EP0640693A1 - Papiermesser und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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EP0640693A1
EP0640693A1 EP94113408A EP94113408A EP0640693A1 EP 0640693 A1 EP0640693 A1 EP 0640693A1 EP 94113408 A EP94113408 A EP 94113408A EP 94113408 A EP94113408 A EP 94113408A EP 0640693 A1 EP0640693 A1 EP 0640693A1
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knives
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electron beam
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EP94113408A
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Dr. Siegfried Panzer
Prof. Dr. Siegfried Schiller
Dr. Axel Reichmann
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/008—Martensite

Definitions

  • the invention relates to a knife for cutting paper, in particular also as a toothed knife for perforation cutting.
  • the cut is usually made transversely to the web direction and while the paper web is running.
  • Knives of this type are preferably used in printing and paper processing machines as so-called disposable knives in order to separate the paper webs into double pages.
  • the knives are inserted into a roller over which the paper runs, and during the rotation, a bar prints against the knife with each revolution and thereby separates the paper web.
  • Such paper knives are used in machines for paper production and processing in a wide variety of shapes and designs according to the different cutting tasks. They usually consist of low-wear steels. Their cutting and wear properties are determined both by their geometric design, in particular in the cutting area, the choice of material, in particular its chemical composition, and the state of heat treatment. In the interest of a long service life of the knife, knives made of high-speed steel or knives are used, the cutting edge of which is formed by hard metal. It is also known to provide the cutting area of the paper knife with teeth.
  • the tempered steel knives have the disadvantage that they have a relatively short service life and are offered as disposable knives to be thrown away after wear and replaced with new ones. They are relatively cheap.
  • the invention has for its object to provide a paper knife made of tempered steel, which has a significantly longer service life than the known steel knives and is preferably suitable for the perforation cross section.
  • the effort for the production of these paper knives may only be so high that an economic advantage is given by the increase in tool life.
  • the paper knife is still said to be a disposable product.
  • Another object of the invention is to provide a method which is suitable for the paper knife, which can also have teeth in the cutting area and which is made of tempering steel ensure that the additional costs are proportionate to the increase in tool life. Since the need for paper knives is high, the process must be suitable for mass production.
  • the object is achieved with a knife made of tempered steel with a strength in the medium range of values, the cutting edge of which can also be tooth-shaped and has a higher hardness in the cutting range, in that the cutting edge is hardened at least in the part subject to wear with an electron or laser beam. In this area there is a finely distributed martensite than in the rest of the paper knife.
  • the hardness range is characterized by high toughness despite high hardness.
  • the paper knife Before treatment with the electron or laser beam, the paper knife is tempered to a medium strength and the part of the cutting edge or teeth which is subject to wear is hardened by the electron or laser beam.
  • the process for the production of the paper knife consists in the fact that the paper knife, which is preferably geometrically finished and tempered, is subjected to a short-term hardening process with self-quenching by the action of electron or laser beams in its cutting or tooth area, but at least its part subject to wear.
  • the electron beam is brought into action by relative movement between the paper knife and the electron beam in such a way that the electron beam strikes from the steep flank. This is absolutely advisable in order to avoid heat build-up in the tooth tip, which would lead to it melting.
  • the method is advantageously carried out in such a way that the electron beam is brought into effect in a pulsed manner or that the electron beam is brought into effect after a time-linear, periodic deflection function with a deflection direction perpendicular to the longitudinal axis of the paper knife.
  • microstructure quality due to the finer distribution of martensite during electron beam hardening, significantly improves the properties of the knife with regard to stability.
  • the paper knives according to the invention have the essential advantage that they have an orderly longer service life. In contrast to a through-hardened paper knife, which is then brittle, the knife hardened by the method according to the invention remains elastic, because the knife is hard only in the area of wear.
  • Fig. 1 a part of a toothed knife is shown as it is used for the cross section in web printing machines.
  • the paper knife is made of a tempering steel, as was previously customary in the prior art.
  • the paper knife is tempered to 500 HV 0.05 and finished geometrically, ie teeth 1 are ground.
  • the part of the paper knife that is subject to wear in the example the flank region of the teeth 1, is hardened by exposure to the electron beam, which is deflected at a high frequency.
  • the energy transfer field is guided along direction 4.
  • the hardening zone 2 shows the hardness profile created by the electron beam treatment.
  • the hardening zone 2 is separated from the initial structure by a narrow transition zone 3. This profile is generated by the way of energy transfer and the location-dependent thermal conduction conditions.
  • the hardness in hardness zone 2 after the electron beam treatment is 850 HV 0.05.

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Abstract

Papiermesser für den Perforationsschnitt für papierverarbeitende Maschinen sind Einwegmesser und sind aus Vergütungsstahl hergestellt. Die Standzeit derartiger Messer, die es in verschiedenen Ausführungen gibt, ist relativ niedrig. Erfindungsgemäß ist das Messer aus Vergütungsstahl im verschleißbeanspruchten Teil der Schneide oder der Zähne mit dem Elektronen- oder Laserstrahl derart gehärtet, daß in dessen Bereich eine wesentlich höhere Härte vorhanden ist. Es liegt dabei auch ein feiner verteilter Martensit in diesem Bereich vor. Das Verfahren wird erfindungsgemäß derart ausgeführt, daß der verschleißbeanspruchte Teil des Papiermessers in einem Kurzzeithärteverfahren mit Selbstabschreckung durch Beaufschlagung mittels eines Elektronen- oder Laserstrahles behandelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Messer für den Papierschnitt, insbesondere auch als verzahntes Messer für den Perforationsschnitt. Der Schnitt wird in der Regel quer zur Bahnrichtung und während des Laufes der Papierbahn ausgeführt. Derartige Messer werden vorzugsweise in druck- und papierverarbeitenden Maschinen als sogenannte Einwegmesser eingesetzt, um die Papierbahnen in Doppelseiten zu trennen. In diesem Anwendungsfall sind die Messer in eine Walze, über welche das Papier lauft, eingesetzt, und während der Rotation druckt bei jedem Umlauf eine Leiste gegen das Messer und trennt dabei die Papierbahn ab.
  • Derartige Papiermesser werden in Maschinen zur Papierherstellung und -verarbeitung in verschiedensten Formen und Ausführungen entsprechend den unterschiedlichen Schneidaufgaben verwendet. Sie bestehen in der Regel aus verschleißarmen Stählen. Ihre Schneid- und Verschleißeigenschaften werden sowohl durch ihre geometrische Ausbildung, insbesondere im Schneidenbereich, die Wahl des Werkstoffes, insbesondere seine chemische Zusammensetzung, und den Wärmebehandlungszustand bestimmt. Im Interesse einer hohen Standzeit des Messers werden zum Teil Messer aus HSS-Stahl oder Messer verwendet, deren Schneide durch Hartmetall gebildet wird. Es ist auch bekannt, den Schneidenbereich des Papiermessers mit Zähnen zu versehen.
    Die Messer aus vergütetem Stahl haben den Nachteil, daß sie eine relativ geringe Standzeit haben und werden als Einwegmesser angeboten, um sie nach dem Verschleiß wegzuwerfen und durch neue zu ersetzen. Sie sind relativ billig.
    Werden dagegen die Papiermesser aus hochwertigen Stählen hergestellt oder die Schneiden bzw. Zähne aus Hartmetall gebildet, erhöht sich zwar die Standzeit, aber die Herstellungskosten der Papiermesser steigen ebenfalls erheblich. Dadurch steht der Mehraufwand nicht immer im Verhältnis zur Erhöhung der Einsatzzeit des Papiermessers.
  • Es ist auch bekannt, ein Schneidwerkzeug im Bereich seiner Schneide zu härten. Die Härtung erfolgt im Durchlaufverfahren mittels Hochfrequenz. Zwangsläufig erfolgt bei der erforderlichen Temperatur ein Verzundern und Anlaufen des Messers. Um das zu verhindern, wird der zu härtende Bereich von Schutzgas umspült. Außerdem dient das Schutzgas dem zur Härtung erforderlichen Abschrecken (DE 39 19 536 A 1). Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß der zusätzliche Verfahrensschritt des Abschreckens neben dem höheren apparativen Aufwand ein zusätzliches Medium erfordert und ohne dieses das Messer anläuft und verzundert.
  • Weiterhin ist es bekannt, durch ein geeignetes Härteverfahren die Schneidkanten eines Stanzmessers mit gezahnter Schneidkante mit einer definierten Härte zu versehen. Dazu werden die bekannten Härtemethoden vorgeschlagen (DE-OS 21 52 622). Die Härtung verläuft derart, daß die Härte von der Zahnspitze zum Zahnfuß zunimmt und zum Grundkörper hin abnimmt oder gleich bleibt. Das hat den Nachteil, daß nach kurzer Zeit die eigentliche Schneidkante, bzw. die Zahnspitzen, verschleißen, denn dort ist die geringste Härte. Durch diese Härtung ist auch nicht gegeben, daß im Verschleißbereich fein verteilter Martensit entsteht, der die hohe Qualität sichert.
  • Ein entscheidender Nachteil aller bekannten Papiermesser mit einer geringen Standzeit ist neben den Kosten für ein neu einzusetzendes Messer, daß jeder Wechsel in der Schneideinrichtung zur Unterbrechung des papierverarbeitenden Prozesses führt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Papiermesser aus Vergütungsstahl zu schaffen, welches eine wesentlich höhere Standzeit als die bekannten Stahlmesser hat und vorzugsweise für den Perforationsquerschnitt geeignet ist. Der Aufwand für die Herstellung dieser Papiermesser darf nur so hoch sein, daß ein wirtschaftlicher Vorteil durch die Standzeiterhöhung gegeben ist. Das Papiermesser soll nach wie vor ein Wegwerfprodukt sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches geeignet ist, das Papiermesser, welches auch Zähne im Schneidenbereich haben kann und aus Vergütungsstahl besteht, so herzustellen, daß die zusätzlichen Kosten im angemessenen Verhältnis zur Erhöhung der Standzeit stehen. Da der Bedarf an Papiermessern hoch ist, muß das Verfahren zur Massenfertigung geeignet sein.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Messer aus einem Vergütungsstahl mit einer Festigkeit im mittleren Wertebereich, dessen Schneide auch zahnförmig ausgebildet sein kann und im Schneidenbereich eine höhere Härte besitzt, dadurch gelöst, daß die Schneide zumindest im verschleißbeanspruchten Teil mit Elektronen- oder Laserstrahl gehärtet ist. Im genannten Bereich liegt dabei ein feiner verteilter Martensit als im übrigen Bereich des Papiermessers vor. Der Härtebereich zeichnet sich trotz hoher Härte durch gleichzeitige hohe Zähigkeit aus.
  • Das Papiermesser ist vor der Behandlung mit dem Elektronen- oder Laserstrahl auf eine mittlere Festigkeit vergütet und dessen verschleißbeanspruchter Teil der Schneide bzw. Zähne ist durch Elektronen- oder Laserstrahl gehärtet.
  • Das Verfahren zur Herstellung des Papiermessers besteht darin, daß das vorzugsweise geometrisch fertig bearbeitete und vergütete Papiermesser in seinem Schneiden- bzw. Zahnbereich, jedoch mindestens dessen verschleißbeanspruchter Teil, einem Kurzzeithärteverfahren mit Selbstabschreckung durch Einwirkung von Elektronen- oder Laserstrahlen unterzogen wird. Bei Papiermessern mit Zähnen wird der Elektronenstrahl durch Relativbewegung zwischen dem Papiermesser und dem Elektronenstrahl so zur Einwirkung gebracht, daß der Elektronenstrahl von der steilen Flanke kommend auftrifft. Das ist unbedingt zweckmäßig, um in der Zahnspitze einen Wärmestau zu vermeiden, der zum Anschmelzen derselben führen würde.
  • Das Verfahren wird vorteilhafterweise derart ausgeführt, daß der Elektronenstrahl gepulst zur Einwirkung gebracht wird oder daß der Elektronenstrahl nach einer zeitlinearen, periodischen Ablenkfunktion mit Ablenkrichtung senkrecht zur Längsachse des Papiermessers zur Einwirkung gebracht wird.
  • Es konnte weiterhin festgestellt werden, daß die Gefügequalität durch den feiner verteilten Martensit beim Elektronenstrahlhärten die Eigenschaften des Messers bezüglich Standfestigkeit wesentlich verbessert.
  • Weiterhin ist es zweckmäßig, aus Gründen der Wirtschaftlichkeit eine Vielzahl von Papiermessern parallel zueinander zu einem Paket so anzuordnen, daß der gescannte Elektronenstrahl die gesamte Messeranordnung überstreicht und dabei auf jedem Papiermesser mit dem gleichen Zeitanteil einwirkt. Während der Strahleinwirkung wird zumindest der verschleißende Teil der Messerschneide bzw. des Zahnes über die Austenitisierungstemperatur hinaus erwärmt. Die Härtung erfolgt durch wärmeleitungsbedingte Selbstabschreckung.
  • Die erfindungsgemäßen Papiermesser weisen den wesentlichen Vorteil auf, daß sie eine größenordnungsmäßig höhere Standzeit besitzen. Im Gegensatz zu einem durchgehärteten Papiermesser, welches danach spröde ist, bleibt das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gehärtete Messer elastisch, denn nur im Verschleißbereich ist das Messer hart.
  • An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindug näher erläutert.
  • Die zugehörige Zeichnung zeigt in
    • Fig. 1: eine ausschnittsweise Ansicht eines Papiermessers für den Perforationsschnitt in einer Rollendruckmaschine, mit einem Querschnitt,
    • Fig. 2: einen Flachschliff durch einen gehärteten Zahn eines Papiermessers,
    • Fig. 3: den Härte-Tiefe-Verlauf in der Schnittebene A-A der Fig. 2.
  • In Fig. 1 ist ein Teil eines gezahnten Messers dargestellt, wie es für den Querschnitt in Rollendruckmaschinen eingesetzt wird. Das Papiermesser ist aus einem Vergütungsstahl hergestellt, wie es nach dem Stand der Technik bisher üblich war. Das Papiermesser ist auf 500 HV 0,05 vergütet und geometrisch fertig bearbeitet, d. h. die Zähne 1 sind geschliffen.
  • Nunmehr wird der verschleißbeanspruchte Teil des Papiermessers, im Beispiel der Flankenbereich der Zähne 1, durch Beaufschlagung mit dem Elektronenstrahl, der hochfrequent abgelenkt wird, gehärtet. Dabei wird das Energieübertragungsfeld entlang der Richtung 4 geführt.
  • Die Fig. 2 zeigt das durch die Elektronenstrahlbehandlung entstandene Härteprofil. Die Härtezone 2 ist durch eine schmale Übergangszone 3 vom Ausgangsgefüge getrennt. Dieses Profil wird durch die Art und Weise der Energieübertragung und die Ortsabhängigkeit der Wärmeleitbedingungen erzeugt.
  • Die Fig. 3 zeigt den Verlauf der Härte h, die durch die Elektronenstrahlbehandlung erzeugt wird, im Abstand a von der Zahnspitze. Die Härte in der Härtezone 2 beträgt nach der Elektronenstrahlbehandlung 850 HV 0,05.

Claims (8)

  1. Papiermesser, insbesondere für den perforierenden Querschnitt von Papierbahnen, aus einem Vergütungsstahl mit einer Festigkeit im mittleren Wertebereich, dessen Schneide eine wesentlich höhere Härte besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide, jedoch mindestens deren verschleißbeanspruchter Teil, mit Elektronen- oder Laserstrahl gehärtet ist und ein feiner verteilter Martensit als im übrigen Bereich des Papiermessers vorliegt.
  2. Papiermesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide zahnförmig ausgebildet ist und diese Zähne bzw. mindestens deren verschleißbeanspruchter Teil mit Elektronen- oder Laserstrahl gehärtet ist.
  3. Papiermesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Papiermesser auf eine Festigkeit von ca. 500 HV 0,05 vergütet ist und der verschleißbeanspruchte Teil der Schneide bzw. Zähne auf > 850 HV 0,05 gehärtet ist.
  4. Verfahren zur Herstellung von Papiermessern nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geometrisch fertig bearbeitete, ggf. mit Zähnen versehene Papiermesser im Schneiden- oder Zahnbereich, jedoch mindestens in deren verschleißbeanspruchtem Teil, einem Kurzzeithärteverfahren mit Selbstabschrekkung derart unterzogen wird, daß der Schneidenbereich oder die Zähne, mindestens aber der verschleißbeanspruchte Teil, mit Elektronen- oder Laserstrahlen beaufschlagt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl hochfrequent gepulst zur Einwirkung gebracht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl auf dem in Schneidenrichtung mit konstanter Geschwindigkeit bewegten Papiermesser nach einer zeitlinearen periodischen Ablenkfunktion mit Ablenkrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Papiermessers auf dem Schneiden- oder Zahnbereich zur Einwirkung gebracht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Papiermessern nebeneinander zu einem Paket angeordnet werden, und daß der Elektronenstrahl mit einer die Paketbreite übersteigenden Scanamplitude auf dem Paket zur Einwirkung gebracht wird und zwischen dem Elektronenstrahl und dem Paket von Papiermessern eine Relativbewegung ausgeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl zusätzlich zur Scanrichtung in Längsrichtung der Papiermesser derart abgelenkt wird, daß ein Zeilenraster mit entgegen der Bewegungsrichtung der Papiermesser abnehmender Zeilendichte erzeugt wird.
EP94113408A 1993-08-27 1994-08-25 Papiermesser und Verfahren zu dessen Herstellung Ceased EP0640693A1 (de)

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