DE10256125B4

DE10256125B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Glätten und Verdichten der Oberfläche von Bleistiften oder dergleichen

Info

Publication number: DE10256125B4
Application number: DE10256125A
Authority: DE
Inventors: Christoph Raatz
Original assignee: IHD Institut fuer Holztechnologie Dresden gGmbH
Current assignee: INSTITUT FUER HOLZTECHNOLOGIE DRESDEN GGMBH, 01217
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2022-11-30
Also published as: ATE313442T1; EP1424214B1; EP1424214A1; DE50301980D1; DE10256125A1

Abstract

Verfahren zum Glätten und Verdichten der Oberfläche von Bleistiften, integriert im Prozeß der Herstellung nach der spanenden Bearbeitung der Bleistiftrohlinge und vor der Beschichtung der Bleistifte mit Lacken oder Folien, bei dem Hochleistungs-Ultraschall in Form einer Grenzflächenreibung, die mittels Transport der Werkstücke durch eine Sonotrode (2) erzeugt wird, auf die Oberfläche der Werkstücke einwirkt, wobei mit konstanten Frequenzen im Bereich von 16 bis 30 kHz und konstanten Leistungen von minimal 500 W gearbeitet wird und der Leistungseintrag 0,1 bis 0,5 Ws/mm² beträgt und die Bleistifte Stoß an Stoß mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit im Bereich von 20 bis 200 mm/s durch die Sonotrode (2) bewegt werden und zudem die Form des Querschnittes der Durchführungen (5) mit einer Toleranz von ±0,01 mm dem Querschnitt der Bleistifte entspricht und der Außendurchmesser der Sonotrode (2) zwischen 40 und 120 mm und die Länge der Durchführungen (5) zwischen 40 und 300 mm liegen.

Description

Die Erfindung betrifft die Feinbearbeitung von Oberflächen aus Holz und Holzwerkstoffen, namentlich stabförmiger Elemente und hier besonders von Bleistiften.
Die Feinbearbeitung von Oberflächen aus Holz und Holzwerkstoffen, die einer Endbehandlung – üblicherweise durch Lackierung, vielfach aber auch in Form von Folienbeschichtung – unterzogen werden sollen, erfolgt bislang bevorzugt durch Schleifen. Ebene Flächen können mittels Walzen- oder Breitbundschleifmaschinen, bei denen der Schleifdruck mit Unterstützung elektronisch gesteuerter Gliederdruckbalken geregelt wird, vergleichsweise wirtschaftlich hergestellt werden. Dagegen ist die Oberflächenvergütung gefräster Profile nach wie vor problematisch, da besonders hier neben der nicht befriedigenden Ökonomie (hohe Schleifmittelkosten, kurze Standzeiten) die Probleme der nachhaltigen gesundheitlichen Gefährdung infolge von Stäuben (und die daraus resultierenden erheblichen Aufwendungen für leistungsstarke Absauganlagen) hinzukommen.
Zur Herstellung von Holzbleistiften finden Holzarten wie Redwood, Jelutong oder Zedernarten (Incense cedar, Western red cedar) Verwendung, die sich durch gute Spanungseigenschaften auszeichnen und die deshalb nach der formgebenden Spanung durch Fräsen eine hinreichend saubere und zur Lackierung gut vorbereitete faser- und ausrißfreie Oberfläche aufweisen.
Infolge von Verknappung und Verteuerung des Aufkommens der bisher eingesetzten Holzarten werden zunehmend kostengünstige und reichlich verfügbare einheimische Austauschholzarten wie Pappelarten (z.B. Schwarzpappel, Aspe), Weide, Erle und Kiefer für die Bleistiftproduktion eingesetzt. Einige Holzarten besitzen aufgrund ihres mehr oder weniger stark ausgeprägten Anteils an Zugholz – andere durch typische Faserabweichungen – den Nachteil, daß sie mehr oder weniger gut bearbeitbar sind und daß daraus folgend bei der formgebundenen Fräsbearbeitung Aufrauhungen unvermeidbar sind. Diese stören die folgende Lackierung erheblich und erfordern einen erhöhten Lackierungsaufwand oder führen zu Ausschuß.

Um eine ausreichend glatte, saubere Oberfläche der Bleistiftrohlinge zu erreichen, ist infolge dessen deren Feinbearbeitung unumgänglich. Hierfür sind vielfältige Schleifvorrichtungen bekannt, so z.B. aus DE 298 08 146 U1 eine problemlos in den üblichen Produktionsablauf integrierbare Vorrichtung, die sich durch eine vergleichsweise hohe Produktivität auszeichnet. Obgleich durch das Schleifen der gefrästen Flächen der ansonsten notwendige Lackauftrag wesentlich gemindert werden kann, bleibt das Problem, daß das Schleifwerkzeug zwar die Mehrzahl der Holzfasern abschneidet, zum Teil aber die Fasern nur andrückt und diese sich nach dem Kontakt mit flüssigen Beschichtungen wieder aufrichten. Die Folge ist, daß die geschliffenen Flächen erhöhten Anforderungen an nachfolgende Oberflächenveredelungen durch Lack und/oder Folien oft nicht genügen.

Es liegt daher nahe, die seit geraumer Zeit bekannten Verfahren der spanlosen Vergütung von Profiloberflächen zu nutzen. Thermoglättverfahren (vgl. z.B. DD 292 412 A5 ) nutzen den Effekt, daß sich die Holzfasern unter mechanischem Druck und Einwirkung von Wärme plastisch verformen, wogegen die Vorschläge, den Glätteffekt mittels Ultraschall zu erreichen (siehe DE 196 53 317 A1 ), die erforderliche Wärme durch die Schwingung eines ultraschallerregten Glättwerkzeuges im Kontaktbereich von Werkstück und Glättwerkzeug realisieren. Eine Vorrichtung zum Glätten von Oberflächen an Werkstücken aus Holz und Holzwerkstoffen, die sich dadurch auszeichnet, daß die Schwingungsrichtung des Glättwerkzeuges an der Kontaktstelle mit der Flächennormalen jedes Profilsabschnittes einen Winkel zwischen 45° und 90° bildet, ist aus DE 198 47 178 C2 bekannt. Obgleich also der Einsatz von Ultraschall für das Glätten von Holzwerkstoffen in den vorstehenden Schriften vorgeschlagen wird, kann man diesen Schriften keine Anregung entnehmen, wie die spezifischen Probleme beim Glätten länglicher, stabförmiger Holzwerkstoffe bewältigt werden können. In jedem Fall sind die vorbekannten Lösungen hierfür absolut ungeeignet.

Für Glättprozesse an Holz und Holzwerkstoffen, die auf der Wärmeentstehung durch Friktion (Reibungswärme) oder elektrische Energie (Beheizung) basieren, existieren labortechnisch erprobte Lösungsansätze. Das Erhitzen der Glättwerkzeuge auf Oberflächentemperaturen von 300...400°C stellt jedoch hohe Anforderungen an Werkzeugmaterial und Werkzeugspanung. Außerdem muß durch geeignete Konstruktion die Ableitung großer Wärmemengen in Führungselemente und Baugruppen der Bearbeitungsmaschine verhindert werden. Zusätzlich sind geeignete Maßnahmen zur Brandverhütung vorzusehen, da sich im industriellen Umfeld der Holzbearbeitung Stäube aus den spanenden Bearbeitungsprozessen unkontrolliert ablagern und praktisch nicht vollständig erfaßt werden können. Mit dem in DE 102 22 993 B3 vorgestellten Werkzeug liegt eine für weite Anwendungsfälle geeignete Problemlösung vor, die jedoch den speziellen Anforderungen, namentlich hinsichtlich der Produktivität und sicheren Reproduzierbarkeit, einer Bleistiftfertigung systemimmanent nicht entsprechen kann.

Auch die aus DE 198 47 178 C2 bekannte Vorrichtung zum Glätten von Oberflächen an Werkstücken aus Holz, die mit einem schneidenlosen ultraschallerregten Glättwerkzeug arbeitet, löst dies nicht. Obgleich angeregt wird, eine solche Vorrichtung, die sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, daß die Schwingungsrichtung des Glättwerkzeuges an der Kontaktstelle mit der Flächennormalen jedes Profilabschnittes des Werkstücks einen Winkel zwischen 45° und 90° bildet, auch für stabförmige Werkstücke zu nutzen, liegt keine für das anforderungsgerechte Glätten und Verdichten der Oberfläche von Bleistiften nacharbeitbare Lösung vor. Vor allem ist nicht aufgezeigt, wie der versprochene Erfolg reproduzierbar erreicht werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren zum Glätten und Verdichten der Oberfläche von Bleistiften vorgeschlagen werden, das es ermöglicht, einen nachhaltig stärkeren Glätteffekt und daraus eine Reduzierung der Aufwendungen für die Endbehandlung der Stifte (Lackierung) bei hoher Produktivität zu erreichen. Gleichzeitig soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgabe der Erfindung wird bzgl. des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruches 1 und bzgl. der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruches 2 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 3 bis 5.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum Glätten und Verdichten der Oberfläche von Bleistiften vorgesehen, bei dem Hochleistungs-Ultraschall in Form einer Grenzflächenreibung allseitig auf die Oberfläche der Werkstücke einwirkt. Die Grenzflächenreibung wird dadurch erzeugt, daß die Werkstücke Stoß an Stoß durch eine Sonotrode gefördert werden. Der Transport durch die Sonotrode erfolgt nach der spanenden Bearbeitung der Bleistiftrohlinge und vor der Beschichtung mit Lack und/oder Folien.

Zur Erzeugung der Grenzflächenreibung wird mit konstanten Frequenzen im Bereich von 16 bis 30 kHz und konstanten Leistungen von minimal 500 W gearbeitet, wobei der Leistungseintrag 0,1 bis 0,5 Ws/mm² beträgt. Die Geschwindigkeit, mit der die Bleistifte Stoß an Stoß durch die Sonotrode geschoben werden, ist gleichfalls konstant; der Wert hierfür bewegt sich im Bereich von 20 bis 200 mm/s.

Die Form des Querschnittes der Durchführungen entspricht mit geringer Toleranz dem Querschnitt der Bleistifte, nämlich ±0,01 mm². Vorzugsweise weist die Sonotrode zur Gewährleistung einer hohen Produktivität eine Vielzahl von Durchführungen, die zur Schwingungsrichtung des Ultraschalls längs und zueinander parallel angeordnet sind, auf. Zur Sicherung eines nachhaltigen Glätteffektes ist ihre Anzahl aber auf 20 beschränkt. Sowohl die Sonotrode als auch die Durchführungen weisen bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei die Außendurchmesser der Sonotrode (je nach Anzahl der Durchführungen) zwischen 40 und 120 mm und die Längen der Durchführungen (entspricht der Dicke der Sonotrode) zwischen 40 und 300 mm liegen.

Mit den oben vorgestellten Verfahrensschritten und Verfahrensparametern ist es erstmals möglich, den physikalischen Effekt der Grenzflächenreibung industriell umzusetzen. Zudem gelang es überraschenderweise bei der Vergütung von Laubhölzern mit geringer Rohdichte (wie z.B. Erle, Pappel, Linde) eine mit Harthölzern vergleichbare Oberflächenhärte reproduzierbar zu erzielen. Die Aufwendungen für eine anschließende Oberflächenbeschichtung einschließlich deren Vorbehandlungsstufen werden aufgrund der höheren Ausgangsgüte deutlich geringer. Speziell bei der Bleistiftfertigung können die bislang üblichen komplizierten Profilschleifverfahren bei gleichzeitiger Minderung der Anzahl und Dicke der Beschichtung wirtschaftlich vor teilhaft ersetzt werden – und dies bei Substitution traditioneller Holzarten durch Weichholzsortimente. Des weiteren ist das Verfahren unkompliziert handhabbar und die dazugehörige Vorrichtung einfach aufgebaut; im Gegensatz zum Thermoglätten entfallen externe Regelvorgänge zur Temperierung der Glättwerkzeuge und das Brandrisiko.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels weiter dargestellt; 1 zeigt hierfür in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die Vorrichtung besteht – wie bereits oben beschrieben – aus der Sonotrode 2 mit den Durchführungen 5, der Transporteinheit 3 einschließlich dem Stößel 4 sowie dem Ultraschall-Generator 1. Als Vorschubeinrichtung dient ein rollengelagerter Schlitten, der durch einen Pneumatikzylinder bewegt wird. Die abgelängten Bleistiftrohlinge werden auf einem Prisma positioniert und von einem Mitnehmer am Schlitten zur Durchführung (Bohrung) 5 in der Sonotrode 2 bewegt. Auf der inneren Mantelfläche der Bohrung der Sonotrode entsteht infolge der Grenzflächenreibung der Glätteffekt, so daß die auf der Gegenseite der Sonotrode austretenden Stifte geglättet sind.
Zum Glätten wird das erste Rundstabelement vom Mitnehmer soweit in die Bohrung eingeführt, daß es etwa bündig mit der dem Schlitten zugewandten Seite der Sonotrode abschließt. Das vollständige Durchstoßen des ersten Stiftes wird mit dem dann folgenden Stift erreicht. Die Taktzeit ist abhängig von der Positionierung der Rundstabelemente im Prisma und beträgt meist 5 s, wobei etwa 1 s als Zeit für das Durchstoßen erforderlich ist.

1: Ultraschallgenerator
2: Sonotrode
3: Transporteinheit
4: pneumatischer Stößel
5: Durchführungen/Bohrungen in Sonotrode

Claims

Verfahren zum Glätten und Verdichten der Oberfläche von Bleistiften, integriert im Prozeß der Herstellung nach der spanenden Bearbeitung der Bleistiftrohlinge und vor der Beschichtung der Bleistifte mit Lacken oder Folien, bei dem Hochleistungs-Ultraschall in Form einer Grenzflächenreibung, die mittels Transport der Werkstücke durch eine Sonotrode (2) erzeugt wird, auf die Oberfläche der Werkstücke einwirkt, wobei mit konstanten Frequenzen im Bereich von 16 bis 30 kHz und konstanten Leistungen von minimal 500 W gearbeitet wird und der Leistungseintrag 0,1 bis 0,5 Ws/mm² beträgt und die Bleistifte Stoß an Stoß mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit im Bereich von 20 bis 200 mm/s durch die Sonotrode (2) bewegt werden und zudem die Form des Querschnittes der Durchführungen (5) mit einer Toleranz von ±0,01 mm dem Querschnitt der Bleistifte entspricht und der Außendurchmesser der Sonotrode (2) zwischen 40 und 120 mm und die Länge der Durchführungen (5) zwischen 40 und 300 mm liegen.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Ultraschallaggregat, bestehend aus einem Ultraschall-Generator (1) und eine Öffnungen, gestaltet als Durchführungen (5), aufweisende Sonotrode (2) sowie zugehöriger Steuereinheit, und eine Transporteinheit (3), die den Transport der Bleistifte zur Sonotrode (2), durch die Sonotrode (2) und von der Sonotrode (2) weg realisiert, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (2) mehrere Durchführungen (5) aufweist, die zur Schwingungsrichtung des Ultraschalles längs und zueinander parallel angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (2) 1 bis 20 Durchführungen (5) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Sonotrode (2) als auch die Durchführungen (5) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.