EP2879846B1

EP2879846B1 - Zylindervorrichtung zum bearbeiten von materialbahnen mit mischeinrichtung zur vermischung eines temperierfluids

Info

Publication number: EP2879846B1
Application number: EP12741005.8A
Authority: EP
Inventors: Ulrich SCHIHWETZ; Matthias Frank
Original assignee: Marbach Werkzeugbau GmbH
Current assignee: Marbach Werkzeugbau GmbH
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2032-08-01
Also published as: WO2014019619A1; EP2879846A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylindervorrichtung zum Bearbeiten von Materialbahnen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Zylindervorrichtung findet Anwendung bei allen rotativen Werkzeugen, wie z.B. Schneid-, Rill- oder Prägewerkzeugen, die jeweils zwei Zylinder aufweisen, die in entgegengesetzte Richtungen drehen.
Aus der EP 1 974 878 B1 ist eine Rotationsschneidevorrichtung bekannt, die einen Schneidzylinder und einen Gegenzylinder aufweist, die mit ihren Wellenzapfen in einem Maschinengestell gelagert sind. Über eine Vorspanneinrichtung wird die Schneidwalze gegen die Gegenwalze gedrückt. Hierdurch entsteht im Betrieb Wärme aus den Lagern und aus den Laufringen, die über das Zylindermaterial weitergeleitet wird und sich ungleichmäßig über den Zylinder ausbreitet, wodurch es zu unterschiedlichen Ausdehnungen des Zylindermaterials und somit zu einer verminderten Schnittqualität kommen kann.
Aus der DE 101 96 683 T1 ist eine Zylindervorrichtung zum Bearbeiten von Materialbahnen bekannt, die wenigstens einen drehbar gelagerten Zylinder umfasst, der einen zylindrischen Grundkörper aufweist. In dem Grundkörper ist konzentrisch zur Zylinderachse ein Zylinderraum ausgebildet, in dem eine Mischeinrichtung zur Vermischung eines Temperierfluids vorgesehen ist.
Die DE 40 16 823 A1 und die DE 1 775 394 A beschreiben jeweils eine Zylindervorrichtung, bei der die Mischeinrichtung von einer konzentrisch um die Zylinderachse angeordneten Wendeleinrichtung gebildet wird, die an der Wandfläche des Zylinderraums anliegt.
Bei der Zylindervorrichtung der DE 1 775 394 A weist die Wendeleinrichtung darüber hinaus in einer Zylinderraumhälfte einen Abschnitt mit einer ersten Gangrichtung und in der anderen Zylinderraumhälfte einen Abschnitt mit entgegen gesetzter zweiter Gangrichtung auf, wobei die Gangrichtungen so gewählt sind, dass das Temperierfluid bei Drehung des Zylinders in Richtung der Zylinderraummitte transportiert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zylindervorrichtung zu schaffen, deren Zylinder zur Erhöhung der Bearbeitungsqualität gleichmäßig temperiert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Zylindervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zylindervorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 10.
Bei der erfindungsgemäßen Zylindervorrichtung ist in dem Grundkörper des Zylinders ein konzentrisch zur Zylinderachse ausgebildeter Zylinderraum vorgesehen, in dem eine Mischeinrichtung zur Vermischung eines Temperierfluids in dem Zylinderraum angeordnet ist. Darüber hinaus ist jeweils ein in Längsrichtung der Zylinderachse verlaufender Ansaugkanal vorgesehen, der mit einem Ende in die entsprechende Stirnseite des Zylinderraums mündet. Der Ansaugkanal ist angrenzend an sein dem Zylinderraum abgewandtes, anderes Ende mit jeweils einem Ende von mehreren Strömungskanälen verbunden, deren anderes Ende radial außerhalb des Ansaugkanals, vorzugsweise an die Wandfläche des Zylinderraums angrenzend, in den Zylinderraum mündet. Durch die Vermischung des Temperierfluids wird eine gleichmäßige Erwärmung des Temperierfluids erreicht. Hierdurch wird die Temperatur des jeweiligen Zylinders über seine gesamte Länge ausgeglichen und eine ungleichmäßige Wärmeausdehnung verhindert. Hierdurch wird eine hohe Bearbeitungsqualität bei der Bearbeitung von Materialbahnen sichergestellt.
Bevorzugt ist der Ansaugkanal zylindrisch oder sich in Richtung seines dem Zylinderraum abgewandten Endes konisch verjüngend ausgebildet und konzentrisch zur Zylinderachse angeordnet ist.
Vorzugsweise ist die Mischeinrichtung eine konzentrisch um die Zylinderachse angeordnete Wendeleinrichtung, die entweder von einer an der Wandfläche des Zylinderraums anliegenden Wendel oder von einer Wendelnut in der Wandfläche des Zylinderraums gebildet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wendeleinrichtung in einer Zylinderraumhälfte einen Abschnitt mit einer ersten Gangrichtung und in der anderen Zylinderraumhälfte einen Abschnitt mit einer entgegengesetzten zweiten Gangrichtung auf, wobei die Gangrichtungen so gewählt sind, dass das Temperierfluid bei Drehung des Zylinders in Richtung der Zylinderraummitte transportiert wird.
Die Strömungskanäle verlaufen bevorzugt - in Axialrichtung gesehen - im Wesentlichen tangential zu dem Ansaugkanal.
Das andere Ende des entsprechenden Ansaugkanals ist angrenzend an den jeweiligen Wellenzapfen des Zylinders angeordnet.
Um eine gleichmäßige Temperierung zu gewährleisten, werden 30% bis 90%, vorzugsweise 50% bis 75% des Zylinderraums mit Temperierfluid gefüllt, wobei die Füllmenge abhängig von der Drehzahl des Zylinders im Einsatz und von der Gestalt des Ansaugkanals ist. Die optimale Füllmenge kann durch Versuche ermittelt werden,
Ein geeignetes Temperierfluid ist eine Glykol-Wasser-Mischung, deren Viskosität in den eingesetzten Temperaturbereichen konstant ist, die einen Korrosionsschutz bietet und vorzugsweise bis -50°C nicht gefriert. Es können aber auch andere Temperierfluide, wie z.B. diverse Öle oder ähnliche Stoffe verwendet werden, die die oben erwähnten Eigenschaften erfüllen.
Die erfindungsgemäße Zylindervorrichtung findet bevorzugt in einem Schneidwerkzeug Anwendung, das einen Schneidzylinder und einen Gegenschneidzylinder oder auch zwei Schneidzylinder (Dual Knife Cut) umfasst, wobei beide Zylinder gemäß den Patentansprüchen 1 bis 10 ausgebildet sein können. Das zu schneidende Material ist z.B. ein papier- oder kartonageähnlicher Grundwerkstoff, der mit metallischen Schichten oder Kunststoffschichten belegt wird und für gas- und flüssigkeitsdichte Verpackungen verwendet wird. Andere Einsatzgebiete sind Zigarettenpackungszuschnitte, Getränkeverpackungen oder andere Zuschnitte für Falzschachteln.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 einen Längsschnitt durch zwei Zylinder eines Schneidwerkzeugs,
Figur 2 einen Querschnitt durch die Zylinder des Schneidwerkzeugs von Figur 1,
Figur 3 einen weitere Variante eines Schneidzylinders.

Das in Figur 1 gezeigte Schneidwerkzeug 10 weist einen Schneidzylinder 12 sowie einen Gegenzylinder 14 auf, die sich dadurch unterscheiden, dass am Außenumfang des Schneidzylinders 12 mehrere Schneidelemente 13 angeordnet sind, wohingegen der Außenumfang des Gegenschneidzylinders 14 glatt ist. Aus diesem Grund werden die für die Erfindung wesentlichen Merkmale nur mit Bezug auf den Schneidzylinder 12 beschrieben.
Der Schneidzylinders 12 weist einen zylindrischen Grundkörper 15 auf, von dessen beiden Stirnseiten sich ein zylindrischer Vorsprung 16 konzentrisch erstreckt, auf dem jeweils ein Laufring 20 gelagert ist, der mit einem Laufring 22 in Kontakt steht, der auf einem entsprechenden Zylinderabschnitt des Gegenzylinders 14 angeordnet ist. Durch die Laufringe 20, 22 wird gewährleistet, dass die beiden Zylinder 12, 14 stets exakt zueinander laufen.
Von dem jeweiligen Zylinderabschnitt 16 erstreckt sich konzentrisch ein zylindrischer Wellenzapfen 18 nach außen, der in einem Maschinengestell (nicht gezeigt) gelagert ist.
In dem Grundkörper 15 ist ein Zylinderraum 17 konzentrisch zur Zylinderachse ausgebildet. In dem Zylinderraum 17 ist eine Wendeleinrichtung 26 angeordnet, die zwei Wendelabschnitte 28, 30 aufweist, die in der in Figur 1 linken Zylinderraumhälfte bzw. rechten Zyünderraumhälfte angeordnet sind und in der Mitte des Zylinderraums aneinander anliegen. Der Außendurchmesser der Wendelabschnitte 28, 30 entspricht dem Durchmesser des Zylinderraums 17, so dass die Wendelabschnitte 28, 30 kein radiales Spiel zur Wandung 21 des Zylinderraums 17 hin haben.
Von den Stirnseiten 19 des Zylinderraums 17 erstreckt sich jeweils ein Ansaugkanal 32 konzentrisch zur Zylinderachse nach außen. Der Ansaugkanal 32 mündet mit einem Ende in den Zylinderraum 17. Das andere Ende des Ansaugkanals 32 ist im Bereich des Zylinderabschnitts 16 angrenzend an den Lagerzapfen 18 angeordnet. Angrenzend an dieses andere Ende des Ansaugkanals 32 münden mehrere Strömungskanäle 34 in gleichmäßigem Umfangsabstand in die Wandfläche des Ansaugkanals 32, wobei in Fig. 1 und 2 nur vier dargestellt sind. Die Strömungskanäle 32 sind geradlinig ausgebildet und münden mit ihrem anderen Ende in die Stirnseite des Zylinderraums 17 angrenzend an die Wandfläche 21. Wie es in Figur 2 zu erkennen ist, verlaufen die Strömungskanäle 34 - in Axialrichtung gesehen - im Wesentlichen tangential zu dem Außenumfang des entsprechenden Ansaugkanals 32 und zwar von dem Ansaugkanal 32 aus entgegengesetzt der Drehrichtung, die durch den Pfeil angedeutet ist.
Wie es in Figur 1 zu erkennen ist, ist der Zylinderraum 17 mit einem Temperierfluid 24, z.B. einer Glykol-Wasser-Mischung gefüllt. Das Temperierfluid 24 kann durch eine nicht gezeigte Bohrung an der Zylinderstirnseite eingefüllt werden, die anschließend verstopft wird. Wenn die Zylinder 12, 14 mit niedrigen Drehzahlen betrieben werden, ist der Zylinderraum 17 mindestens bis zur Hälfte, d.h. bis zur Zylinderachse mit Temperierfluid 24 gefüllt. Temperierfluid 24 fließt dabei auch in die Ansaugkanäle 32 ein. Außerdem strömt das Temperierfluid 24 in die Strömungskanäle 34 ein, die sich unterhalb der Zylinderachse befinden.
Wenn die beiden Zylinder 12, 14 in Drehung versetzt werden, wird durch die Wirkung der Fliehkraft das Temperierfluid 24 in den Strömungskanälen 34 nach außen geschleudert. Hierdurch entsteht ein Unterdruck, der weiteres Temperierfluid 24 aus den Ansaugkanälen 32 ansaugt. Durch die bewusst schräge und nicht zentrumsgerichtete Anordnung der Strömungskanäle 34 wird unter Ausnutzung der Trägheit des Temperierfluids 24 dieser Effekt noch verstärkt. Das Temperierfluid 24, das am Ende der Strömungskanäle 34 an der Stirnseite 19 des Zylinderraums austritt, wird durch den jeweiligen Wendelabschnitt 28, 30 in Richtung der Zylindermitte transportiert. Dadurch, dass das Temperierfluid 24 von beiden Seiten zur Zylindermitte herangefördert wird, bildet sich in der Zylindermitte ein minimaler Überdruck. Dieser Überdruck zeigt sich durch eine Ausbildung eines Fluidgefälles zu den Wellenzapfen 18 hin. Da das Temperierfluid 24 bestrebt ist, sein Niveau auszugleichen, und somit den niedrigstmöglichen Energiezustand zu erreichen, bildet sich in der Zylinderachse ein Rückfluss aus, der wiederum in die Ansaugkanäle 32 mündet. Somit bilden sich zwei Fluidkreisläufe mit gegenläufigen Drehrichtungen aus.
Physikalisch bedingt wird ein Teil des Temperierfluids 24 auch durch die Wandung 21 des Zylinders 12, 14 abhängig von der Viskosität und der jeweiligen Oberflächenspannung mitgenommen. Dieser Teil des Temperierfluids 24 erhöht sich mit zunehmender Drehzahl, so dass der effektive Fluidstand im Zylinder absinkt, so dass ab einer bestimmten Drehzahl der Fluidstand nicht mehr ausreicht, um in die Ansaugkanäle 32 strömen zu können. Es würde dann eine Impulsströmung entstehen, die das Werkzeug zu Schwingungen anregen könnte.
Aus diesem Grund ist der Füllstand abhängig von der gewünschten Enddrehzahl, aber jedoch mindestens 30% und maximal 90%. Bevorzugt beträgt er zwischen 50% und 75% des Volumens des Zylinderraums 17. Die Wandstärke zwischen dem Außenumfang des Grundkörpers 15 und dem Zylinderraum 17 ist bevorzugt größer als 80 mm. Der Innendurchmesser des Zylinderraums 17 beträgt je nach Einsatz bevorzugt zwischen 80 und 160 mm.
Das Material der Zylinder ist aufgrund der hohen Belastung und einer wenigstens geringen Korrosionsbeständigkeit ein legierter Vergütungsstahl.
Wie beschrieben, ist der Grundkörper 15 bevorzugt zylindrisch. Er kann jedoch auch andere Formen haben, wobei es erforderlich ist, dass die äußere Hüllkurve der Schneidelemente zylindrisch ist.
Bei der anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsform ist der Ansaugkanal 32 zylindrisch und konzentrisch zur Zylinderachse angeordnet, In Fig. 3 ist mit dem Bezugszeichen 40 eine andere Variante eines Schneidzylinders gezeigt, bei dem sich der Ansaugkanal 42 in Richtung seines dem Zylinderraum 17abgewandten Endes konisch verjüngt. Er kann aber auch einen polygonen oder anderen Querschnitt aufweisen. Es ist auch möglich, den Ansaugkanal 17 leicht exzentrisch zur Zylinderachse anzuordnen, solange er im Wesentlichen in Längsrichtung der Zylinderachse verläuft. Hierdurch erhöht sich jedoch die Gefahr einer Unwucht.
Bei dem Schneidzylinder 40 von Fig. 3 weisen die Strömungskanäle 47 jeweils einen ersten geraden Kanalabschnitt 47 auf, der angrenzend an das dem Zylinderraum 17 abgewandte Ende des Anschlusskanals 42 mit diesem verbunden ist und sich wie die Strömungskanäle 34 in Fig. 1 und 2 tangential zum Anschlusskanal 42 erstreckt, jedoch im Bereich innerhalb des entsprechenden Laufrings 20 mit einem Ende eines zweiten geraden Kanalabschnitts 46 verbunden ist, der mit seinem anderen Ende in die Stirnseite des Zylinderraums 17 angrenzend an die Wandfläche 21 mündet. Dies kann aus Gründen der besseren Temperaturverteilung zweckmäßig sein.

Claims

Zylindervorrichtung zum Bearbeiten von Materialbahnen, mit
- wenigstens einem drehbar gelagerten Zylinder (12, 14), der einen Grundkörper (15) aufweist,

- einem in dem Grundkörper (15) ausgebildeten Zylinderraum (17), und

- einer in dem Zylinderraum (17) vorgesehenen Mischeinrichtung zur Vermischung eines Temperierfluids (24) in dem Zylinderraum (17),
dadurch gekennzeichnet, dass
in die Stirnseiten des Zylinderraums (17) jeweils ein in Längsrichtung der Zylinderachse verlaufender Ansaugkanal (32) mit einem Ende mündet, der angrenzend an sein dem Zylinderraum (17) abgewandtes, anderes Ende mit jeweils einem Ende von mehreren Strömungskanälen (34) verbunden ist, deren anderes Ende radial außerhalb des Ansaugkanals (32), vorzugsweise an die Wandfläche angrenzend, in den Zylinderraum (17) mündet.
Zylindervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugkanal (32) zylindrisch oder sich in Richtung seines dem Zylinderraum (17) abgewandten Endes konisch verjüngend ausgebildet und konzentrisch zur Zylinderachse angeordnet ist.
Zylindervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung von einer konzentrisch um die Zylinderachse angeordneten Wendeleinrichtung gebildet wird.
Zylindervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendeleinrichtung von einer Wendel (26) gebildet wird, die an der Wandfläche des Zylinderraums (17) anliegt.
Zylindervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendeleinrichtung von einer Wendelnut in der Wandfläche des Zylinderraums (17) gebildet wird.
Zylindervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendeleinrichtung (26) in einer Zylinderraumhälfte einen Abschnitt (28) mit einer ersten Gangrichtung und in der anderen Zylinderraumhälfte einen Abschnitt (30) mit entgegengesetzter zweiter Gangrichtung aufweist, wobei die Gangrichtungen so gewählt sind, dass das Temperierfluid (24) bei Drehung des Zylinders (12,14) in Richtung der Zylinderraummitte transportiert wird.
Zylindervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (34) in Axialrichtung gesehen im Wesentlichen tangential zu dem Ansaugkanal (32) verlaufen.
Zylindervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Stirnseiten des Zylinders (12, 14) Wellenzapfen (18) für eine drehbare Lagerung des Zylinders (12, 14) vorgesehen sind, wobei das andere Ende des entsprechenden Ansaugkanals (32) angrenzend an den jeweiligen Wellenzapfen (18) angeordnet ist.
Zylindervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 30 bis 90%, vorzugsweise 50 bis 75% des Zylinderraums (17) mit Temperierfluid (24) gefüllt sind.
Zylindervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperierfluid (24) eine Glykol-Wasser-Mischung verwendet wird.
Schneidwerkzeug mit zwei Zylindervorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Schneidzylinder (12) und einen Gegenschneidzylinder (14) bzw. zwei Schneidzylinders bilden.