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Die Erfindung betrifft ein Schneidmesser für eine Maschine zum Querperforieren
von Bahnen, vorzugsweise Papierbahnen, die eine umlaufende Messerwalze mit einer
zur Walzenachse koaxialen, aus mehreren Einzelmessern bestehenden Messeranordnung
und einen in dem Maschinenrahmen festen Gegenmesserhalter aufweist, in welchem die
den Einzelmessern auf der Messerwalze zugeordneten Gegenmesser mit ihrer Schneidkante
etwa längs einer Schraubenlinie angeordnet sind, deren Achse mit der Messerwalze
zusammenfällt.
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Bei dem inQuerrichtung,erfolgenden Durchtrennen von mit höher-'Geschwindigkeit
laufenden Bahnen, wie es beispielsweise beim Umwickeln von Toilettenpapier, Papierhandtüchern
u. dgl. der Fall ist, wird das Papier.mit hoher Geschwindigkeit auf der Papiermaschine
hergestellt und auf eine Mutterrolle aufgewickelt, welche einen Durchmesser von
180 cm und Längen bis zu 240 cm aufweisen kann. Um dieses Gut in marktgerechte Form
für den Einzelhandel zu bringen, muß es abgewickelt und dann in die üblichen kleinen
Rollen umgewickelt werden. Bei Toilettenpapier haben beispielsweise die kleinen
Rollen eine Länge von 10 bis 12 cm und sind in Querrichtung alle 10 bis 12 cm perforiert.
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Der Perforierungsvorgang stellte bisher eine ernsthafte Begrenzung
für die beim Umwickeln erreichbare Geschwindigkeit dar. Die nach dem Stand der Technik
bekannten Schneid- und Gegenmesser haben gerade Schneidkanten. Die Schneidkanten
der Gegenmesser bilden daher in ihrer Anordnung relativ zur Walzenachse keine exakte
Schraubenlinie, sondern einen der Schraubenlinie sich annähernden Streckenzug. Bei
dem Schneidvorgang, der eine fortschreitende Punktberührung der Kanten der umlaufenden
Schneidmesser mit den Kanten der stationären zugeordneten Gegenmesser darstellt,
war daher die Uberlagerung der Schneiden und damit die für den Trennvorgang notwendige
Kontaktkraft längs der gesamten Schneidkante der Messer nicht konstant. Waren die
Messer richtig eingestellt, um über ihre ganze Eingriffslänge zu schneiden, so betrug
die Kontaktkraft in der Mitte der Schneidkanten wegen der dort vorliegenden größten
Abweichung des. Streckenzuges von! einer exakten Schraubenlinie mehr als das Doppelte
der Kontaktkraft an- den Messerenden. Die Messermitten wurden somit unnötig schweren
Kontaktkräften ausgesetzt, welche den Verschleiß .der Schneidmesser und der Gegen-,
_ messer vergrößerten und dazu -rührten,: daß 'die Schneidmesser schweren Biege-.
und Vibrationskräften ausgesetzt waren.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Schneidmessers,
bei welchem während der Punktberührung mit ' dem Gegenmesser längs der gesamten
Schneidkante eine konstante Kontaktkraft auftritt und welche deswegen -eine hohe
Bahngeschwindigkeit während des Perforationsvorganges erlaubt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Schneidmesser der
vorstehend beschriebenen Art gelöst, welches sich dadurch kennzeichnet, daß die
Schneidkanten der Einzelmesser und/oder Gegenmesser konkav verlaufen. Hierdurch
- wird die Abweichung des Verlaufs der Gegenmesserkanten von einer exakten Schraubenlinie
kompensiert.
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In weiterer vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ist der Scheitel
der konkaven Krümmung mittig zur Messerlängsseite angeordnet.
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"Vorzugsweise verläuft die konkave Krümmung symmetrisch zur Halbierenden
der Messerlängsseiten.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn die konkave Krümmung in der Nähe
der Messerenden einen kleineren Krümmungsradius aufweist als in -der Messermitte.
Dadurch wird die größere Elastizität der Schneidkanten an den Messerenden, welche
ebenfalls Einfluß auf die Kontaktfläche hat, kompensiert.
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. Zweckmäßigerweise sind längs der Schneidkanten im Abstand voneinander
sich in Umfangsrichtung erstreckende Kerben angeordnet. Diese bewirken, daß die
Papierbahn beim Perforieren nicht vollständig durchtrennt wird, sondern durch Stege
zusammengehalten wird.
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Eine besonders günstige Schneidgeschwindigkeit ergibt sich bei einem
Steigungswinkel der Schraubenlinie entsprechend einer axialen Versetzung von Schneid-
und Gegenmesser von etwa 10 mm pro 12 cm Messerlänge.
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Die Erfindung soll im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert
werden. DieZeichnungen zeigen in F i g. 1 eine teilweise -geschnittene Ansicht einer
bekannten Umwickelmaschine, die sich für die Anwendung der erfindungsgemäßen Messeranordnung,
insbesondere zur Querperforierung einer mit hoher Geschwindigkeit laufenden Bahn,
eignet, F i g. 2 eine Draufsicht auf die in F i g. 1 gezeigte bekannte Messeranordnung,
insbesondere die Anordnung der Gegenmesser, F i g. 3 eine Seitenansicht der Anordnung
nach Fig.2, F i g. 4 eine Teilansicht der Messerwalze nach F i g. 1 in schematischer
Darstellung, wobei die Lage der Schneidmesserkanten relativ zur Lage der Gegenmesserkanten
gezeigt ist, F i g. 5 eine vergrößerte, teilweise geschnittene Teilansicht der in
F i g. 1 und 4 dargestellten Schneidmesser nach der Erfindung, F i g. 5a eine perspektivische
Darstellung, die die Zuordnung der Messer der Messerwalze zu dem Gegenmesser gemäß
der Erfindung erkennen läßt, F i g. 6 einen Teilschnitt durch die Schneidmesseränordnung
nach F i g. 5, F i g. 7 eine Teilansicht eines der Messer nach F i g. 5 mit einer
Darstellung der 'verschiedenen Konstruktionslinien zur Verdeutlichung der Arbeitsweise,
F i g. 8 eine Seitenansicht des Messers nach F i g. 7 und in F i g. 9 eine schematische
Ansicht der Messerschneidkante der Messerwalze.
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In den Zeichnungen und insbesondere in F i g. 1 bezeichnet das Bezugszeichen
10 insgesamt eine Messerwalze, während mit dem Bezugszeichen 11
insgesamt
ein Gegenmesserhalter angedeutet ist. Diese an sich bekannten Elemente bilden einen
Teil einer Umwickelmaschine. Im Interesse einer kurzen Fassung und zum besseren
Verständnis wurden bekannte Rahmeneinzelheiten in den Zeichnungen weggelassen; man
erkennt jedoch, daß die Walze 1.0
in geeigneter Weise in einem Rahmen F für
eine Drehbewegung gelagert ist, wenn sie sich in -teilweisem Eingriff mit einer
mit ihr laufenden Bahn
befindet, wobei der Rahmen Fauch den Gegenmesserhalter
11 trägt. Die Messerwalze wird durch Zahnräder od.. dgl.,. wie bei
10 a (F i g. 4) angedeutet, angetrieben. Die Messerwalze 10 ist mit einer
Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden, über den Umfang im Abstand angeordneten
Ausnehmungen 12 versehen. Jede Ausnehmung liefert eine längliche Lagerfläche 13,
auf der ein biegsames Einzelmesser 14 im Abstand von der Schneidkante 14 a festgeklemmt
ist. Das Schneidmesser wird mit Hilfe eines Klemmblockes 15 auf der Lagerfläche
13 gehalten und ist so angeordnet und bemessen, daß es etwas über den Umfang der
Walze 10 vorsteht. Die Ausnehmung 12 weist einen zusätzlichen ausgesparten Teil
16 auf, welcher das Messer für eine Durchbiegung freigibt, wenn es mit dem
in sich starren, auf dem Gegenmesserhalter festgeklemmten Gegenmesser 17 in Eingriff
kommt.
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Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, sind die Messer 14 mit ihren Schneidkanten
14 a parallel zur Achse der Walze 10 angeordnet, während die Schneidkanten 17 a
der Gegenmesser 17 annähernd eine Schraubenlinie beschreiben. Der Winkel zwischen
der Gegenmesserschneidkante und der Messerwalzenachse ist der Steigungswinkel 0
der Schraubenlinie und in F i g. 4 eingetragen. Die Messeranordnung .bringt einen
fortschreitenden Punktkontakt zwischen den Schneidmessern und den Gegenmessern zustande,
wobei die Uberlagerung zwischen den Messern in Abhängigkeit von der Art der zu zertrennenden
Bahn und der Schärfe der Messerschneidkanten eingestellt ist. Somit berührt jedes
Schneidmesser 14 das zugeordnete Gegenmesser 17 an nur einer Stelle in einem gegebenen
Augenblick, und diese Punktberührung schreitet über die Länge der beiden einander
zugeordneten Messer fort. Wichtig ist dabei, daß das Gegenmesser 17, verglichen
mit dem Schneidmesser 14, in sich starr und längs seiner ganzen Fläche eingespannt
ist, während das dünnere Schneidmesser nur mit seinem Fuß festgeklemmt ist.
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Die Gegenmesser 17 sind in der gezeigten Form längs einer Schraubenlinie
angeordnet, so daß nur jeweils ein Gegenmesser mit dem ihm zugeordneten Schneidmesser
im Eingriff steht. Die Gegenmesser können aber auch so angeordnet sein, daß jeweils
zwei oder mehr einzelne Gegenmesser gleichzeitig mit den ihnen zugeordneten Schneidmessern
im Eingriff stehen. Nichtsdestoweniger findet zwischen jedem Gegenmesser und dem
ihm zugeordneten Schneidmesser in jedem Augenblick nur Punktberührung statt.
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Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, weist das Schneidmesser
Kerben 18 (vgl. F i g. 5) auf, um in den Trennungsschnitten der Bahn Verbindungsstege
stehen zu lassen. Diese Kerben können sich aber auch statt dessen in der Gegenmesserschneide
befinden. Das Ergebnis dieser Kerben sind die bekannten Perforationsschnitte, wie
man sie auf Toilettenpapier und Papierhandtuchrollen findet.
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Das erfindungsgemäße Schneidmesser ist vergrößert in den F i g. 5
bis 7 und perspektivisch in der F i g. 5 a dargestellt und kennzeichnet sich durch
eine mittig angeordnete konkave Krümmung 19 der Messerschneide 14. Diese wird in
bekannter Weise durch Hohlschleifen einer oder beider der dünneren Längskanten des
Messers hergestellt.
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Nach dem Stand der Technik weisen Schneid-und Gegenmesser bisher gerade
Schneidkanten auf. Demzufolge bildeten die Gegenmesserschneidkanten nicht Teilstücke
einer exakten Schraubenlinie, sondern die dazugehörige Profilsehne. Folglich fand
deshalb bei dem Eingriff des biegsamen Schneidmessers mit dem Gegenmesser die geringste
Uberlagerung zwischen den Messern an- den Stellen statt, wo die von der Gegenmesserkante
gebildete Profilsehne die exakte Schraubenlinie berührte, nämlich an den Messerenden,
und eine größere Uberlagerung fand an den Punkten statt, wo die Profilsehne am meisten
von einer exakten Schraubenlinie abweicht, nämlich in der Messermitte. Man hat festgestellt,
daß aus diesem Grunde und weil die Schneidmesser an ihren Enden elastischer als
in der Mitte sind, die Kontaktkraft in der Messermitte mehr als das Doppelte der
Kontaktkraft an den Messerenden beträgt, wenn die Messer richtig eingestellt sind,
um über ihre ganze Kontaktlänge zu schneiden. Bei dieser Einstellung genügt der
Betrag der Kontaktkraft am Ende des Messers zum Zertrennen der Bahn. Somit werden
die Mitten der Messer unnötig großen Kontaktkräften ausgesetzt, welche lediglich
den Verschleiß an den Schneid- und Gegenmessern vergrößern und dazu führen, daß
die Gegenmesser schweren Biege-und Vibrationskräften ausgesetzt sind.
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Es hat sich gezeigt, daß die eingebuchtete Grundform -des Schneidmessers
dazu beiträgt, eine annähernd konstante Kontaktkraft zwischen dem Schrieidmesser
14 und dem entsprechenden Gegenmesser 17 längs allen Punkten der gegenseitigen Berührung
aufrechtzuerhalten, wobei die Messer 14 und 17, wie aus F i g. 4 ersichtlich ist,
parallel zueinander angeordnet sind. Ähnlich wirkungsvolle Ergebnisse einer konstanten
Kontaktkraft zwischen den Messern 14 und 17 erhält man, indem man
das Gegenmesser in ähnlicher Weise, jedoch mit anderem Schneidkantenverlauf, hohlschleift.
Ferner können die Vorteile der Erfindung durch beiderseitig angepaßtes Hohlschleifen
der einander angeordneten Schneid- und Gegenmesser verwirklicht werden.
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Bei der Erzielung eines optimalen Schneidkantenverlaufs hat das Hohlschleifen
zwei Aufgaben. Einmal muß es die Tatsache berücksichtigen, daß die gerade Schneidkante
des Gegenmessers keine exakte Schraubenlinie darstellt, sondern nur eine Annäherung
an sie. Bei einem geraden Messer verursacht dies eine stärkere Messerauslenkung
und damit eine größere Kontaktkraft in der Mitte des Messers als an den Messerenden.
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Zweitens muß es die Tatsache berücksichtigen, daß zur Erzeugung einer
bestimmten Auslenkung des Messerendes eine geringere Kraft erforderlich ist als
zur Auslenkung der Messermitte um denselben Betrag. Da das Messer in der Mitte steifer
als an den Enden. ist, muß der Betrag der Auslenkung, welche durch die Uberlagerung
zwischen Schneidmesser und Gegenmesser erzeugt wird, in der Mitte des Messers kleiner
als an den Messerenden sein, wenn die Kontaktkraft an beiden Stellen gleich groß
sein soll.
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Außerdem sind bei der Bestimmung der genauen Tiefe und des Verlaufs
der Schneidkantenkrümmung zur Erzielung der gewünschten Ergebnisse verschiedene
Variable zu beachten. Es handelt sich dabei um: 1. den Steigungswinkel 0 (F i g.
4, 9) der von den Gegenmessern gebildeten Schraubenlinie - je
größer
dieser Steigungswinkel ist, um so tiefer muß .der- erforderliche Hohlschliff sein,
2. den Montagewinkel (-(F i g. 1) der Schneidmesser, 3. den Abstand d (F
i g. 6), um den das Schneidmesser aus der Klemmvorrichtung in der Messerwalze vorsteht,
4. den Radius RR von der Achse der Messerwalze bis zur Schneidkante des Walzenmessers
und 5. die Kontaktkraft zwischen Schneid- und Gegenmesser, die erforderlich ist,
um die Bahn zufriedenstellend zu zertrennen, und die von dem Steigungswinkel 0 der
Schraubenlinie und der Dicke der zu zertrennenden Papierbahn abhängt.
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Die Variable 0, d. h. der Steigungswinkel der Schraubenlinie der Gegenmesser,
ist besonders wichtig bei Betrieb mit hoher Geschwindigkeit, d. h., wenn die Perforationsmaschine
mit Geschwindigkeiten über 60 mJMin. betrieben wird. Es hat sich herausgestellt,
daß die bei hohen Geschwindigkeiten auftretenden Messerfehler unmittelbar auf das
rasche Weiterwandern des belasteten Berührungspunktes längs der Schneidkante des
Schneidmessers zurückzuführen waren - weniger auf die Biegebeanspruchungen des Schneidmessers
an der Einspannstelle. Durch die Vergrößerung des Steigungswinkels kann die Wanderungsgeschwindig-
Dabei ist R = der Radius des Hohlschliffes zum Ausgleich dafür, daß die Gegenmesserkante
kein Teilstück einer exakten Schraubenlinie ist, Lß = die Eingriffslänge einer Schneidmesserkante,
RR = der Abstand einer Schneidmesserkante von der Achse der Messerwalze, A = die
Versetzung der Gegenmesserkante zur Bildung des Steigungswinkels der Schraubenlinie,
l) = der Winkel (F i g. 1) zwischen der Schneidmesserebene und einer die Messerkante
enthaltenden axialen Schnittebene, gemessen in einer radialen Schnittebene der Messerwalze
- d. h. der Montagewinkel des Schneidmessers C-) nach F i g. 1. Dieser Winkel beträgt
bei optimalen Betriebsbedingungen 45°.
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Der zusammengesetzte Schliff 19 wird durch eine additive Oberlagerung
des Hohlschliffes auf dem Radius R mit einem flacheren Schliff
20 (vgl. F i g. 7) zum Ausgleich der besonderen Elastizität der Messerenden
erreicht. Die besondere Elastizität der Messerenden wird also dadurch ausgeglichen,
daß die Messerenden weiter von der Messerwalze vorstehen keif des belasteten Eingriffspunktes
längs der Schneidkante verringert werden; d. h., je größer der Winkel 0 ist, um
den die Verbindungslinie der Gegenmesserschneidkanten von einer Parallelen zur Messerwalzenachse
abweicht, um so geringer ist die Wanderungsgeschwindigkeit des belasteten Eingriffspunktes
längs der Schneidkante. Früher betrug beispielsweise der Steigungswinkel 0 etwa
5 mm pro 10 bis 11 cm Länge. Die Länge von 10 bis 11 cm wurde deshalb gewählt, weil
es sich hier um die Breite einer Toilettenpapierbahn handelt und man damit eine
optimale Messerlänge erhält. Bei einem Steigungswinkel 0 von 5 mm pro 10 bis 11
cm Länge kann die Perforationsmaschine zufriedenstellend mit einer Geschwindigkeit
bis zu 50 bis 60m pro Minute laufen, wobei die Spitzengeschwindigkeit von der erforderlichen
Schneidkraft abhängt. Wird der Steigungswinkel vergrößert, um die Betriebsgeschwindigkeit
zu erhöhen, führt die stärkere Abweichung der Gegenmesserlinie von einer echten
Schraubenlinie zu einem übermäßigen Schneidmesserverschleiß und zu einem vorzeitigen
Schneidmesserbruch. Jedoch beseitigte der größere Steigungswinkel der Schraubenlinie
den vorher nicht vermeidbaren unmittelbaren Bruch der Schneidmesser bei höheren
Geschwindigkeiten.
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Um die Abweichung der Gegenmesserschneidkante von einem exakten Schraubenlinienstück
auszugleichen, ist das Schneidmesser 14 auf einem Radius R hohlgeschliffen,
welcher sich durch die folgende Formel errechnet: und sich stärker mit dem Gegenmesser
überlagern als der Mittelteil, wodurch sich eine gleichmäßige Schneidkraft längs
der gesamten Schngidmesserkante ergibt. Das Schneidmesser 14 kann zur leichteren
Herstellung und Montage an den Enden Abflachungen 21 aufweisen. Jedoch erstreckt
sich der Schliff 19 im wesentlichen längs einer stetigen Krümmung, deren Scheitel
mittig zur Messerlängsseite liegt, über die gesamte Länge des Messers.
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Wie man aus F i g. 7 erkennt, kann das Messer längs einer Seite .oder,
wie aus F i g. 5 ersichtlich, längs beider Seiten geschliffen sein, wenn es zwei
Schneidkanten aufweisen soll, um nach Stumpfwerden einer Schneidkante umgekehrt
zu werden. Ist nur eine Schneidkante erforderlich, dann kann die Hohlschliffkontur
etwas abgeschrägt sein, wie man aus F i g. 6 erkennt.
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Die Schneidmesser 14 sind vorzugsweise aus Schnelldrehstahl
hergestellt. Die maximale Abweichung von der geraden Schneidkante ergibt sich für
ein 12 cm langes, 0,8 mm dickes und an den Enden 22,2 mm breites Messer in der Mitte
seiner Längsseite zu 0,19 mm für einen Steigungswinkel 0 von 10,16 mm pro 12 cm
Länge und einen Umfang der Messerwalze von 68,6 cm. Mit anderen Worten beträgt die
Breite des Messers in der Mitte 22,2 minus 2mal 0,19 = 21,8 mm. Für einen größeren
Steigungswinkel
wird eine größere Tiefe des Hohlschliffes entsprechend der oben angegebenen Gleichung
verweaidet. Die Dicke der Kerben 18 liegt bei etwa 0,2 cm, d. h. in der Größenordnung
von 111z bis 2 Messerdicken. Normalerweise weist jedes Messer 29 Kerben auf.