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AT392981B - Method of hardening the cutting edges of knives - Google Patents

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AT392981B AT245189A AT245189A AT392981B AT 392981 B AT392981 B AT 392981B AT 245189 A AT245189 A AT 245189A AT 245189 A AT245189 A AT 245189A AT 392981 B AT392981 B AT 392981B
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Abstract

Method of hardening the cutting edges of knives and stamping tools, primarily for the working of wood, paper, cardboard, plastics, leather and textiles, by means of an energy beam which is conducted over the regions of the tool to be hardened. Optimum hardening is achieved by using a plasma jet as energy beam, where the plasma jet 2 is conducted over the cutting edge of the tool at a relative velocity v of from 5 to 100 mm/sec and the distance of the exit nozzle of the plasma burner 1 from the cutting edge is from 2 to 14 mm and, furthermore, the power of the plasma jet is from 1 to 10 kW and the diameter d at the exit nozzle of the plasma burner 1 is from 3 to 7 mm. <IMAGE>

Description

AT 392 981 BAT 392 981 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten der Schneidkanten von Messern oder Stanzwerkzeugen für die Holz-, Papier-, Kartonagen-, Kunststoff-, Leder- oder Textilienbearbeitung mittels eines Energiestrahles, der über die zu härtenden Bereiche dieser Werkzeuge geführt wird, wobei als Energiestrahl ein Plasmastrahl verwendet wird.The invention relates to a method for hardening the cutting edges of knives or punching tools for wood, paper, cardboard, plastic, leather or textile processing by means of an energy beam which is guided over the areas of these tools to be hardened, an energy beam being used Plasma beam is used.

Messer oder Stanzwerkzeuge für den genannten Einsatzbereich verschleißen an den Schneidkanten. Die Standzeit dieser Werkzeuge hängt ab von der Qualität der Schneide (verwendetes Material, Härteverfahren), vom Schneidgut und von der Schnittleistung. Nach dem Ende der Standzeit werden diese Werkzeuge entweder nachgeschliffen oder verschrottet. Viele Messer- und Stanzwerkzeugtypen bestehen aus Kohlenstoffstahl, der durch Erwärmung und anschließender schneller Abkühlung leicht gehärtet werden kann. Da eine solche Härtung jedoch stets mit der Abnahme der Zähigkeit verbunden ist, ist eine große Härte lediglich im Bereich der Schneidkanten erwünscht. Die übrigen Teile eines Messers oder eines Stanzwerkzeuges sollen eine geringere Härte, dafür jedoch eine größere Zähigkeit aufweisen.Knives or punching tools for the specified area of wear wear on the cutting edges. The service life of these tools depends on the quality of the cutting edge (material used, hardening process), the material to be cut and the cutting performance. After the end of the service life, these tools are either reground or scrapped. Many types of knives and punching tools are made of carbon steel, which can be easily hardened by heating and subsequent rapid cooling. However, since such hardening is always associated with a decrease in toughness, great hardness is only desired in the area of the cutting edges. The remaining parts of a knife or a punching tool should have a lower hardness but a higher toughness.

Bekannte Verfahren zur partiellen Härtung der Schneidkanten verwenden Elektronen- oder Laserstrahlen als Energiequelle. Nachteilig bei der Härtung mit Elektronenstrahlen oder Laserstrahlen sind die aufwendigen Vorrichtungen die zur Durchführung solcher Verfahren benötigt werden. Aus diesem Grund haben sich solche Verfahren in da Praxis bisher kaum durchgesetzt.Known methods for partially hardening the cutting edges use electron or laser beams as the energy source. A disadvantage of curing with electron beams or laser beams is the complex devices that are required to carry out such processes. For this reason, such procedures have so far hardly become established in practice.

Ein weiters bekanntes Härtungsverfahren ist die Induktive Härtung. Nach dem Schleifen der Schneidkante wird der Schneidenbereich durch einen Wirbelstrom, erzeugt durch ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, erhitzt und durch rasche Abkühlung gehärtetAnother well-known hardening process is inductive hardening. After grinding the cutting edge, the cutting area is heated by an eddy current, generated by a high-frequency alternating magnetic field, and hardened by rapid cooling

Weiters ist es aus der WO 83/00051 bekannt, eine oberflächige Härtung flächiger Bereiche mittels eines Plasmastrahles durchzuführen. Eine Härtung von Schneidkanten mittels Plasmastrahlen wurde bisher noch nicht in Betracht gezogen, da solche Plasmastiahlen eine zu geringe Stabilität aufweisen.Furthermore, it is known from WO 83/00051 to carry out a surface hardening of flat areas by means of a plasma jet. A hardening of cutting edges by means of plasma jets has not been considered so far, since such plasma jets have insufficient stability.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Härten der Schneidkanten von Messern und Stanzweikzeugen anzugeben, bei dem ein einfach herzustellender und kostengünstig zu betreibender Energiestrahl verwendet wird.The object of the present invention is to provide a method for hardening the cutting edges of knives and punching tools, in which an energy beam which is simple to produce and inexpensive to use is used.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß der Plasmastrahl mit einer Relativgeschwindigkeit in Bezug auf das Werkzeug von 10 bis 100 mm/sek geführt wird und wobei der Abstand da Austrittsdüse des Plasmabrenners von der Schneidkante im Bereich zwischen 2 und 14 mm liegt und wobei weiters die Leistung des Plasmastrahles zwischen 1 und 10 kW liegt, sowie der Durchmesser bei da Austrittsdüse des Plasmabrenners zwischen 3 und 7 mm liegt Überraschenderweise wurde festgestellt, daß es bei genau abgestimmter Konstellation von Parametern durchaus möglich ist einen Plasmastrahl zum Härten der Schneidkanten dieser Wakzeuge einzusetzen, wobei es weiters nur bei diesen Parametern möglich ist die Härtung durch Selbstabschreckung, also ohne zusätzliche Abkühlung, etwa durch Luft oder Wasser, zu erreichen.According to the invention it is therefore provided that the plasma jet is guided at a relative speed with respect to the tool of 10 to 100 mm / sec and the distance as the outlet nozzle of the plasma torch from the cutting edge is in the range between 2 and 14 mm and the power of the Plasma jet is between 1 and 10 kW, and the diameter at the outlet nozzle of the plasma torch is between 3 and 7 mm. Surprisingly, it was found that it is quite possible to use a plasma jet to harden the cutting edges of these tools with a precisely coordinated constellation of parameters Hardening by self-quenching, i.e. without additional cooling, for example by air or water, is only possible with these parameters.

In einer früheren österreichischen Patentanmeldung wurde ein ähnliches Verfahren für die Härtung von Sägen beschrieben. Die durchgeführten Versuche zeigten, daß mit Hilfe der Plasmahärtung und bei Einhaltung obiger Parameter auch bei Messern oder Stanzwerkzeugen eine wesentliche Verlängerung da Standzeit erzielbar istIn a previous Austrian patent application, a similar process for hardening saws was described. The tests carried out showed that with the help of plasma hardening and if the above parameters are observed, knives or punching tools can also be significantly extended since tool life can be achieved

Mit der Vorschubgeschwindigkeit (v) wird die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit auf optimale Werte an unterschiedliche Materialdicken und Schneidenwinkel angepaßt Bei dünneren Blattstärken, insbesondere unter 3 mm, bzw. bei kleineren Schneidenwinkeln, insbesondere unter 25°, ist die Vorschubgeschwindigkeit höha zu wählen, da sonst die Kühlrate infolge da beschränkten Wärmeableitung in das Grundmaterial für eine ausreichend hohe Härtung zu klein ist Bei größaen Blattstärken bzw. Schneidenwinkeln kann die Vorschubgeschwindigkeit zur Erzielung größerer Härtezonen kleiner gewählt waden.The feed rate (v) is used to adapt the heating and cooling rate to optimum values for different material thicknesses and cutting angles. For thinner sheet thicknesses, especially less than 3 mm, or for smaller cutting angles, especially less than 25 °, the feed rate should be selected higher, otherwise the cooling rate as a result of the limited heat dissipation into the base material is too low for sufficiently high hardening. With large sheet thicknesses or cutting angles, the feed rate can be chosen to be smaller in order to achieve larger hardening zones.

Plasmastrahlen werden durch Ionisation von Argon oder Stickstoff bzw. Mischgasen hergestellt Die Ionisation erfolgt durch eine elektrische Bogenentladung oder durch Anregung mit einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld. Durch geeignete Formgebung der Elektroden bzw. da Düsen wird ein Strahl erzielt in dessen Achse Temperaturen bis 15.000 °C erreicht werden.Plasma rays are produced by ionization of argon or nitrogen or mixed gases. Ionization is carried out by an electric arc discharge or by excitation with a high-frequency electromagnetic field. By suitable shaping of the electrodes or since nozzles, a jet is achieved in the axis of which temperatures of up to 15,000 ° C.

Wird ein solcha Plasmastrahl mit den erfindungsgemäßen Parametern üba die geschliffene Schneidkannte eines Messers oder eines Stanzwerkzeuges geführt, so erhitzt sich ein lokaler Bereich der Schneidkante mit Erwärmungsraten bis 5000 K/sek. Nach der Beendigung der Energiezufuhr kühlt die Schneidkante durch Selbstabschreckung, d. h. durch Wärmeabfuhr in das Grundmaterial des Werkzeuges mit Abkühlgeschwindigkeiten bis 1000 K/sek ab. Dabei entsteht ein feinkörniges Martensitgefüge mit Härten bis 1000 HV (Vickers-Härte).If such a plasma jet with the parameters according to the invention is guided over the ground cutting edge of a knife or a punching tool, then a local area of the cutting edge heats up with heating rates of up to 5000 K / sec. Upon completion of the energy supply, the cutting edge cools by self-quenching, i.e. H. by dissipating heat into the base material of the tool at cooling rates of up to 1000 K / sec. This creates a fine-grained martensite structure with hardnesses up to 1000 HV (Vickers hardness).

Kritisch ist jedoch bei solchen Verfahren, daß die Schneidkante während der Wärmebehandlung nicht aufschmelzen darf. Trotzdem muß eine ausreichend hohe Erwärmung im Bereich der Schneidkante gegeben sein, um die gewünschte Aushärtung sicherzustellen. Dies wird nur bei den oben angegebenen Parameterkonstellationen erreichtWhat is critical in such processes, however, is that the cutting edge must not melt during the heat treatment. Nevertheless, there must be sufficient heating in the area of the cutting edge to ensure the desired hardening. This is only achieved with the parameter constellations specified above

Besonders günstige Bedingungen für die Härtung ageben sich bei folgenden Werten:The following values are particularly favorable conditions for hardening:

Leistung des Plasmastrahles: 1 bis 5 kWPower of the plasma beam: 1 to 5 kW

Durchmesser des Strahles bei der Austrittsdüse des Plasmabrenners: 4 bis 5,5 mm -2-Diameter of the jet at the nozzle of the plasma torch: 4 to 5.5 mm -2-

AT 392 981BAT 392 981B

Abstand dar Austrittsdüse des Plasmabrenners von der Schneidkante: 3 bis 9 mmDistance from the nozzle of the plasma torch to the cutting edge: 3 to 9 mm

Relativgeschwindigkeit des Plasmastrahles bezüglich der Schneidkante: IS bis SO mm/sek S Vorzugsweise wird das Messer oder das Stanzwerkzeug durch mechanische Bewegung entlang der Schneidkante durch den Plasmastrahl geführt, wobei die Achse des Plasmastrahles mit der Symmetrieachse der Schneidkante zusammenfällt. Auf diese Weise wird eine möglichst gleichmäßige Wärmeeinwirkung über Flanken der Schneidkante erzieltRelative speed of the plasma jet with respect to the cutting edge: IS to SO mm / sec S Preferably, the knife or the punching tool is guided through the plasma jet by mechanical movement along the cutting edge, the axis of the plasma jet coinciding with the axis of symmetry of the cutting edge. In this way, the most uniform possible heat is achieved over the flanks of the cutting edge

Weiters ist es möglich, daß die Achse des Plasmastrahles einen bestimmten Winkel (z. B. 90°, 135° oder die 10 Hälfte des Schneidenwinkels) zur Symmetrieachse der Schneidkante einnimmt. Man kann so eine zur Symmetrieachse unsymmetrische Verteilung der Härtezone und damit eine Anpassung an spezielle Verschleißsituationen erreichen. Insbesondere bei Messerblättem mit einer Dicke über 5 mm ist damit eine gute Anpassung der Härtezone an verschiedene Schneidengeometrien möglich.Furthermore, it is possible for the axis of the plasma jet to assume a certain angle (for example 90 °, 135 ° or 10 half the cutting angle) with respect to the axis of symmetry of the cutting edge. In this way, a distribution of the hardness zone that is asymmetrical with respect to the axis of symmetry can be achieved and thus an adaptation to special wear situations. Particularly with knife blades with a thickness of more than 5 mm, a good adaptation of the hardness zone to different cutting edge geometries is possible.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figur näher erläutert: 15 Die Fig. zeigt schematisch die prinzipielle Anordnung der Plasmaanlage.The invention is explained in more detail below with the aid of the attached figure: FIG. 15 schematically shows the basic arrangement of the plasma system.

Der Plasmabrenner (1) erzeugt aus dem zugeführten Gas mit Hilfe einer elektrischen Bogenentladung einen Plasmastrahl (2), der an der Austrittsdüse des Plasmabrenners (1) austritt. Der Abstand zwischen der Austrittsdüse und der Schneidkante ist (a). Der Plasmastrahl wird unter einem Winkel (a) auf die Schneidkante (3) des Messers gerichtet und mit der Geschwindigkeit (v) entlang dieser Kante bewegt, wobei diese Kante 20 erhitzt wird. Nach Beendigung der Energieeinwirkung kühlt der erhitzte Bereich durch Selbstabschreckung rasch ab und härtet.The plasma torch (1) uses an electrical arc discharge to generate a plasma jet (2) from the gas supplied, which emerges at the outlet nozzle of the plasma torch (1). The distance between the exit nozzle and the cutting edge is (a). The plasma jet is directed onto the cutting edge (3) of the knife at an angle (a) and is moved along this edge at the speed (v), this edge 20 being heated. After the end of the energy exposure, the heated area cools down quickly and hardens by self-quenching.

Die folgenden Ausführungsbeispiele sollen den Einsatz des Verfahrens näher erläutern:The following exemplary embodiments are intended to explain the use of the method in more detail:

Beispiel 1: Härtung eines Stanzmessers für Leder und Textilien: 25Example 1: Hardening of a punching knife for leather and textiles: 25

Material Bandstahl CK60 (Weikstoff-Nr. 1.1221)Material steel strip CK60 (plastic no.1.1221)

Dicke: 2 mm Härte in unbehandeltem Zustand: 300 HV (Vickers) 30 Plasmaleistung (kW) 1 2 4 Strahldurchmesser (d in mm) 4 4 4 Abstand (a in mm) Winkel zwischen Plasmaachse und 4 6 8 Achse der Schneidkante (Grad) 0 0 0 35 Vorschubgeschwindigkeit (v in mm/sek) 25 35 50 Gasdurchfluß (1/min) 5 5 5 maximale Härte (HV) 860 890 940 40 Beispiel 2: Härtung eines Hobelmessers für die HolzbearbeitungThickness: 2 mm hardness in untreated condition: 300 HV (Vickers) 30 plasma power (kW) 1 2 4 beam diameter (d in mm) 4 4 4 distance (a in mm) angle between plasma axis and 4 6 8 axis of the cutting edge (degrees) 0 0 0 35 Feed speed (v in mm / sec) 25 35 50 Gas flow (1 / min) 5 5 5 Maximum hardness (HV) 860 890 940 40 Example 2: Hardening a planing knife for woodworking

Material: 80 CrV 2 (Werkstoff-Nr. 1.2235)Material: 80 CrV 2 (material no.1.2235)

Dicke: 8 mm Härte in unbehandeltem Zustand: 280 HV (Vickers) 45Thickness: 8 mm. Untreated hardness: 280 HV (Vickers) 45

Plasmaleistung (kW) 2 3 5 Strahldurchmesser (d in mm) 4 4 4 Abstand (a in mm) Winkel zwischen Plasmaachse und 4 6 8 Achse der Scheidkante (Grad) 60 90 120 Vorschubgeschwindigkeit (v in mm/sek) 20 30 40 Gasdurchfluß (1/min) 5 5 6 maximale Härte (HV) 840 880 905 55 -3 60Plasma power (kW) 2 3 5 Beam diameter (d in mm) 4 4 4 Distance (a in mm) Angle between plasma axis and 4 6 8 axis of the cutting edge (degrees) 60 90 120 Feed rate (v in mm / sec) 20 30 40 Gas flow (1 / min) 5 5 6 maximum hardness (HV) 840 880 905 55 -3 60

Claims (9)

AT 392 981 B PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Härten der Schneidkanten von Messern und Stanzwerkzeugen, vornehmlich für die Bearbeitung von Holz, Papier, Karton, Kunststoffen, Leder und Textilien, mittels eines Energiestrahles, der über die zu härtenden Bereiche des Werkzeuges geführt wird, wobei als Energiestrahl ein Plasmastrahl verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl (2) mit einer Relativgeschwindigkeit (v) in Bezug auf die Schneidkante des Werkzeuges von 5 bis 100 mm/sek geführt wird und wobei der Abstand der Austrittsdüse des Plasmabrenners (1) von der Schneidkante 2 bis 14 mm beträgt und wobei weiters die Leistung des Plasmastrahles zwischen 1 und 10 kW liegt sowie der Durchmesser (d) bei der Austrittsdüse des Plasmabrenners (1) 3 bis 7 mm beträgtAT 392 981 B PATENT CLAIMS 1. Process for hardening the cutting edges of knives and punching tools, primarily for processing wood, paper, cardboard, plastics, leather and textiles, by means of an energy beam, which is guided over the areas of the tool to be hardened, whereby a plasma jet is used as the energy jet, characterized in that the plasma jet (2) is guided at a relative speed (v) with respect to the cutting edge of the tool of 5 to 100 mm / sec and the distance of the outlet nozzle of the plasma torch (1) from the cutting edge is 2 to 14 mm and furthermore the power of the plasma jet is between 1 and 10 kW and the diameter (d) at the outlet nozzle of the plasma torch (1) is 3 to 7 mm 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Plasmastrahles zwischen 1 und 5 kW liegt2. The method according to claim 1, characterized in that the power of the plasma beam is between 1 and 5 kW 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Plasmastrahles (2) bei der Austrittsdüse des Plasmabrenners zwischen 4 und 5,5 mm liegt3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the diameter of the plasma jet (2) at the outlet nozzle of the plasma torch is between 4 and 5.5 mm 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) der Austrittsdüse des Plasmabrenners (1) von der Schneidkante 3 bis 9 mm beträgt4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the distance (a) from the outlet nozzle of the plasma torch (1) from the cutting edge is 3 to 9 mm 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativgeschwindigkeit (v) des Plasmastrahles (2) bezüglich der Schneidkante 15 bis 50 mm/sek beträgt5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the relative speed (v) of the plasma jet (2) with respect to the cutting edge is 15 to 50 mm / sec 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Plasmastrahles mit der Symmetrieachse der Schneidkante zusammenfällt6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the axis of the plasma beam coincides with the axis of symmetry of the cutting edge 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Plasmastrahles mit der Symmetrieachse der Schneidkante einen Winkel (a) einschließt, der etwa dem halben Schneidenwinkel (ß) entspricht7. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the axis of the plasma beam includes an angle (a) with the axis of symmetry of the cutting edge, which corresponds approximately to half the cutting edge angle (ß) 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Plasmastrahles mit der Symmetrieachse der Schneidkante einen Winkel (a) von 90° +/- 5° einsetdießt8. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the axis of the plasma jet with the axis of symmetry of the cutting edge at an angle (a) of 90 ° +/- 5 ° 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Plasmastrahles mit der Symmetrieachse der Schneidkante einen Winkel (a) von 135° +/- 5° einschließt Hiezu 1 Blatt Zeichnung -4-9. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the axis of the plasma beam with the axis of symmetry of the cutting edge encloses an angle (a) of 135 ° +/- 5 ° to this 1 sheet drawing -4-
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