DE10256125A1 - Method and device for smoothing and compacting the surface of pencils or the like - Google Patents

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Abstract

The pencil, before coating with paint or a film, is treated with high frequency ultrasound, promoting surface friction effects, by passing it through a sonotrode (2). An Independent claim is included for corresponding equipment.

Description

Die Erfindung betrifft die Feinbearbeitung von Oberflächen aus Holz und Holzwerkstoffen, namentlich stabförmiger Elemente und hier besonders von Bleistiften.The invention relates to the fine machining of surfaces made of wood and wood-based materials, in particular rod-shaped elements and especially from Pencils.

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.The finishing of wooden surfaces and wood-based materials that require a final treatment - usually by painting, often but also in the form of film coating - subjected Up to now, grinding has been preferred. level surfaces can by means of roller or wide-band grinding machines, in which the grinding pressure support electronically controlled link pressure bar is regulated, comparatively be produced economically. In contrast, the surface finish of milled profiles still problematic, especially here in addition to the unsatisfactory economy (high abrasive costs, short downtimes) the problems of sustainable health hazard due to dust (and the resulting significant expense for high-performing Extraction systems).

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.For the production of wooden pencils find wood species such as redwood, jelutong or cedar species (Incense cedar, western red cedar) Use, characterized by good chip removal properties distinguish and therefore by the shaping chip mill a sufficiently clean and well-prepared fiber and have a tear-free surface.

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.As a result of the shortage and increase in the price of the The advent of the types of wood used so far are becoming increasingly inexpensive and abundant available native types of substitute wood such as poplar (e.g. black poplar, Aspe), willow, alder and pine for used the pencil production. Some types of wood are due to of their more or less pronounced share of tension wood - others due to typical fiber deviations - the disadvantage that they are more or are less easy to edit and that consequently in the form-bound milling Roughening is inevitable. These interfere with the following painting considerably and require an increased painting effort or to lead to committee.

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.In order to achieve a sufficiently smooth, clean surface for the pencil blanks, it is therefore essential to finish them. Various grinding devices are known for this, for. B. from DE 298 08 146 a device that can be easily integrated into the usual production process and is characterized by a comparatively high productivity. Although grinding the milled surfaces can significantly reduce the amount of varnish otherwise required, the problem remains that the grinding tool cuts off most of the wood fibers, but in some cases only presses on the fibers and straightens them up after contact with liquid coatings. The result is that the sanded surfaces often do not meet the increased requirements for subsequent surface refinement by lacquer and / or foils.

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.It therefore makes sense to use the methods of chipless coating of profile surfaces that have been known for some time. Thermo smoothing process (see e.g. DD 292 412 ) use the effect that the wood fibers deform plastically under mechanical pressure and exposure to heat, whereas the proposals to achieve the smoothing effect using ultrasound (see DE 196 53 317 ), achieve the required heat through the vibration of an ultrasound-excited smoothing tool in the contact area of the workpiece and smoothing tool.

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.Laboratory-tested solutions exist for smoothing processes on wood and wood-based materials that are based on the generation of heat by friction (frictional heat) or electrical energy (heating). However, heating the smoothing tools to surface temperatures of 300 ... 400 ° C places high demands on the tool material and tool clamping. In addition, the dissipation of large amounts of heat in guide elements and assemblies of the processing machine must be prevented by suitable construction. In addition, suitable fire prevention measures must be provided, since dusts from the machining processes are deposited in an uncontrolled manner in the industrial environment of woodworking and can practically not be completely detected. With the in DE 102 22 993 The tool presented is a problem solution that is suitable for wide-ranging applications, but which cannot meet the special requirements of a pencil production inherent in the system, particularly with regard to productivity and reliable reproducibility.

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.That too DE 198 47 178 Known device for smoothing surfaces on workpieces made of wood, which works with a cutting edge ultrasound-excited smoothing tool, does not solve this. Although it is suggested that such a device, which is characterized according to the invention in that the direction of vibration of the smoothing tool forms an angle between 45 ° and 90 ° at the contact point with the surface normal of each profile section of the workpiece, is also not for the use of rod-shaped workpieces Solution that meets the requirements smoothing and compacting the surface of pencils. Above all, it is not shown how the promised success should be achieved reproducibly.

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.The object of the invention is that Eliminate disadvantages of the prior art. In particular, it is said a development for smoothing and compacting the surface be proposed by pencils, which enables a lasting stronger smoothing effect and a reduction in the cost of finishing the pens To achieve (painting) with high productivity.

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.This object of the invention is achieved by Features of claims 1 and 4 solved; Expedient embodiments of the invention result from the features of claims 2 and 3 and 5 to 9.

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 er folgt nach der spanenden Bearbeitung der Bleistiftrohlinge und vor der Beschichtung mit Lack und/oder Folien.According to the invention is a Smoothing process and compacting the surface provided by pencils in which high-power ultrasound in Form of an interface friction on all sides on the surface of the workpieces acts. The interface friction is generated by the workpieces Bump Push through a sonotrode are promoted. It is transported through the sonotrode after machining the pencil blanks and before coating with varnish and / or Films.

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.To generate the interface friction, constant frequencies in the range from 16 to 30 kHz and constant powers of at least 500 W are used, the power input being 0.1 to 0.5 Ws / mm 2 . The speed at which the pencils are pushed abruptly through the sonotrode is also constant; the value for this ranges from 20 to 200 mm / s.

Die Form des Querschnittes der Durchführungen entspricht mit geringer Toleranz dem Querschnitt der Bleistifte, nämlich ±001 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.The shape of the cross section of the bushings corresponds to the cross section of the pencils with a small tolerance, namely ± 001 mm 2 . To ensure high productivity, the sonotrode preferably has a multiplicity of bushings which are arranged along and parallel to the direction of vibration of the ultrasound. To ensure a lasting smoothing effect, their number is limited to 20. Both the sonotrode and the bushings preferably have a circular cross section, the outer diameter of the sonotrode (depending on the number of bushings) being between 40 and 120 mm and the lengths of the bushings (corresponding to the thickness of the sonotrode) between 40 and 300 mm.

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 aufge baut; im Gegensatz zum Thermoglätten entfallen externe Regelvorgänge zur Temperierung der Glättwerkzeuge und das Brandrisiko.With the process steps presented above and process parameters, it is possible for the first time, the physical effect the interface friction to implement industrially. Surprisingly, the compensation of hardwoods with low bulk density (such as alder, poplar, linden) comparable to hardwoods Reproducible surface hardness to achieve. The expenses for one subsequent surface coating including their pretreatment levels become clear due to the higher initial quality lower. Especially in the pencil production the usual ones can complicated profile grinding processes with simultaneous reduction the number and thickness of the coating economically advantageous to be replaced - and this is when traditional types of wood are replaced by softwood ranges. Furthermore, the process is easy to handle and the associated Device simply builds up; in contrast to thermal smoothing external control processes for Temperature control of the smoothing tools and the risk of fire.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels weiter dargestellt; 1 zeigt hierfür in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung.The invention is further illustrated below using an exemplary embodiment; 1 shows a schematic representation of the device according to the invention.

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.As already described above, the device consists of the sonotrode 2 with the bushings 5 , the transport unit 3 including the pestle 4 as well as the ultrasonic generator 1 , A roller-mounted carriage, which is moved by a pneumatic cylinder, serves as the feed device. The cut-to-size pencil blanks are positioned on a prism and carried by a driver on the slide for passage (drilling) 5 in the sonotrode 2 emotional. As a result of the interfacial friction, the smoothing effect occurs on the inner lateral surface of the bore of the sonotrode, so that the pins emerging on the opposite side of the sonotrode are smoothed.

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.The first round bar element is used for smoothing Inserted into the hole by the driver so that it is approximately flush with the slide facing side of the sonotrode. The complete penetration of the The first pin is reached with the next pin. The cycle time depends on from the positioning of the round rod elements in the prism and is usually 5 s, with about 1 s as the time for piercing is required.

11
Ultraschallgeneratorultrasonic generator
22
Sonotrodesonotrode
33
Transporteinheittransport unit
44
pneumatischer Stößelpneumatic tappet
55
Durchführungen/Bohrungen in SonotrodeBy guides / holes in sonotrode

Claims (9)

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.Process for smoothing and compacting the surface of pencils, integrated in the manufacturing process after machining the pencil blanks and before coating the pencils with lacquers or foils, in high-performance ultrasound in the form of an interface friction, which is achieved by transporting the workpieces through a sonotrode ( 2 ) is generated, acts on the surface of the workpieces. 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.Method according to Claim 1, characterized in that constant frequencies in the range from 16 to 30 kHz and constant powers of at least 500 W are used and the power input is 0.1 to 0.5 Ws / mm 2 . 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.Method according to Claims 1 and 2, characterized in that the pencils pass through the sonotrode at a constant feed rate in the range from 20 to 200 mm / s ( 2 ) are moved. 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.Device for carrying out the method according to claims 1 to 3, characterized in that it comprises an ultrasound unit consisting of an ul ultrasound generator ( 1 ) and an opening, designed as bushings ( 5 ) with sonotrode ( 2 ) and associated control unit, and a transport unit ( 3 ) which is used to transport the pencils to the sonotrode ( 2 ), through the sonotrode ( 2 ) and from the sonotrode ( 2 ) realized away, includes. 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.Device according to claim 4, characterized in that the shape of the cross section of the bushings ( 5 ) corresponds to the cross-section of the pencils with a tolerance of ± 0.01 mm. 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.Device according to claim 5, characterized in that the sonotrode ( 2 ) several executions ( 5 ) which are arranged along and parallel to the direction of vibration of the ultrasound. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (2) 1 bis 20 Durchführungen (5) aufweist.Device according to claims 4 to 6, characterized in that the sonotrode ( 2 ) 1 to 20 bushings ( 5 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Sonotrode (2) als auch die Durchführungen (5) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.Device according to claims 4 to 7, characterized in that both the sonotrode ( 2 ) as well as the implementations ( 5 ) have a circular cross section. 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.Devices according to claims 4 to 8, characterized in that the outer diameter of the sonotrode ( 2 ) between 40 and 120 mm and the length of the bushings ( 5 ) are between 40 and 300 mm.
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