Bögel, Andreas (Robert-Schumann-Strasse 4B, Weissenhorn, 89264, DE)
Lepin, Eberhard (Südliche Halde 30, Illertissen, 89257, DE)
Bögel, Andreas (Robert-Schumann-Strasse 4B, Weissenhorn, 89264, DE)
| 1. | Verfahren zur Vereinzelung von Halbzeug (1) aus duktilem Material, insbesondere zur streifenförmigen Trennung von Metallbändern sowie der Herstellung von Drähten und Profildrähten, das auf gegenüberliegenden Seiten mindestens ein Paar keilförmiger Nuten (2,3) in gegenseitig fluchtender Ausrichtung oder einfache Nuten aufweist, wobei entlang der Nuten (2,3) ein Steg (4) aus Restmaterial verbleibt, dessen Dicke d im Vergleich zur Gesamtdicke D des Halbzeugs ausreichend gering ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vereinzelung mit thermischen Trennverfahren und/oder mechanischen Strahitrennverfahren entlang des Steges (4) gratfrei vorgenommen wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Trennverfahren Laserstrahlschneiden, Widerstandserwärmung oder induktive Erwärmung eingesetzt wird. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanisches Strahltrennverfahren Wasserstrahischneiden oder wasser geführtes Laserstrahischneiden eingesetzt wird. |
| 4. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennverfahren lediglich zur thermischen und/oder mechanischen Destabilisierung des Steges (4) eingesetzt werden und die Vereinzelung in Verbindung mit einem zeitgleichen mechanischen Aufreißen des Materials entlang des Steges (4) durchgeführt wird. |
| 5. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Wasserstrahlschneidens und/oder des Laserstrahlschneidens die auf den Steg ausgerichteten Flanken (21,31) der längsgewalzten Vertiefungen den Wasserstrahl und/oder den Laserstrahl auf den Steg (4) fokussieren. |
| 6. | Halbzeug zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (4) mittig in der durch das Nutenpaar (2,3) definierten Ausdehnung des Halbzeugs (1) liegt. |
| 7. | Halbzeug zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (4) außermittig in der durch das Nutenpaar (2,3) definierten Ausdehnung des Halbzeugs (1) liegt. |
| 8. | Halbzeug zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke D des Materials über 0,5 mm, vorzugsweise über 2 mm liegt. |
| 9. | Halbzeug zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass derAnteil der Dicke d des Steges (4) 5 bis 50 % der Gesamtdicke D des Halbzeugs (1) beträgt. |
| 10. | Halbzeug zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilwinkel a einer Nut 10° bis 120° beträgt. |
| 11. | Halbzeug zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Keilprofil der jeweiligen Nut (2,3) aus unterschiedlichen Keilwinkeln besteht, wobei ein kleinerer, die Keilspitzen (22,32) bildender Keilwinkel a1 = 30°60° und ein größerer, die Keilnutöffnung bildender Keilwinkel a2 = 45°120° aufweist. |
| 12. | Halbzeug zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (21,31) der Nuten (2,3) strukturiert sind. |
| 13. | Halbzeug zur Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (21,31) der Nuten (2,3) bogenförmige oder gestufte Strukturen aufweisen. |
| 14. | Halbzeug zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem duktilen Material (1) um Kupferbasiswerkstoffe, Aluminiumbasiswerkstoffe, Eisenbasiswerkstoffe, Zinkbasiswerkstoffe oder Werkstoffverbunde handelt. |
| 15. | Verwendung des Halbzeugs nach einem der Ansprüche 6 bis 14 zur Herstellung elektromechanischer Bauteile, insbesondere Starkstromleiter und Sicherungselemente in der Energieund Elektrotechnik, oder zur Herstellung von Teilen im Bauwesen, insbesondere von Bedachungen oder Abdeckungen von Fassaden, oder aus Band geformter und geschweißter Strukturelemente, insbesondere von Rohren. GEÄNDERTE ANSPRÜCHE [beim Internationalen Büro am 28 April 2005 (28.04. 2005) eingegangen ; ursprüngliche Ansprüche 115 durch geänderte Ansprüche 115 ersetzt (3 Seiten)] 1. Verfahren zur Vereinzelung von Halbzeug (1) aus duktilem Material, insbesondere zur streifenförmigen Trennung von Metallbändern sowie der Herstellung von Drähten und Profildrähten, das auf gegenüberliegenden Seiten mindestens ein Paar Nuten (2,3) in gegenseitig fluchtender Ausrichtung oder einfache Nuten aufweist, wobei entlang der Nuten (2,3) ein Steg (4) aus Restmaterial verbleibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke D des Halbzeugs über 0,5 mm beträgt und dass die Vereinzelung mit thermischen Trennverfahren und/oder mechanischen Strahltrennverfahren entlang des Steges (4) gratfrei vorgenommen wird. |
| 16. | 2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Trennverfahren Laserstrahischneiden, Widerstandserwärmung oder induktive Erwärmung eingesetzt wird. |
| 17. | 3 Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanisches Strahitrennverfahren Wasserstrahischneiden oder wasser geführtes Laserstrahischneiden eingesetzt wird. |
| 18. | 4 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennverfahren lediglich zur thermischen und/oder mechanischen Destabilisierung des Steges (4) eingesetzt werden und die Vereinzelung in Verbindung mit einem zeitgleichen mechanischen Aufreißen des Materials entlang des Steges (4) durchgeführt wird. |
| 19. | 5 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Wasserstrahischneidens und/oder des Laserstrahlschneidens die auf den Steg ausgerichteten Flanken (21,31) der längsgewalzten Vertiefungen den Wasserstrahl und/oder den Laserstrahl auf den Steg (4) fokussieren. |
| 20. | 6 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (4) mittig in der durch das Nutenpaar (2,3) definierten Ausdehnung des Halbzeugs (1) liegt. |
| 21. | 7 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (4) außermittig in der durch das Nutenpaar (2,3) definierten Ausdehnung des Halbzeugs (1) liegt. |
| 22. | 8 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke D des Materials über 2 mm liegt. |
| 23. | 9 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Dicke d des Steges (4) 5 bis 50 % der Gesamtdicke D des Halbzeugs (1) beträgt. |
| 24. | 10 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilwinkel a einer Nut 10° bis 120° beträgt. |
| 25. | 11 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Keilprofil der jeweiligen Nut (2,3) aus unterschiedlichen Keilwinkeln besteht, wobei ein kleinerer, die Keilspitzen (22,32) bildender Keilwinkel al =30°60° und ein größerer, die Keilnutöffnung bildender Keilwinkel (X2 = 45°120° aufweist. |
| 26. | 12 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (21,31) der Nuten (2,3) strukturiert sind. |
| 27. | 13 Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (21, 31) der Nuten (2,3) bogenförmige oder gestufte Strukturen aufweisen. |
| 28. | 14 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem duktilen Material (1) um Kupferbasiswerkstoffe, Aluminiumbasiswerkstoffe, Eisenbasiswerkstoffe, Zinkbasiswerkstoffe oder Werkstoffverbunde handelt. |
| 29. | 15 Verwendung des durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 vereinzelten Halbzeugs für die Herstellung elektromechanischer Bauteile, insbesondere Starkstromleiter und Sicherungselemente in der Energieund Elektrotechnik, oder zur Herstellung von Teilen im Bauwesen, insbesondere von Bedachungen oder Abdeckungen von Fassaden, oder aus Band geformter und geschweißter Strukturelemente, insbesondere von Rohren. |
Duktile Materialien werden als Halbzeug in großen Mengen und großen Formaten gefertigt, namentlich metallische Werkstoffe. Bei der Weiterverarbeitung muss das Halbzeug durch Vereinzelung, der in Mehrfachbreite oder Mehrfachlänge hergestellten Vorformen, in die gewünschten Geometrien zerteilt werden. So werden zum Beispiel bandförmige Halbzeuge durch Längs-und Querteilen auf die für den jeweiligen Verwendungszweck erforderliche Breite und/oder Länge konfektioniert. In der Massenfertigung sind dafür größtenteils Schneidverfahren im Einsatz, die nach dem Rollschnittprinzip ausgelegt sind.
Dabei wird das zum so genannten Coil gewickelte Blechband in Längsteilanlagen in mehrere schmale Bänder oder Bandstreifen geteilt. Das Trennen erfolgt durch verlustfreies Schneiden mittels Kreismesserscheren.
Eine für das spanlose Längsteilen typische Kreismesserschere nach dem Roll- schnittprinzip besteht im Wesentlichen aus rotationssymmetrischen Messern, die in dem auf die Dicke des zu teilenden Materials angepassten Abstand auf einem oberen und unteren Messerbalken befestigt oder aber axial auf Messerwellen über und unter dem Band gespannt sind. Die Messer werden axial auf eine bestimmte Schneidluft und vertikal auf eine Eintauchtiefe der Werkzeuge zueinander eingestellt. Die Einstellungen sind durch die Beschaffenheit des Materials selbst, dessen Dicke und von der angestrebten Ausformung der Schnittkante bestimmt.
Die Bogenschneide eines Obermessers rollt beim Schneiden dann gegen die Schneide eines Untermessers ab. Ein Teil des Materials wird durch die zusammenwirkenden Messer geschert, die übrige Materialdicke bricht bis zur vollständigen Durchtrennung ab.
Für viele Materialien beträgt dieser Bruchanteil, abhängig von Dicke, Härte und Beschaffenheit, ca. 20-40 % der Banddicke. Die Bruchzone entwickelt naturgemäß eine stark aufgeraute Gewaltbruchoberfläche. Ihre Gestalt ist durch den weitgehend frei ablaufenden Prozess des Brechens bestimmt. Form und Maße der Bruchzone weichen daher deutlich von der durch die unmittelbare Einwirkung der Werkzeuge gebildeten Scherzone ab, wobei die Bruchzone an der ursprünglichen Oberfläche einen Schneidgrat ausbildet. Der Schneidgrat ist hochverfestigtes, scharfkantiges Material, das über die Konturen des ideal getrennten Materials hinausreicht. Gestalt und Größe des Grates werden wiederum durch Verfahrensparameter stark beeinflusst.
Grate sind in jeder Hinsicht unerwünscht. Sie bergen Verletzungsrisiken bei manueller Handhabung. In der Weiterverarbeitung können durch Grate vermehrt unerwünschter Abrieb und Flitter entstehen oder Schädigung an umgebendem Material durch die Schneidwirkung des Grates hervorgerufen werden. In der Anwendung birgt der immer an einer Außenkante des Materials liegende Grat grundsätzlich eine Schwachstelle. Hier beginnt oft die Rissbildung in dynamischen und statischen Belastungsfällen. Bei hohen Anforderungen an die Biegewechselfestigkeit, insbesondere bei schmalen Materialstreifen, bestehen besonders hohe Anforderungen an die Schnittqualität. Eine ungünstige Form der Bandkanten im Scherzonenbereich, die raue Bruchzone und der Schneidgrat beeinträchtigen die Biegewechselfestigkeit besonders stark. Große Anstrengungen werden daher auf die Minimierung der Gratbildung gerichtet, wobei die preiswerte Nachbearbeitung getrennter, grathaltiger Bänder von großem Interesse ist.
Die undefinierte Gestalt des Bruchanteils der Trennfläche ist ein weiterer Mangel der Rollenmessertechnik. Für verschiedene Anwendungen werden daher in Normenwerken statt der preiswerten, jedoch nicht gratfrei getrennten bandförmigen Halbzeuge, Geometrien mit aufwendig mechanisch nachgearbeiteten Schnittkantengeometrien verlangt.
Ein bereits verbessertes Trennverfahren, das die Nachteile der Rollenschnitt- technik überwindet ohne hohe Kosten oder geringere Produktivitäten zu verursachen, ist aus der Druckschrift DE 101 63 038 A1 bekannt. Bei diesem, insbesondere für dünne Bänder geeignetem Trennverfahren, wird ein Halbzeug aus duktilem Material auf gegenüberliegenden Seiten mit mindestens einem Paar keilförmiger, spanlos geformter Längsnuten in gegenseitig fluchtender Ausrichtung versehen, zwischen deren entstehenden Spitzen ein dünner Steg verbleibt, der sich mit geringem Kraftaufwand ohne spanende Verformung leicht abreißen lässt. Ein derart geteiltes Halbzeug zeichnet sich bereits durch weitgehend gratfrei getrennte Kanten, definierte Geometrie der Trennflächen und extrem verringerte Bruchflächenanteile aus. Aber nach wie vor bilden sich Bruchflächenanteile an Kanten, die nur bei entsprechend dünnen Bändern akzeptabel sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Trennverfahren für duktiles Material, insbesondere für größere Materialdicken, dahingehend zu verbessern, dass eine gratfreie Trennung erzielt wird.
Die Erfindung wird bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1, bezüglich des Halbzeugs zurAnwendung des Verfahrens nach Anspruch 6 und die Verwendung des Halbzeugs nach Anspruch 15 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche geben vorteilhafte Aus-und Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass beim Verfahren zur Vereinzelung von Halbzeug aus duktilem Material, das auf gegenüberliegenden Seiten mindestens ein Paar keilförmiger Nuten in gegenseitig fluchtender Ausrichtung oder einfache Nuten aufweist, wobei entlang der Nuten ein Steg aus Restmaterial verbleibt, dessen Dicke d im Vergleich zur Gesamtdicke D des Halbzeugs ausreichend gering ist, die Vereinzelung mit thermischen Trennverfahren und/oder mechanischen Strahitrennverfahren entlang des Steges gratfrei vorgenommen wird.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur streifenförmigen Trennung von Metallbändern sowie der Herstellung von Drähten und Profildrähten.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass für größere Materialdicken eine gratfreie Trennung des duktilen Materials erzielt werden sollte. Auch sollte die Trennfläche ohne weitere Bearbeitung so gestaltet werden können, dass eine den Standards entsprechende Geometrie der Kante ausgebildet wird.
Im Verfahren wird dazu die Vereinzelung mit thermischen Trennverfahren und/oder mechanischen Strahltrennverfahren nach einem ein-oder beidseitigen Längsprofilwalzen zur Erzeugung der keilförmigen Nutenpaare oder einfacher Nuten durchgeführt. Durch eine entsprechende Vermeidung eines Bruchanteils in diesem Verfahrensstadium wird jegliche Gratbildung verhindert. Nicht nur der fehlende Grat ist jedoch bei dem Trennverfahren von Bedeutung, sondern die sich einstellende Geometrie der gesamten Kante, die sich durch die vorgegebene Geometrie der Nut in Verbindung mit dem jeweiligen Trennverfahren einstellen lässt. Insbesondere lassen sich hierdurch ohne weitere Nachbearbeitung die in Standards verlangten Geometrien ausbilden.
Der durch die Nut vorgegebene Steg aus Restmaterial wird so gewählt, dass seine Dicke d jeweils auf das eingesetzte Trennverfahren abgestimmt ist. So kann der Steg gratfrei mit entsprechend größeren Schneidgeschwindigkeiten getrennt werden, als es die Dicke D des gesamten Halbzeuges mit denselben Anlagen der aufgeführten Strahitrennverfahren ermöglicht hätte.
Unter den zur Verfügung stehenden Trennverfahren eignen sich unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten und der technischen Eignung nur eine eingeschränkte Anzahl, welche die an eine Trennung von duktilem Material gestellten Erfordernisse erfüllen. Der verwendete Werkstoff, dessen Dicke und die Schneidgeschwindigkeit des Trennverfahrens sind letztendlich die bestimmenden Größen für die Wahl der Trenntechnik.
In bevorzugter Ausführungsform kann dazu als thermisches Trennverfahren das Laserstrahlschneiden, die Widerstandserwärmung oder die induktive Erwärmung eingesetzt werden.
Das Laserstrahlschneiden ist ein thermischer Schneidprozess, bei dem der Laserstrahl in einem ihn koaxial umströmenden Schneidgasstrahl geführt auf das Werkstück fokussiert wird. Das Material im Brennfleck wird durch die hohe Energiedichte des Strahls aufgeheizt und in eine Schnittfuge überführt, in der das Material mit Hilfe impulsübertragender Wirkung des Schneidgasstroms als Dampf bzw. Plasma oder als Schmelze ausgetrieben wird. Der Schneidprozess erfolgt ohne mechanischen Kontakt zwischen dem Werkstück und dem Schneidwerkzeug, wobei entweder das Werkstück oder der Laserschneidkopf bewegt wird.
Die Ausbildung der Schnittfuge ist vom Werkstoff, der örtlichen Erwärmung im Brennfleck und der Art und Zuführung des Schneidgases abhängig. Nach der Art des entstehenden Fugenmaterials werden drei Laserschneidarten unterschieden : Das Laserschmelzschneiden mit flüssigem, das Laserbrennschneiden mit oxidischem und das Lasersublimationsschneiden mit gasförmigem Fugenmaterial.
In der Praxis aber sind die Übergänge zwischen diesen drei reinen Laserschneidarten fließend und es tritt eine Vermischung der Schneidprozesse auf.
Beim Laserschmelzschneiden wird als Schneidgas ein inertes Gas verwendet, in der Regel Stickstoff, Argon oder Druckluft zum Ausblasen der flüssigen Schmelze.
Durch das Inertgas wird eine Oxidation der Schmelze verhindert und eine metallisch blanke Schnittkante erzielt. In der Praxis wird zur Verringerung der Riefenstruktur der Schnittkanten mit hohen Gasdrucken zwischen 8 bis 25 bar und höher gearbeitet. Beim Laserbrennschneiden wird Sauerstoff als Prozessgas verwendet, mit einem Schneiddruck von maximal 6 bar. Der Sauerstoff führt im Schnittspalt zu einer exothermen Reaktion, durch welche zusätzliche Wärme erzeugt wird, deren Energie ein Mehrfaches der Laserleistung erreichen kann. Dadurch können 6-8fach höhere Schnittgeschwindigkeiten als beim Laserschmelzschneiden erzielt werden.
Dafür aber sind die Schnittkanten oxidiert und weisen eine ausgeprägte Riefenstruktur auf, die eine Nachbearbeitung erforderlich machen können.
Die Laserleistung muss der Materialart und Materialdicke angepasst sein. Mit zunehmender Materialdicke muss die Schneidgeschwindigkeit reduziert werden.
Für größere Schneiddicken sind nicht nur höhere Laserleistungen, sondern auch längere Brennweiten erforderlich. Laserstrahlquellen höherer Leistung aber haben systembedingt eine schlechtere Strahlqualität und damit ungünstigere Fokussiereigenschaften. Bei gleichzeitigem Einsatz längerer Brennweiten wird der Brennfleck deutlich größer und mit größerem Brennfleck nimmt die Strahlintensität entsprechend ab.
Marktrelevanz für den Einsatz zum Schneiden haben heute drei Lasertypen : Der C02-Laser, der Festkörperlaser und, erst im Kommen, der Hochleistungsdioden- laser. Der C02-Laser zeichnet sich durch eine gute Strahlqualität und hohe Zuverlässigkeit aus. Er kommt heute vor allem beim Zuschneiden flacher Bleche aus Stahlwerkstoffen, aber auch von NE-Metallen, wie Kupfer-und Aluminiumwerk- stoffen, zum Einsatz. Für die Einkopplung des C02-Laserstrahls ist jedoch seine große Wellenlänge von 10,6 jj. m zu berücksichtigen. Mit deutlich kürzeren Wellen- längen arbeiten die Festkörperlaser, deren wichtigster Vertreter mit 1,06 lim Wellenlänge der Nd : YAG-Laser ist. Der Nd : YAG-Laser hat gegenüber dem C02- Laser vor allem drei Vorteile : Eine bessere Absorption in den meisten Metallen, die Möglichkeit der Strahlführung über flexible Glasfasern und, zumindest bei kleineren Leistungen, einen kleineren Fokus. Als recht junge Technologie sind Entwicklung und Anwendung der Hochleistungsdiodenlaser (HDL) noch in vollem Gange. Ein Wirkungsgrad bis zu 40 % macht sie wirtschaftlich sehr attraktiv. Als Vielstrahlemitter mit emittierter Strahlung im Bereich um 808 nm lässt sich sein Licht allerdings nur schwer fokussieren. Mehrere Konzepte zum Einsatz von Hoch- leistungsdiodenlasern in vollkommen neuartigen Strahlwerkzeugen zum Schweißen und Schneiden wurden schon entworfen, an ihrer Realisierung wird gearbeitet.
Dabei wird die prinzipielle Eigenschaft von HDL, nämlich Einzelstrahlen nahezu beliebig zu produkt-bzw. prozessangepassten Bestrahlungsmustern addieren zu können, konsequent ausgenutzt.
Für eine Widerstandserwärmung kann der elektrische Strom beispielsweise über Rollenelektroden zugeführt werden. Dies gewährleistet einen kontinuierlichen Trennvorgang.
Bei einer induktiven Erwärmung müssen die verwendeten Induktoren zur Erzeugung der Magnetfelder zur Induktion von Wirbelströmen im Band dieses nicht berühren. Dies ist ein idealer Ansatz zur kontinuierlichen Erwärmung der stetig vorwärtsbewegten Stegebenen. Weiterhin kann die Wärmegenerierung gezielt lokal als Abbild der Induktorengeometrie erfolgen. Und nicht zuletzt kann über die Frequenz die Wärmekonzentration auf die oberflächennahen Bandbereiche konzentriert werden.
Alternativ oder in Kombination mit den thermischen Trennverfahren kann vorteilhafterweise als mechanisches Strahitrennverfahren Wasserstrahlschneiden oder wassergeführtes Laserstrahlschneiden eingesetzt werden.
Das Wasserstrahischneiden mit einem Hochdruckwasserstrahl bis zu 4000 bar Druck ist die kalte Alternative zum Laserstrahlschneiden. Es kommt zum Einsatz, wenn materialabhängige Nachteile des thermischen Schneidens den Laser aus- schließen oder hohe Materialdicken vorliegen. Das Wasserstrahischneiden von Metallen erfolgt oft mit Abrasivzusatz. Dabei wird der Wasserstrahl durch eine Mischkammer und eine zweite-deutlich größere-Düse geführt, wobei er den speziellen Abrasivsand (gemahlene Halbedelsteine wie Granat oder Olivin) ansaugt. Aufgrund der Mischprozedur wird der Abrasiv-Wasserstrahl auf etwa 300 m/s abgebremst, durch den Schleifeffekt des mitgeführten Sandes wird jedoch seine Wirkung aufrechterhalten. Durch den Schleifeffekt stellt sich ein Schnittspalt von etwa 1 mm Breite ein.
Das wasserstrahigeführte Laserstrahischneiden ist ein Verfahren, das die Vorzüge des Laserstrahles und des Hochdruckwasserstrahles kombiniert und deren Nachteile ausschließt. Ein Laserstrahl wird unter Ausnutzen der Totalreflexion im Inneren eines Wasserstrahls auf das Werkstück geführt. Der sehr dünne Wasserstrahl im Druckbereich von 20 bis 500 bar mit Durchmesser ca. 0,1 mm wirkt wie ein Lichtleiter und kühlt außerdem die Schnittzone. Es können gepulste Festkörperlaser mit Leistungen von einigen Watt bis 1 kW eingekoppelt werden.
Nach einer bevorzugten Abwandlung der Erfindung werden die Trennverfahren lediglich zur thermischen und/oder mechanischen Destabilisierung des Steges eingesetzt und die Vereinzelung wird in Verbindung mit einem zeitgleichen mechanischen Aufreißen des Materials entlang des Steges durchgeführt. Das Aufreißen geschieht zu einem Zeitpunkt, an dem das Stegmaterial beispielsweise gerade so angeschmolzen vorliegt, dass sich die Trennkante bereits gerundet ausbildet und nicht deformiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform fokussieren im Falle des Wasserstrahischneidens und/oder des Laserstrahischneidens die auf den Steg ausgerichteten Flanken der längsgewalzten Vertiefungen den Wasserstrahl und/oder den Laserstrahl auf den Steg. Bei entsprechend steiler Anstellung der Vertiefungsränder relativ zur Stegebene wird ein maßgeblicher Anteil der Strahileistung in die Vertiefung rückreflektiert und mit der daraus resultierenden Mehrfachreflexion die Strahileistung erhöht, was eine höhere Schneidgeschwindig- keit ohne zusätzliche Energiezufuhr ermöglicht.
Das zu trennende Halbzeug wird durch eine plastische, nicht spangebende Umformung in der senkrecht zur späteren Trennlinie und gleichzeitig zur Oberfläche des Halbzeugs senkrecht stehenden Achse mit nutenartigen Vertiefungen mit bevorzugt U-und/oder V-förmigem Profilquerschnitt, nachfolgend als Nuten bezeichnet, versehen. Zwischen den Spitzen zweier einander genau gegenüber- liegenden Nuten verbleibt ein dünner Steg des zu trennenden Materials.
Vorteilhafterweise kann dies beidseitig und symmetrisch so ausgeführt sein, dass der Steg mittig in der durch das Nutenpaar definierten Ausdehnung des Halbzeugs liegt. Alternativ kann der Steg auch außermittig in der durch das Nutenpaar definierten Ausdehnung des Halbzeugs liegen.
In bevorzugter Ausführungsform beträgt die Dicke D des Materials über 0,5 mm, vorzugsweise über 2 mm. Völlig gratfrei getrennte Kanten mit einer definierten Geometrie der Trennflächen können auch noch bei Dicken von 8 bis 10 mm und darüber ohne weiteren Aufwand erzielt werden.
Vorteilhafterweise beträgt der Anteil der Dicke d des Steges 5 bis 50% der Gesamtdicke D des Halbzeugs. Der Prozentanteil richtet sich in erster Linie nach der absoluten Dicke D. Beispielsweise wird als Dicke des verbleibenden Steges bei bandförmigem Halbzeug oberhalb von 0,5 mm Dicke vorzugsweise 5 bis 20% der Materialdicke des zu trennenden Materials gewählt. Der durch die Verdrängung des Materials aus den Nuten bewirkte Materialfluss in Länge und Breite des Halbzeugs kann zu Veränderungen der Querschnittskontur des zu trennenden Halbzeugs führen. Dies kann zweckmäßigerweise durch die Nachschaltung einer gebundenen Kaltumformung der in ihrer Formgenauigkeit beeinträchtigten Flächen korrigiert werden. Das so vorbereitete Halbzeug mit noch zusammenhängenden Streifen mit gleicher oder ungleicher Streifenbreite wird durch das Trennen der Reststege entsprechend zerteilt.
Zur Herstellung der Nuten werden rotationssymmetrische Werkzeuge in maschinenbaulichen Anordnungen eingesetzt, wie sie von den herkömmlichen Kreismesserscheren bekannt sind. Die Profile der längs einzuwalzenden Nuten werden vorzugsweise durch entsprechende Spitzenprofile von Walzscheiben abgebildet. Für keilförmige Nuten werden beispielsweise Walzscheiben mit einem entsprechenden Keilprofil als Werkzeug eingesetzt, wobei vorteilhafterweise ein Keilwinkel a einer Nut im Bereich von 10° bis 120° liegt.
Zu den Nuten mit einfacher keilförmiger Geometrie ist des Weiteren von besonderem Interesse, vorteilhafterweise das Keilprofil der jeweiligen Nut aus unterschiedlichen Keilwinkeln herzustellen, wobei ein kleinerer, die Keilspitzen bildender Keilwinkel al = 30°-60° und ein größerer, die Keilnutöffnung bildender Keilwinkel a2 = 45°-120° aufweisen kann. Abhängig von der beabsichtigten Kantengeometrie kann der Schnittpunkt beider Keilwinkelschenkel mit Bezug auf die Oberflächen zwischen einem Zehntel und einem Drittel der Materialdicke liegen.
Der axiale und vertikale Versatz der Scheibenkeilspitzen ist dabei minimal zu halten, so dass die engsten, für die herkömmlichen Werkzeuge des Präzisions- schneidens realisierbaren Toleranzvorgaben anzuwenden sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Flanken der Nuten strukturiert sein. Vorteilhafterweise weisen die Flanken der Nuten bogenförmige Strukturen, gestufte Strukturen oder dergleichen auf. Derartige Ausgestaltungen der Oberfläche der Nuten liefern einen zusätzlichen Beitrag im Falle des Wasserstrahlschneidens und/oder des Laserstrahlschneidens, um den Wasserstrahl und/oder den Laserstrahl auf den Steg zu fokussieren.
Bevorzugterweise handelt es sich bei dem duktilen Material um Kupferbasiswerkstoffe, Aluminiumbasiswerkstoffe, Eisenbasiswerkstoffe, Zinkbasiswerkstoffe oder Werkstoffverbunde.
Vorteilhafterweise wird das vereinzelte Halbzeug zur Herstellung elektromechanischer Bauteile, insbesondere Starkstromleiter und Sicherungselemente in der Energie-und Elektrotechnik, oder zur Herstellung von Teilen im Bauwesen, insbesondere von Bedachungen oder Abdeckungen von Fassaden, oder aus Band geformter und geschweißter Strukturelemente unterschiedlichster Querschnittsformen und Anwendungen, insbesondere von Rohren verwendet. Hierzu zählt auch das Längsteilen großer Bandbreiten in schmalere Nutzbreiten in der Fertigung von Halbzeugen sowie das Querteilen langer Bänder, Bleche und Streifen, beispielsweise Tailored Blanks mit hohen Anforderungen an die Schnittqualität und Kantengeometrie. Im Anlagenbau können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Konstruktions-und Plattenelemente zugeschnitten werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die charakteristischen, die Qualität einschränkenden Riefen und die Bartbildung durch das ein-oder beidseitige Längsprofilwalzen mit nachfolgendem Trennen der Reststegfläche durch die genannten Trennverfahren deutlich verringert werden. Es bilden sich Außenkanten ohne jeglichen Grat-und Bruchflächenanteil.
Die gratfreien und mit einer definierten Geometrie versehenen Trennflächen zeigen gegenüber herkömmlichen Trenntechniken eine verbesserte Beständigkeit bei statischer und dynamischer Belastung, besonders für Biegewechselbelastungen.
Von besonderem Vorteil ist auch, dass die Strahleinkopplung nicht in eine glatte Oberfläche erfolgt, sondern in die Spitze einer Keilnut, wobei durch eine lasergerechte Gestaltung des Nutenprofils ein nicht unwesentlicher Anteil der reflektierten Laserstrahlung von den Nutflanken wieder in die Schnittfuge rückreflektiert wird und damit den Leistungseintrag deutlich erhöht. Diese zusätzliche in Wärmeenergie umgesetzte Laserstrahlleistung ermöglicht eine höhere Schneidgeschwindigkeit und damit auch größere Wirtschaftlichkeit des Schneidens großer Materialdicken.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen : Fig. 1 ein bandförmiges Halbzeug mit erfindungsgemäßen Längsnuten, Fig. 2 eine Bandoberseite beim Trennen der Halbzeugabschnitte, Fig. 3 das Abtrennen von Halbzeugabschnitten vom Band unterstützt durch eine Spreizscheibe, Fig. 4 a ; b das Abtrennen von Halbzeugabschnitten vom Band unterstützt durch Drückrollen in der Seitenansicht (a) und Draufsicht (b).
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Das bandförmige Halbzeug 1 der Dicke D gemäß Fig. 1 weist zwei Paare keilför- miger Längsnuten 2,3 auf. Die Nuten 2,3 werden durch keilförmig verlaufende Seitenflächen 21,31 gebildet, die in Keilspitzen 22,32 münden und durch die der Keilwinkel a definiert ist. Zwischen den-vorzugsweise mit geringem Versatz- angeordneten Keilspitzen 22,32 erstreckt sich ein dünner Steg 4 der Dicke d.
Die Nuten 2,3 werden mittels einer oberen und unteren Kerbscheibe eingewalzt.
Der zwischen den Nuten 2,3 liegende Werkstoff wurde durch den beidseitigen Prägevorgang verfestigt. Die durch den Steg 4 verbleibende Restdicke des Halbzeugmaterials 1 ist so dünn gewählt, dass der Steg 4 sich mit einem Strahl- trennverfahren mit wirtschaftlich hoher Schneidgeschwindigkeit trennen lässt. In der bevorzugten Ausführung erfolgen das Längsprofilwalzen der ein-oder beidseitigen V-Nut 2,3 und das Trennen des Steges 4 in einer Fertigungslinie, also mit derselben Geschwindigkeit.
Fig. 2 zeigt eine Bandoberseite beim Trennen der Halbzeugabschnitte. Am Auftreffpunkt 5 eines Laserstrahls auf den Steg 4 in der Nut 2 wird am Brennfleck das Material stark aufgeheizt und gratfrei getrennt. Das Stegmaterial wird mit Hilfe des Schneidgasstroms als Dampf bzw. Plasma oder Schmelze abtransportiert. Die Seitenwände 21 der Nut schließen den Keilwinkel a ein und weisen im Beispiel im einfachsten Fall eine glatte Oberfläche auf.
Fig. 3 zeigt Abtrennen von Halbzeugabschnitten vom Band 1 mittels der Widerstandserwärmung als thermisches Trennverfahren. Der Trennvorgang wird unterstützt durch eine auf der oberen und/oder unteren Bandoberfläche der Rollenelektrode 6 nachgeordnete Spreizscheibe 7 (die Figur zeigt nur die obere Spreizscheibe und Rollenelektrode) mit einer auf das Nutprofil abgestimmten Scheibenspitzengeometrie. Die Eintauchtiefe der Spreizscheibe ist etwas kleiner als die halbe Banddicke und geht etwas über die Nuttiefe hinaus. Der durch eine Widerstandserwärmung über Rollenelektroden 6 lokal erhitzte Steg 4 der Dicke d wird durch die quer zum Steg 4 wirkenden Spreizkräfte beim lokalen Erstarren destabilisiert. Es erfolgt ein An-oder Abriss der Stegfläche mit einer interkristallinen feinkörnigen Sprödbruchfläche, die sich mit Fertigungsgeschwindigkeit fortbewegt.
Eine weitere Variante für das Abtrennen von Halbzeugabschnitten 1 vom Band mittels Widerstandserwärmung wird gemäß Fig. 4 a und b durch Drückrollen unterstützt. Das vertikal mit oder ohne Achsenversatz angeordnete Drückrollenpaar 8 ist quer zur Trennlinie derart versetzt angeordnet, dass zwischen ihnen nur ein Spalt mit einer Breite kleiner oder gleich der Nutbreite verbleibt. Horizontal sind die Rollen 8 derart angeordnet, dass eine Rolle 8 entweder nur auf die Unterseite des einen Halbzeugabschnittes oder die Oberseite des anderen Halbzeugabschnittes oder umgekehrt einwirken kann. Durch einen vertikalen Höhen-oder Tiefenversatz der Abrollebenen von Rollenelektrode 6 und Drückrollen 8 werden auf die zu trennende Stegebene überwiegend vertikal wirkende Zugkräfte ausgeübt.
Wiederum wird durch Widerstandserwärmung über die Rollenelektrode 6 lokal erhitzt und ein Bruch des Steges 4 eingeleitet.
Zahlenbeispiel : Ein Band der Dicke D = 4,0 mm aus weichgeglühtem SE-Cu 58 wurde durch gegenseitig fluchtende und jeweils 1,6 mm in das Band eintauchende keilförmige Kreismesserspitzen in B = 50 mm breite Streifenabschnitte geteilt. Die Breite der auf einer oberen und auf einer unteren Arbeitswelle axial mit dazwischen angeordneten Distanzscheiben fest verspannten Kreismesserscheiben war dabei 10,0 mm, die Breite der Distanzscheiben 40 mm. Der Keilwinkel des Nutenprofils betrug a = 30°. Nach dem Verspannen von jeweils 8 Kreismessern auf den (beiden) Arbeitswellen wurden diese im Gerüst auf Flucht und Rundlauf der Messerspitzen abgeglichen. Durch diesen Abgleichvorgang erfolgte ein leichtes Verrunden der keilförmigen Spitzen 2a/3a auf einen Scheibenspitzenradius unter 15 um.
Mit dem derart abgerichteten (Keil-) Kreismessersystem und mit Aufbringung eines auf den Bandstreifenquerschnitt ausgerichteten Bremszuges wurden symmetrisch längs gekerbte Bandstreifen erzeugt. Die Stegdicke d betrug d = 0,7 bis 0,9 mm, im Mittel also 0,8 mm entsprechend 20 % der Banddicke D. Anschließend erfolgte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vereinzelung mit gratfreien Kanten der zerteilten Bandstreifen.
Bezugszeichenliste 1 bandförmiges Halbzeug 2 Längsnut auf Oberseite 3 Längsnut auf Unterseite 21,31 Seitenflächen 22,32 Keilspitzen 4 Steg 5 Auftreffpunkt des Laser-bzw. Wasserstrahls 6 Rollenelektrode 7 Spreizscheibe 8 Drückrollen D Halbzeugdicke d Stegdicke a Keilwinkel L Laufrichtung
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