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Verfahren und Vorrichtung zum Zünden von Gashobelung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum momentanen Zünden
von Gashobelung und eine Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens.
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In Walzwerken werden Oberflächenfehler auf Werkstücken durch sog.
Hobeln entfernt, dem ein Ausbrennen des Fehlers mittels Sauerstoffstrom zugrundeliegt.
Die Entzündungstemperatur des Eisens liegt ungefähr bei 1500 K, und auf diese Temperatur
muß eine gewisse Mindestmenge von Eisen auf der Oberfläche des Werkstückes erwärmt
werden, damit eine exotherme Verbrennung im Sauerstoffstrom beginnen kann.
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Eine direkte örtliche Vorwärmung mit einer Wärmeflamme zum Zünden
des Prozesses ist relativ gesehen am einfachsten.Diese Methode wird bei sog. Warmhobelung
angewendet, bei der das gehobelte Werkstück ca. 1000 K warm ist. Dieses Werkstück
wird in der Regel auf seiner ganzen Oberfläche gehobelt, und zur Beschleunigung
des Zündens des Hobelungsprozesses wird mit dem Hobeln von der Vorderkante begonnen,
wo die Wärmeverluste bei Vorwärmung am geringsten sind. Um das Zünden noch zusätzlich
zu beschleunigen, wird Eisenpulver der Vorwärmflamme zugegeben. Aber auch in diesem
Fall muß damit gerechnet werden, daß das Zünden einige Sekunden dauert, während
derer der Brenner sich zum llobelbrenner im Stillstand befinden muß.
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Die Lage ist noch ungünstiger bei Kalthobciung, wo die Temperatur
des Wcrkstückes nahe der Raumtemperatur liegt. Dies ist bei Hobelung von Hand und
dort der Fall, wo als Hilfsmittel Eisendraht angewendet wird, der an der Stelle,
an der das Zünden erfolgen soll, abgeschmolzen wird. Um das Zünden in der Kaithobelungsmaschine
zu beschleunigen, wurde die Anwendung eines Lichtbogens vorgeschlagen, der zwischen
einer verbrauchbaren oder nicht verbrauchbaren Elektrode und einem Werkstück an
der Stelle brennt, wo das Zünden erfolgen soll.
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In diesem Fall kann mittels gewisser technischer Verbesserungen praktisch
ein sog. fliegender Start erreicht werden, d.h.
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der Hobelungsbrenner und das Werkstück befinden sich während des Zündungsprozesses
in einer relativen Bewegung zueinander.
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Dies ist von großer Bedeutung für die Leistungserhöhung von Punkthobelungsmaschinen,
wo der Hobelungsprozeß bei jedem entdeckten Oberflächenfehler gezündet werden soll.
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Fliegender Start ist überdies eine absolute Voraussetzung für die
Konstruktion einer Rampenhobelmaschine, die aus einer Reihe, die ganze Breite des
Werkstückes deckender Hobelungsbrenner besteht. Das Werkstück und die Hobelrampe
befinden sich in einer kontinuierlichen relativen Bewegung. Jeder Brenner kann unter
sich einen auf der Oberfläche des Werkstückes liegenden Streifen hobeln und individuell
gezündet und gelöscht werden. Der Hobelungsprozeß wird bei jeder Annäherung eines
OberflAchenfehlers zu einem gewissen Brenner gezündet und nach Abbrennen des Fehlers
gelöscht. Die Forderung fliegenden Startes ergibt sich aus der starken Abhängigkeit
der Tiefe der Hobelungsnut von der relativen Geschwindigkeit zwischen Brenner und
Werkstsick. Es ist leicht begreiflich, daß jedes Bremsen oder jede Unterbrechung
dieser Bewegung bei Zündung einer neuen Nut eine tiefere Ausbrennung in der Nut,
in der das Hobeln bereits erfolgt, zur Folge hat.
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Die Forderung fliegenden Startes wird bei den bekannten Zündmethoden
nur von denen erfüllt, die einen elektrischen Lichtbogen anwenden. Aber auch diese
Methode weisen Mängel auf.
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Eines der Probleme liegt im Schutz des Zündgerätes selber, das notwendigerweise
vor dem Brenner angeordnet werden muß.
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Dort ist es Wärmestrahlung und Spritzern von aus der liobelungszone
strzmender und sprühender Schlacke ausgesetzt. Der Schutz des ZündgerAtes ist noch
beschwerlicher bei Rampenhobelmaschinen, wo jedes Zündgerät nicht nur vom eigenen
Brenner, sondern auch von angrenzenden Brennern, wenn sie in Betrieb sind, bedroht
ist. Ein weiterer Nachteil mit dem Lichtbogenzündgerät hängt mit dem Streben nach
einer feineren Einteilung der Rampe in eine größere Anzahl schmalerer Brenner zusammen,
die eine größere Selektivität des Iiobelns zulassen. Das größte Hindernis in dieser
Hinsicht ist, daß die Anzahl Lichtbogenzündgeräte und die Forderung an die geometrische
Abmessung jedes Zündgerätes zu hoch ist.
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Das Verfahren zur Zündung des Hobeln nach der Erfindung weist genannte
Nachteile nicht auf und ermöglicht sowohl fliegenden Start als auch die Konstruktion
eines Zündgerites, das der Wirkung von Wärme und Schlacke von der Hobelungszone
nicht ausgesetzt ist. Der Erfindung liegt die Anwendung mindestens eines energiereichen
Lichtstrahles zugrunde, mit dessen Wirkung die Stelle, an der das Hobeln beginnen
soll, auf Zündungstemperatur erwärmt wird.
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Das Prinzip der Erfindung wird anhand von Fig. 1 und 2 erklärt, die
Beispiele einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen.
Fig. 1 zeigt die Vorrichtung, bei der als energiereiche Lichtstrahlquelle eine kraftvolle
und praktisch punktförmige Lichtnuelle, z.B. Laser, angewendet wird. Fig. 2 zeigt
ein Beispiel der Vorrichtung mit Anwendung einer linearen Lichtquelle.
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In Fig. 1 bezeichnet 1 den Hobelbrenner, der Sauerstoffstrom auf die
Mobeluneszone richtet. Das Werkstück 2 bewegt sich während des Zündens und während
des Hobelns relativ zum Brenner mit der Geschwindigkeit 3. Ein von der Lichtquelle
6 ausgehender
Lichtstrahl 4 ist auf die Stelle am Werkstück gerichtet,
die mit Hilfe eines optischen Systemes 5 auf die Zündtemperatur erwärmt werden soll.
Der Sauerstoffstrom zum Hobelbrenner wird von einem Ventil 7 gesteuert.
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In Fig. 2 bezeichnet 8 den L1obelbrenner, 9 das zu hobelnde Werkstück,
das sich während des Zündens und des Hobelns mit der relativen Geschwindigkeit 10
zum Brenner bewegt. Elliptische Spiegel 11,12,13 konzentrieren Lichtstrahlung von
linearen Strahlungsquellen 14,15,16 zu der Stelle auf der Werkstoffoberfläche, die
auf Zündtemperatur vorerwärmt werden soll. Als lineare Lichtquellen können Tnfrarot(IR)-Erhitzer
oder kraftvolle Entladungsröhren angewendet werden.
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Das Prinzip der Erfindung wird mittels des Beispieles einer Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens gem. der Erfindung in Fig. 2 veranschaulicht. Das
Werkstück 2, auf dessen Oberfläche früher lokalisierte Oberflächenfehler vorkommen,
bewegt sich mit einer gewissen Geschwindigkeit 3 zum Hobelbrenner.
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In dem Augenblick, in dem ein Oberflächenfehler sich dem Arbeitsbereich
eines Hobelbrenners 1 nähert, wird die Lichtquelle 6 aktiviert. Der von dieser Quelle
erzeugte Lichtstrahl 4 wird von einem optischen System 5 auf die Stelle an der Oberfläche
des Werkstückes gerichtet, die auf Zündtemperatur vorerwärmt werden soll. Als Lichtquelle
kann Laser oder eine Entladungslampe z.B. vom Xenon-Typ angewendet werden. In Fig.
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1 ist nur eine Lichtquelle eingezeichnet, das Prinzip der Erfindung
wird aber nicht dadurch beeinflußt, wenn anstelle einer zwei oder mehr Lichtquellen
parallel angewendet werden.
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Das optische System 5 in Fig. 1 ist zu nur einem Spiegel vereinfacht,
während es in der Praxis aus mehreren Spiegeln und Linsen bestehen kann, die zur
Steuerung des Lichtstrahles und ggf. zur Fokussierung des Strahles auf den Arbeitspunkt
angewendet werden.
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Infolge der relativen Bewegung des Werkstückes 3 zum Brenner 1 und
zu der in Beziehung zum Brenner praktisch stationären Lichtquelle 6 bewegt sich
das Werkstück auch zum Lichtstrahl 4. Bei
kurzer Aktivierungszeit
der Lichtquelle im Vergleich zur Geschwindigkeit der relativen Bewegung hat die
vorerwärmte Stelle auf der Werkstoffoberfläche die Form eines mehr oder weniger
ovalen Fleckes, von dem der Verbrennungsprozeß entzündet wird. Bei höheren relativen
Geschwindigkeiten wird die Fläche vorerwärmter Oberfläche proportional größer. Bei
unveränderten Intensität der Lichtquelle kann es dann geschehen, daß die Oberfläche
des Werkstückes die kdtemperatur nicht erreicht. In diesem Fall kann erfindungsgemäß
das optische System 5 zur Steuerung des Lichtstrahles so angewendet werden, daß
der Strahl während der Aktivierungszeit auf ungefähr dieselbe Stelle an der Oberfläche
des Werkstückes gerichtet wird. Die effektive Vorwärmzeit der genannten Stelle kann
in solchem Fall um ein Vielfaches im Vergleich mit unbeweglichem Strahl verlängert
werden. Die Vorrichtung zur Steuerung des Strahles ist an und für sich bekannt und
deshalb in Fig.
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1 nicht eingezeichnet und braucht auch nicht im einzelnen beschrieben
zu werden.
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Praktische Versuche zeigen auch, daß bei in Betracht kommenden Geschwindigkeiten
eine Effektdichte von über 1 kW/cm2 erforderlich ist, um das Werkstück bis zu einer
Tiefe von 0,5 cm auf die Zündtemperatur zu erwärmen. Ein nicht unwesentlicher Teil
der zugeführten Wärme wird durch die Wärmeleitfähigkeit des Werkstückes abgeleitet.
Um diese Verluste zu vermindern, kann erfindungsgemäß auch Eisenpulver als Zusatz
angewendet werden, das eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit als massives
Eisen hat, und Verluste durch Wärmeleitung deshalb minimal sind.
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Das Eisenpulver kann praktisch auf jede beliebige bekannte Weise und
mit jeder beliebigen bekannten Vorrichtung zum Zündungspunkt auf der Oberfläche
des Werkstückes.transportiert werden. Die Vorrichtung ist deshalb in Fig. 1 nicht
eingezeichnet. Bei Anwendung eines Trägergases als Transportmittel kann nach der
Erfindung vorteilhaft Sauerstoff zur Anwendung kommen.
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Eisenpulverpartikel werden nämlich auf der Oberfläche bereits während
der Erwärmung oxydiert, bevor die Zündtemperatur erreicht
wurde,
und oxydierte Oberfläche absorbiert Strahlung besser. Gleichzeitig trägt auch die
Reaktionswärme der Oxydation zur Erwärmung des Pulvers bei. Sobald das Pulver Zündtemperatur
erreicht, wird es spontan entzündet. Die Verbrennung des Pulvers trägt wirksam zur
Vorwärmung des Werkstückes im Zündpunkt bei.
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Wenn mittels eines Lichtstrahles 4 eine Stelle auf der OberflAche
des Werkstückes, die sich im Bereich des Hobelbrenners 1 befindet, auf Zündtemperatur
vorerwärmt ist, wird als nächster Schritt im Zündprozeß das Sauerstoffventil 7 geöffnet.
Im Sauerstoffstrom vom Brenner wird die Schmelze entzündet und unter Wärmeentwicklung
verbrannt. Bei einer passenden Einstellung des Brenners ist der Prozeß selbstunterhaltend.
Infolge der relativen Bewegung des Werkstückes im Verhältnis zum Brenner setzt das
Hobeln längs der Oberfläche des Werkstückes fort, bis es durch Sperrung der Sauerstoffzuführung
mit dem Ventil 7 beendet wird.
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In Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eine Alternative, bei der als Lichtquellen zum Zünden des Hobelns lineare
Lichtquellen 14,15,16 dienen. Zu diesem Zweck können IR-Erhitzer, Entladungsröhren
o.dgl. angewendet werden. Der Lichtfluß von genannten Quellen wird auf die Stelle
an der Oberfläche des Werkstückes konzentriert, die vorerwärmt werden soll, und
die von gleicher Breite wie der Brenner selber zu sein pflegt. Für die Lichtstrahlfokussierung
werden elliptische Spiegel 11,12,13 in Fig.
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2 angewendet, es können aber auch andere bekannte geeignete optische
Einrichtungen zur Anwendung kommen. In Fig. 2 sind es insgesamt drei Lichtquellen,
die für die Erzielung der zur Erwärmung auf Zündtemperatur notwezEwn Effektdichte
erforderlich sind. Das Prinzip der Erfindung wird durch die Anwendung einer größeren
oder kleineren als der gezeigten Anzahl Quellen nicht geändert.
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Das Werkstück 9 bewegt sich, wie im vorhergehenden Beispiel, mit der
relativen Geschwindigkeit 10 zum Brenner 8. Bei einer genügend hohen Lichtquellenintensität
reicht auch in diesem Fall eine kurze Aktivierungszeit der Quelle, um den bestrahlten
Teil der Werkstückoberfläche auf Zündtemperatur zu erwärmen.
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Wenn die Geschwindigkeit 10 der Relativbewegung des Werkstückes im
Verhältnis zur Aktivierungszeit niedrig ist, hat der vorerwärmte Teil der Oberfläche
eine Form, die der Abbildung der Lichtquellen an genannter Stelle entspricht. Bei
höherer relativer Geschwindigkeit 10 oder bei Anwendung eines geringeren Effektes
in den Lichtquellen kann es geschehen, daß die notwendige Effektdichte nicht erreicht
werden kann. In solchem Fall kann erfindungsgemäß die Bestrahlung der vorerwärmten
Stelle synchron mit der Bewegung des Werkstückes verlagert werden, so daß während
der ganzen Aktivierungszeit dieselbe Stelle bestrahlt, und die Wärmewirkung des
Strahles dabei akkumuliert wird. Für die genannte Verlagerung des Lichtstrahles
können entweder optische Mittel, wie Spiegel, Linsen u.dgl. angewendet werden, oder
die Lichtquelle kann während der Aktivierungszeit synchron mit dem Werkstück mechanisch
verlagert werden. Diese Methode sind an und für sich bekannt und werden deshalb
in Fig. 2 nicht gezeigt.
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Wie im Beispiel in Fig. 1 kann auch im Beispiel gem. Fig. 2 Eisenpulver
als Zusatz zur Verminderung der Wärmeverluste bei der Vorwärmung angewendet und
z.B. mit Druckluft oder Sauerstoff zur Vorwärmzone geblasen werden. Für den Eisenpulvertransport
kann entweder eine Hilfsdüse oder die Hobelungsdüse zur Anwendung kommen. Die Anwendung
von Sauerstoff für den Eisenpulvertransport trägt zur Beschleunigung des Zündprozesses
bei, da Verbrennung von Zusatzpulver die Wärmebilanz des Zündprozesses verbessert.
Bei Anwendung von Eisenpulver als Zusatz kann der Lichtstrahl und der Transport
des Pulvers vorteilhaft so orientiert werden, daß sich das Pulver so lange wie möglich
im Lichtfeld befindet. Dies verlängert die effektive Vorwärmzeit des Pulvers und
verkürzt das Entzünden.
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In den in Fig. 1 und 2 gezeigten Beispielen ist die Erfindung bei
einzelnen Brennern gezeigt. Das Prinzip der Erfindung wird durch die Anordnung mehrerer
solcher Brenner in einer Reihe, z.fl. bei Rampenbrennern, nicht beeinflußt. Alternativ
ist erfindunsmß die Anwendung eines einzigen Lichtzündertes für zwei oder mehr Brenner
möglich. Die letztere Alternative ist besonders günstig und wirtschaftlich für einen
Betrieb, bei den das gleichzeitige Zünden der von ein und demselben Zündgerät bedienten
Brenner nicht absolut notwendig ist. Das Lichtzündgerat nach der Erfindung eignet
sich besonders für die Alternative mit der Bedienung mehrerer Brenner durch ein
und dasselbe Zündgerät, aufgrund der einfachen Weise, mit der die Verlagerung des
Lichtstrahles von der einen zu der anderen Stelle durchgeführt werden kann.
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Die genannten Beispiele haben Möglichkeiten für Anwendung der Erfindung
aufgezeigt. Die Vorteile mit dem Zündverfahren nach der Erfindung gehen aus der
Beschreibung klar hervor. Es ist z.B. außerordentlich leicht und einfach ~den Zündstrahl
auf der Werkstückoberfläche zu verlagern und genau zu steuern.
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Ferner ermöglicht Energie in Strahlform sowohl im Prinzip als auch
in der Praxis den Parallelbetrieb mehrerer Zündlichtquellen mit einer nahezu uneingeschrSnkten
Möglichkeit zur Erhöhung der Zündgeschwindigkeit. Ein weiterer großer Vorteil liegt
darin, daß Energieübertragung in Strahlungsform die Anordnung des eigentlichen Zündgerätes
in großem Abstand von der Hobelungszone zuläßt, wo es weder Wärmestrahlung noch
Schlackespritzern ausgesetzt ist. Dies gilt vor allem für Warmhobelung, wo Wärmestrahlung
vom warmen Werkstück beschwerlich sein kann. Außerdem wird der Energiebedarf für
das eigentliche Zünden bei Warmhobelung beträchtlich vermindert, so daß ein begrenzter
Effekt der Lichtquelle genügt. Hiervon abgesehen ist das Zündvcrfahren nach der
Erfindung für Warm-und Kalthobelung, für Finzelnut- und Rampenhobelmaschinen geeignet.
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Aus der Beschreibung der Erfindung wird ferner deutlich, daß
sie
nicht auf einen bestimmten Brennertyp begrenzt ist. Die Erfindung kann außerdem
in Kombination mit anderen bekannten Methoden für Werkstückvorwärmung angewendet
werden. Es kann z.B. eine Wärmeflamme für örtliche Vorwärmung des Werkstückes, und
ein Lichtzündgerät zur Erhöhung der Temperatur auf Zündtemperatur angewendet werden.
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