zur Zuführung von Energie zu den in dem Gehäuse (32) angeordneten Komponenten,
einen Aktivierungsschalter (35), der in dem Gehäuse (32) angebracht ist, um das Werkzeug in Betrieb zu setzen;
einen Einstellschalter (36), der in dem Gehäuse (32) angebracht ist, um die Einstellung der an der Klinge (13) gewünschten Temperatur vorzunehmen, und
einen Sockel (38), der in dem Gehäuse (32) angebracht und dazu eingerichtet ist, die Heizelementpatrone (11) aufzunehmen und einen elektrischen Anschluß zu den genannten Leitungen (20, 21) herzustellen, und
c) wobei die Stromversorgung, der Aktivierungsschalter (35), der Einstellschalter (36) und den Sockel (38) elektrisch derart miteinander verbunden sind, daß, wenn der Aktivierungsschalter (35) betätigt wird, von der Stromzuführung Energie dem Widerstands heizelement über die Leitungen (20, 21) zugeführt wird, was zu Folge hat, daß die Klinge (13) auf die gewünschte, eingestellte Temperatur aufgeheizt wird.

7. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin einen Fehlerstromschutzschalter (44) aufweist.

8. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbettungsmaterial Siliciumnitrid oder eine Tonerdekeramik ist.