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Die
Erfindung betrifft eine Walze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Druckmaschinen
und Konvertermaschinen zum Transport und zur Weiterverarbeitung
von bahnförmigem
oder bogenförmigem
Material weisen je nach technischer Ausführung eine Reihe unterschiedlicher
Walzen auf, wie beispielsweise Druckwalzen, Farbwalzen, Gegendruckwalzen
oder Umlenkwalzen.
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Entsprechend
der jeweiligen Funktion der dabei zum Einsatz kommenden Walze variieren
beispielsweise die Durchmesser solcher Walzen von wenigen Zentimetern
Durchmesser, beispielsweise bei Umlenkwalzen bis zu etwa 500 mm
Durchmesser, oder mehr bei Druckwalzen oder Einfärbewalzen oder Gegendruckwalzen.
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Während reine
Umlenkwalzen mit geringem Durchmesser meist aus einem gedrehten
und/oder geschliffenem Metallrohr, beispielsweise einem Aluminiumrohr
oder aus einem Vollmaterial beispielsweise aus Aluminium bestehen,
werden Walzen mit größerem Durchmesser
wie Druckwalzen in der Regel aus Stahl hergestellt und bestehen
meist aus einem Hohlzylinder, an dessen Enden entsprechende Wellenstücke mit Lagerzapfen
angeflanscht sind.
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Der
Grund hierfür
ist zum Einen eine Gewichtsersparnis im Vergleich zu einem Vollzylinder
und zum anderen werden diese Zylinder häufig temperiert betrieben,
indem eine Kühlflüssigkeit
durch das Innere der Zylinder geleitet wird.
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Aufgrund
der für
den Produktionsprozess erforderlichen mechanischen Genauigkeiten
hinsichtlich Rundlauf, Durchbiegung, Unwucht etc. kann hierbei eine
bestimmte Mindestdicke der Zylinderwand nicht unterschritten werden,
so dass die Walzen trotz ihres hohlen Aufbaus ein erhebliches Gewicht
von teilweise mehreren hundert Kilogramm aufweisen.
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Darüber hinaus
ist aufgrund des Aufbaus dieser Walzen die Massenverteilung nahezu
ausschließlich im
Mantelbereich der Walze gegeben, was beim Betrieb der Walzen zu
einem erheblichen Drehmoment und Trägheitsmoment der Walze führt, so
dass zum Einen die Antriebe für
die Walzen entsprechend stark ausgelegt sein müssen und zum Anderen das dynamische
Verhalten solcher Walzen bei einer Laständerung und/oder Geschwindigkeitsänderung
unbefriedigend ist.
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Darüber hinaus
weisen Walzen, insbesondere Druckwalzen und Farbwalzen insbesondere
von Bogendruckmaschinen in Ausnehmungen der Mantelfläche Vorrichtungen
zum Festhalten und/oder Spannen von Bögen, Drucktüchern oder Klischees auf, wodurch
zumindest die Wandstärke
der Walze in diesem Bereich insgesamt verstärkt sein muss, um die genannten
Vorrichtungen in einer Art aufzunehmen, dass diese nicht oder nur
in bestimmten Drehwinkelbereichen der Walze über die Mantelfläche der
Walze hinausragen können, wofür die genannten
Vorrichtungen über
eine entsprechende Steuerung angetrieben sind.
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Solche
Vorrichtungen können
beispielsweise auch Greiferelemente darstellen, z. B. an einer Übergabetrommel,
wodurch die zu bedruckenden oder bereits bedruckte Bögen in einer
Bogendruckmaschine von einem Druckwerk zu einer nachfolgenden Bearbeitungsstation
transportiert werden. Hierzu sind beispielsweise in einer Ausnehmung
der Mantelfläche
parallel zur Drehachse der Walze eine Anzahl Greiferelemente beweglich
angeordnet, welche beispielsweise innerhalb eines bestimmten Drehwinkelbereiches
der Walze aus ihrer Ausnehmung, beispielsweise über eine Kurvenscheibe gesteuert,
herausbewegt werden, so dass eine Bogenvorderkante mittels der Greiferelemente
erfasst werden kann und beispielsweise der Bogen hierdurch aus einem
vorangehenden Druckwerk oder einer Zuführeinheit entnommen werden
und einem nachfolgenden Druckwerk zugeführt werden kann.
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Zur
Aufnahme und zur mechanischen Steuerung solcher beweglich gelagerten
Elemente muss die Wandung der Walze zumindest in diesem Bereich
verstärkt
sein, insbesondere um die erforderlichen Genauigkeiten beispielsweise
Positioniergenauigkeiten einhalten zu können. Werden solche Walzen
wie allgemein üblich
aus festem und formstabilen Stahl hergestellt, so weisen solche
Walzen – wie
bereits genannt – ein
hohes Gewicht und eine hohe Massenträgheit auf, was leistungsfähige Antriebe
erfordert.
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Nachteilig
bei der Verwendung der genannten Walzenkörper der bekannten Art ist
weiterhin, dass bei einem Austausch solcher Walzen, beispielsweise
um einen Formatwechsel durchzuführen,
diese aufgrund ihres hohen Gewichts nur schwierig mit entsprechenden
Hebeeinrichtungen und mit erhöhtem
Zeitaufwand gewechselt werden können,
wodurch die Stillstandszeit der Druckmaschine entscheidend verlängert wird.
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Darüber hinaus
ergeben sich beim Einsatz solcher masseträgen, schweren Walzen nicht
unerhebliche Sicherheitsprobleme, insbesondere im Fall eines Not-Stopps,
da schwere, massenträge
Walzen nur äußerst schwer
und mit aufwendigen Mitteln in kürzester
Zeit gestoppt werden können.
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Durch
die
DE 197 09 672
A1 ist ein Zylinder für
eine Rotationsdruckmaschine mit Mitteln zur Lagerung in einem Seitengestell
bekannt, wobei ein rohrförmiger
Mantel vorgesehen ist und wobei das Zylinderinnere mit Metallschaum
ausgefüllt
ist und wobei der Metallschaum geschlossene Poren aufweist.
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Durch
die
DE 10 2004
055 833 A1 ist eine Walze einer Druckmaschine mit einem äußeren, eine
Oberfläche
der Walze bildenden, rohrförmigen
Mantel und einem von dem rohrförmigen
Mantel umschlossenen Kern aus einem Metallschaum bekannt, wobei
der Kern aus dem geschäumten
Werkstoff rohrförmig
ausgebildet ist und wobei innerhalb des Kerns ein weiteres Rohr
angeordnet ist. Optional ist eine Nut als Strömungskanal in den Metallschaum
eingebracht.
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Durch
die
DE 197 49 228
A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen für, für rotierenden
Betrieb vorgesehene, Walzen mit einem hohlen Mantel bekannt, wobei
an der Innenwand des Mantels ein außerhalb des Mantels hergestellter
Metallschaum-Kern kraftübertragend
befestigt wird und auf Herstellungsverfahren von geschlossenporigem
Metallschaum hingewiesen wird.
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Durch
die
DE 195 42 850
C2 ist eine Walze mit einem Mantel aus Metall mit einer
Längsachse,
einem konzentrisch dazu angeordneten rohrförmigen Lagerelement und mit
einem geschäumten
Körper,
an dem der Mantel und das Lagerelement festgelegt sind, bekannt,
wobei zur Verbindung des Mantels mit dem Lagerelement der zwischen
der Innenfläche
des Mantels und der Außenfläche des
Lagerelementes befindliche Zwischenraum durch einen aushärtenden
Polyurethan-Schaum gefüllt
ist
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Durch
die
DE 199 39 775
A1 ist ein Druckzylinder für Rotationsdruckmaschinen aus
konzentrisch angeordneten Zylinderrohren in Sandwichbauweise und
mindesten einem darin angeordneten Innenrohr bekannt, wobei in dem
Leerraum zwischen Außenrohr
und Innenrohr eine Schaumfüllung
angeordnet ist und wobei die Schaumfüllung ein Metallschaum ist.
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Durch
die
DE 698 28 428
T2 ist eine Walze mit einem geringen Gewicht bekannt, wobei
die Walze einen zylindrischen Mantel mit dünnen Wänden und einen Kernteil aufweist,
der den zylindrischen Mantel gänzlich
oder teilweise füllt
und der aus einem Füllmaterial
hergestellt ist, das ein geringes Gewicht hat und wobei der Mantel
beispielsweise aus einem Metall und der Kernteil beispielsweise
aus Aluminiumschaum gebildet ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Walze und ein Verfahren zur Herstellung
einer Solchen Walze bereitzustellen, die zum Einen bei einer erhöhten mechanischen
Festigkeit ein vergleichsweise geringes Gewicht sowie ein vergleichsweise
geringes Drehmoment und Trägheitsmoment
aufweist und zum Anderen in besonders einfacher Weise mittels einer
Kühlflüssigkeit
temperiert werden kann und dabei auf einfache und kostengünstige Art
und Weise hergestellt werden kann.
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Gelöst werden
die Aufgaben dadurch, dass der Walzenkörper als Sandwich von wenigstens
zwei koaxial ineinander angeordneten zylindrischen Elementen aufgebaut
ist, deren jeweilige inneren und äußeren Oberflächen einander
zumindest bereichsweise kontaktieren und bei denen zumindest ein
inneres Element wenigstens teilweise aus einem geschäumten Metall
besteht und dass ein Versteifungselement ausgebildet ist aus zwei
oder mehreren koaxial ineinander angeordneten Vollmetall-Hohlzylindern
mit unterschiedlichen Durchmessern, deren Zwischenbereich jeweils
mit einem Metall ausgeschäumt
ist und dass zwei koaxial ineinander angeordnete offenporige Metallschaum-Hohlzylinder,
in gleicher oder entgegengesetzter Richtung von einem Fluid zur
Temperierung durchströmt/durchströmbar sind.
So wird mittels eines solchen Walzenkörpers durch die Sandwichkonstruktion
bei geringerem Materialeinsatz eine hohe mechanische Festigkeit
und aufgrund der Verwendung von geschäumtem Metall ein geringeres
Gewicht im Vergleich zu bekannten Walzen erzielt.
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Kerngedanke
der Erfindung ist es, den Walzenkörper der Walze aus einer Sandwichstruktur
aufzubauen und bevorzugt die jeweiligen Schichten im Wesentlichen
aus einem Leichtmetall herzustellen, wodurch in einem ersten Aspekt
aufgrund der Verwendung von Leichtmetallen das Gesamtgewicht der
Walze erheblich vermindert wird.
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Ein
weiterer Kerngedanke ist es, zumindest eine der im Inneren der Walze
liegenden Schichten der Sandwichstruktur aus einem geschäumten Metall,
insbesondere geschäumten
Leichtmetall herzustellen.
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Beispielsweise
kann ein Aufbau derart sein, dass der Walzenkörper einer erfindungsgemäßen Walze einen äußeren Hohlzylinder
umfasst, in welchem koaxial zu diesem wenigstens ein Versteifungselement
angeordnet ist, welches zumindest teilweise aus einem geschäumten Metall
ausgebildet ist und mit seiner äußeren Oberfläche die
innere Oberfläche
des Hohlzylinder zumindest bereichsweise kontaktiert. So dient der äußere Hohlzylinder
im Wesentlichen dazu eine glatte geschlossene Oberfläche zu bilden,
wohingegen das innere koaxial in dem äußeren Hohlzylinder liegende
Versteifungselement für
die mechanische Festigkeit sorgt.
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So
ergibt sich ein koaxialer Schichtaufbau von wenigstens zwei ineinander
angeordneten Körpern, beispielsweise
aus wenigstens einem inneren Körper
und einem äußeren Körper, wobei
der wenigstens eine innere Körper
zumindest teilweise ein geschäumtes
Metall umfasst und daher bezogen auf sein Volumen sehr leicht gefertigt
werden kann und trotzdem ein hohe Stabilität aufweist und wobei der äußere Körper im
Wesentlichen eine Metallhülse
darstellt, die gegenüber
bisherigen im Stand der Technik bekannten Hohlzylinderaufbauten
sehr dünn
ausgeführt
ein kann, da sie von innen durch das Versteifungselement gestützt ist.
Aus diesem Grund kann die Wandstärke
des äußeren Hohlzylinders
dünner
gehalten werden als die Wandstärke
des Versteifungselements Beispielsweise kann die Metallhülse aus
einem Vollmetall bestehen.
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Es
kann dabei in einer Ausführung
erfindungsgemäß vorgesehen
sein, das wenigstens eine innere Versteifungselement beispielsweise
als einen vollständig
aus einem Metallschaum bestehenden Zylinder, insbesondere Hohlzylinder
auszuführen.
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Bei
einer anderen Ausführung
kann es auch vorgesehen sein, dass das Versteifungselement mehrere jeweils
koaxial ineinanderliegende und zumindest teilweise, bevorzugt vollständig aus
einem Metallschaum bestehende Hohlzylinder umfasst, wobei jeweils
zwischen zwei aus einem Metallschaum bestehenden Hohlzylindern ein
aus einem Vollmetall gefertigter Hohlzylinder angeordnet sein kann,
wobei sich die jeweiligen inneren und äußeren Oberflächen benachbarter
Hohlzylinder zumindest bereichsweise kontaktieren, so dass sich
ein radialer Sandwichaufbau aus mehreren koaxial ineinander angeordneten
zylindrischen Metallschaum-Elementen mit zwischengefügten Vollmetallhülsen ergibt.
Die einander gegenüberliegenden
inneren und äußeren Oberflächen dieser
Metallschaum-Hohlzylinder können
sich auch ohne zwischengefügte
Vollmetall-Hohlzylinder zumindest bereichsweise kontaktieren, insbesondere,
wenn es sich um Metallschaum-Zylinder aus verschiedenen Metallen
handelt.
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In
einer Ausführung
kann es dabei vorgesehen sein, dass unabhängig von der Anzahl der Metallschaum-Hohlzylinder
das am weitesten radial innenliegende Element als ein Trägerelement
ausgebildet ist, welches z. B. durch einen Voll- oder auch einen
Hohlzylinder bevorzugt aus einem Vollmetall gebildet sein kann.
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Es
kann dabei weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen sein, das wenigstens
eine koaxiale Versteifungselement beispielsweise als einen vollständig aus
Metallschaum bestehenden Zylinder oder Hohlzylinder auszuführen, welcher
zusätzlich
zu seinen Schaumporen regelmäßig oder
unregelmäßig angeordnete
Hohlräume
aufweist. Eine solche Ausführung
kann auch bei einem Versteifungselement mit mehreren koaxial ineinander
liegenden Metallschaum-Hohlzylindern gegeben sein.
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Bei
der Ausbildung des wenigstens einen inneren Versteifungselementes
kann es weiterhin vorgesehen sein, dieses als dickwandigen Hohlzylinder
bestehend aus einem geschäumten
Metall auszuführen,
wobei hier die Dickwandigkeit relativ zum äußeren Hohlzylinder zu sehen
ist. Bevorzugt kann ein inneres Versteifungselement ein Wandstärke aufweisen,
die 2 bis 10 mal dicker ist, als die Wandstärke des äußeren Hohlzylinders.
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In
einer anderen Ausführung
kann es vorgesehen sein, dass wenigstens eine koaxial innen zum äußeren Hohlzylinder
angeordnete Versteifungselement auszubilden als einen axialen Stapel
oder axiale Hintereinanderanordnung von zylinderförmigen oder
hohlzylinderförmigen
Scheiben aus einem geschäumten
Metall, insbesondere wobei die Scheiben voneinander axial entlang
der Walzenachse beabstandet angeordnet sind.
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Dies
kann z. B. realisiert sein durch eine axiale mit Abstand ausgebildete
Hintereinanderanordnung von Scheiben aus Metallschaum, die in einem
Abstand auf einem zylindrischen oder hohlzylindrischen Trägerelement
befestigt sind, z. B. stoffschlüssig.
Der radial aussenliegende Rand dieser Scheiben kann offenporig ausgestaltet
sein oder eine vollmetallische Hülse
tragen.
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Alternativ
kann diese Hintereinanderanordnung realisiert sein durch einen Zylinder
oder Hohlzylinder aus Metallschaum, in den mehrere axial beabstandete
umlaufende Nute einer bestimmten Breite eingebracht sind, z. B.
durch Ausdrehen, so dass durch die Nutbreiten der Abstand und die
Breite der Scheiben definiert ist.
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Es
kann weiterhin auch vorgesehen sein, ein Versteifungselement auszubilden
aus zwei oder mehreren koaxial ineinander passgenau angeordneten
Hohlzylindern mit unterschiedlichen Durchmessern, deren Zwischenbereich
jeweils mit einem Metall ausgeschäumt ist, so dass sich eine
Sandwichbauweise ergibt mit wenigstens einem Kern aus geschäumten Metall
und jeweiligen inneren und äußeren, insbesondere
dünnwandigen
Zylinderhülsen.
Auch dieses Versteifungselement kann nachträglich mit umlaufenden Nuten,
z. B. durch Ausdrehen versehen werden, wobei sich eine obengenannte
Konstruktion ergibt mit hintereinander im Abstand angeordneter Scheiben,
deren radial aussen liegender Rand jeweils eine vollmetallische
Hülse trägt.
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Ein
solches Versteifungselement kann somit für alle genannten Ausführungsformen
eingesetzt werden, insbesondere auch um beabstandete Scheiben der
eingangs genannten Art zu bilden. Dabei können in einer Ausführung auch
alle Ringe axial separierte äußere Hohlzylinder
bzw. -hülsen aufweisen,
Kernbereiche aus Metallschaum und einen gemeinsamen Trägerzylinder
oder Trägerhohlzylinder.
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Erfindungsgemäß ist es
bevorzugt vorgesehen, dass den äußeren beziehungsweise
inneren Durchmesser der zueinander koaxial bzw. konzentrisch liegenden
Elemente, wie äußerer Hohlzylinder,
Versteifungselement und Trägerelemente
jeweils einander anzupassen, insbesondere formschlüssig, so
dass sich beim Ineinanderfügen
kein oder nur ein minimaler Spalt ergibt. So wird bevorzugt der äußere Hohlzylinder
als insbesondere dünnwandiger
Hohlzylinder ausgeführt,
dessen innerer Durchmesser im Wesentlichen dem äußeren Durchmesser des Äußersten
der inneren Versteifungselemente entspricht.
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Es
kann weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen
sein, den äußeren Hohlzylinder,
insbesondere als zumindest im wesentlichen dünnwandigen Hohlzylinder so
auszuführen,
dass dessen Wandung an wenigstens einem parallel zur Walzenachse
verlaufenden Bereich so ausgeformt ist, dass eine Ausnehmung zur
Aufnahme von zusätzlichen
Elementen, beispielsweise Befestigungsvorrichtungen für Druckplatten
oder Gummitücher,
gebildet ist, insbesondere wodurch die innere Mantelfläche des
Hohlzylinders eine unregelmäßige Form aufweist.
In einem solchen Fall ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die äußere Form
des Versteifungselementes der inneren Form des äußersten Hohlzylinders anzupassen.
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Verfahrenstechnisch
kann es erfindungsgemäß vorgesehen
sein, die inneren und den äußeren Elemente,
insbesondere Hohlzylinder und Versteifungselemente ineinander zu
schieben und jeweils miteinander zu verbinden, insbesondere stoffschlüssig, beispielsweise
miteinander zu verschweißen
oder zu verkleben.
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Als
Material für
die inneren zumindest zum Teil geschäumten Versteifungselemente
kann bevorzugt ein geschäumtes
Leichtmetall oder eine geschäumte
Metalllegierung, insbesondere eine geschäumte Leichtmetalllegierung,
beispielsweise aus Aluminium oder Magnesium oder deren Legierungen
verwendet werden.
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Es
kann weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen
sein, zumindest den äußeren Hohlzylinder
als Strangpressprofil auszuführen,
insbesondere wobei das Strangpressprofil die wenigstens eine zuvor
genannte Ausnehmung bereits beinhalten kann und wobei das Strangpressprofil
beispielsweise zusätzliche
Versteifungselemente, insbesondere Versteifungsrippen an seiner
Innenwandung aufweisen kann.
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Ein
weiterer Kerngedanke der Erfindung ist es, in dem Walzenkörper wenigstens
eine aus einem geschäumten
Metall bestehende Hohlzylinder-Innenschicht, insbesondere die dem äußeren Hohlzylinder
der Walze nächstliegende
Schicht aus offenporigem Metallschaum mit einem Fluid zur Temperierung,
insbesondere mit einer Kühlflüssigkeit
zu durchströmen.
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Die
Verwendung von Metallschaum als Konstruktionswerkstoff bietet hierbei
eine Reihe von Vorteilen. So bildet eine Schaumstruktur eines geschäumten Metalls
eine steife und in sich formstabile Konstruktion und weist beispielsweise
bei Verwendung von Aluminium eine mittlere Dichte von nur 0,4 g/cm3 bis 0,6 g/cm3 auf, wodurch
unter Beibehaltung der Formstabilität und der Steifigkeit eine
erhebliche Gewichtsreduzierung der Walze bewirkt wird. Darüber hinaus
können
solche Metallschäume
eine offenporige Struktur aufweisen. Es kann somit in einer bevorzugten
Weiterbildung vorgesehen sein, wenigstens einen Hohlzylinder der
Sandwichstruktur aus einem solchen offenporigen Metallschaum mit
einem Fluid zur Temperierung zu durchströmen, insbesondere zum Zweck
der Kühlung
mit einer Kühlflüssigkeit
zu durchströmen.
So kann hierdurch eine effektive Kühlung insbesondere der Walzenoberfläche der
Walze bewirkt werden.
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Die
Verwendung vom Metallschaum weist darüber hinaus den Vorteil auf,
dass Metalle und insbesondere Leichtmetalle wie beispielsweise Aluminium
bekanntermaßen
eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, wodurch ein Wärmetransport
beispielsweise von der Mantelfläche
einer solchen Walze in die Kühlflüssigkeit besonders
effektiv erfolgen kann.
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Es
ist hierbei ebenfalls möglich,
beispielsweise für
die Herstellung einer solchen Walze den Mantelkörper in einem ersten Schritt
als insbesondere dünnwandiges
Rohr oder als insbesondere dünnwandiges rohrförmiges Strangpressprofil
herzustellen, wobei beispielsweise die erforderlichen Ausnehmungen
für Greiferelemente
oder Halteeinrichtungen in der Mantelfläche bereits in das Profil eingearbeitet
sind.
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In
einem nachfolgenden Schritt werden dann beispielsweise entsprechende
formangepasste Sandwichelemente in das Innere des Mantelkörpers eingebracht
und mit diesem verbunden, beispielsweise mit diesem verklebt oder
verschweißt
oder verlötet,
wodurch sich eine in sich formstabile und steife Konstruktion ergibt.
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Es
sind mehrere ineinander koaxial eingepasste Hohlzylinderschichten
eines Versteifungselements vorgesehen, die jeweils zumindest teilweise
Metallschaum umfassen oder vollständig aus Metallschaum ausgebildet
sind, wobei zumindest eine der koaxialen Schichten genutzt ist,
um ein Temperierungsfluid zuzuführen und
wenigstens eine andere Schicht genutzt ist, um das Temperierungsfluid
wieder abzuführen.
Solche von Fluid durchströmten
oder durchströmbaren
Metallschaumschichten können
bevorzugt durch vollmetallische Hohlzylinder voneinander und/oder
durch eine nicht-fluiddurchströmte/-durchströmbare Metallschaumschicht getrennt
sein.
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Neben
der erhöhten
mechanischen Steifigkeit werden so auch die Hin- und Rückflusskanäle realisiert, insbesondere
für eine
Kühlflüssigkeit.
Dabei wird es als besonders bevorzugt angesehen, wenn zwischen zwei Schichten
bzw. Versteifungselementen, die als Hin- und Rücklauf für ein Fluid dienen, eine mit
Luft gefüllte
Metallschaumschicht bzw. Versteifungselement angeordnet ist, da
das in der Metallschaum-Zwischenschicht vorhandene Luftpolster zusätzlich als
Wärmisolator
wirken kann, wodurch ein thermischer Kurzschluss zwischen Vorlauf und
Rücklauf
des Fluids, insbesondere der Kühlflüssigkeit
wirkungsvoll verhindert werden kann.
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Weiterer
Kerngedanke der Erfindung ist es, die Mantelfläche einer so aufgebauten Walze
zur Erzielung einer erforderlichen Rundlaufgenauigkeit in einem
nachfolgenden Schritt in einer Drehmaschine und/oder Poliermaschine
in bekannter Weise zu bearbeiten und/oder zu finishen und die Walze
entsprechend auszuwuchten.
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Die
nachfolgenden schematischen Zeichnungen zeigen hierbei unterschiedliche
erfindungsgemäße Ausführungen
ohne Anspruch auf Vollständigkeit.
Es ist hierbei selbstverständlich
auch möglich,
die genannten Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen
miteinander zu kombinieren.
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Es
zeigen:
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1a:
Schnittbild einer Walze gemäß des Standes
der Technik
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1b:
Schematische perspektivischen Querschnitt einer Walze gemäß des Standes
der Technik
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2a:
Schnittbild einer erfindungsgemäßen Ausführung einer
Walze
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2b:
Schematische perspektivischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführung einer
Walze
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3a:
Schnittbild einer erfindungsgemäßen Ausführung einer
Walze
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3b:
Schematische perspektivischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführung einer
Walze
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4a:
Schnittbild einer erfindungsgemäßen Ausführung einer
Walze
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4b:
Schematische perspektivischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführung einer
Walze
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5:
Längsschnitt
einer erfindungsgemäßen Ausführung einer
Walze
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6:
Längsschnitt
einer erfindungsgemäßen Ausführung einer
Walze
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7:
Längsschnitt
einer erfindungsgemäßen Ausführung einer
Walze
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8:
Längsschnitt
einer erfindungsgemäßen Ausführung einer
Walze
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Die 1a und 1b zeigen
einen Querschnitt beziehungsweise einen schematischen perspektivischen
Querschnitt einer Walze 1 der bisherigen bekannten Art.
Die Walze 1 besteht hierbei beispielsweise aus einem als
Hohlzylinder ausgeführten
Walzenkörper 2,
welcher an seinen stirnseitigen Enden jeweils eine Deckelfläche 4 mit
einem Lagerzapfen 3 aufweist. Der Walzenkörper 3 ist
dabei als dickwandiger Hohlzylinder ausgeführt mit einer Wandstärke im Bereich
von etwa 30 mm bis 60 mm, so dass in die Mantelfläche 6 des Walzenkörpers 3 zusätzliche
nicht dargestellte Elemente wie Befestigungselemente, Spannelemente
oder Greiferelemente eingearbeitet werden können ohne die Stabilität der gesamten
Walze 1 wesentlich zu beeinträchtigen.
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Die
Lagerzapfen 3 können
weiterhin jeweils hohl ausgeführt
sein, wodurch die Möglichkeit
geschaffen wird, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit in den Innenraum 5 der
Walze zu leiten und durch die Walze 1 hindurchzuleiten,
wodurch die Walze temperiert werden kann.
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Eine
Ausführung
einer Walze 10 zeigen die 2a, 2b.
Die Figuren zeigen hierzu einen Querschnitt beziehungsweise einen
schematischen perspektivischen Querschnitt einer Walze 10.
Diese Walze 10 umfasst hier beispielsweise einen insbesondere
dünnwandigen
Hohlzylinder 11, dessen Mantelfläche 12 je nach Anwendungszweck
der Walze weiter nachbearbeitet sein kann, beispielsweise poliert
sein kann oder Hilfsmarkierungen für aufzuklebende Klischees tragen
kann oder ähnliches.
Dünnwandig
bedeutet hier zumindest dünner
als im Vergleich zum Hohlzylinder gemäß dem Stand der Technik und
insbesondere mit einer Wandstärke
in einem Bereich von 2 bis 15 mm, bevorzugt 3 mm bis 10 mm.
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Koaxial
zu dem äußeren Hohlzylinder 11 ist
im Inneren der Walze 10 weiterhin ein beispielsweise ebenfalls
im wesentlichen als Hohlzylinder ausgeführtes Versteifungselement 20 so
eingebracht, dass dessen äußerer Durchmesser
passgenau dem inneren Durchmesser des äußeren Hohlzylinders 11 entspricht.
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Erfindungsgemäß besteht
bei dieser möglichen
Ausführung
das Versteifungselement 20 aus einem geschäumten Metall,
beispielsweise einem Leichtmetall, wie Aluminium oder Magnesium
oder aus einer Legierung von Metallen, insbesondere Leichmetallen.
Die geschäumte
Metallstruktur weist hierbei aufgrund ihres inneren Aufbaus eine
hohe Steifigkeit und Formbeständigkeit
auf und hat gleichzeitig beispielsweise bei Verwendung von Aluminium
als Material eine mittlere Dichte von nur 0,5 g/cm3.
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Bei
dieser Ausführung
ist nur ein inneres koaxiales Versteifungselement 20 aus
einem Metallschaum vorgesehen, welches mit seiner inneren Wandung
passgenau auf einem Trägerelement 30 aufliegt,
das als Voll- oder hier bevorzugt als Hohlzylinder ausgebildet ist
und wodurch eine im Ganzen zylinderförmige Sandwichstruktur entsteht,
die einen Metallschaum-Kern aufweist.
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Es
kann dabei erfindungsgemäß vorgesehen
sein, die jeweiligen aufeinender/aneinander liegenden Grenzflächen der
jeweiligen Zylinder bzw. Elemente miteinander zu verbinden, insbesondere
stoffschlüssig, beispielsweise
zu verlöten
oder zu verschweißen
oder zu verkleben, wodurch eine feste und formstabile Konstruktion
entsteht.
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Es
kann dabei zweckmäßig sein,
alle Zylinder bzw. Elemente jeweils gleichlang auszuführen und
deren stirnseitige Enden jeweils in einer gemeinsamen Ebene anzuordnen,
wodurch es möglich
ist, die jeweiligen Stirnflächen
dieser Sandwichkonstruktion mit Deckelflächen 14 mit jeweiligen
Lagerzapfen 13 zu versehen und mit den jeweiligen Zylindern
bzw. Elementen 11, 20, 30 zu verbinden,
insbesondere wiederum stoffschlüssig, beispielsweise
zu verkleben oder zu verschweißen
oder zu verlöten.
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Durch
den erfindungsgemäßen Aufbau
der Walze 10 ist es so möglich, das Gesamtgewicht der
Walze ohne Beeinträchtigung
der mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit oder Formstabilität erheblich
zu verringern, indem beispielsweise die Wandstärke des äußeren Zylinders 11 reduziert
wird und in einem Bereich von beispielsweise 3 mm bis 10 mm liegt.
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Das
Versteifungselement 20 aus geschäumtem Metall kann dabei problemlos
dickwandig ausgeführt sein
und eine Dicke im Bereich von beispielsweise 30 mm bis 100 mm aufweisen
oder gar den gesamten Innenraum der Walze 10 ausfüllen. In
diesem Fall entfällt
das Trägerelement 30.
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Aufgrund
des geringen spezifischen Gewichtes des Versteifungselements 20 trägt dessen
Gewicht nur mäßig zum
Gesamtgewicht der Walze bei, wodurch eine Gewichtsreduzierung im
Vergleich zu einer Walze der bekannten Art um den Faktor 2 bis 6
erreicht werden kann.
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Eine
beispielhafte nachfolgende Berechnung zeigt hierbei die je nach
erfindungsgemäßer Ausführung erzielbare
erhebliche Gewichtsersparnis.
| | Walze der bekannten Art | Erfindungsgemäße Walze |
| Walze
1 | Walze
2 |
| Außendurchmesser | 200
mm | 200
mm | 200
mm |
| Wandstärke Außenhülse | 30
mm | 6
mm | 6
mm |
| Wandstärke Versteifungselement | | 60
mm | 60
mm |
| Wandstärke Trägerelement | | 3
mm | 3
mm |
| Dichte
Außenhülse (Material) | 7,5
g/cm3 (Stahl) | 2,5
g/cm3 (Aluminium) | 7,5
g/cm3 (Stahl) |
| Dichte
Versteifungselement (Material) | | 0,5
g/cm (Metallschaum)3 | 0,5
g/cm3 (Metallschaum) |
| Dichte
Trägerelement
(Material) | | 2,5
g/cm3 (Aluminium) | 2,5
g/cm3 (Aluminium) |
| Masse
Außenhülse pro
Meter | 120,2
kg/m | 9,1
kg/m | 27,4
kg/m |
| Masse
Versteifungselement pro Meter | | 12,1
kg/m | 12,1
kg/m |
| Masse
Trägerelement
pro Meter | | 1,5
kg/m | 1,5
kg/m |
| Gesamtmasse
pro Meter | 120,2
kg/m | 22,7
kg/m | 41,0
kg/m |
| Gewichtsanteil | 100,0% | 18,9% | 34,1% |
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Eine
zweite erfindungsgemäße Ausführung zeigen
die 3a, 3b. Die Figuren zeigen hierzu
einen Querschnitt beziehungsweise einen schematischen perspektivischen
Querschnitt einer zweiten erfindungsgemäßen Walze 10.
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Der
sandwichartige Aufbau der Walze 10 umfasst einen äußeren Hohlzylinder 11 und
ein Trägerelement 30 zwischen
welchen ein Versteifungselement 20 eingebracht ist und
ist im wesentlichen gleich zu der vorherigen Ausführung, mit
dem Unterschied, dass das Versteifungselement 20 aus wenigstens
zwei einzelnen Versteifungsscheiben 21 gebildet ist, welche
zueinander über
einen Abstand 22 in axialer Richtung beabstandet sind.
Die Versteifungsscheiben 21 sind hierbei jeweils als Hohlzylinder
bestehend aus einem geschäumten
Metall ausgeführt,
wobei deren jeweilige inneren und äußeren Mantelflächen an
die benachbarte Innenfläche
beziehungsweise Außenfläche des äußeren Zylinders 11 beziehungsweise
des inneren Trägerelements 30 angepasst
ist und beispielsweise jeweils mit dieser verbunden ist, insbesondere
stoffschlüssig,
beispielsweise mittels Verschweißen, Verlöten, Verkleben oder ähnlichem.
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Die
axiale Länge
der jeweiligen Versteifungsscheiben 21 und deren jeweiliger
axialer Abstand 22 zueinander kann dabei jeweils gleich
sein oder unterschiedlich sein, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, entlang
der Achse der Walze 10 Bereiche mit unterschiedlichen mechanischen
Eigenschaften wie Steifigkeit oder Formbeständigkeit zu schaffen.
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Es
ist auch möglich,
im Hinblick auf die in den Endbereichen der Walze 10 aufgrund
der befestigten Deckelflächen 14 unterschiedlichen
mechanischen Eigenschaften diese durch eine geeignete Anzahl und Form
der Versteifungsscheiben 21 und einen jeweiligen geeigneten
Abstand 22 der Versteifungsscheiben 21 zueinander
eine über
die Walzenlänge
im wesentlichen gleichmäßige Steifigkeit
und Formstabilität
zu erzielen.
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Erfindungsgemäß ist es
weiterhin vorgesehen, wie in den 4a, 4b schematisch
als Querschnitt und als schematischer perspektivischer Querschnitt
dargestellt, dass der äußere Hohlzylinder 11 wenigstens einen
Bereich zur Aufnahme von Befestigungselementen für beispielsweise Druckplatten
und/oder Verstellelemente oder Greiferelemente aufweist.
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Hierzu
weist der Hohlzylinder 11 in bestimmten Bereichen parallel
zur Zylinderachse ins Innere, insbesondere radial ins Innere des
Hohlzylinders 11 weisende Verdickungen 16 auf,
in welche die gewünschten Befestigungselemente
oder Befestigungsöffnungen
etc. 17 eingebracht sind. Entsprechend der Form und Ausführung der
Verdickungen 16 ist die äußere Form des Versteifungselements 20 bzw.
der Versteifungsringe 21 angepasst, so dass wiederum eine
Formschlüssigkeit
zwischen der Mantelfläche
des Versteifungselements 20/der Versteifungsscheiben 21 und
der inneren Fläche
des Zylinders 11 gegeben ist. Die 4a und 4b zeigen
hier in der Mantelfläche
des Versteifungselementes 20 eine in axialer Richtung sich erstreckende
Nut 23, die in der Form an die innere Verdickung 16 des äußeren Hohlzylinders
angepasst ist.
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Es
ist hierbei auch möglich,
die Mantelfläche
des Zylinders 11 in den genannten Bereichen mittels einer
Vorrichtung auszuformen oder zu falten, wodurch z. B. eine Ausformung
zur Aufnahme von Befestigungselementen entsteht. Dadurch, dass die
Schaumstruktur des geschäumten
Metalls des Versteifungselements 20 oder der Versteifungsscheiben 21 bevorzugt
offenporig ist, ist diese auch bevorzugt durchlässig für beispielsweise Gase wie Luft
oder auch für
Kühlflüssigkeiten
wie Wasser.
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Es
ist daher in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung vorgesehen, die Walze 10 mittels
einer Kühlflüssigkeit
zu durchströmen
und hierdurch zu temperieren.
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Die 5 zeigt
hierzu einen schematischen Längsschnitt
durch eine Walze 10. Die Walze 10 umfasst hier
eine Sandwichstruktur, mit einem äußeren Hohlzylinder 11,
einem Versteifungselement 20 und einem inneren Trägerelement 30,
wobei das Trägerelement 30 mittels
jeweiligen Endstücken 43a, 43b abgedeckt
ist und einen geschlossenen Körper 31 bildet,
welcher ein Volumen 15 einschließt.
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Der
so gebildete hohle Körper 31 ist
hierbei axial zu den jeweiligen Enden der Walze 10 kürzer gehalten
als das axiale Innenmaß des äußeren Hohlzylinders 11,
wodurch an den jeweiligen Enden der Walze 10 zwischen den
Deckelflächen 14 und
dem Körper 31 Hohlräume 42a, 42b gebildet
werden. Die Hohlräume 42a, 42b sind
dabei zum Einen mit den jeweiligen mit den Deckelflächen 14 verbundenen
und hohl ausgeführten Lagerzapfen 13 verbunden
und zum Anderen mit dem aus offenporigen Metallschaum gebildeten
Versteifungselement 20.
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Die
Länge des
Versteifungselements 20 kann dabei gleich lang wie der
Körper 31 sein
oder auch dem axialen Innenmaß des
Zylinders 11 entsprechen. Hierdurch ist es möglich, über einen
als Zulauf 40 wirkenden ersten Lagerzapfen 13 eine Kühlflüssigkeit
in Richtung der Pfeile 100 durch den Lagerzapfen 13,
den entsprechenden Hohlraum 42a durch das aus Metallschaum
bestehende Versteifungselement 20 zu leiten und über den
Hohlraum 42b und den Rücklauf 41 der
Kühlflüssigkeit über den
gegenüberliegenden
Lagerzapfen 13 zu leiten.
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Dadurch,
dass die Wandung des Zylinders 11 relativ dünn (im Vergleich
zum Stand der Technik) ausgeführt
ist und die Fließgeschwindigkeit
der Kühlflüssigkeit
durch den offenporigen Metallschaum des Versteifungselements 20 nur
unwesentlich beeinträchtigt
wird, ist eine effektive und insbesondere auf Zustandsänderungen
schnell reagierende Temperierung der äußeren Mantelfläche des
Hohlzylinders 11 möglich.
Darüber hinaus
bewirkt der im Inneren der Walze befindliche geschlossene Körper 31 eine
erhebliche Gewichtsersparnis, da nicht das gesamte innere Volumen
der Walze 10 mit Kühlflüssigkeit
gefüllt
sein muss.
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6 zeigt
eine Ausführung
einer erfindungsgemäßen Walze 10,
welche im wesentlichen der in 5 beschriebenen
Ausführung
entspricht mit dem Unterschied, dass das Volumen 15 ebenfalls
mit einem Metallschaum ausgefüllt
ist, wodurch eine weiter erhöhte
Formstabilität
und Steifigkeit der Walze 10 erzielt werden kann ohne deren
Gesamtgewicht signifikant zu erhöhen.
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Eine
Ausführung
einer erfindungsgemäßen Walze 10 zeigt 7,
welche im Wesentlichen der in 5 beschriebenen
Ausführung
entspricht mit dem Unterschied, dass der geschlossene Körper 31 der 5 seinerseits
in einer Sandwichstruktur aufgebaut ist.
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Der
gemäß 7 geschlossen
Körper 33 umfasst
hierbei das beispielsweise als insbesondere dünnwandigen Hohlzylinder ausgeführtes Trägerelement 30,
in dessen Inneren koaxial ein Versteifungselement 24 aus
einem geschäumten
Metall passergenau eingebracht ist. Die einander angrenzenden Wandungen
können dabei
in gleicher Art miteinander verbunden sein, insbesondere stoffschlüssig beispielsweise
durch Verschweißen, Verlöten
oder Verkleben oder ähnliches.
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Das
Versteifungselement 24 kann hierbei im Wesentlichen als
Hohlzylinder ausgeführt
sein und dessen innere Mantelfläche
auf einem weiteren Trägerelement 32 passergenau
aufliegen und mit diesem verbunden sein. Der mit den entsprechenden
Endstücken 43a, 43b so
gebildete abgeschlossen Körper 33 weist durch
diese Art des Aufbaus eine weiterhin erhöhte Steifigkeit und Formstabilität auf, ohne
das Gesamtgewicht der Walze 10 wesentlich zu erhöhen.
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Eine
siebte Ausführung
einer erfindungsgemäßen Walze 10 zeigt 8.
Der innere Aufbau entspricht hierbei im Wesentlichen der Ausführung gemäß 7 mit
dem Unterschied, dass die Endstücke 43a, 43b eine jeweilige Öffnung 44a, 44b aufweisen
und einer der Lagerzapfen, nämlich
hier der Zapfen 13b nicht hohl ausgeführt ist.
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Der
gegenüber
liegende Lagerzapfen 13a weist hingegen in seiner Bohrung 13c ein
koaxial darin angeordnetes Rohr 13d mit einem geringeren
Durchmesser als die Bohrung 13c auf. Das Rohr 13d ist
weiterhin an seinem im Inneren der Walze befindlichen Ende mit der Öffnung 44a des
Endstücks 43a dicht
verbunden.
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Hierdurch
wird im Lagerzapfen 13a ein Zulauf 40 mit beispielsweise
ringförmigem
Querschnitt und ein Rücklauf 41 mit
beispielsweise kreisförmigem
Querschnitt gebildet, über
welche die Walze 10 mit einer Kühlflüssigkeit beschickt werden kann,
oder umgekehrt. Die Kühlflüssigkeit
gelangt hierbei entlang der Pfeilrichtungen 100 zunächst über den
Zulauf 40 in den Hohlraum 42a und durchströmt anschließend das
aus offenporigem Metallschaum bestehende Versteifungselement 20,
wodurch die äußere Mantelfläche des
Zylinders 11 effektiv temperiert wird.
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Anschließend gelangt
die Kühlflüssigkeit
in der Hohlraum 42b und über die sich im Endstück 43b befindliche Öffnung 44b in
den Hohlraum 15 und von dort über die Öffnung 44a in das
Rohr 13d, welches somit den Rücklauf 41 bildet.
Es kann dabei zweckmäßig sein,
das Trägerelement 32 dickwandiger
oder aus einem anderen Material auszuführen, um den Anforderungen
der Kühlflüssigkeit
beziehungsweise den bei einem Betrieb der Walze mit Kühlflüssigkeit
geänderten
Druckverhältnissen
gerecht zu werden. Die Öffnungen 44a, 44b sind
dabei so in die Endstücke 43a, 43b eingebracht,
dass die stirnseitigen Bereiche des Versteifungselements 24 durch
die Endstücke 43a, 443b abgedeckt
und verschlossen sind, wodurch die im Inneren des Metallschaums
befindliche Luft des Versteifungselements 24 eingeschlossen
ist und wodurch die so gebildete Sandwichstruktur im wesentlichen
als Wärmeisolator
wirkt.
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Hierdurch
wird bewirkt, dass die durch den Innenraum 15 rückfließende Kühlflüssigkeit
keinen Einfluss auf die zufließende
Kühlflüssigkeit
hat.
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Bezüglich sämtlicher
Ausführungen
ist festzustellen, dass die in Verbindung mit einer Ausführung genannten
technischen Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt
werden können
oder eingesetzt sind, sondern auch bei den jeweils anderen Ausführungen.
Sämtliche
offenbarten technischen Merkmale dieser Erfindungsbeschreibung sind
als erfindungswesentlich einzustufen und beliebig miteinander kombinierbar
oder in Alleinstellung einsetzbar. Dabei wird in der gesamten Offenbarung
unter der Erwähnung,
dass ein Merkmal vorgesehen sein kann oder ein Verfahrenschritt
durchgeführt
werden kann auch eine Ausführung der
Erfindung verstanden, in der das betreffende Merkmal vorgesehen
ist bzw. ein betreffender Verfahrensschritt durchgeführt wird.