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Derzeit produziert man Holzspäne, die in der Papier- und
Zellstoffindustrie zum Einsatz kommen, hauptsächlich mit
Hilfe von Scheibenzerspanern, die zum Zerspanen großer
Holzmengen entwickelt wurden. Ein in der Technik bekannter
Scheibenzerspaner ist in der FI-A-91946 beschrieben. Aus
Zerspanungsergebnissen geht hervor, daß Scheibenzerspaner sehr
hochqualitative Späne erzeugen können. Mit einem guten Zerspaner
sollte der Anteil der Gutstoff-Fraktion etwa 90% betragen.
Versuchsgemäß läßt sich ein solches Ergebnis beim
Prüfzerspanen unter Verwendung einer geeigneten Spanlänge und
Zerspanungsgeschwindigkeit leicht erhalten. Auch
Produktionszerspaner umfangreicher Größe und mit einer gleichmäßigen
Holzqualität und -kapazität können diese Werte erreichen.
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Allerdings variieren unter normalen
Herstellungsbedingungen ständig die unterschiedlichen Faktoren, von denen die
Spanqualität abhängt, wie der Durchmesser der Prügel, die zu
zerspanende Holzmenge und der Trockenstoffgehalt des Holzes.
Die Hauptprobleme im Zusammenhang mit der Zerspanung mittels
eines Scheibenzerspaners sind, daß die Menge an Sägemehl und
Stiftfraktionen (Feinfraktionen) zunimmt, wenn die Menge von
Spänen in Übergröße und Überdicke (Grobfraktion) reduziert
ist. (Beim Analyseverfahren SCAN-CM 40 : 94 für die
Spangrößenverteilung werden die Späne in die Fraktionen Übergröße,
Überdicke, Gutstoff, Stifte und Sägemehl eingeteilt.)
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Durch die im Stand der Technik bekannten Zerspaner
erfolgt das Zerspanen zumeist in der Mitte der Zerspanermesser,
und die Aufgabe war, die besten Zerspanungsbedingungen in der
Mitte der Messer zu schaffen, um die Qualität der Späne zu
maximieren. Allerdings bewegt die "Scherenkraft" und/oder die
Schneidkraft der Messer die Prügel näher zur Mitte der
Scheibe, wenn die Prügel kleiner oder trocken sind. Auch bei
maximaler Kapazitätsauslastung erfolgt das Zerspanen teilweise
nahe der Mitte der Scheibe und teilweise nahe dem
Außenumfang. Angesichts dessen, daß das Schneidverfahren nahe der
Mitte weniger heftig ist, wird ein großer Teil von
Grobfraktion in diesem Bereich erzeugt. Dagegen wird am Außenumfang
eine große Feinfraktionsmenge wegen der Zunahme der
Schneidgeschwindigkeit erzeugt. Die Schneidkraft beim Zerspanen in
einem Zerspaner mit senkrechter Zufuhr und andere Faktoren im
Zusammenhang mit solchen Zerspanern sind in der FI-A-973078
beschrieben.
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Das Verfahren und der Scheibenzerspaner gemäß der
Erfindung ermöglichen, diese Arten von Qualitätsdifferenzen
auszugleichen, die sich aus dem Zerspanen in unterschiedlichen
Abschnitten der Scheibe des Zerspaners und somit aus dem
Zerspanen mit unterschiedlichen Schneidgeschwindigkeiten
ergeben. Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung sind in den
Ansprüchen 1 und 2 dargelegt.
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Das Verfahren zur Herstellung von Spänen mit
gleichmäßiger Qualität egalisiert kurzzeitige Qualitätsunterschiede als
Ergebnis der ständig variierenden Kapazität, der variierenden
Durchmesser der Prügel oder des variierenden
Trockenstoffgehalts der Prügel. Das Verfahren erzeugt Späne mit
gleichmäßigerer Qualität trotz der o. g. Differenzen.
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Im folgenden werden die Erfindung und ihre Einzelheiten
anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es
zeigen:
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Fig. 1 die Scheibe eines Scheibenzerspaners und ihre
Schneidgeometrie im Blick von der Holzzufuhrseite,
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Fig. 2 die Qualität von Spänen als Funktion der
Schneidgeschwindigkeit,
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Fig. 3 eine Ansicht am Schnitt A-A von Fig. 1 beim
Zerspanen,
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Fig. 4 eine Ansicht am Schnitt A-A von Fig. 1 in einem
Zerspaner mit einer traditionellen Messerausrüstung,
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Fig. 5 die Qualität von Spänen mit unterschiedlichen
Winkeln α der Vorderkante der Messerbasis,
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Fig. 6 eine Ansicht am Schnitt B-B der Scheibe des
Zerspaners von Fig. 1,
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Fig. 7 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen
Messerstreifens sowie von Schnitten C-C und E-E davon, und
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Fig. 8 ein weiteres Verfahren zum Kompensieren der
Schneidgeschwindigkeit in der Messerbasis.
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Fig. 1 zeigt die Messerscheibe 1 eines
Scheibenzerspaners im Blick von der Holzzufuhrseite. Außerdem zeigt die
Darstellung die Öffnung 2 der Zufuhrrutsche eines Zerspaners
mit senkrechter Zufuhr, bei dem die Zufuhr mit Hilfe einer
Zufuhrrutsche erfolgt. Die Öffnung endet an der Messerscheibe
1. Die zu zerspanenden Prügel bilden eine Schneidellipse 3 an
der Messerscheibe 1. Die Messerscheibe 1 dreht mit einer
vorgegebenen Drehzahl n. Führen die Messer 4 das Zerspanen
durch, legen sich die Prügel in der Rutsche am Gegenmesser 5
in unterschiedlichen Abständen von der Drehmitte 6 der
Scheibe je nach der Anzahl der zu zerspanenden Prügel, der
Durchmesser und des Trockenstoffgehalts der Prügel an.
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Die Schneidkraft in Richtung der Schneidkante des
Messers und teilweise die "Scherenkraft" der Messer bewegen
kleine Prügel 3' zum Innenumfang 7 der Öffnung. Bei kleinen
Prügeln dominiert die Schneidkraft im Vergleich zur
"Scherenkraft". Dagegen dominiert bei größeren Prügeln 3" die
"Scherenkraft" und bewegt die Prügel mit einem großen Durchmesser
zum Außenumfang 8 der Zufuhröffnung. Die Schneidkraft bewegt
trockenes Holz wirksamer, da der Reibungskoeffizient zwischen
den Messern und dem Holz höher ist. Ist die Kapazität
maximal, legen sich die Prügel über die gesamte Länge des
Gegenmessers, so daß sie an unterschiedlichen Positionen in Stücke
geschnitten werden. Aus den o. g. Gründen werden verschiedene
Prügel mit unterschiedlichen Schneidgeschwindigkeiten
zerspant.
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Je höher die Schneidgeschwindigkeit ist, um so
"heftiger" ist das Schneidverfahren. Dem Fachmann wird klar sein,
daß eine größere Schneidgeschwindigkeit zu einer Abnahme des
Anteils von Übergrößen- und Überdickenfraktionen führt, d. h.
des Anteils von Grobfraktionen, sowie zu einer Zunahme des
Anteils von Sägemehl- und Stiftfraktionen, d. h. des Anteils
von Feinfraktionen.
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Fig. 2 zeigt das Ergebnis einer Prüfung zur Auswirkung
der Schneidgeschwindigkeit auf die Verteilung der
unterschiedlichen Arten von Spänen. Die x-Achse und y-Achse geben
die Schneidgeschwindigkeit bzw. die Verteilung der
unterschiedlichen Arten von Spänen an. Der unterste Bereich und
der oberste Bereich bezeichnen den Anteil von Feinfraktionen
bzw. den Anteil von Grobfraktionen. Der Bereich zwischen dem
untersten und obersten Bereich gibt den Anteil der Gutstoff-
Fraktion an. Prüfungsgemäß verringert sich die Menge von
Grobfraktionen vom Niveau von etwa 13% auf das Niveau von
4% bei einer 50%igen Zunahme der Schneidgeschwindigkeit.
Zugleich ist deutlich, daß die Zunahme der Feinfraktionen
vertretbar ist. Bei Scheibenzerspanern mit hoher Produktion
und beim Zerspanen in der Nähe der Welle und in Richtung zum
Außenumfang ist 1,5 ein sehr verbreitetes
Zerspanungsgeschwindigkeitsverhältnis, d. h. das
Geschwindigkeitsverhältnis der unterschiedlichen Schneidpunkte des Messers. Das
Verhältnis zwischen den Extremwerten beträgt sogar 1 bis 3.
Nimmt man an, daß die höchste Zerspanungsgeschwindigkeit 1
ist, so beträgt die Mindestzerspanungsgeschwindigkeit 0,3,
und die allgemeine Zerspanungsgeschwindigkeit beträgt 0,5 bis
0,75. Folglich haben die durch den Zerspaner erzeugten Späne
keine gleichmäßige Qualität.
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Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Messers 4 und der
gesamten Messerausrüstung eines Scheibenzerspaners. Hinter
dem Messer liegt eine Messerbasis 9, auf deren Vorderfläche
10 die Späne 11 nach dem Schneidverfahren auftreffen. Das
Messer schneidet eine scheibenförmige Platte vom Prügel,
wobei sich die Platte schon in der Schneidstufe in Späne 11
aufteilt. Die Späne treffen auf die Vorderfläche 10 der
Messerbasis, und als Ergebnis dessen teilen sie sich in kleinere
Stücke auf und trennen sich voneinander. Der Winkel in einer
senkrechten Ebene und zwischen einer Geraden parallel zur
Drehachse der Scheibe und der Oberfläche 10 der Messerbasis 9
im Blick zur Spanöffnung 12 wird hier als Winkel α
bezeichnet. Entsprechend wird der Winkel zwischen der Rückfläche 15
des Messers und der Oberfläche 10 der Messerbasis als Winkel
β bezeichnet. Ist der Winkel α und damit auch der Winkel β
größer, so ist die Stoßwirkung auf die Vorderfläche 10
geringer, und das Zerspanungsverfahren ist weniger heftig.
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Fig. 4 zeigt die Messerausrüstung eines Zerspaners eines
älteren Modells. Zwischen einem Messer 4' und einer
Messerbasis 9' befindet sich ein Messerträger 13, auf den die Späne
nach dem Schneidverfahren auftreffen. Der Wert des Winkels α
des Messerträgers war in Zerspanern gemäß dem Stand der
Technik oft negativ. Der Winkel α des Messerträgers 13 von Fig.
4 beträgt etwa -6º, und der Spänestrom trifft auf die
Vorderfläche 10 des Messerträgers heftig auf.
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Fig. 5 zeigt die Ergebnisse einer Prüfung zur Auswirkung
des Winkels α auf die Spanqualität, wobei die
Schneidgeschwindigkeit konstant bleibt. In der Darstellung stehen die
x-Achse und die y-Achse für den Winkel α bzw. für die
Verteilung der unterschiedlichen Arten von Spänen. Die
verschiedenen Bereiche bezeichnen die unterschiedlichen Arten von
Spänen wie in Fig. 2. Wird der Winkel α kleiner und steigt
die Stoßwirkung, nimmt der Anteil von Grobfraktionen
erheblich ab, während der Anteil von Feinfraktionen relativ
weniger zunimmt, bis der Wert des Winkels α null beträgt. Ist
der Wert des Winkels α negativ, beginnt der Anteil von
Feinfraktionen, intensiver zuzunehmen. Bekanntlich ist der Anteil
von Feinfraktionen bei einer Messerausrüstung der in Fig. 4
gezeigten Art groß.
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Aus den vorstehenden Erläuterungen wird deutlich, daß
die Zerspanungsgeschwindigkeit und der Winkel α der
Messerbasis (des Messerträgers) eine erhebliche Auswirkung auf das
Zerspanungsergebnis haben. Ferner ist klar, daß die Zerspaner
gemäß dem Stand der Technik Späne mit erstklassiger Qualität
nur in einem geringen Bereich der Zerspanungsgeschwindigkeit
und entlang einem kurzen Abschnitt des Messers erzeugen.
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Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, kann die
Variation der Zerspanungsgeschwindigkeit in der Praxis
kompensiert werden, indem Messerbasiswinkel α von 0º bis 20º
verwendet werden, wenn der Geschwindigkeitsbereich 1 bis 1,5
beträgt. Da aber der Geschwindigkeitsbereich eines Zerspanermessers
viel breiter ist, muß die
Geschwindigkeitskompensation im Messerabschnitt am Innenumfang erfolgen, indem die
Gegenfläche 10 näher an der Schneidkante 16 des Messers
plaziert wird.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der
Geschwindigkeitseffekt durch Ändern des Winkels α der Messerbasis vom
Innenumfang 7 zum Außenumfang 8 kompensiert. Wo die
Zerspanungsgeschwindigkeit gering ist, anders gesagt am Innenumfang
7 der Zufuhröffnung, ist der Wert des Winkels α der
Messerbasis (des Messerträgers) klein (Fig. 6 α&sub2;) oder sogar
negativ. Entsprechend ist der Wert des Winkels α groß, wo die
Zerspanungsgeschwindigkeit hoch ist, anders gesagt am
Außenumfang 8 der Zufuhröffnung (Fig. 3 α&sub1;). Durch Ändern des
Werts des Winkels α gemäß dem Abstand von der Drehmitte der
Scheibe kann die auf Unterschiede der
Zerspanungsgeschwindigkeit zurückgeführte "Heftigkeit" des Zerspanungsverfahrens
konstant gehalten werden.
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Beim Einsatz langer Zerspanermesser, bei denen der
Winkel α nicht die Geschwindigkeitsdifferenz kompensieren kann,
kann die Gegenfläche 10 näher an die Schneidkante 16 des
Messers gebracht werden, ohne den Winkel α&sub2; zu ändern. Je kürzer
die Entfernung zur Welle 6 des Zerspaners ist, um so näher
liegt also die Oberfläche 10 zur Schneidkante des Messers.
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Wenn ein kurzes Messer verwendet wird und wenn der
Winkel α den Wert 0º am Innenumfang hat, kann der
Grobfraktionsanteil erheblich verkleinert werden, wenn die
Aufprallwirkung gesteigert wird. Allerdings bleibt die Menge von
Feinfraktionen infolge der geringen Zerspanungsgeschwindigkeit
vertretbar. Daher steigt der relative Anteil der Gutstoff-
Fraktion beim Zerspanen am Innenumfang, und die
Gesamtqualität der Späne verbessert sich. Bei Verwendung der derzeitigen
Werte des Winkels α (12º bis 20º) ist die Menge von am
Außenumfang erzeugten Grobfraktionen wegen der höheren
Zerspanungsgeschwindigkeit angemessen. Das Verfahren erzeugt
Späne mit gleichmäßiger Qualität unabhängig davon, welcher
Abschnitt des Messers zur Zerspanung verwendet wird. Folglich
ist die Auswirkung der Kapazität, der unterschiedlichen
Durchmesser oder des Trockenstoffgehalts der Prügel auf die
Qualität der Späne geringer.
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Theoretisch kann eine erfindungsgemäße Funktion einfach
dadurch erreicht werden, daß der Abstand D zwischen der
Oberfläche 10 und der Messerkante 16 geändert wird. Da der Aufbau
eines Zerspaners der Änderung des Abstands D bestimmte
Grenzen auferlegt und da die Auswirkung dieser Änderung nicht so
stark ist wie die Änderung des Winkels α, kann die Änderung
des Abstands D nur auf einen kurzen Abschnitt der Messerbasis
oder des Messerträgers angewendet werden.
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In der Praxis kann bei Verwendung eines langen Messers
die Messerbasis oder der Messerträger gemäß Fig. 7 so
gestaltet sein, daß der Wert des Winkels α 0º im ersten Viertel
der Messerlänge 0,25 L (L = Länge des Messers) von dem Ende
14 der Messerbasis beträgt, das auf der Seite der Welle
liegt, und so, daß der Winkel den Wert von +20º entlang der
folgenden Hälfte der Messerlänge (0,5 L) erhält. Ist das
Problem der Anteil von Grobfraktionen, kann der Messerträger so
gestaltet sein, daß er sich der Messerkante 16 an der
Innenkante nähert. In Fig. 7 ist dies durch die Strichlinie K
angedeutet. In Fig. 8 ist das gleiche in der Messerbasis 9
gezeigt, so daß der Abstand D kürzer als der an der Außenkante
ist.
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Deutlich ist, daß die Messerbasis oder der Messerträger
gemäß der Erfindung unter Verwendung der o. g. Kombinationen
so aufgebaut ist, daß die bestmögliche Qualität von Spänen
erhalten wird.