EP0667175A2 - Verfahren zur Bearbeitung von Stahlkanten für Ski od. dgl. - Google Patents

Verfahren zur Bearbeitung von Stahlkanten für Ski od. dgl. Download PDF

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EP0667175A2
EP0667175A2 EP95890006A EP95890006A EP0667175A2 EP 0667175 A2 EP0667175 A2 EP 0667175A2 EP 95890006 A EP95890006 A EP 95890006A EP 95890006 A EP95890006 A EP 95890006A EP 0667175 A2 EP0667175 A2 EP 0667175A2
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EP
European Patent Office
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plasma
running edge
steel
plasma jet
cathode
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EP0667175B1 (de
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Gerhard Schwankhart
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Fischer GmbH
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    • C21D9/04—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails
    • C21D9/06—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails with diminished tendency to become wavy

Definitions

  • the invention relates to a method for machining steel edges for skis or the like.
  • the steel edge at least partially, vzw. at least in the area of the edge that delimits the outer sole of the ski, is rapidly heated and then rapidly cooled again.
  • a plasma torch As a source of energy for the rapid heating of the material, a plasma torch is also given purely by way of example, although there are no indications as to how uniform and / or precisely defined hardening can be achieved in a precisely defined area of the steel edge. Rather, the previous plasma torches are not suitable for hardening the steel edges of skis in the required, precisely definable manner over the entire length, which is why, despite the rapid developments in ski production technologies and the obvious advantage of partially hardened steel edges, this special technology has not been adopted by the industry and has not yet been used. Nevertheless, the use of plasma torches is known for hardening the cutting edges of saws, knives or punching tools, for example from AT-PS 392 483.
  • Other tasks include an exactly defined, partially hardened steel edge, a ski that is provided with such a steel edge, and a plasma head for producing an exactly defined, partially hardened steel edge.
  • an energy beam with precisely defined energy is used for rapid heating and the material is then preferably only cooled.
  • this feature ensures a precisely defined energy input into a precisely predeterminable area of the steel edge, which is a matter of course.
  • the heating rate and - depending on the material, but precisely determinable - the area covered by the hardening can be precisely defined. This is also an important prerequisite for the hardenability of steel edges already mounted on the ski. In these, it must be ensured that the heating of the steel edge material is not too strong to heat the adjacent material of the ski itself above a certain minimum temperature.
  • a plasma beam is advantageously used as the energy beam.
  • plasma rays have a particularly favorable energy-cost ratio and are insensitive to the surface properties of the material to be treated, such as color, dirt, reflectivity.
  • no protective gas is required when using plasma torches.
  • the temperature distribution in a plasma jet in the axial direction is considerably flatter than in the case of a laser beam, so that the exact positioning does not necessitate complex devices as is the case with the laser with the absolutely necessary precise adjustment of the focal point.
  • the plasma jet and the steel edge are moved relative to each other in the longitudinal direction of the steel edge and the plasma jet always has exactly the same energy at least over a portion of the length of the steel edge, this being preferably achieved by supplying the plasma head with exactly the same current
  • a uniform, precisely defined hardening is guaranteed over the entire length of the swept longitudinal area of the steel edge. This ensures that the steel material has the same material properties along the entire hardened length of the steel edge during any reworking of the steel edge, for example during uniform grinding, and that undesired hardened and unhardened sections do not occur in an unpredictable sequence.
  • the feature that the plasma jet always has exactly the same energy is associated with the fact that at every point of the plasma mastrahls always have exactly the same temperature at all times, ie the temperature distribution in the plasma beam remains constant.
  • Plasma jet and the steel edge are moved relative to each other in the longitudinal direction of the steel edge and the plasma jet has a preferably regularly variable energy at least over a portion of the length of the steel edge, this being preferably achieved by regularly changing the current intensity supplied to the plasma head.
  • Variable energy means that the temperature changes in the same direction at every point in the plasma jet and in a precisely predictable or determinable manner.
  • a laser beam is used as the energy beam and the steel edge and the laser beam are moved relative to one another.
  • the energy beam preferably the plasma beam
  • the axis of the beam preferably obliquely onto both outer sides, in particular in a region of 25 ⁇ m the angular symmetry, especially precisely aligned in the angular symmetry.
  • a symmetrical or asymmetrical hardening zone and thus an adaptation to special wear situations or purposes can be achieved.
  • a symmetrical hardness zone of the outer edge the shape of which is retained for as long as possible even in the case of post-processing, can be produced with the alignment of the energy beam, and preferably the plasma beam, which preferably coincides exactly with the axis of symmetry of the outer edge.
  • a particularly advantageous variant of the method according to the invention provides that a steel edge already mounted on the ski is quickly heated by means of the energy beam and the area around the area of impact of the energy beam is cooled to such an extent that in the transition area of the steel edge ski, preferably the release temperature of the adhesive for fastening the Steel edge on the ski body is not exceeded.
  • the hardening of the steel edges can be provided as the last step in the production of skis, since the hardening according to the invention does not adversely affect other ski components and therefore no further post-treatment steps are necessary. This means that the steel edges already installed are not exposed to any mechanical stress, no risk of damage and no impairment of function, as is the case with hardening before assembly on the ski.
  • the heating of the material of the areas of the ski surrounding the steel edge contributes to the self-deterrence of the area heated by the energy beam and thus to the hardening process due to the heat dissipation, so that less thermal energy has to be dissipated in a different, more complex and costly manner. It is only necessary to ensure that the temperature does not rise so high that the adhesive used to fix the steel edges is loosened or decomposed.
  • the impact area of the energy beam in the direction of the longitudinal direction of the steel edge is at least virtually, preferably by electromagnetic, according to a further feature of the invention Deflection of the plasma beam, widened.
  • the diameter of the plasma jet itself is not increased, which would possibly disturb the parameters that are absolutely necessary for uniform temperature and energy distribution, but that by a kind of serpentine guidance of the point of impact at a high frequency or a "trembling movement" of the point of impact by one
  • a larger area is swept over the central axis during the relative movement of the plasma head and the steel edge than corresponds to the cross section of the plasma beam.
  • the virtual expansion can take place in any or any direction perpendicular to the axis of the plasma beam.
  • this variant also offers the advantage of slowing down the very rapid heating of the material by the plasma jet due to the distribution of the energy and thus, if necessary, to achieve a lower hardness than would correspond to the energy of the plasma beam. Since the area available for virtual widening is usually limited at the outer edges of the steel edge or only hardening in a narrow area around the edge which is at risk of wear is desired, widening advantageously takes place in the longitudinal direction of the steel edge.
  • the virtual expansion can of course also be used for the variant with laser beams be detected, the point of impact being able to be guided in the manner described above for plasma rays, for example by means of a pivotable lens system.
  • the laser can also be widened by defocusing.
  • the physical cross section of the energy beam itself can also be expanded, preferably in the direction of the longitudinal direction of the steel edge. This enables the energy introduced to be distributed over a larger area and yet in a very narrow area around the actual edge of the steel edge to be hardened.
  • a feature that is particularly important for the uniformity of the energy output of the plasma head is that the gas flow around the cathode of the plasma head is kept laminar. In the case of a laminar flow, the temperature distribution in the plasma jet is particularly precisely defined in the desired manner at every point. In addition, however, there is the advantage that the plasma head can be ignited by a sinus pulse and, with little or simple shielding, surrounding electronic components are not influenced by the plasma head. This is particularly important in the automated implementation of the method according to the invention using industrial robots or similar, microprocessor-controlled systems.
  • the invention also relates to a steel edge for skis or the like, which is partially hardened according to a method described in the preceding paragraphs.
  • a particularly deep hardening of the steel edge can be achieved very economically, particularly in the plane of symmetry of the outer edge, which is at risk of wear, resulting in a hardening zone which is essentially triangular in cross section.
  • Other hardening processes such as using a laser, do not penetrate so deeply, so that there is a hardening zone that only extends to a small depth along the outer sides of the steel edge and has an approximately L-shaped cross section.
  • the invention also relates to a ski which is provided with an at least partially hardened steel edge which was produced in accordance with a method described in one of the preceding paragraphs.
  • the invention further relates to a plasma head for hardening edges on steel materials, in particular for carrying out the method according to one of the preceding paragraphs, with a housing divided by insulating material, devices for supplying a gas, a round-bar-shaped cathode around which the gas flows and one end of the cathode surrounding anode with an opening for the exit of the plasma jet.
  • This plasma head is characterized according to the invention by a bushing provided with radial bores for supplying the gas around the cathode, preferably made of insulating material, which bushing leaves an annular gap around the cathode.
  • the inside of the socket, together with the outside of the cathode defines an annular entry and equalization area for the gas of the plasma torch, which favors the setting of a laminar flow, which is important for the uniformity of the plasma jet.
  • the annular gap remaining free between the bushing and the cathode has a height to width ratio of essentially 2: 1.
  • the plasma head is characterized by a tungsten-zirconium cathode. This material ensures uniform discharge between the cathode and anode and, as a result, a uniform temperature and energy distribution in the emerging plasma jet.
  • This very small angle which is measured between the mutually symmetrical opposite sides of the preferably radially symmetrical cathode, ensures that the cathode gently approaches the tip, as a result of which the flow of the gas remains laminar and the plasma jet remains uniform.
  • the cathode advantageously ends bluntly, preferably in a flat surface that is normal to the cathode axis. This design of the cathode end enables an optimal tearing off of the gas flow at the end of the cathode with the least possible influence on the laminar flow characteristic.
  • the opening in the anode is in the form of an elongated hole, the longer diameter preferably being aligned in the longitudinal direction of the steel edge.
  • This shape of the outlet opening for the plasma jet from the plasma head causes a physical expansion of the plasma jet in the direction of the longer diameter and thus a distribution of the energy over a larger area of the steel edge, preferably over a longitudinal area thereof. This is accompanied by a slower heating of the material, which - if desired - leads to a lower hardness of the partially hardened part of the steel edge.
  • devices for electromagnetic deflection of the plasma jet are provided in the region of the outlet opening for the plasma jet in order to achieve the same effects according to a further feature of the invention.
  • the invention also relates to a device for hardening the edges of steel materials, in particular for carrying out the method according to the invention, with at least one laser or plasma head, preferably two laser or plasma heads, as described in one of the preceding paragraphs, and devices for guiding the or each Laser or plasma head and the steel edge or the ski provided with a steel edge to be hardened relative to one another in the longitudinal direction of the steel edge.
  • the device is advantageously characterized by preferably liquid-cooled heat sinks, preferably made of copper, which are guided at a distance from the steel edge or the ski body, preferably at a distance of 0.2 to 0.3 mm.
  • the heat sinks dissipate the amount of heat that can no longer be absorbed by the ski body without a predetermined temperature, preferably the release temperature of the adhesive fixing the steel edges, being exceeded.
  • a cooling liquid water with a maximum of about 20 ° C has emerged as the cheapest solution and as a material for the production of the cooling elements, copper is the most advantageous choice for the rapid dissipation of large amounts of heat.
  • the heat sinks are not placed directly on the steel edge or the surface of the ski and guided along in contact with them, but are guided at a short distance from the steel edge and / or ski.
  • three guide devices 2 for the ski (not shown) are provided which, in a manner known per se, preferably capable of being automated, guide the ski sideways in an exact manner, i. H. guarantee to the tenth of a millimeter.
  • adjustable guide rollers 3 are arranged on both sides of the transport path of the ski.
  • the ski to be treated is conveyed through the system by means of a conveyor belt 4 which is set in motion by a drive roller 5a driven by a precisely controllable motor 5.
  • the conveyor belt 4 runs over the deflection rollers 6a to 6f and is such that a frictional connection with preferably the tread of the ski can be created by friction.
  • the two rollers 7 and 8 serve perpendicularly to the plane within which the ski is guided by the guide rollers 3.
  • the lower support roller 7, on which the ski rests with the tread, can be freely rotated on a stationary or at least exactly fixable axis stored and made of very hard material, preferably steel.
  • the ski is pressed against the lower support roller 7 by means of the pressure roller 8 at the top, which is at least provided with a relatively soft, elastic circumferential coating 8a, in particular also the prestressing of the ski in its central region - which causes the ski to bulge between its front and rear support lines - must be overcome.
  • a pressure of the ski on the conveyor belt 4 arises, which pressure also contributes to the creation of the non-positive connection based on the friction between the tread and the conveyor belt 4.
  • the pressure roller 8 is adjustable in height, if necessary guided in a resiliently movable manner perpendicular to the ski, in order to allow the unhindered passage of the ski's shovel and its insertion or removal from the device.
  • S denotes the ski which is already provided with the steel edges K to be hardened and which is pressed by the pressure roller 8 onto the support roller 7.
  • a device 9 for generating the energy beam for heating the respective steel edge K is provided on both sides of the ski S, since this ensures faster and therefore more economical processing than the arrangement of only one device 9 on one side of the ski S, which is nevertheless possible.
  • the devices 9 are carried on support structures 10, for example microprocessor-controlled robot arms, these support structures 10 advantageously being - as symbolized by the arrows in the lower part - movably supported parallel to the axis of the support roller 7.
  • the movement described is controlled by the contact rollers 11, which are also provided on each support structure 10, which contact rollers 11 are monitored by suitable sensors, and the support structures 10 are controlled in such a way that the contact rollers 11 always have the same pressure on the steel edge K issue.
  • the contact rollers 11 For the sake of clarity, only one contact roller 11 has been drawn on the left side of the ski S in FIG. 3, so that detail IV, shown enlarged in FIG. 4, can be clearly shown in connection with the support structure 10 and the entire device on the right.
  • This detail IV shows liquid-cooled heat sinks 12 which protect the material of the components of the ski S surrounding the edge K from excessive heating by the energy beam E of the device 9.
  • the cooling liquid preferably water with a maximum temperature of approximately 20 ° C.
  • These heat sinks 12 cover a longitudinal area from a few centimeters to about 30 cm in front of and behind the area where the energy beam strikes E from. As is clearly shown in FIG.
  • the heat sinks 12, which are also carried by the support structure 10, do not lie against the ski S or the edge K, but are in any case spaced from them, preferably between 0.2 to 0.3 mm, which if damage or impairment of the materials is avoided, for example by scratching, which nevertheless ensures adequate heat dissipation.
  • the plasma head 9 shown comprises a two-part housing comprising an upper part 13 and a lower part 14, which parts 13 and 14 are separated from one another in an electrically insulated manner by an insulating material 15.
  • One connecting element 16 or 17 each on the upper part 13 or lower part 14 is provided for supplying or discharging cooling medium for the plasma head 9 into the passage 17.
  • a cathode 18 can be exchangeably fixed in a conventional holder 19 in a manner known per se.
  • this space 23 is closed by the holder 19 of the cathode 18, while it continues opposite in the annular gap 24 between the cathode 18 and the anode 20 and further the outlet opening 21.
  • the gas to be ionized is conducted through a line 25, which opens into the plasma head 9 in front of or behind the cutting plane, through an annular gap 26 around the bushing 22 and further through radial bores 27 into the entry and equalization space 23.
  • helium or nitrogen but preferably argon in an amount of 0.5 to 5 l / min is used as the gas to be ionized, a particularly stable plasma with a protective gas effect being achieved with argon.
  • a laminar flow of the gas is along for the uniform energy of the plasma jet the cathode 18 of particular importance.
  • a gas flow that is laminar towards the tip of the cathode 18 is generated.
  • the tip of the cathode 18 converges at a very small angle ⁇ between 10 and 300, preferably 20 ° , in order to keep the flow as laminar as possible.
  • Another feature in order to transmit the gas flow in a laminar manner consists in a flat end surface 28, preferably oriented on the axis of the cathode 18, preferably with a diameter of 0.3 mm, which acts as a kind of tear-off edge for the controlled separation of the gas flow from the cathode 18.
  • the laminar flow of the gas has, in addition to the uniform energy of the plasma jet and in connection with the special choice of material for the cathode 18, the additional advantage that the ionizing discharge between the cathode 18 and the anode 20 does not require a hard rectangular pulse, but is ignited with a soft sine pulse can.
  • the current intensity during the stable operating phase of the plasma torch 9 is between 20 and 180 A.
  • the power of the energy beam is preferably between 1 and 5 kW, in particular 2 kW per unit 9.
  • the energy input by the energy beam E can be distributed over a larger area of the steel edge K.
  • the physical cross section of the beam itself can also be expanded.
  • anode 20 of the plasma head 9 instead of the anode 20 of the plasma head 9 with a circular outlet opening 21, preferably with a diameter of 0.5 to 3 mm, an anode 20 'corresponding to that shown in FIGS. 6a and 6b with an elongated hole or oval outlet opening 21' between values of 0.6 x 2 mm to 2.5 x 5 mm, preferably 1 x 3 mm.
  • the outlet opening 21 ' is oriented such that the longer diameter lies parallel to the longitudinal axis of the steel edge K. The heating and quenching is therefore slower and the hardness remains in the range of 57 to 60 Rockwell desired for the specific application. Round outlet openings in the anodes always result in higher hardness due to the faster cooling.
  • the energy beam E is preferably directed obliquely toward the steel edges K to be hardened with respect to both outer surfaces thereof.
  • the beam E is preferably directed in the manner shown in FIG. 3 or more clearly in FIG. 4 in a range of approximately 25 ° around the plane of symmetry, advantageously precisely in the plane of the angular symmetry, of the outer edge of the steel edge K to be hardened. This allows the shape of the hardened area within the steel edge to be influenced, the greatest hardening depth being achieved directly in extension of the energy beam E. The greater the radial distance from the axis of the energy beam E, the smaller the depth of hardening.
  • the laser beam has to be painted over on both side surfaces in order to be able to cover a surface area of a similar size to that of the plasma beam, but nevertheless, particularly in the actual edge region, the depth of the hardening does not reach that of the plasma beam.

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Abstract

Verfahren zur Bearbeitung von Stahlkanten für Ski od. dgl., wobei die Stahlkante zumindest partiell, vzw. zumindest im Bereich der die Laufsohle des Ski außen begrenzenden Kante, rasch erwärmt, danach rasch wieder abgekühlt und dadurch gehärtet wird. Um ein gegenüber der Oberflächenbeschaffenheit unempfindliches Verfahren anzugeben, das in wirtschaftlicher Art und Weise die genau definierte, partielle Härtung von Stahlkanten von Skiern od. dgl. in einem beliebig langen Längsabschnitt sicher gewährleisten kann, wird zur raschen Erwärmung ein Energiestrahl E, vorzugsweise ein Plasmastrahl mit zu jedem Zeitpunkt genau definierter Energie angewendet und das Material anschließend vorzugsweise lediglich abgekühlt. Der Plasmakopf 9 zur Härtung von Kanten bei Stahlmaterialien, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens umfaßt ein durch Isoliermaterial 15 geteiltes Gehäuse 13, 14, Einrichtungen zur Zuführung eines Gases, eine vom Gas umströmte, rundstabförmige Kathode 18 und eine ein Ende der Kathode umgebenden Anode 20, 20' mit einer Öffnung 21, 21' zum Austritt des Plasmastrahls E, wobei eine mit radialen Bohrungen 27 versehene Buchse 22, vorzugsweise aus Isoliermaterial, um die Kathode 18 zur Zuführung des Gases vorgesehen ist, welche Buchse einen Ringspalt 23 um die Kathode freiläßt. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Stahlkanten für Ski od. dgl., wobei die Stahlkante zumindest partiell, vzw. zumindest im Bereich der die Laufsohle des Ski außen begrenzenden Kante, rasch erwärmt und danach rasch wieder abgekühlt wird.
  • Um die Verschleißeigenschaften von Stahlkanten, insbesondere bei Skiern, zu verbessern, wäre eine möglichst hohe Härte des Materials wünschenswert. Bei einer entsprechenden Härtung des gesamten, die Stahlkante bildenden Profils wird aber gleichzeitig dessen Elastizität in unzulässigem Maß beeinträchtigt. Daher wird bereits in der AT-PS 286 152 vorgeschlagen, den Ski mit Stahlkanten zu versehen, die lediglich partiell, nämlich an der Stelle der größten Verschleißbeanspruchung, d. h. der unteren, bezüglich der Lauffläche außenliegenden Kante, zu Härten. Diese Umwandlung des Materials der Stahlkante in ein feinkörniges, extrem hartes und zähes Martensitgefüge erfolgt durch rasche Aufheizung, rasche Abschreckung und nachfolgende zusätzliche Energiezufuhr. Als Energiequelle für die rasante Aufheizung des Materials wird rein beispielhaft auch ein Plasmabrenner angegeben, wobei allerdings keinerlei Hinweise zu finden sind, wie eine gleichmäßige und/oder genau definierte Hartung in einem genau definierten Bereich der Stahlkante dabei erzielt werden können. Vielmehr sind die bisherigen Plasmabrenner nicht geeignet, Stahlkanten von Skiern in der erforderlichen, exakt definierbaren Art und Weise über die gesamte Länge zu härten, weshalb auch trotz der rasanten Entwicklungen der Skiherstellungstechnologien und des offensichtlichen Vorteils partiell gehärteter Stahlkanten diese spezielle Technologie von der Industrie nicht aufgegriffen und bislang nicht eingesetzt wurde. Gleichwohl ist zum Härten der Schneidkanten von Sägen, Messern oder Stanzwerkzeugen der Einsatz von Plasmabrennern bekannt, beispielsweise aus der AT-PS 392 483.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, das in wirtschaftlicher Art und Weise die genau definierte, partielle Härtung von Stahlkanten von Skiern od. dgl. in einem beliebig langen Längsabschnitt sicher gewährleisten kann.
  • Weitere Aufgaben sind eine exakt definiert partiell gehärtete Stahlkante, ein Ski, der mit einer solchen Stahlkante versehen ist, und ein Plasmakopf zur Herstellung einer exakt definiert partiell gehärteten Stahlkante.
  • Zur Lösung der ersten Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zur raschen Erwärmung ein Energiestrahl mit zu jedem Zeitpunkt genau definierter Energie angewendet und das Material anschließend vorzugsweise lediglich abgekühlt wird. Dieses Merkmal gewährleistet bei exakter Führung der Einrichtung zur Erzeugung des Energiestrahles relativ zur Stahlkante, was eine selbstverständliche Voraussetzung ist, einen genau definierten Energieeintrag in einen exakt vorgebbaren Bereich der Stahlkante. Damit ist einerseits die Erwärmungsrate und - abhängig vom Material, aber genau bestimmbar - der von der Härtung erfaßte Bereich genau definierbar. Dies ist auch eine wichtige Voraussetzung für die Härtbarkeit von bereits am Ski montierten Stahlkanten. Bei diesen muß gewährleistet sein, daß die Erwärmung des Stahlkantenmaterials nicht zu stark ist, um das daran angrenzende Material des Ski selbst über eine bestimmte Mindesttemperatur zu erwärmen. Andernfalls würde das Material des Ski beschädigt, Verbindungen gelockert oder gelöst, Kleber, beispielsweise zur Fixierung der Stahlkanten im Ski, gelöst oder dergleichen mehr. Durch die erfindungsgemäße Behandlung mit einem zu jedem Zeitpunkt mit genau definierter Energie auftreffenden Strahl kann die Materialerwärmung genau gesteuert und unzulässige Überhitzungen vermieden werden.
  • Vorteilhafterweise wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung als Energiestrahl ein Plasmastrahl eingesetzt. Plasmastrahlen weisen einerseits ein besonders günstiges Energie-Kosten-Verhältnis auf und sind gegenüber Oberflächenbeschaffenheit des zu behandelnden Materials, wie etwa Farbe, Verschmutzung, Reflexionsfähigkeit, unempfindlich. Darüberhinaus ist bei der Verwendung von Plasmabrennern kein Schutzgas erforderlich. Schließlich ist die Temperaturverteilung in einem Plasmastrahl in axialer Richtung wesentlich flacher als bei einem Laserstrahl, sodaß die exakte Positionierung nicht so aufwendige Einrichtungen erforderlich macht als dies beim Laser mit unbedingt erforderlicher genauester Einstellung des Brennpunktes der Fall ist.
  • Wenn der Plasmastrahl und die Stahlkante relativ zueinander in Längsrichtung der Stahlkante bewegt werden und der Plasmastrahl dabei zumindest über einen Teilbereich der Länge der Stahlkante immer genau die gleiche Energie aufweist, wobei dies vorzugsweise durch Versorgung des Plasmakopfes mit immer genau der gleichen Stromstärke erzielt wird, ist über die gesamte Länge des überstrichenen Längsbereiches der Stahlkante eine gleichmäßige, exakt definierte Härtung gewährleistet. Damit ist sichergestellt, daß bei einer allfälligen Nachbearbeitung der Stahlkante, beispielsweise beim gleichmäßigen Abschleifen, entlang der gesamten gehärteten Länge der Stahlkante die gleichen Materialeigenschaften vorliegen und nicht etwa unerwünschterweise gehartete und ungehärtete Abschnitte in nicht vorherbestimmbarer Abfolge auftreten. Mit dem Merkmal, daß der Plasmastrahl immer genau die gleiche Energie aufweist, ist verbunden, daß an jeder Stelle des Plasmastrahls zu jedem Zeitpunkt immer genau die gleiche Temperatur herrscht, d. h. die Temperaturverteilung im Plasmastrahl bleibt konstant.
  • Wenn jedoch eine genau definierte Verteilung von gehärteten und ungehärteten Bereichen bzw. Bereichen mit unterschiedlich ausgeprägter Härtung - sowohl was die Materialhärte als auch die Tiefe bzw. das Volumen des gehärteten Bereiches angeht - gewünscht ist, kann dies in vorteilhafter Weise dadurch erzielt werden, daß der Plasmastrahl und die Stahlkante relativ zueinander in Längsrichtung der Stahlkante bewegt werden und der Plasmastrahl dabei zumindest über einen Teilbereich der Länge der Stahlkante eine vorzugsweise regelmäßig veränderliche Energie aufweist, wobei dies vorzugsweise durch regelmäßige Änderung der dem Plasmakopf zugeführten Stromstärke erzielt wird. Veränderliche Energie bedeutet dabei, daß die Temperatur an jeder Stelle des Plasmastrahles sich gleichsinnig und in genau vorhersehbarer bzw. bestimmbarer Weise verändert.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird als Energiestrahl ein Laserstrahl eingesetzt und die Stahlkante sowie der Laserstrahl relativ zueinander bewegt.
  • Um in einfacher und zeitsparender Weise einen möglichst großen Bereich der auf Verschleiß beanspruchten Stellen zu erfassen, wird der Energiestrahl, vorzugsweise der Plasmastrahl gleichzeitig auf beide Außenseiten der Stahlkante gerichtet und die Achse des Strahles vorzugsweise schräg auf beide Außenseiten, insbesondere in einem Bereich von 25 um die Winkelsymmetrale, speziell genau in der Winkelsymmetralen, ausgerichtet. Je nach dem Winkel des Strahles und/oder seiner Parallelverschiebung nach oben oder unten hin in Bezug auf die Symmetrieachse der zu härtenden Außenkante kann eine symmetrische oder unsymmetrische Härtezone und damit eine Anpassung an spezielle Verschleißsituationen oder Einsatzzwecke erreicht werden. Eine symmetrische Härtezone der Außenkante, deren Form auch bei Nachbearbeitung möglichst lange erhalten bleibt, ist bei der vorzugsweisen genau mit der Symmetrieachse der Außenkante zusammenfallenden Ausrichtung des Energie- und vorzugsweise des Plasmastrahles herstellbar.
  • Eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß eine bereits am Ski montierte Stahlkante mittels des Energiestrahles rasch erwärmt und dabei der Bereich um den Auftreffbereich des Energiestrahles soweit gekühlt wird, daß im Übergangsbereich Stahlkante-Ski vorzugsweise die Lösetemperatur des Klebers für die Befestigung der Stahlkante am Skikörper nicht überschritten wird. Das Härten der Stahlkanten kann dabei als letzter Arbeitsgang der Skiherstellung vorgesehen werden, da keine Beeinträchtigung anderer Skibestandteile durch die erfindungsgemäße Hartung auftritt und daher keinerlei weitere Nachbehandlungsschritte nötig sind. Damit sind auch die bereits eingebauten Stahlkanten keinen mechanischen Beanspruchungen, keiner Gefahr von Beschädigungen und keiner Funktionsbeeinträchtigung ausgesetzt, wie dies bei einer Härtung vor der Montage am Ski der Fall ist. Die Erwärmung des Materials der der Stahlkante umgebenden Bereiche des Ski trägt aufgrund der Wärmeabfuhr zur Selbstabschreckung des durch den Energiestrahl erwärmten Bereiches und damit zum Härtungsvorgang bei, sodaß weniger Wärmeenergie auf andere, aufwendigere und kostspieligere Weise abgeführt werden muß. Dabei muß nur darauf geachtet werden, daß die Temperatur nicht so hoch ansteigt, daß der zur Fixierung der Stahlkanten verwendetet Kleber gelöst oder zersetzt wird.
  • Um mit einer gegebenen Einrichtung zur Erzeugung des Energiestrahles, vorzugsweise einem gegebenen Laser- oder Plasmakopf, einen größeren Bereich der Stahlkanten erfassen zu können, wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung der Auftreffbereich des Energiestrahles in Richtung der Langsrichtung der Stahlkante zumindest virtuell, vorzugsweise durch elektromagnetische Ablenkung des Plasmastrahles, aufgeweitet. Dies bedeutet, daß nicht der Durchmesser des Plasmastrahles selbst vergrößert wird, wobei möglicherweise die zur gleichmäßigen Temperatur- und Energieverteilung unbedingt erforderlichen Parameter gestört würden, sondern daß durch eine Art schlangenförmige Führung des Auftreffpunktes mit hoher Frequenz bzw. eine "Zitterbewegung" des Auftreffpunktes um eine Mittelachse während der Relativbewegung von Plasmakopf und Stahlkante ein größerer Bereich überstrichen wird als es dem Querschnitt des Plasmastrahles entspricht. Die virtuelle Aufweitung kann dabei in einer oder jeder beliebigen Richtung senkrecht auf die Achse des Plasmastrahles erfolgen. Neben der Möglichkeit, einen größeren Bereich von der unteren Außenkante der Stahlkante hin auf beiden Außenseiten durch die virtuelle Aufweitung des Plasmastrahles zu erfassen, bietet diese Variante auch den Vorteil, die sehr rasche Aufheizung des Materials durch den Plasmastrahl aufgrund der Verteilung der Energie etwas zu verlangsamen und damit erforderlichenfalls eine geringere Härte zu erzielen, als es der Energie des Plasmastrahles entsprechen würde. Da meist der für die virtuelle Aufweitung verfügbare Bereich an den Außenkanten der Stahlkante begrenzt ist bzw. nur eine Härtung in einem engen Bereich um die verschleißgefährdete Kante erwünscht ist, wird vorteilhafterweise in der Längsrichtung der Stahlkante aufgeweitet.
  • Die virtuelle Aufweitung kann selbstverständlich auch bei der Variante mit Laserstrahlen angewendet werden, wobei etwa durch ein schwenkbares Linsensystem der Auftreffpunkt in der oben für Plasmastrahlen beschriebenen Weise geführt werden kann. Eine Aufweitung kann beim Laser auch durch defokussieren erzielt werden.
  • Neben der virtuellen Aufweitung, die aufgrund der dafür notwendigen Apparaturen etwas aufwendiger und kostspieliger ist, kann gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal auch der physikalisch Querschnitt des Energiestrahles selbst, vorzugsweise in Richtung der Längsrichtung der Stahlkante, aufgeweitet werden. Damit ist eine Verteilung der eingebrachten Energie über eine größere Fläche und doch in einem sehr engen Bereich um die eigentliche Kante der zu härtenden Stahlkante möglich.
  • Ein besonders für die Gleichmäßigkeit der Energieabgabe des Plasmakopfes bedeutsames Merkmal ist, daß die Gasströmung um die Kathode des Plasmakopfes laminar gehalten wird. Bei einer laminaren Strömung ist die Temperaturverteilung im Plasmastrahl in der gewünschten Weise an jeder Stelle besonders genau definiert. Zusätzlich ergibt sich aber noch der Vorteil, daß die Zündung des Plasmakopfes durch einen Sinusimpuls erfolgen kann und somit bei wenig bzw. einfacher Abschirmung keine Beeinflußung umliegender Elektronikbauteile durch den Plasmakopf eintritt. Dies ist insbesondere bei der automatisierten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung von Industrierobotern oder ähnlicher, mikroprozessorgesteuerter Anlagen von Bedeutung.
  • Gegenstand der Erfindung ist aber auch eine Stahlkante für Ski od. dgl., die nach einem in den vorangehenden Absätzen beschriebenen Verfahren partiell gehartet ist. Besonders durch den Einsatz des Plasmastrahles zur Härtung läßt sich sehr wirtschaftlich eine besonders tiefreichende Härtung der Stahlkante besonders in der Symmetrieebene der verschleißgefährdeten Außenkante erzielen, wodurch sich eine im Querschnitt im wesentlichen dreieckige Härtezone ergibt. Andere Härteverfahren, wie beispielsweise durch Lasereinsatz, dringen nicht so tief ein, sodaß sich eine entlang der Außenseiten der Stahlkante nur in geringe Tiefe reichende und im Querschnitt etwa L-förmige Härtzone ergibt.
  • Die Erfindung betrifft aber auch einen Ski, der mit zumindest partiell gehärteten Stahlkante versehen ist, die gemäß einem in einem der vorhergehenden Absätze beschriebenen Verfahren hergestellt wurde.
  • Die Erfindung betrifft weiters einen Plasmakopf zur Härtung von Kanten bei Stahlmaterialien, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Absätze, mit einem durch Isoliermaterial geteilten Gehäuse, Einrichtungen zur Zuführung eines Gases, einer vom Gas umströmten, rundstabförmigen Kathode und einer ein Ende der Kathode umgebenden Anode mit einer Öffnung zum Austritt des Plasmastrahls. Dieser Plasmakopf ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine mit radialen Bohrungen zur Zuführung des Gases versehene Buchse um die Kathode, vorzugsweise aus Isoliermaterial, welche Buchse einen Ringspalt um die Kathode freiläßt. Die Innenseite der Buchse begrenzt zusammen mit der Außenseite der Kathode einen ringförmigen Eintritts- und Vergleichmäßigungsbereich für das Gas des Plasmabrenners, der die Einstellung einer laminaren Strömung begünstigt, welche für die Gleichmäßigkeit des Plasmastrahles von Bedeutung ist.
  • Besonders günstige Ergebnisse haben sich eingestellt, wenn gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung der zwischen Buchse und Kathode freibleibende Ringspalt ein Verhältnis Höhe zu Breite von im wesentlichen 2:1 hat.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Plasmakopf gekennzeichnet durch eine Wolfram-Zirkonium-Kathode. Dieses Material gewährleistet eine gleichmäßige Entladung zwischen Kathode und Anode und daraus resultierend eine gleichmäßige Temperatur- und Energieverteilung im austretenden Plasmastrahl.
  • Wieder im Hinblick auf die Laminarität der Gasströmung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest ein Ende der Kathode in einem Winkel zwischen 10 und 300, vorzugsweise 200, zuläuft. Dieser sehr kleine Winkel, der zwischen den einander symmetrisch gegenüberliegenden Seiten der vorzugsweise radialsymmetrischen Kathode gemessen ist, gewährleistet ein sanftes Zulaufen der Kathode zur Spitze hin, wodurch die Strömung des Gases laminar und der Plasmastrahl gleichmäßig bleibt.
  • Vorteilhafterweise endet jedoch die Kathode stumpf, vorzugsweise in einer normal auf die Kathodenachse stehenden, ebenen Fläche. Diese Ausführung des Kathodenendes ermöglicht ein optimales Abreißen der Gasströmung am Ende der Kathode mit der geringstmöglichen Beeinflußung der laminaren Strömungscharakteristik.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Öffnung in der Anode in Form eines Langloches ausgeführt, wobei vorzugsweise der längere Durchmesser in der Längsrichtung der Stahlkante ausgerichtet ist. Diese Form der Austrittsöffnung für den Plasmastrahl aus dem Plasmakopf bewirkt eine physikalische Aufweitung des Plasmastrahles in der Richtung des längeren Durchmessers und damit eine Verteilung der Energie über einen größeren Bereich der Stahlkante, vorzugsweise über einen Längsbereich derselben. Damit geht eine langsamere Aufheizung des Materials einher, die - wenn gewünscht - zu einer geringeren Härte des partiell gehärteten Teils der Stahlkante führt.
  • Alternativ oder zusätzliche zum oben genannten Merkmal sind zur Erzielung der selben Effekte gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung Einrichtungen zur elektromagnetischen Ablenkung des Plasmastrahles im Bereich der Austrittsöffnung für den Plasmastrahl vorgesehen.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Härtung der Kanten von Stahlmaterialien, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit zumindest einem Laser- oder Plasmakopf, vorzugsweise zwei Laser- oder Plasmaköpfen, wie in einem der vorhergehenden Absätze beschrieben, sowie Einrichtungen zur Führung des oder jedes Laser - oder Plasmakopfes und der Stahlkante bzw. des mit einer zu härtenden Stahlkante versehenen Ski relativ zueinander in Längsrichtung der Stahlkante.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Vorrichtung vorteilhafterweise gekennzeichnet durch vorzugsweise flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper, vorzugsweise aus Kupfer, die in einem Abstand zur Stahlkante bzw. dem Skikörper, vorzugsweise in einem Abstand von 0,2 bis 0,3 mm, geführt sind. Die Kühlkörper führen die Wärmemenge ab, die nicht mehr vom Skikörper aufgenommen werden kann, ohne daß eine vorherbestimmte Temperatur, vorzugsweise die Lösetemperatur des die Stahlkanten fixierenden Klebers, überschritten würde. Als Kühlflüssigkeit hat sich Wasser mit maximal etwa 20 ° C als günstigste Lösung ergeben und als Material zur Anfertigung der Kühlkörper ist Kupfer die vorteilhafteste Wahl zur raschen Abführung großer Wärmemengen. Um eine Beeinträchtigung oder Beschädigung der Oberfläche der Stahlkanten und/oder des Ski zu vermeiden, werden die Kühlkörper nicht unmittelbar an die Stahlkante oder die Oberfläche des Ski angelegt und in Kontakt mit diesen entlanggeführt, sondern in geringem Abstand von Stahlkante und/oder Ski geführt.
  • In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand eines nicht einschränkenden Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.
  • Dabei zeigt
    • Fig. 1 eine Seitenansicht
    • und Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Härtung von bereits am Ski montierten Stahlkanten, wobei der klareren Darstellung der Führungseinrichtungen halber die Einrichtungen zur Erzeugung des Energiestrahles weggelassen wurden,
    • Fig. 3 ist eine Ansicht der Vorrichtung der Fig. 1 bzw. 2 in der Ebene 111-111 dieser Darstellungen mit je einem Plasmakopf samt Positioniereinrichtungen zu beiden Seiten des Ski,
    • Fig. 4 zeigt den Detailaussschnitt IV der Fig. 3 in vergrößertem Maßstab,
    • Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Plasmakopfes und Fig. 6 bzw. 6b zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform einer Anode zum Einbau in einen Plasmakopf im Schnitt und in der Vorderansicht.
  • Auf einem mit 1 bezeichneten Grundgestell sind drei Führungseinrichtungen 2 für den Ski (nicht dargestellt) vorgesehen, die in an sich bekannter, vorzugsweise automatisierbarer Weise die seitliche Führung des Ski in exakter Weise, d. h. auf den Zehntelmillimeter genau gewährleisten. Zu beiden Seiten des Transportweges des Ski sind zu diesem Zweck einstellbare Führungsrollen 3 angeordnet. Der zu behandelnde Ski wird mittels eines Transportbandes 4, das von einer durch einen exakt regelbaren Motor 5 angetriebenen Antriebsrolle 5a in Bewegung versetzt wird, durch die Anlage gefördert. Das Transportband 4 läuft dabei über die Umlenkrollen 6a bis 6f und ist derart beschaffen, daß durch Reibung eine kraftschlüssig Verbindung mit vorzugsweise der Lauffläche des Ski entstehen kann.
  • Zur exakten höhenmäßigen Führung des Ski, d. h. senkrecht auf die Ebene, innerhalb derer der Ski durch die Führungsrollen 3 geführt ist, dienen die beiden Rollen 7 und 8. Die untere Auflagerolle 7, auf welcher der Ski mit der Lauffläche aufliegt, ist auf einer ortsfest fixierten oder zumindest exakt fixierbaren Achse frei drehbar gelagert und aus sehr hartem Material, vorzusweise Stahl angefertigt. Mittels der obenliegenden, zumindest mit einer relativ weichen, elastischen Umfangsbeschichtung 8a versehenen Andruckrolle 8 wird der Ski gegen die untere Auflagerolle 7 gepreßt, wobei insbesondere auch die Vorspannung des Ski in dessen mittlerem Bereich - welche die Aufwölbung des Ski zwischen dessen vorderer und hinterer Auflagelinie verursacht - überwunden werden muß. Gleichzeitig mit dem Anpressen auf die Auflagerolle 7 entsteht aufgrund der Vorspannung ein Druck des Ski auf das Transportband 4, welcher Druck mit zum Entstehen der auf der Reibung zwischen Lauffläche und Transportband 4 basierenden, kraftschlüssigen Verbindung beiträgt. Die Anpreßrolle 8 ist höhenverstellbar, allenfalls senkrecht zum Ski federnd beweglich geführt, um das ungehinderte Durchlaufen der Schaufel des Ski und dessen Einlegen bzw. Entfernen aus der Vorrichtung zu gestatten.
  • In Fig. 3 ist mit S der Ski bezeichnet, der mit den zu härtenden Stahlkanten K bereits versehen ist und der von der Andruckrolle 8 auf die Auflagerolle 7 gepreßt wird. Zu beiden Seiten des Ski S ist je eine Einrichtung 9 zur Erzeugung des Energiestrahles zur Aufheizung der jeweiligen Stahlkante K vorgesehen, da dies eine raschere und damit wirtschaftlichere Bearbeitung sicherstellt als die gleichwohl mögliche Anordnung nur einer Einrichtung 9 auf einer Seite des Ski S. Die Einrichtungen 9 sind auf Tragestrukturen 10, beispielsweise mikroprozessorgesteuerten Roboterarmen, getragen, wobei diese Tragestrukturen 10 vorteilhafterweise - wie durch die Pfeile im unteren Teil symbolisiert ist - parallel zur Achse der Auflagerolle 7 steuerbar beweglich gelagert sind. Diese Beweglichkeit ist notwendig, um die Einrichtung 9 in einfacher Weise, da nur eine Bewegung in einer Richtung erforderlich ist, in immer exakt dem gleichen Abstand zur Stahlkante K zu halten, ganz gleich wie der Ski S geformt ist. So kann der Laser- oder Plasmakopf 9 jeder beliebigen Taillierung oder anderen Ausformung des Ski S nachgeführt werden. Für den weiter unten näher beschriebenen Plasmakopf sind folgende vorzugsweise Werte zur Erzielung günstiger Resultate gefunden worden: Abstand der Einrichtung 9, hier speziell der Austrittsdüse des Plasmastrahles, zur Stahlkante K: 1 bis 10 mm; Relativgeschwindigkeit von Stahlkante K und Einrichtung 9 in Längsrichtung der Kante K: 2 bis 8 m/min. Sowohl für Laser- als auch Plasmastrahlen gilt dabei, daß die erzielbare Härte umso größer ist, je schneller die Relativgeschwindigkeit ist, da dann die Abschreckung schneller erfolgt. Dabei ist eine Abschreckung des Materials durch Kühlmedien nicht notwendig - dies würde vielmehr bei Stahlkanten für Skier allzugroße Härtewerte und zu spröde Kanten ergeben - sondern die Abkühlung (Selbstabschreckung) durch die Umgebungsbedingungen ist ausreichend, um die gewünschte Härtung zu erzielen. So sind für CK60-Stahl Werte von über 50 Rockwell erreichbar, wobei für Stahlkanten für Skier die Werte vorteilhafterweise zwischen 58 und 60 Rockwell durch geeignete Abstimmung aller Verfahrensparameter gewählt werden.
  • Die Steuerung der beschriebenen Bewegung erfolgt durch die Kontaktrollen 11, die ebenfalls an jeder Tragestruktur 10 vorgesehen sind, welche Kontaktrollen 11 durch geeignete Sensoren überwacht werden und wobei die Tragestrukturen 10 derart angesteuert werden, daß die Kontaktrollen 11 immer mit dem gleichen Druck an der Stahlkante K anliegen. Der deutlicheren Darstellung halber wurde in Fig. 3 nur eine Kontaktrolle 11 auf der linken Seite des Ski S gezeichnet, um rechts das in Fig. 4 vergrößert dargestellte Detail IV deutlich im Zusammenhang mit der Tragstruktur 10 und der gesamten Vorrichtung zeigen zu können.
  • Dieses Detail IV zeigt flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper 12, die das Material der die Kante K umgebenden Bauteile des Ski S vor zu großer Erwärmung durch den Energiestrahl E der Einrichtung 9 bewahrt. Die Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser mit einer Maximaltemperatur von ca. 20 °C, strömt dabei durch die Passagen 12a in den vorzugsweise aus Kupfer gefertigten Kühlkörpern 12. Diese Kühlkörper 12 decken einen Längsbereich von einigen Zentimetern bis etwa 30 cm vor und hinter dem Auftreffbereich des Energiestrahles E ab. Wie in Fig. 4 deutlich dargestellt ist, liegen die ebenfalls von der Tragstruktur 10 getragenen Kühlkörper 12 nicht am Ski S oder der Kante K an, sondern sind in jedem Fall von diesen beabstandet, vorzugsweise zwischen 0,2 bis 0,3 mm, was bei vermiedener Beschädigung oder Beeinträchtigung der Materialien beispielsweise durch Zerkratzen die trotzdem ausreichender Wärmeabführung gewährleistet.
  • Obwohl der Einsatz von Laserstrahlen als Energiestrahl E möglich ist, ist doch die Verwendung von Plasmastrahlen bevorzugt, da diese weniger empfindlich gegenüber der Oberflächenbeschaffenheit der Kante K und auch wirtschaftlicher sind und darüberhinaus kein zusätzliches Schutzgas benötigen. In Fig. 5 ist daher ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen Plasmakopf als Einrichtung 9 zur Erzeugung des Energiestrahles E dargestellt und soll nachfolgend näher beschrieben werden.
  • Der dargestellte Plasmakopf 9 umfaßt ein zweigeteiltes Gehäuse aus einem oberen Teil 13 und einem unteren Teil 14, welche Teile 13 und 14 durch ein Isoliermaterial 15 voneinander elektrisch isoliert getrennt sind. Je ein Anschlußelement 16 bzw. 17 am oberen Teil 13 bzw. unteren Teil 14 ist zum Zuführen bzw. Ableiten von Kühlmedium für den Plasmakopf 9 in die Passage 17 vorgesehen. Im oberen Teil 13 ist eine Kathode 18 in an sich bekannter Weise austauschbar in einer herkömmlichen Halterung 19 fixierbar. Im unteren Teil 14 ist eine das freie Ende der Kathode 18 in einem Abstand umgebende Anode 20 mit einer Austrittsöffnung 21 für das ionisierte Gas, d. h. den Plasmastrahl, vorgesehen. Zwischen der Halterung 19 der Kathode 18 und der Anode 20 ist, im wesentlichen in der selben Höhe wie das Isoliermaterial 15, eine die Kathode 18 im Abstand umgebende Buchse 22, ebenfalls aus Isoliermaterial, vorzugsweise aus Keramikwerkstoff, vorgesehen, sodaß zwischen der Innenwandung dieser Buchse 22 und der Kathode18 ein ringförmiger Raum 23 begrenzt ist. Auf einer Seite wird dieser Raum 23 von der Halterung 19 der Kathode 18 abgeschlossen, während er sich gegenüberliegend in den Ringspalt 24 zwischen Kathode 18 und Anode 20 sowie weiter die Austrittsöffnung 21 fortsetzt. Durch eine - vor oder hinter der Schnittebene in den Plasmakopf 9 mündende - Leitung 25 wird das zu ionisierende Gas durch in einen Ringspalt 26 um die Buchse 22 und weiter durch radiale Bohrungen 27 in den Eintritts-und Vergleichmäßigungsraum 23 geleitet.
  • Als zu ionisierendes Gas wird beispielsweise Helium oder Stickstoff, vorzugsweise jedoch Argon in einer Menge von 0,5 bis 5 I/min verwendet, wobei mit Argon ein besonders stabiles Plasma mit gleichzeitiger Schutzgaswirkung erzielt wird.
  • Für die gleichmäßige Energie des Plasmastrahles ist eine laminare Strömung des Gases entlang der Kathode 18 von besonderer Bedeutung. So wird durch die Vergleichmäßigung der Strömung des zugeführten Gases im Raum 23 und dessen vorzugsweises Verhältnis von axialer Höhe zu Breite des Ringspaltes von etwa 2:1 eine zur Spitze der Kathode 18 hin laminare Gasströmung erzeugt. Die Spitze der Kathode 18 läuft unter einem sehr kleinen Winkel a zwischen 10 und 300, vorzugsweise 20°, zusammen, um die Strömung so weit als möglich laminar zu halten. Ein weiteres Merkmal, um die Gasströmung laminar weiterzuleiten, besteht in einer ebenen, normal auf die Achse der Kathode 18 orientierten Endfläche 28 mit vorzugsweise 0,3 mm Durchmesser, die als eine Art Abrißkante zum gesteuerten Abreißen der Gasströmung von der Kathode 18 wirkt.
  • Die laminare Strömung des Gases hat neben der gleichmäßigen Energie des Plasmastrahles und in Verbindung mit der speziellen Materialwahl für die Kathode 18 noch den zusätzlichen Vorteil, daß die ionisierende Entladung zwischen Kathode 18 und Anode 20 keinen harten Rechteckimpuls erfordert, sondern mit einem weichen Sinusimpuls gezündet werden kann. Damit entfallen alle Abschirmprobleme des Plasmakopfes 9 und er kann ohne Störungen der umliegenden Elektronikbauteile, beispielsweise in der Steuerung der Tragstrukturen 10, in Meßvorrichtungen, usw., verwendet werden. Die Stromstärke beträgt während der stabile Betriebsphase des Plasmabrenners 9 zwischen 20 und 180 A. Die Leistung des Energiestrahles beträgt vorzugsweise zwischen 1 und 5 kW, insbesondere 2 kW pro Einheit 9.
  • Um die Härte der gehärteten Stahlkante nicht zu hoch werden zu lassen, wodurch sie zu spröde würde, kann der Energieeeintrag durch den Energiestrahl E über einen größeren Bereich der Stahlkante K verteilt werden. Neben der virtuellen Aufweitung durch die Ablenkung des Energiestrahles E während der Relativbewegung zur Stahlkante K, beispielsweise beim Plasmastrahl durch einen die Austrittsöffnung 21 umgebenden Elektromagneten 29 oder beim Laserstrahl durch schwenkbare Linsensysteme, kann auch der physische Querschnitt des Strahls selbst aufgeweitet werden.
  • So kann statt der Anode 20 des Plasmakopfes 9 mit einer kreisförmigen Austrittsöffnung 21, vorzugsweise mit einem Durchmesser von 0,5 bis 3 mm, eine entsprechend dem in den Fig. 6a und 6b ausgebildete Anode 20' mit einer langlochförmigen bzw. ovalen Austrittsöffnung 21' zwischen Werten von 0,6 x 2 mm bis 2,5 x 5 mm, vorzugsweise mit 1 x 3 mm, vorgesehen sein. Dabei wird die Austrittsöffnung 21' zur Vermeidung zu rascher Auskühlung des Materials der Stahlkante derart orientiert, daß der längere Durchmesser parallel zur Längsachse der Stahlkante K liegt. Die Aufheizung und Abschreckung erfolgt dadurch langsamer und die Härte bleibt im für die spezielle Anwendung erwünschten Bereich von 57 bis 60 Rockwell. Runde Austrittsöffnungen in den Anoden ergeben in jedem Fall aufgrund der schnelleren Abkühlung höhere Härten.
  • Obwohl in der Beschreibung die Härtung von bereits am Ski montierten Kanten beispielhaft näher erläutert wurde, ist selbsverständlich bei geeigneter Ausführung der Einrichtungen zum Hervorrufen der Relativbewegung zwischen der zu härtenden Stahlkante - speziell durch auf die geringere Dimension und Steifigkeit der Stahlkante abgestimmte Führungs- bzw. Transportvorrichtungen - und der Einheit zur Erzeugung des Energiestrahles auch die Härtung der Stahlkante vor dem Zusammenbau mit den restlichen Bestandteilen des Ski in der erfindungsgemäßen Weise und wie in der Beschreibungseinleitung angegeben möglich.
  • Bei allen der bisher beschriebenen Vorgangsweisen ist es vorteilhafterweise möglich, daß der Energiestrahl E bezüglich beider außenliegenden Flächen der zu härtenden Stahlkanten K schräg auf diese gerichtet wird. Vorzugsweise wird der Strahl E in der in Fig. 3 bzw. deutlicher in Fig. 4 dargestellten Weise in einem Bereich von etwa 25 ° um die Symmetrieebene, vorteilhafterweise genau in der Ebene der Winkelsymmetrale, der zu härtenden Außenkante der Stahlkante K auf diese gerichtet. Damit läßt sich die Form des gehärteten Bereiches innerhalb der Stahlkante beeinflußen, wobei direkt in Verlängerung des Energiestrahles E die größte Härtungstiefe erzielt wird. Die Härtungstiefe wird umso geringer, je größer der radiale Abstand zur Achse des Energiestrahles E ist. Besonders deutlich treten die eben genannten Effekte beim Plasmastrahl auf, wohingegen sie durch die geringe Tiefenwirkung des Laserstrahles nur in geringerem Ausmaß zu erzielen sind. Beim Laserstrahl ist in etwas aufwendigerer Weise ein Überstreichen beider Seitenflächen erforderlich, um einen ähnlich großen Flächenbereich wie beim Plasmastrahl abdecken zu können, wobei aber trotzdem, besonders im eigentlichen Kantenbereich, die Tiefe der Härtung diejenige des Plasmastrahles nicht erreicht.

Claims (19)

1. Verfahren zum Härten von Stahl-Laufkanten für Ski od. dgl., wobei die Stahl-Laufkante zumindest partiell, vorzugsweise zumindest im Bereich der die Laufsohle des Ski außen begrenzenden Stahl-Laufkante, rasch erwärmt, danach rasch wieder abgekühlt und dadurch gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur raschen Erwärmung des zu härtenden Bereiches der Stahl-Laufkante ein Plasmastrahl mit zu jedem Zeitpunkt genau definierter Energie angewendet und das vom Plasmastrahl erwärmte Material anschließend vorzugsweise lediglich abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl und die Stahl-Laufkante relativ zueinander in Längsrichtung der Stahl-Laufkante bewegt werden und der Plasmastrahl dabei zumindest über einen Teilbereich der Länge der Stahl-Laufkante immer genau die gleiche Energie aufweist, wobei dies vorzugsweise durch Versorgung des Plasmakopfes mit immer genau der gleichen Stromstärke erzielt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl und die Stahl-Laufkante relativ zueinander in Längsrichtung der Stahl-Laufkante bewegt werden und der Plasmastrahl dabei zumindest über einen Teilbereich der Länge der Stahl-Laufkante eine vorzugsweise regelmäßig veränderliche Energie aufweist, wobei dies vorzugsweise durch regelmäßige Änderung der dem Plasmakopf zugeführten Stromstärke erzielt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl gleichzeitig auf beide Außenseiten der Stahl-Laufkante gerichtet wird und die Achse des Plasmastrahles vorzugsweise schräg auf beide Außenseiten, insbesondere in einem Bereich von 25 um die Winkelsymmetrale, speziell genau in der Winkelsymmetralen, ausgerichtet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine bereits am Ski montierte Stahl-Laufkante mittels des Plasmastrahles rasch erwärmt und dabei der Bereich um den Auftreffbereich des Energiestrahles soweit gekühlt wird, daß im Übergangsbereich Stahl-Laufkante-Ski vorzugsweise die Lösetemperatur des Klebers für die Befestigung der Stahl-Laufkante am Skikörper nicht überschritten wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftreffbereich des Plasmastrahles in Richtung der Längsrichtung der Stahl-Laufkante zumindest virtuell, vorzugsweise durch elektromagnetische Ablenkung des Plasmastrahles, aufgeweitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Plasmastrahles vorzugsweise in Richtung der Längsrichtung der Stahl-Laufkante aufgeweitet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmung für den Plasmastrahl um die Kathode des Plasmakopfes laminar gehalten wird.
9. Stahl-Laufkante für Ski od. dgl., die nach einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche zumindest partiell gehärtet ist.
10. Ski mit zumindest einer gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zumindest partiell gehärteten Stahl-Laufkante.
11. Plasmakopf zur Härtung von Kanten bei Stahlmaterialien, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem durch Isoliermaterial (15) geteilten Gehäuse (13, 14), Einrichtungen zur Zuführung eines Gases, einer vom Gas umströmten, rundstabförmigen Kathode (18) und einer ein Ende der Kathode (18) umgebenden Anode (20, 20') mit einer Öffnung (21, 21') zum Austritt des Plasmastrahls (E), gekennzeichnet durch eine mit radialen Bohrungen (27) versehene Buchse (22), vorzugsweise aus Isoliermaterial, um die Kathode (23) zur Zuführung des Gases, welche Buchse (22) einen Ringspalt (23) um die Kathode (18) freiläßt.
12. Plasmakopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Buchse (22) und Kathode (18) freibleibende Ringspalt (23) ein Verhältnis Höhe zu Breite von etwa 2:1 hat.
13. Plasmakopf nach einem der Ansprüche 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Wolfram-Zirkonium-Kathode (18).
14. Plasmakopf nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Ende der Kathode (18) in einem Winkel zwischen 10 und 300, vorzugsweise 200, zuläuft.
15. Plasmakopf nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (18) stumpf, vorzugsweise in einer normal auf die Kathodenachse stehenden, ebenen Fläche (28), endet.
16. Plasmakopf nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (21') in der Anode (20') in Form eines Langloches ausgeführt ist, wobei vorzugsweise der längere Durchmesser in der Längsrichtung der Stahl-Laufkante (K) ausgerichtet ist.
17. Plasmakopf nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (29) zur elektromagnetischen Ablenkung des Plasmastrahles (E) im Bereich der Austrittsöffnung (21, 21') für den Plasmastrahl vorgesehen sind.
18. Vorrichtung zur Härtung von Kanten bei Stahlmaterialien, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, mit zumindest einem Plasma- oder Laserkopf (9), vorzugsweise zwei Plasma- oder Laserköpfen, gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, sowie Einrichtungen (2 bis 8, 10) zur Führung des oder jedes Plasma- bzw. Laserkopfes (9) und der Stahl-Laufkante (K) bzw. des mit einer zu härtenden Stahl-Laufkante versehenen Ski (S) relativ zueinander in Längsrichtung der Stahl-Laufkante (K).
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch vorzugsweise flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper (12), vorzugsweise aus Kupfer, die in einem Abstand zur Stahl-Laufkante (K) bzw. dem Skikörper, vorzugsweise in einem Abstand von 0,2 bis 0,3 mm, geführt sind.
EP95890006A 1994-01-17 1995-01-11 Verfahren zur Bearbeitung von Stahlkanten für Ski od. dgl. Expired - Lifetime EP0667175B1 (de)

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SI9530148T SI0667175T1 (en) 1994-01-17 1995-01-11 Method for treating edges of skis etc.

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AT80/94 1994-01-17
AT0008094A AT404798B (de) 1994-01-17 1994-01-17 Verfahren zum härten von stahl-laufkanten für ski sowie plasmakopf zur härtung von kanten bei stahlmaterialien und vorrichtng zur härtung von kanten bei stahlmaterialien

Publications (3)

Publication Number Publication Date
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