[0001] Die Erfindung betrifft die Feinbearbeitung von Oberflächen aus Holz und Holzwerkstoffen,
namentlich stabförmiger Elemente und hier besonders von Bleistiften.
[0002] Die Feinbearbeitung von Oberflächen aus Holz und Holzwerkstoffen, die einer Endbehandlung
- übl icherweise 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.
[0003] 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.
[0004] 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 N achteil, 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.
[0005] 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 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.
[0006] Es liegt daher nahe, die seit geraumer Zeit bekannten Verfahren der spanlosen Vergütung
von Profiloberflächen zu nutzen. Thermoglättverfahren (vgl. z. B. DD 292 412) 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), die erforderliche Wärme durch die Schwingung eines
ultraschallerregten Glättwerkzeuges im Kontaktbereich von Werkstück und Glättwerkzeug
realisieren.
[0007] 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 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.
[0008] Auch die aus DE 198 47 178 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.
[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.
Es soll insbesondere eine Entwicklung zum Glätten und Verdichten der Oberfläche von
Bleistiften vorgeschlagen werden, die es ermöglicht, einen nachhaltig stärkeren Glätteffekt
und daraus eine Reduzierung der Aufwendungen für die Endbehandlung der Stifte (Lackierung)
bei hoher Produktivität zu erreichen.
[0010] Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst;
zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche
2 und 3 sowie 5 bis 9.
[0011] 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.
[0012] Zur Erzeugung der Grenzflächenreibung wird mit konstanten Frequenzen im Bereich von
1 6 bis 30 kHz und konstanten Leistungen von minimal 500 W gearbeitet, wobei der Leistungseintrag
0,1 bis 0,5 Ws/mm
2 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.
[0013] Die Form des Querschnittes der Durchführungen entspricht mit geringer Toleranz dem
Querschnitt der Bleistifte, nämlich ±0,01 mm
2. 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.
[0014] 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 vorteilhaft 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.
[0015] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels weiter dargestellt;
Fig. 1 zeigt hierfür in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung.
[0016] Die Vorrichtung besteht - wie bereits ob en 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.
[0017] 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.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
[0018]
- 1
- Ultraschallgenerator
- 2
- Sonotrode
- 3
- Transporteinheit
- 4
- pneumatischer Stößel
- 5
- Durchführungen / Bohrungen in Sonotrode
1. 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.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 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.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleistifte Stoß an Stoß mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit im Bereich
von 20 bis 200 mm/s durch die Sonotrode (2) bewegt werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Ultraschallagregat, 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.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Querschnittes der Durchführungen (5) mit einer Toleranz von ±0,01 mm
dem Querschnitt der Bleistifte entspricht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (2) mehrere Durchführungen (5) aufweist, die zur Schwingungsrichtung
des Ultraschalles längs und zueinander parallel angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (2) 1 bis 20 Durchführungen (5) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Sonotrode (2) als auch die Durchführungen (5) einen kreisförmigen Querschnitt
aufweisen.
9. Vorrichtungen nach Anspruch 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Sonotrode (2) zwischen 40 und 120 mm und die Länge der Durchführungen
(5) zwischen 40 und 300 mm liegen.