DE3739792A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von schneide- oder praegewerkzeugen sowie schneide- oder praegewerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstel­ len von Schneide- oder Prägewerkzeugen, insbesondere für Rotationsmaschinen, bei dem die Schneide- oder Prägekante eines Werkzeugs bildendes Metall auf einen metallischen Werkzeugkör­ per durch Verschweißen befestigt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 31 50 845 zur Herstellung von Stanzwerkzeugen bekannt. Das die Schneidkante bildende Metall wird als Auflageschicht im Lichtbogenschweißen auf einen den Werkzeugkörper bildenden Basiskörper aufgebracht und danach erfolgt eine Nachbearbeitung, durch die die gewünschten genauen Abmessungen der Stanzkante hergestellt werden. Die Nachbearbeitung erfolgt mittels eines Laser- oder Plasmaschneidverfahrens oder mit einem Schneiddraht mittels eines Elektroerosionsverfahrens. Das großflächige Aufbringen von Auflagemetall und das Nacharbeiten sind jeweils sehr aufwendig. Das bekannte Verfahren ist auch nur dann vorteilhaft praktikabel, wenn das Werkzeug eine die Nachbearbeitung in einfacher Weise gestattende tiefere Formausnehmung hat. Solche Formausnehmungen sind vornehmlich dann vorhanden, wenn der zu bearbeitende Werkstoff im Augenblick des Schneidens oder Prägens bzw. Stanzens ruht und die Ausnehmung den Patrizenteil der Stanzform aufnimmt. Bei Werkzeugen für Rotationsmaschinen sind derartige Ausnehmungen entschieden weniger tief, dafür aber großflächiger. Dementsprechend ist ein Herausarbeiten von Ausnehmungswerkstoff beispielsweise nach dem Elektroerosions­ verfahren besonders aufwendig. Um diesen Aufwand zu vermeiden, ist es aus der DE-OS 36 19 765 bereits bekannt, auf bogen- oder bandartiges Material für Rotationsschneidwerkzeuge Material­ wulste mittels Mikropulverisation aufzutragen und sodann durch Elektroerosion so zu bearbeiten, daß sich die gewünschte Elektrodengeometrie ergibt. Auch in diesem Fall muß also grundsätzlich eine Nachbearbeitung vorhandenen Materials erfolgen, um Schneide- bzw. Prägekanten herzustellen. Außerdem erfordert das Verfahren der Mikropulverisation eine ständige Anpassung des Arbeitsganges an die gewünschten Werkstoff- und Schneideigenschaften der herzustellenden Schneide- oder Prägewerkzeuge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Schneide- oder Prägekanten der Schneide- oder Prägewerkzeuge mit herkömmlichen Verfahren unter Verwendung einfacher Mittel hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als kantenbildendes Metall den Kantenquerschnitt aufweisender Draht verwendet wird, der mit dem Werkzeugkörper zumindest auf einer Seite des Draht­ querschnitts verschweißt wird.

Für die Erfindung ist in erster Linie von Bedeutung, daß vorgeformter Draht verwendet werden kann, welcher die Schneide- oder Prägekante des Werkzeugs bildet. Derartiger vorgeformter Draht steht in praktisch allen gewünschten Querschnitten und Abmessungen als Handelsprodukt zur Verfügung, so daß die Herstellung der Werkzeuge von daher überhaupt kein Problem bildet. Auch der Werkstoff des Drahts kann so gewählt werden, daß er den Beanspruchungen beim Schneiden oder Prägen gewachsen ist. Das gilt insbesondere für Werkzeuge von Rotationsmaschinen, welche dem Stanzen bzw. Falzen von Papier, Kartonagen oder anderen Verpackungsmaterialien dienen, sowie für die Verarbei­ tung von Kunststoffen und Verbundfolien. Müssen besondere Anforderungen an die Dauerhaltbarkeit der Schneide- bzw. Prägekanten gestellt werden, so können für den Draht spezielle Werkstoffe gewählt werden, welche diese Bedingungen erfüllen. Andererseits kann der Werkzeugkörper aus preiswertem Werkstoff bestehen, so daß sich die Materialkosten für die Werkzeuge in Grenzen halten lassen. Es ist damit möglich, die Verschweißung in Längsrichtung auf einen oder beide Seitenbereiche des Draht­ querschnitts zu begrenzen und dort kontinuierlich oder punkt­ förmig zu verschweißen.

Vorteilhafterweise wird Laserstrahlung zum Verschweißen verwendet. Diese hat den Vorteil, daß sie der gewünschten Ver­ bindungsfestigkeit entsprechend ausreichend starke Schweißener­ gie zur Verfügung stellt, andererseits aber auch die Schweiß­ energie auf bestimmte Bereiche begrenzt zur Verfügung zu stellen erlaubt. Herkömmliche Laser gestatten ohne weiteres, die gewünschte Strahlenergie und Strahlgeometrie zur Verfügung zu stellen. Statt des Verschweißens mittels Laserstrahlung können andere Schweißverfahren dann eingesetzt werden, wenn sie die erforderliche Schweißenergie auf die gewünschten Füge­ bereiche begrenzt zu liefern vermögen. Hier kommen Verfahren in Betracht wie Elektronenstrahlschweißen, Mikroplasmaschweißen und gepulstes Widerstandspreßschweißen.

Weiterhin ist vorteilhaft, wenn ein Draht verwendet wird, der eine Ebene oder eine der Oberflächenform des Werkzeugkör­ pers angepaßte Auflagefläche hat. Es kann eine verbesserte Haftung des Drahts auf dem Werkzeugkörper erreicht werden, auch weil grundsätzlich eine zweiseitige Verschweißung möglich ist.

In Ausgestaltung der Erfindung wird eine Strahlsteuerung verwendet, mit der das dem jeweiligen Drahtquerschnitten angepaßte Verschweißen des Drahtes mit dem Werkzeugkörper erfolgt und/oder ein Abschneiden des Drahts. Die Strahl­ steuerung wird also herangezogen, um das jeweils zweckmäßigste Verschweißen des Drahtes mit dem Werkzeugkörper zu erreichen und kann auch dazu benutzt werden, den Draht abzuschneiden.

Es erfolgt ein aufschmelzfreies Härten der Schneide- oder Prägekanten, indem die Strahlenergie im Kantenbereich gesteuert wird oder indem die zur Härtung erforderliche Energie durch Zu­ fluß aus der Schweißzone zur Verfügung gestellt wird.

Das Härten mittels Laserstrahlung erfolgt beispielsweise abwechselnd mit dem Schweißen während eines kontinuierlichen relativen Vorschubs zwischen dem Draht und dem Werkzeug einerseits und der Schweißstelle bzw. dem Laserstrahl anderer­ seits. Dabei ist es möglich, einen oder mehrere Laserstrahlen relativ so zu bewegen, daß trotz eines kontinuierlichen Vorschubs einer längsdurchlaufenden Schweißverbindung wie auch ein vollständiges Härten einer Kante erfolgt. Wenn eine derartige, mit Strahlsteuerung erfolgende Härtung nicht möglich oder nicht erforderlich ist, die also in einem zusätzlichen Arbeitsgang erfolgt und Freiheiten bei der Wahl der Schweiß­ parameter läßt, kann die Härtung erfolgen, indem die dafür erforderliche Energie aus dem Bereich der Schweißzone zur Verfügung gestellt wird.

Zur Vereinfachung der Schweißeinrichtung bzw. des Lasers wird der Draht mit einem einzigen Laserstrahl abwechselnd auf beiden Seiten seines Querschnitts mit dem Werkzeugkörper verschweißt. Hierzu wird die Strahlsteuerung herangezogen, welche die beidseitige Verschweißung erlaubt, entweder bei kontinuierlichem Relativvorschub oder bei abschnittsweisem Vorschub der miteinander zu verbindenden Werkzeugteile.

Die vorbeschriebenen Verfahren erlauben eine Herstellung des Werkzeugs auf einer CNC-gesteuerten Anlage ohne weitere Zwischenschritte bis zum Endprodukt.

Eine Vorrichtung zum Verfahren nach der Erfindung ist da­ durch gekennzeichnet, daß eine Drahtzuführungseinrichtung vorhanden ist, die ein den Draht zu der jeweiligen Bahnkurve tangential auf die Oberfläche des Werkzeugkörpers verlegendes Führungselement aufweist. Mit dieser Drahtzuführungseinrichtung kann der mit dem Werkzeugkörper durch Verschweißen zu verbin­ dende Draht in eine Lage gebracht werden, in der das Verschweis­ sen mit einer wenig aufwendigen Strahlsteuerung des Lasers möglich ist. Bei längeren Schneide- oder Prägekanten bzw. bei größerer Werkzeugerstreckung wird zweckmäßigerweise der Werkzeugkörper relativ zur Drahtzuführungseinrichtung bzw. zu dessen Führungselement bewegt. Die hierzu erforderliche Steuereinrichtung zur Positionierung des Werkzeugkörpers kann mit herkömmlichen Mitteln sehr genau erfolgen, beispielsweise mit einem Kreuzschlittentisch, und der Aufbau der Drahtzu­ führungseinrichtung wird nicht durch sonst erforderliche Steuereinrichtungen kompliziert.

Die Vorrichtung hat vorteilhafterweise einen Laser mit einer gesteuert beweglichen Fokussierungsoptik, die eine Verkippung des Strahlengangs aus dem Zentrum des Drahtauslaufs der Zuführungseinrichtung heraus auf beide Seiten des Drahts erlaubt. Die Strahlverkippung kann mittels der Strahlsteuerung problemlos programmiert werden, wobei die jeweilige Steuerung geänderten Geometrien der Werkzeuge oder der Verbindungsbedin­ gungen in einfacher Weise angepaßt werden kann.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Schneide- oder Prägewerkzeug, insbesondere für Rotationsmaschinen, mit einem metallischen Werkzeugkörper, an dem Schneide- oder Prägekanten aus Metall durch Verschweißen befestigt sind, wobei das kantenbildende Metall den Kantenquerschnitt aufweisender Draht ist. Dieser Draht ist in vorbeschriebener Weise den gewünschten Abmessungen und Werkstoffeigenschaften entsprechend einfach herzustellen und mit dem metallischen Werkzeugkörper durch Verschweißen zu verbinden, so daß ein derartiges Werkzeug besonders preiswert ist. Mit derartigen Werkzeugen kann der Einsatz von Rotationsmaschinen für das Schneiden und Prägen von Papier, Kartonagen und dergleichen in erheblichem Maße erweitert und vereinfacht werden.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1, 2 vorgefertigte und mit einem Werkzeugkörper ver­ schweißte Drähte,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Drahtzuführungseinrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 4, 5 die Schnitte IV, V bzw. die entsprechenden An­ sichten der Fig. 3.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Schneide­ werkzeug, das aus einem Werkzeugkörper 1 und einem Draht 2 besteht. Der Werkzeugkörper 1 ist beispielsweise ein Blech, das aus ferromagnetischem Werkstoff besteht, so daß es auf einem magnetischen Rotationszylinder angebracht werden kann. Der Draht 2 ist dreikantig und liegt mit einer Auflagefläche 3 auf der Oberfläche 4 des Werkzeugkörpers 1 auf. Der Draht 2 hat eine Schneidekante 5, besitzt also den erforderlichen Kanten­ querschnitt. Es versteht sich, daß dieser Querschnitt von dem dargestellten auch abweichen kann. Beispielsweise können Drähte mit anderem spitzen Winkel 6 verwendet werden, oder der Drahtquerschnitt ist in besonderer Weise zur Befestigung auf dem Werkzeugkörper 1 ausgebildet.

Die Befestigung des Drahtes 2 auf dem Werkzeugkörper 1 er­ folgt durch Verschweißen. Fig. 1 zeigt zwei Schweißnähte 7, welche den Draht 2 auf beiden Seiten seines Querschnitts mit dem Werkzeugkörper 1 verbinden. Die Schweißnaht 7 ist kontinu­ ierlich durchlaufend dargestellt, sie kann jedoch auch aus einer Folge mit Abstand voneinander angeordneter Schweißpunkte bestehen, wenn diese den Anforderungen einer hinreichenden Befestigung des Drahts 2 an dem Werkzeugkörper 1 genügen.

Aufgrund seiner scharfen Kante 5 ist das in Fig. 1 darge­ stellte Werkzeug für Schneideaufgaben bestimmt, also beispiels­ weise zum Schneiden von Papier, Kunststoff und Verbundfolien.

Das in Fig. 2 in einer der Fig. 1 ähnlichen Weise dargestellte Prägewerkzeug hat einen Draht 2, der einen halbkreisförmigen bzw. kreissektorförmigen Querschnitt aufweist. Es ist also keine Schneidekante, sondern eine Prägekante 5′ vorhanden und dieses Werkzeug wird daher vorzugs­ weise zum Falzen von Papier und Kartonagen eingesetzt. Im übrigen gelten für seine Befestigung auf dem Werkzeugkörper 1 die vorstehenden, zu Fig. 1 gemachten Angaben.

Fig. 3 zeigt die Hauptkomponenten einer Vorrichtung zur Herstellung von Schneide- und Prägewerkzeugen gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung. Der auf eine Vorrats­ rolle 8 aufgewickelte Draht 2 wird einer Drahtzuführungsein­ richtung 9 zugeleitet und gelangt von dort zu einer Schweiß­ einrichtung 23, die den Draht 2 mit dem Werkzeugkörper 1 verschweißt, der in Fig. 3 ein Blech ist. Beide Drähte 2 der Fig. 1, 2 haben eine der Oberflächenform der Oberfläche 4 des Werkzeugkörpers 1 angepaßte Auflagefläche 3, in dem darge­ stellten Fall eine Ebene. Die Drahtzuführungseinrichtung 9 weist ein Führungselement 10 auf, mit dem der Draht 2 auf der Oberfläche 4 des Werkzeugkörpers 1 verlegt wird. Die Verlegung erfolgt derart, daß der Draht 2 dieser Oberfläche parallel verläuft, wobei der untere, dem Werkzeugkörper 1 nahe Bereich des Führungselements 10 von einem Druckstück 11 gebildet ist, welches am Führungselement 10 auswechselbar befestigt ist, wobei die Befestigungsmittel nicht näher dargestellt sind und die Auswechselbarkeit lediglich durch die Trennfuge 12 in den Fig. 3, 4 charakterisiert wird. Die Auswechselbarkeit des Druckstücks ist erforderlich, falls sich der Querschnitt des auf den Werkzeugkörper 1 zu pressenden Drahts 2 ändert. Zwar mag die in Fig. 4 angegebene Profilierung des Druckstücks 11 ausreichend sein, um den dreieckigen Draht 2 der Fig. 1 und den halbrunden Draht 2 der Fig. 2 in ausreichendem Maße zu führen und mit Druck zu beaufschlagen. Es sind jedoch Drahtquerschnit­ te denkbar, die von dem dargestellten Führungsprofil nicht mehr hinreichend führbar sind, so daß sich daraus die Notwendigkeit der Auswechselung des Druckstücks 11 ergibt.

In Fig. 3 zeigt der Pfeil 13, daß der Werkzeugkörper 1 re­ lativ zur Drahtzuführungsrichtung 9 bzw. zum Führungselement 10 in den angegebenen Richtungen 13 bewegt werden kann. Dies ist im Zusammenhang mit der Drehbeweglichkeit des Führungselements 10 zu sehen, die durch den Pfeil 14 charakterisiert wird. Außerdem kann der Werkzeugkörper 1 auch noch in den Richtungen des Pfeils 15 gemäß Fig. 4 bewegt werden. Daraus ist insgesamt ersichtlich, daß die Drahtzuführungseinrichtung 9 den Draht 2 zu der jeweiligen Bahnkurve tangential verlegen kann, so daß der Draht 2 die dieser nicht dargestellten Bahnkurve ent­ sprechende Lage auf dem Werkzeugkörper 1 einnimmt. Dazu müssen die Bewegungen 13, 15 des Werkzeugkörpers 1 und die Drehbewe­ gungen 14 der Drahtzuführungseinrichtung 9 entsprechend koordiniert werden, was mit üblichen Bahnsteuerungstechniken möglich ist.

Die Drahtzuführungseinrichtung 9 weist desweiteren noch eine Drahtabschneideeinrichtung 16 auf, die ein in üblicher Weise geführtes und gesteuertes Trennmesser 17 und einen im Druckstück 11 vorhandenen Eingriffsschlitz 24 für das Trenn­ messer 17 hat. Die Drahtabschneideeinrichtung 17 ist in nicht dargestellter Weise so gestaltet, daß ihre Schnittebene gegen­ über der Drahtachse schwenkbar ist, um Gehrungsschnitte ausführen zu können.

Durch die Drahtzuführungseinrichtung 9 bzw. deren Druckstück 11 ist der Draht 2 derart gegen den Werkzeugkörper 1 gepreßt, daß er im Bereich der Schweißeinrichtung 23 fest aufliegt. Er ist also in seiner Schweißposition exakt geführt, wozu die abgeflachte bzw. der Oberflächenform des Werkzeug­ körpers 1 angepaßte Auflagefläche 3 beiträgt. Die Schweißein­ richtung 23 besteht aus einem Laser, der entweder kontinuier­ lich arbeitet, vorzugsweise aber gepulst ist. Von diesem Laser ist lediglich die Fokussierungsoptik 18 in Gestalt einer schematisch dargestellten Sammellinse dargestellt, die den Laserstrahl 19 auf die Schweißstelle so bündelt, daß der Brennpunkt des Laserstrahls 19 im Zentrum 20 des Drahtauslaufs 20 der Drahtzuführungseinrichtung 9 liegt. Das ergibt sich insbesondere aus Fig. 5. Diese zeigt, daß die Fokussie­ rungsoptik 18 verkippt werden kann und beispielsweise die strichpunktierte Schräglage einzunehmen vermag. In dieser Schräglage strahlt der Laserstrahl 19 auf den linken Fußbereich 21 des Drahts 2 und die diesem benachbarte freie Oberfläche 4′ des Werkzeugträgers 1. Bei entsprechender Steuerung der Energiezufuhr ergibt sich an dieser Stelle eine Schweißver­ bindung zwischen dem Draht 2 und dem Werkzeugkörper 1. In Fig. 5 deutet der Doppelpfeil 22 die Schwenkbeweglichkeit der Fokussierungsoptik 18 in beiden Pfeilrichtungen an, so daß der Laserstrahl 19 auch auf den rechten Fußbereich des Drahts 2 und die diesem benachbarte Oberfläche des Werkzeugkörpers 1 geschwenkt bzw. verkippt werden kann. Es ist also möglich, auch hier eine Schweißverbindung herzustellen.

Die mechanische Bewegung der Fokussierungsoptik 18 wird durch eine nicht dargestellte Steuereinrichtung beeinflußt, die es ermöglicht, daß der Draht 2 mit einem einzigen Laserstrahl 19 abwechselnd auf beiden Seiten seines Querschnitts mit dem Werkzeugkörper 1 verschweißt wird, so daß sich die zu den Fig. 1, 2 beschriebene Ausbildung der Schweißnaht 7 ergibt. Hierzu werden die Laserpulse der Laserstrahlung 19 und die Strahl­ kippung entsprechend synchronisiert. Die Strahlsteuerung umfaßt auch eine solche Pulsdauer, Pulsform und Repititionsrate des Lasers, daß eine zuverlässige Verschweißung des Drahtes 2 mit dem Werkzeugkörper 1 ohne Verzug erfolgt. Darüberhinaus kann die Wärmeeinbringung so gesteuert werden, daß eine Durchhärtung des Drahtes 2 ohne Aufschmelzen der Schneid- bzw. Prägekanten 5, 5′ bewirkt wird. Hierzu wird beispielsweise die Energie des Laserstrahls 19 beim Verkippen herabgesetzt, wenn er sich in der in Fig. 5 mit ausgezogenen Strichen dargestellten Lage befindet. Die anhaltende Wärmezufuhr ermöglicht jedoch eine kürzere Verweildauer des Laserstrahls 19 in seinen Schweiß­ stellungen, so daß der Schweißvorgang insgesamt durch die Aufhärtung noch beschleunigt werden kann.

Die Steuerung des Lasers kann so durchgeführt werden, daß der Laserstrahl 19 den Draht 2 abschneidet, beispielsweise wenn durch eine entsprechende Messung ermittelt wird, daß das Werk­ stück 1 nicht mehr vorhanden bzw. mit einer Kante an einem Meß­ teil vorbeigelaufen ist. Zu diesem Abschneidezweck wird die Intensität des Laserstrahls 19 während eines vollständigen Kippzyklus oberhalb der Aufschmelzgrenze des Drahts 2 gehalten, so daß sich ein sofortiges Durchtrennen des Drahts 2 ergibt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen von Schneide- oder Prägewerk­ zeugen, insbesondere für Rotationsmaschinen, bei dem die Schneide- oder Prägekante eines Werkzeugs bildendes Metall auf einem metallischen Werkzeugkörper durch Verschweißen befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als kantenbildendes Metall den Kantenquerschnitt aufweisender Draht (2) verwendet wird, der mit dem Werkzeugkörper (1) zumindest auf einer Seite des Draht­ querschnitts verschweißt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Laserstrahlung zum Verschweißen verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Draht (2) verwendet wird, der eine ebene oder eine der Oberflächenform des Werkzeug­ körpers (1) angepaßte Auflagefläche (3) hat.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlsteuerung verwendet wird, mit der das den jeweiligen Drahtquerschnit­ ten angepaßte Verschweißen des Drahts (2) mit dem Werkzeugkörper (1) erfolgt und/oder ein Abschneiden des Drahtes (2).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein aufschmelzfreies Härten der Schneide- oder Prägekanten (5, 5′) erfolgt, indem die Strahlenergie im Kantenbereich gesteuert wird oder indem die zur Härtung erforderliche Energie durch Zufluß aus der Schweißzone zur Verfügung gestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (2) mit einem einzigen Laserstrahl (19) abwechselnd auf beiden Seiten seines Querschnitts mit dem Werkzeugkörper (1) verschweißt wird.

7. Vorrichtung zum Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drahtzuführungsein­ richtung (9) vorhanden ist, die ein den Draht (2) zu der jeweiligen Bahnkurve tangential auf die Oberfläche (4) des Werkzeugkörpers (1) verlegendes Führungselement (10) auf­ weist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie einen Laser mit einer gesteuert beweglichen Fokussierungsoptik (18) hat, die eine Ver­ kippung des Strahlengangs aus dem Zentrum (20) des Draht­ auslaufs der Zuführungseinrichtung (9) heraus auf beide Seiten des Drahts (2) erlaubt.

9. Schneide- oder Prägewerkzeug, insbesondere für Rotations­ maschinen, mit einem metallischen Werkzeugkörper, an dem Schneide- oder Prägekanten aus Metall durch Verschweißen befestigt sind, dadurch gekennzeich­ net, daß das kantenbildende Metall ein Kantenquerschnitt aufweisender Draht (2) ist.