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Verfahren und Vorrichtung zur Profilgestaltung von Metallen Gegenstandi
der Erfindung sind eiirr Verfahren und oüine Vorrichtung zur Profilgesita,ltu:ng
und insbesondere, zum Schärfen, Glätten, Schleifen biss po-
lieren, von Metal.lün,
z. B. Hartmetallen, Werkzeugstahl u. digl., miit Hilfe eiinesi zwiischen einem mit
hoher Geischwiinidigkeii:t bewegten i Stro,mitir;ä:gerls und dem zu bearbeitenden
Metallige!genstand miiit; Gleich-oder W°ichsie:lsitrom erzeugten elcktriisch en
Lichtbogens. Das Schleifen, Feinbearbeiten und Polieren von Metallen, z. B. von
Dreh- und Frässtählen, wuirde, auch wenn diese Stähle mit? einer Hartmeta.llau flage!
versehen waren, bi#isheir allein mi,t Hiilf'e von Schmirgel-, Schleif- und/oder
Läppsich eib m: vorgenommini. In glecch@cr Weiise wurde auch die Änderung deas Profils
von Metallgegenständen aller Art und dl",-- Gestaltung dies: Profils durchgeführt.
Der Abrieb an diesen Gegenständen und .der Verschleiß der Schleifscheiben war dabei
jedoch beträchtlich. Werkzeuge, die auf eine solche rein mechanische Weise gesichärft
wurden, konnten ruilema.1,s glatt geschliIffen wieirden. Sie waren vielmehr mit
unzähligen Schleiiifrilleni und Riefen überzogen, die ihrer Verwendung aJis spa,nabhe!bende
Werkzeuge, insbesondere für genauiwArbeiiiten, abträgIiich waren. Das Meta11 wurde
bed diesen bekannten Verfahren schnell aufgebraucht; die Schleifschaiben wumden
vorzekiig abgenutzt. Die beiii solchen. Verfahren zwangsläufig awftretlenden Schleifrillen
fühn~tien! dazu, da.ß d!ie Werkzeugei, mehr als dies vom: wJetschaftlichen i Geisicht@spunkten
ans. veirtiretem werden konnte, auisigeweichiseilt und: na.chgesichliffen weirden
muiß!tieu. Darüber hinaus traitieni an derart ges,chIiiiffencni Werkzeugstiäh-len-
und anideren Gegenistiänden häufig Schleifrisse auf, diel die Gegensitiä.ndei vollständig
unbrauchbar machten. Insbeisondore! verursachte aber die baii einer solchen mechanischen
Bearbeitung durch Reibung erzeugte Wärme eine starke Erhitzung der Werkstücke. Diese
rief wieder
Wärmespannungen hervor, die im Zusammenwirken, mit den
rllenartügen Einkerbu.ngein-die Rißbil:düng föirdeirten:
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Zur Behebung dieser wesentlichen Mängel der mechanischen Meeallbeiarbeitung
wurden Verfahren zwr Bearbeitung @ro:ni Metallen durch Anwendung von elekt.risch:er
Energie, In Vorschlag gebracht. Diese bekannten. Verfahren arbeiteten. jedicch vorzugsweise
mit großen und sogar .mit hohen und sehr hohen Strömen sowie vorzugsweise mit Spannungen
von 1 birst 1o V. Es wurde nicht! erkannt, d!aß zur Anfrechtterha,ltung eimies -elektrischen
Lichtbogens mindestens, die so,genannteLichtbogenispannung notwendig ist, d. h.
also eine bekannte physikalische Größe, die, je nach Elektrodenart und -material,
zwis.ch,e:n 15 und. 18 V liegt. kann: bei dien bekanntgewordenen Verfahren:, de
enrwedier mf Spannlungen bis zu 1o V oder die matt halber Lichrtibogenspannung arbeiten,
von einem Lichtbogenverfahren praktisch nicht gesprochen werden. Die einzige Wiirkun,g
dieser bekannten Verfahren beruht nämlich nicht auf der Eigenart des elektrischen
Lichtbogens, sondern auf einer reinen Stromerwärmung der zu bearbeitenden Weirkstückob
irflächen, die infolge der durch eine schwache i Berührung der Elektroden erzeugten
Übergangsnvtiderstlände dor Grenzschichten, auftritt. Dass Ziel dieser bekannten
Verfahren und Vorrichtungen war lediglich die Erw-eicbun,g- und, das Schmelzen der
Me:tia..lilschich:t!-n. an den Oborflächein, ein mehr od:jr weniger t:efws Eindringen
in: dies- geschmolzene Ma,teri;al- und schließlich ein Verdampfen, und V erbrerlnim
des geschmolzenen Materials. Der hierbei auftretende glühende -Metalldampf f-deir
Metalltieiiile wurde: fälschlicherweisc a,ls U;chtbo,gen, angesehen und gedleutet.
Durch große Ströme, und zwar in, der(' Größenanordnung winesi Vielfasche i der verwendeten
Spannungen, wird diese Wirkung, gemäß der phy-
sikalischen, Taes.a:che; daß
die Wärmernelnge W = C - 12 - r - t ist, verstärkt. Auch entstehen
bei diesen angeblich mit: Lichtbogen arbckenden Verfahren mehrere Erscheinungen,
nebeneinander, so z. B. Glimmentladungen, Glühen von sich h_ruhrenden Metallteilchen,
Gasausbrüche, und daran:::: Sprühc.rs;che:inung°n der Metallschmelzen. I'C-ii anderen
bekanntgewordlenen Verfahren wurde der Lichtbogen nur als. Hilfsmittel -für die
gl:eiitcbze;:.tige mecba.-nische Entfernung Beis erweibhten: oder geisch'rrro,Ize_
non oder verbra:nntcen Materiials benutzt, sei - eis durch Fräswerkzeuge, Reibscheiben,
gezahnte oder gerillte Scheiben, Bünde( u. a. m. Es sind Verfahren bekanntgeworden,
bei denen durch Zusatz von Sauerstoff oder sauzir toffab,gebenden Mitteln dien durch
ein Berühren der Elektrodengrenzschichten eingeleitete, du,rrh hohe Ströme gefö.rdeirtie
Verbrennungsvorgang beschleunigt wurde. Bein diesen Verfahren. kann also ein; Liichtbo,gen
im physikalischen Sinne überhaupt nicht zustande ,kommen. Die bei dera:rtgen Ver
fahren auftretendem und auch notwendigen hohen Temperaturen verlangten zudem die,
Verwendung von, Kühlmittean und Kühlvorrichtungen für- die Stromträger: Es wurden
zu diesem Zweckentweder hohe Geschwindigkeiten der Arbeitsschiemben (I2o his 15o
m/s) benuitzt:, es wurden Kühlflüssiigkei:ten zum Schutz der zu bearbeitenden; Werk,sitücke
und der Stromträger eimgeise:tzt, oder eis wurde durch eine magnetische Blasung
des Lichtbogens( und d-cs:sen - Konzentration auf bestimmte!, eng t@ggrenzte Arbeitsbereiche
versucht, die duirch sehr hohe! Temperaturen verursachte Zersitörung von, benachbarten
Teilen: die( Werkstücke oder der Sroromtiräger zu verhindern, oder- eist wurden
gleichzeitig mehrere bz,w. alle diese Mittel zusammen äragewendet.
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Es ist bekannt d,aß die Ob:erflächenisitirulctu,r von Metallen mit
steigendem .Strom gröber wird, so,daß mit den bisher bekanntgewordenen Verfahren,
:die mit hohen Strömen arbeiten, niemals saubere Oberflächen,, wie sie zur Fein-
bzw. Fein,s,tibeairb,eitung erforderlich sind!, erreicht werden können. Da insbeisondere!
Hartmetalle äußerst cmpfindiliich. gegen starke örtliche Erhitzungen, gegen, Wärmeispanmun,
gen und gegen Ab,beand sind, erwiesen such die bekannit!gewo@rdienen Verfahren für
das Schärfen, Schleifen und Polieren von Metallen, insbesondere aber vom: Hairtme,ta,llein;
wie durch Versuiche fe:stg°-stellt worden i,sit, unbrauchbar.
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Die bei dien bisher bekanntgleiwordenen Verfahren verwendeten Elektrodens,cbeiiben
und hohen SirÖme zu deren Bestätigung 1!ie!ßeni, besonders beii, dem; angestrebtien
hohen Temperaturen, auch niemals eine etwa veredelnde Wirkung auf das Werkstück
zu, ,da alle vorteilhaften Legierungselemente vollständig verbrannt werden oderdergleichzeitige
mechanische Abrieb solche veredelnde Wirkungen der Werks!to@ffeileme,nte der Elektrodensch@etiben
vollständig unterbindet. Diese, wesentlichen Mängel wurden hinge,nommen b@zw: überhaupt
nicht als Nachteil empfunden, die das Zicl aller bekannten Verfahren niemals ein
andereis war, als: eiin,e Zerstörung des Materials :des Werkstückes. Kein bekanntes
Verfahneni hat etwa eine Veredelung des. Werk esitoffs durch Lichtbogenbehandlung
angestrebt oder eine solche überhaupt für dienkbar erachittet.
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Erfindungsgemäß werden die festgestellten Mängel der bekannten Verfahren
beseitigt. Es, wird ein Verfahren zur Profilgestaltung, zur Feinsitbearbeitung bis
zum Pol,feren vom; Metallen aller, Art unter Patentschutz gesteillt, dass dien,
nach dem Verfahren bearboiteten Weirks,tücken eine: vollkommen glatte und völlig
riefen- und schleif rißfreie Oberfläche und e,beniso-lche, Schnieidkanten verleiht.
Vorweggenommen sei, d!aß mit dient Bezeichnungen Schärfen, Scbl°-ifen, Polieren
usw. heute noch: niich@t gleischaffene Begriffe im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrenis
verstanden werden sollen, denn, die endgültige Profilgestaltung des, zur, Bearbeitung
bestimmten Metallgegenstandes w:irrd, lediglich diurch ine Lnchtbogenzinwirkung
durchgeführt. Für den Lichitibogen wird eine Stromstärke innerhalb solcher Grenzen
v erwendet, eläß neben- der durch den Lichtbogen, bewirkten Bearbeitung des Werkstückes,
auch noch eine durch geeignete Wähl der Legierungselemente ,bewirkte Veredelung
des Werkstückes eintritt. Dieses wird dadurch erreicht, daß Ströme von Bruchteilen
vom: 1 Amp. bis höchsitensi 1o Amp.
verwendet weir sein. und daß
mIt Spannungein gea.rb-"iitet wird, die mindestens, gleich der Lichtbogenspaunun;g
sind. Zudem werden auch Stro,m.träger aus geeignetem lieiiitemid:em Material oder,
entsprechenden Metallegierungen verwendet, die neben der durch. den: Lichtbogen
bewirkten Bea:rheitung des Werksstückes ebenfa.lfsi eint Veredelung des Werkstückes
hervorrufen. Es hat sich gezeigt, da,ß die verschiedenen Stroma;rtein, vers,chiieiden:
auf die zu bearbeitenden Gegenstände einwirken. Dabei ist die Einwi:rkunigsdauer
gegenüber der mechaniiscben Bearbei@tiung wesentlich verkürzt. Sowohl der mit Gleichstrom
.als auch der mit Wechselstrom erzeugtes Licht;boigen wird. entweder je für seich
oder wechselweise angewendet. Durch den Wechsel von Stfromart, Spannung, Stro@rns:türke
uin,d/oidier@ Frequenz erfolgt weiterhin eine weiitigieh" id!e An,passung an dein,
jeweii,ls, gewünschten Feiiniheitsigrad dies zu bea.rbekendeni Werkstückes.
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Zur Durchführung des esrfind,u:nigsge,mä.ßen: Verfahrens wird eine
Vorrichtung benutzt, bei welcher der Stromträger, z. B.. eine Metallsicheibe@ oder
ein Metal.lba,nd, mit hoher Geschwindigkeit an. dem zu bearbeitenden Gegenstand
vorbeigeführt wird. Dabei werden von der Grobbearbeitung bii,s@ zum Polieren alle
gewünschten Arbeiits;gradiei miiit Hilf, des am Werkstück vorbeigeführten Stromträgers
erzielt. Es wird. dabei niiicht etwa nur durch Wahl bestimmter Werte vorm Stromart,
Stromstärke, Spannung und Frequenz eins bestimmter, Feinheitsgra-d der- Arbeit erreicht.
Es werden vielmehr, z. B. durch Übergang von- Gleichsitirom auf Wechselstrom und
umgekehrt, verschiedenartige Wirkungen erzielt, so z. B. dieirart, d'aß bei Gleichstrom
richtiger Polung mehr Material vorm Werkstück abgetrageni und, bcci Verwendung von;
Wechselstrom durch Glätten, d:ar Oberfläche eine Veredelung des Werkstückes vorgenommen
wird. Ferner werden durch eine geeignete Wahl der anderen. E:influ,ßgrößen, wie!
S-tromsitärke, Spannung und Frequenz, diese verschiedenartigen Wirkungen abgeschwächt
oder verstärkt, d.. h. die Materialabtragung wird vergrößert oder verkleinert und
dadurch eine mehr oder weinger große Veredelung des! Ma,te,nials@ erreicht. Daisi
eirfindungsgemäße Verfahren, ist infolge des reinen Lichtbogenbetriebs in dc-r Lage,
die Veiredelung der Oberflächenstruktur des Werkstückes, bei vollkommener Vermeidung
vorn Verbrennungen oder sonstigen schädigenden Einwirkungen, herbeizuführen. Es
liegen physikalisch eindeutigeVerhältnisse vor, wie an Hand von Oszillogrammen festgestellt
werden konnte.
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In den Stromzuleitungen der erfindungsibemäßen Vorrichtung werden
aus den oben angeführten Gesichtspunkten heiraus Geräte zum Uniformen:, zum Transformieren,
zurr Frequie,nzänidierun;g und zur Widerstandisecgeluug angeordnet und, einzeln
odier zu mehreren, gemeinsam üni dein Stiromk.reds eingeschaltet. Als s Material
für dein: Stro,miträger braucht nicht etwa nur- Nic,hteiiiscumetall verwendet zu
werden, eis können, auch durch eine en#!sprech ende Behandlung und/oder durch Legierungsielemente
bcarbeitete Stahl- oder Eiisanischeiben zurr Anwendung komm-en. Das, Verfahren,
und die Vorrichtung'sind sowohl ganz a1,l,gemei',n zur Profilgestaltung als auch
im bersonderen zum Sohärfen# Sch@leifein und, Polieren und/oder zu einer diesen,
Oberfiächeinbehaudlungen gleichkommenden Grob- bis Feinstbearbeitung der Oberflächen
von Metial:lein aller Art, vdirgesehen. Mist Hilfe des Veirfahir!ens und , der Vorrichtung
werden die Oberflächen von, Masc hincubauteilen, z. B. Wellen, sowohl grob wie auch
fein b,zw. fednisit bea,rb-citet. Ferner .diienEU. das Verfahren und diiei Vorri;ch,tiung
zum Schärfens, Schleifen und Polieren der Schneidkant,en spanabbeibender Werrkzeuge,
wobei eine; bis etwa zum Fünffachen gegenüber den biisherigen Verifahrein gesteigerte
Verwend':u;ngsd!auer der Werkzeuge festgesteint wurde. Diiie: B.ea,rb°iitnzng von
Metallgegenständen mit Hilfedes erfindungsgemäßen Verfahrens und. deren Vorrichtung
erfolgt, gleichgültig ob dieise Geigenistüude mit einem Hartm@eita,llbe-s.a.tz versiehein
oder oh,nei Ha;rtmatallibesatiz sind,. Beiim Schleifen bis Polieren der Metallgegenstände
ist ein Verschleiß des Werkstückes, vor allem aber des Stromträgers, kaum fesitsbellbar,
da, nur die zurr Erzielung einer ebenen, glatten, Fläche. am Werksitüc k notwendige
Beseiitigiung der heirvorstieihend lein Grate und Rieifen. durch eine entsprechende
Einstellung der Stromart, der Stromstärke und/oder der Frequenz sowie der Geschwindigkeit
durchgeführt wird. Der Materialverlust des Stiro,mträgers iisit eineris"eiitisi,infolge
glignetter Lagierungseilemünte, andererseits durch Begrenzung des Stroms auf das
unbedingt notwendige K1etin,sitma,ß herabged'srüickt und kauen meßbar, so daß ein.
Alx reichten, der Stromträger auch nach Hunderten, von Sahli-ffein und Tausenden
vorn Poliiervorgänigem niicht erforderlich wird. Die Legierung des Stromiträge:rs
zerfällst niichit unter der Wirkung des. eilektriischiein Lichtbogenis. Soll eiine,
sitärkere Materialabnahme erfolgen, so w.Ird: vorzugsweise mit größeren, Stromstärken,
gea,rb,eiiitiet. Erfindungsgemäß wird: durch Wechsel der Sitromart eine weihgehende,
Anpassung an das gewünschte Arbei.tiseirgebiniis: ermöglicht, wobei zur Erzielung
einer äußerst, feinen, Obe.rflächem.-b,eischa.ffenheit in: erster Unie Wechselsitrom
zur Anwendung kommst:
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In der Zeichnung ,isst, eine beispielsweise Aus,fü ihrungsform der
erfind ungs@gemäßen Vorrichtung schematisch in Seiitenansicht da:rgesiteillit.
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An dem Motor r ;,ist auf der Walle a über eine zweckmäßig isoiliiereinidre,
Buchse 3 der Sitirom@träigeir 4, z. B.. einte dien Strom leitende Scheiibe aus Eisen
oder Meba,l,l bizw. zweckmäßiger aufs einer Metalllegierung, angeordnet. Durch eine
oder mehrere Sch@leiidbiürsten 5 erhält das Metallband! oder die Metallischieibei
4 dien, Strom zur Erzeugung des Lichtbogens zwischen, dem Stromträger q: und. dem
zu bearbeitenden, Geigenstand,, wobei letzterem v orzugsweiise durch eineu Halter
6 Sitirom übeir die feste Verbindung 7 zugesleiteit wird. Der Strom kann am Abzweigkaistem,
8 dem Netz emrtnommens und, von da, zur- Eiinstellung der gewünschten Arbieiiitsispannuug
einem rergielbaren Auf- und, Abwärtstransformator 9 zugeführt werden. Hinfiter dein
T,ranisiformator 9 kamen der Strom fi=rn etiinem Umschalter 10
zu
verschiedenen Stromkreisen über verschiedene Stromwandlungs- und Zwischenschaltgeräte
durch Serien- oder Parallelschaltung ;geleitet werden, so z. B. über den Gleichrichter
i i zur Umformung des Wechselstroms in Gleichstrom, über Hochfrequenzerzeuger oder
Frequenzwandler 12 .und Regulierwiderstand 13. Mit ;diesen Geräten können
alle 5ewünschfen Formen (Spannungen, Stromstärken, Frequenzen) erzielt werden. In
der Zeichnung nicht dargestellte Meßgeräte lassen die jeweils verwendete Stromart,
Spannung, Stromstärke und gegebenenfalls Frequenz und Widerstand im Lichtbogen ersehen.
Der Umschalter 14 ermöglicht, Gleich- oder Wechselstrom über Iden Regulierwiderstand
13 zu schicken. Es ist somit erfindungsgemäß gegeben, den Wechselstrom vom Transformator
g oder dien Gleichstrom über den Gleichrichter ri unm@'gttte?b@ar od.--r nach Passieren
weiterer Wand!luingsgeräitü an die Meitallscheiiibe ¢ durch den Leitungsstrang 15
und an dien Halter 6 durch den Leiiltungssitrang 16 heiranzuführen. Zweckmäßig wird
z. B. beim Schärfen vors Dreh- oder Fräiswerkzewgen am Haliteir 17 in an
,sich bekannter Weisse ei-nie isolierte Auflage 18
vorgesehene, die auf dem
Isolieirtiisch. ig angeord!ncst seien kann. Der Isoliiertisch ig wind: vom der Tragkonstruktion
ao gehalten, .dlie an sich beliebig ausgeführt sieiiin kann: Es ist nach weiterer
Ausbildung des Verfahrens- und der Vorrichtung möglich, nach andere Stro,mänderuingsr-
und -regelvorricheu,ngein vorzusehen, wie eis: auch: denkbar- risst, die elektrische
Einrichtung beiliebig uimzugestalteni. Es kann auch zweckmäßig sein, dlie zubearbeitenden
Gegenstände, z. B. zu schärfenden -Werkzeuge, oder den beweglichen Stromträger ,4
mit einer Stromphaise über Erdre gehen zu lassen.
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Als, Werksteff für die eirfindungsigemäß zur, An, -wen;dung kommenden
St!ro#miträger 4 haben siiich, wie Versuche zeigen, alle stromleitenden Metalle,
z. B. Kupfer, und vorn Legierungen insbesondere Kupferleigierung@en, wie Messing;
Toimbak; Bronze", Phosphoirbronze; und in ihrer Wirkung ähnliche! Metalle als brauchbar
erwiesen. Stahrl- und Eiisiensieheib-.ri. und/odeir Leggierungsielemenite sind nach
aiiner entsprechenden Behandlung erfindlungsgemäß ebenfalls zu verwenden. Die Umfangsigeschwindigkeiit
dor Meta@ll@scheibe 4 wird so, gehalten:, d@a:ß der Licht- -bogen keine zers,t6rende
Hitzewirkung an, der Metallscheibe 4 hervorrufen kann.
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Die Voirrichtung zur DurchfÜihrung des, Verfalim.rusi ist derart angeordnet,
daß der eine Pol des: Stromkreiises im-»-t dien Stromträger 4, z. B, der Metallscheibe,
mittels Schleifbürsten 5 öder auf andere Weise @in Verbindung gebracht wird und
daß der andere Pol miietelbar oder unmititelbiar an den zu bearbeitenden Geigenstand
angeschlossen wird. Der zu, bea:rbeitendei Gegeinisitand wird, anfangs bis zur Lichitbagenbildung
nahe an den bewegten Stromträger 4 herangeführt, d'anni jedoch, ohne, den, Lichtbogen
zu zerstören, von demselben: etwas entfernt und irr dieser Arbeitslage gehalten,.
Nach wenigen Minuten bzw. sogar nach Bruchteilern einer- Minute isst die, dem Schleifen,
bis Pöili;eren ähnliche Bearboitung durch den Lichtbioigen, durchgeführt, wobei
z. Bi. beim Schärfen eines Werkzeugs eins-., kaum meißbare Mateiria@labn,ahme erfolgt.
Unigeachtet d!esisien findet aber durch die Lichtbogenbera:rbeitung eine ausgesprochen
veredelnde Wirkung auf das Werkstoffge!fügie des Werkzeugs sita:tt. Esi isst z.
B. festgestellt worden, daß durch mechanisches, Schleifen beschädigt,-, Haritmetallwerkzeuge
wieder in einrein verwendungsfähigen Zusitand zurückgeführt werden können und daß
insbesondere! die feinen Haarrisse, die beim meichanischcin Bearbeiten mit der Regel
auftreten, wieder zum Verschwinden gebracht werden.