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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Spule zum Aufwickeln eines feinen
Metalldrahtes, wie z.B. aus der U5-A-5 106 031 bekannt. Im Besonderen
betrifft die vorliegende Erfindung eine Spule für einen feinen Metalldraht
(im Folgenden einfach als "Spule" bezeichnet), die
zum Aufwickeln eines feinen Metalldrahtes gedacht ist, einschließlich eines
Drahtes für
eine Drahtsäge
(im Folgenden als "Sägedraht" bezeichnet) zum Schneiden
von Hartmaterial, z.B. künstliche
Kristalle, Silicium, Keramik oder dergleichen, und eines Drahtes für einen
Gummischlauch zur Verstärkung
(im Folgenden als "Schlauchdraht" bezeichnet).
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Eine
konventionelle Spule 11, wie in 5 gezeigt,
weist eine Trommel 12 und an den Enden der Trommel angeordnete
Flansche 13 auf. Die Trommel 12 und die Flansche 13 sind
aus dicken Stahlblechen, z.B. Kohlenstoffstähle für den Maschinenbau (z.B. S45C/JIS)
oder dergleichen, hergestellt. In Abhängigkeit vom Herstellverfahren
sind einige Arten von Spulen bekannt geworden, ein schließlich einer
integral geformten Spule, hergestellt durch Ausschneiden von Trommel
und Flansch als ein einziges Stück,
und einer geschweißten
Spule, bei der drei getrennte Teile, nämlich die Trommel und die beiden
Flansche, zusammengeschweißt werden.
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Ein
feiner Metalldraht zum Aufwickeln auf die oben erwähnte Spule
ist z.B. ein feiner Metalldraht, der einen Durchmesser von 0,12
bis 0,16 mm oder weniger aufweist und als Sägedraht dient, oder ein feiner
Metalldraht, der einen Durchmesser von ca. 0,20 bis 0,80 mm aufweist
und als Schlauchdraht dient. Ferner kann der feine Metalldraht zum
Aufwickeln auf die beschriebene Spule z.B. ein feiner Metalldraht
sein, der einen Durchmesser von ca. 0,15 bis 0,40 mm aufweist und
als Draht eines Drillstahlcords (nämlich eines Reifencords) zum
Verstärken
von Gummiprodukten dient, welcher einen Stahlcord enthält, der
in einigen Fällen
als Metalldrilldraht fungiert. In dem Falle, dass der oben erwähnte feine
Metalldraht unter einer vorgegebenen Spannung (z.B. unter einer
Spannung von 0,4 kg bis 1,5 kg) auf die Spule gewickelt wird, ruft
die Wickelspannung eine hohe Zusammenziehspannung auf der Trommel
hervor mit der Folge, dass auf die Flansche eine große Kraft
ausgeübt
wird, die sie auseinander drückt.
Und diese Kraft zum Auseinanderdrücken (im Folgenden als "Seitendruck" bezeichnet) bewirkt,
dass die Flansche an den beiden Enden weg gedrückt werden in eine Richtung,
in der sie voneinander getrennt werden.
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Wenn
der Durchmesser des Metalldrahtes kleiner wird oder die Wickelspannung
größer wird
oder die reziprozierende Windungszahl des Drahtes größer wird,
wird der erzeugte Seitendruck größer. So
wird z.B. in dem Falle, dass der oben erwähnte extrafeine Metalldraht
ein Sägedraht
ist, ein Gewicht von 40 kg bis 60 kg oder mehr auf die Spule ausgeübt. In diesem
Fall erreicht ihr Seitendruck in manchen Fällen mehrere Tonnen oder einige
zehn Tonnen.
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Zum
Bereitstellen ausreichender Festigkeit und Steifigkeit, um einem
solchen Seitendruck standzuhalten, benutzt die konventionelle Spule 11 das
dicke Stahlblech mit einer Dicke von ca. 20 bis 50 mm. Dementsprechend
ist die konventionelle Spule so schwer, dass ihre Handhabbarkeit
sehr schlecht wird und die Spule mit dem Nachteil hoher Transportkosten
behaftet ist. Ferner weist die konventionelle Spule den Nachteil
hoher Material- und Behandlungskosten auf.
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Ferner
kann selbst diese mechanisch starke Spule – weil der erzeugte Seitendruck übermäßig groß ist – eine plastische
Verformung der Flansche und der Trommel nicht vermeiden. Nach ein
paarmaliger oder zehn- oder mehrmaliger wiederholter Verwendung
schreitet die Deformation der Spule fort oder die Spule bricht und
wird unbrauchbar. Das heißt,
die konventionelle Spule ist mit dem Nachteil behaftet, dass sie
keine den hohen Kosten angemessene Dauerhaftigkeit gewährleisten
kann.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher in der Bereitstellung
einer Spule für
einen extrafeinen Metalldraht, die ausreichende mechanische Festigkeit
und wiederholte Verwendbarkeit aufweist und dabei gleichzeitig eine
Gewichts- und Kostenminderung erzielt, sowie eines Verfahrens zu
ihrer Herstellung.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf den folgenden Erkenntnissen aus
einer analytischen Studie der Ursachen der Spulendeformation. Das
heißt,
die konventionelle Spule verwendet ein dickes Stahlblech mit hoher
Festigkeit und großer
Steifigkeit, um eine Kraft, die einem Seitendruck beim Aufwickeln
eines Drahtes widersteht, zu vergrößern und so das Ausmaß der Deformation
der Flansche klein zu machen, wenn der Seitendruck ausgeübt wird.
Das kleine Ausmaß der
Deformation der Flansche ist jedoch im Gegenteil ein Schwachpunkt.
Deshalb wird der Seitendruck im wesentlichen Verhältnis zu
einer gewickelten Menge des Drahtes hoch. Und wenn der Draht voll
auf die Spule gewickelt ist, wird der übermäßig hohe Seitendruck auf die
Flansche ausgeübt,
was zum Auftreten der Deformation der Flansche führt, die aus dem dicken Stahlblech
hergestellt sind. Beim späteren
Abwickeln des Drahtes bleibt die Deformation der Flansche bestehen.
Und diese Deformation wird mit wiederholter Verwendung der Spule
weiter akkumulieren und fortschreiten und so zu der schweren Verformung
oder dem ernstem Bruch der Spule führen, die die Spule unbrauchbar
machen.
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In
Einklang mit der vorliegenden Erfindung wird eine Spule für einen
feinen Metalldraht bereitgestellt, umfassend eine Trommel, zwei
an die Trommel gekoppelte Flanschkörper und zwei innerhalb der
Flanschkörper
positionierte Flanschverstärkungsglieder,
jeweils aus einem dünnen
Stahlmetall hergestellt und durch Punktschweißen zusammengeschweißt, wobei
ein flanschseitiger Bereich der Flanschverstärkungsglieder eine Zugspannung
aufweist, so dass er den Flansch der Flanschkörper zur Trommelseite hin ziehen
kann.
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Bei
der erfindungsgemäßen Spule
sind der Flanschkörper
und das Flanschverstärkungsglied
(die beide im Folgenden als "Flanschbereich" bezeichnet werden)
aus den dünnen
Stahlblechen hergestellt. Der Flanschbereich weist eine Doppellagenstruktur
auf zum Aufnehmen des Seitendrucks, so dass der Flanschbereich deformiert
wird, wenn der recht hohe Seitendruck ausgeübt wird. Die Spule gemäß vorliegender
Erfindung hat also die Funktion, den Seitendruck abzufangen, wodurch
kein übermäßiger Seitendruck
in der Spule erzeugt wird im Unterschied zu der konventionellen,
dicken Spule. Während
also der Draht nacheinander um die Spule gewickelt wird, verformt
sich der Flanschbereich innerhalb eines Bereichs, ohne den Bereich
der plastischen Verformung zu überschreiten.
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Wenn
dann der Draht von der Spule abgewickelt wird und die aufgewickelte
Menge desselben abnimmt, nimmt die Verformung des Flanschbereichs
mit abnehmendem Seitendruck ab, so dass die Spule in ihre ursprüngliche
Form zurückgeführt wird.
Wie oben beschrieben nutzt die Spule gemäß vorliegender Erfindung die
Elastizität
(Rückstellung)
des dünnen
Stahlblechs zum Begrenzen des kumulativen Inkrements des Seitendrucks
der Spule, wodurch die plastische Verformung des Flanschbereichs
unterdrückt
wird, um die wiederholte Verwendbarkeit (Dauerhaftigkeit) der Spule
zu verbessern.
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Ferner
wird aufgrund dessen, dass der flanschseitige Bereich des Flanschverstärkungsgliedes
die Zugspannung zum Ziehen des Flansches des Flanschkörpers zur
Trommelseite hin aufweist, konstant eine Kraft zum Ziehen des Flanschbereichs
in eine der Richtung des Seitendrucks entgegengesetzte Richtung
bereitgestellt (auch in einem Zustand, in dem kein Draht auf die Spule
gewickelt ist). Wenn also der Seitendruck auf den Flanschbereich
ausgeübt
wird, tritt Repulsion auf, um die Verformung des Flanschbereichs
zu begrenzen. Ferner wirkt in dem Falle, dass der Draht gerade von
der Spule abgewickelt und der Seitendruck aufgehoben worden ist,
eine Rückstellkraft
auf den Flanschbereich, um ihn in seine ursprüngliche Form zurückzubringen.
Folglich kann selbst die Spule, welche das dünne Stahlblech verwendet, die
Festigkeit und wiederholte Verwendbarkeit aufweisen, die ausreichend
sind, um als Spule für
den extrafeinen Metalldraht zu dienen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren
zum Herstellen einer Spule für
einen feinen Metalldraht bereitgestellt, wobei die Spule eine Trommel,
einen Flanschkörper
und ein Flanschverstärkungsglied
aufweist, jeweils aus einem dünnen
Stahlblech hergestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bildens
des Flanschverstärkungsgliedes,
so dass ein flanschseitiger Bereich des Flanschverstärkungsgliedes
in einem Neigungswinkel von 4 Grad +3/–3 Grad gegen eine Trommelseite
bezogen auf eine Endfläche
eines Flansches des Flanschkörpers
angeordnet ist, und des anschließenden Zusammenschweißens des
oben erwähnten
Flanschverstärkungsgliedes,
des Flanschkörpers
und der Trommel durch Punktschweißen.
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Bei
der vorliegenden Erfindung liegt der Grund dafür, dass für den Neigungswinkel des flanschseitigen Bereichs
des Flanschverstärkungsgliedes
ein Wert im Bereich von 4 Grad +3/–3 Grad benützt wird, darin, dass bei einem
Neigungswinkel von kleiner als 1 Grad die erzeugte Zugspannung so
klein ist, dass die Festigkeit und die wiederholte Verwendbarkeit
des Flanschbereichs unzureichend ausfallen. Wenn der Neigungswinkel 7 Grad
oder mehr beträgt,
ist die Verarbeitbarkeit beim Punktschweißen verschlechterungsanfällig.
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Die
erfindungsgemäße Spule
ist effizient anwendbar auf das Wickeln des einzelnen feinen Metalldrahtes
mit einem Durchmesser von 0,22 mm oder weniger, z.B. des Sägedrahtes
oder des Schlauchdrahtes. Das heißt, wenn der Durchmesser des
Metalls 0,20 mm oder weniger beträgt, wird der Seitendruck, der
beim Aufwickeln des Drahtes auftritt, groß. Im Besonderen findet die
vorliegende Erfindung bevorzugt Verwendung für das Aufwickeln von Sägedraht,
um dadurch die leichte und mechanisch starke Spule bereitzustellen,
mit der eine Verminderung der Materialkosten und Herstellkosten
erzielt wird und die eine große
Rückstellkraft
aufweist, so dass sie wiederholt verwendet werden kann.
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Um
die Funktionen wie oben beschrieben effizient erfüllen zu
können,
könnte
das Material eines Flanschkörpers
und eines Flanschverstärkungsgliedes
ein dünnes
Stahlblech mit hoher Spannung und hoher Elastizität sein.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Material z.B. um SAPH/JIS (warmgewalzte
Tafeln, Bleche und Bänder)
oder SPCC/JIS (kaltgestreckte Kohlenstoffstahlbleche und -bänder). Es
sei angemerkt, dass ein anderes existierendes Stahlblech verwendet
werden kann (z.B. S45C), wobei dies aber so viel weniger elastisch
ist, dass mit plastischer Verformung durch den Seitendruck zu rechnen
ist.
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Der
Flanschkörper
weist eine Dicke von vorzugsweise 1,2 bis 2,0 mm auf. Ist seine
Dicke kleiner als 1,2 mm, weist er zwar ausreichend Elastizität, aber
geringe Festigkeit auf, die hohem Seitendruck nicht standhalten
kann. Wenn seine Dicke dagegen mehr als 2,0 mm beträgt, weist
er ausreichend Festigkeit auf, um dem Seitendruck standzuhalten,
aber nur wenig Elastizität,
so dass die Rückstellung
als Antwort auf seine Verformung schlecht ist.
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Das
Flanschverstärkungsglied
weist eine Dicke von vorzugsweise 0,6 bis 2,0 mm auf. Der Grund
für diese
Dicke ist der gleiche wie oben für
den Fall des Flanschkörpers
beschrieben.
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Die
Dicke des Flanschkörpers
und des Flanschverstärkungsgliedes
könnte
auf Basis einiger Bedingungen, wie Drahtdurchmesser, Drahtwickelspannung
und dergleichen, bestimmt werden.
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Ferner
weist ein Flansch des Flanschkörpers
vorzugsweise radial angeordnete Rippen auf, von denen jede eine
schlanke Nut an ihrer Innenseite aufweist, und die nach außen vorstehen,
wodurch die Festigkeit zum Widerstehen des Seitendrucks des Flanschkörpers weiter
verbessert wird. Hierbei sind aufgrund dessen, dass das Flanschverstärkungsglied
in eine im Wesentlichen ganze Fläche
des Flansches des Flanschkörpers einbeschrieben
ist, die Schrägnuten
der Rippen vollständig
von dem Flanschverstärkungsglied
bedeckt. Dementsprechend wird der Draht niemals in die Schrägnuten eingelegt,
wodurch die Qualität
der Drahtwicklung verbessert wird.
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Der
Flanschkörper
wird durch Pressformen des dünnen
Stahlmetalls hergestellt, wobei seine äußere Peripherie generell durch
einen Faltvorgang verstärkt
wird. Ferner werden die Verstärkungsrippen,
die radial in dem Flansch des Flanschkörpers angeordnet sind, durch
Pressformen hergestellt. Die Anzahl der Rippen beträgt vorzugsweise
8 bis 16.
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Der
Flanschkörper
und die Trommel könnten/sind
um die Dicke des Flanschverstärkungsgliedes
genutet oder ausgenommen (sein), um dann das Flanschverstärkungsglied
in die Nuten einzupassen, wodurch die Wicklungsform des Drahtes
verbessert wird, um Verwicklung oder Bruch des Drahtes zu vermeiden.
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Ferner
könnten/sind
an der inneren Peripherie der Trommel (auf der Innenseite der Trommel)
ein oder mehrere scheibenförmige
oder ringförmige
Verstärkungsglieder
bereitgestellt (sein), wodurch die Beständigkeit der Trommel gegen
die Zusammenziehspannung verbessert wird, um die Verformung der
Trommel zu unterdrücken.
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Durch
Schneiden der inneren und äußeren peripheren
Ränder
des Flanschverstärkungsgliedes
kann eine Spule ohne Ränder
bereitgestellt werden, so dass Stufen zwischen Flanschkörper und
Trommel geglättet werden.
Dies kann nicht nur Verwicklung oder Bruch des Drahtes so bald wie
möglich
beim Aufwickeln oder Abwickeln verhindern, sondern auch Bruch oder
Störung
der Wicklungsform.
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In
Einklang mit der vorliegenden Erfindung wird eine Spule bereitgestellt,
die ausreichend Festigkeit und wiederholte Verwendbarkeit aufweist,
selbst wenn sie mit einem extrafeinen Metalldraht, wie z.B. mit
einem Sägedraht,
einem Schlauchdraht oder dergleichen, bewickelt wird. Im Vergleich
mit der konventionellen Spule, die ein dickes Stahlblech verwendet,
erlaubt die Spule gemäß vorliegender
Erfindung also eine wesentliche Verminderung der Herstellkosten.
Ferner erlaubt die Spule eine wesentliche Gewichtsminderung, wodurch
ihre Handhabbarkeit wesentlich verbessert und die Transportkosten
weiter reduziert werden.
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Die
obengenannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung in Verbindung
mit der beigefügten
zeichnerischen Darstellung.
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1(a) ist eine Draufsicht auf eine Spule
gemäß einem
Beispiel der vorliegenden Erfindung, und 1(b) ist
eine teilweise geschnittene Darstellung derselben;
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2 ist
ein abgebrochen dargestellter Schnitt, der einen Herstellungsprozess
der Spule gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel
zeigt;
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3 ist
ein abgebrochen dargestellter Schnitt, der einen Herstellungsprozess
der Spule gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel
zeigt;
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4 ist
ein abgebrochen dargestellter Schnitt, der einen Herstellungsprozess
der Spule gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel
zeigt; und
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5 ist
eine teilweise abgebrochen dargestellte Seitenansicht, die eine
konventionelle Spule zeigt, welche ein dickes Stahlblech verwendet.
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1 zeigt
ein Beispiel für
eine Spule gemäß vorliegender
Erfindung. 1(a) ist eine Draufsicht
auf die Spule und 1(b) ist eine teilweise
geschnittene Darstellung derselben, mit Schnitt entlang der Linie A-B-C.
Die 2 bis 4 sind jeweils abgebrochen dargestellte
Schnitte, welche einen Herstellungsprozess der Spule von 1 zeigen.
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Gemäß 1 werden
eine Trommel 2, Flanschkörper 3, 3,
Flanschverstärkungsglieder 4, 4 und
andere Komponenten durch Punktschweißen zusammengeschweißt, um eine
Spule 1 gemäß vorliegender
Erfindung zu bilden.
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Die
Trommel 2 wird gebildet durch Biegen eines kaltgewalzten
hochzugfesten Stahlblechs (SAFC) mit einer Dicke von 1,2 mm in eine
zylindrische Form.
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Der
Flanschkörper 3 wird
gebildet durch Stanzen eines warmgewalzten hochzugfesten Stahlblechs (SAPH)
mit einer Dicke von 1,6 mm. An der äußeren Peripherie des Flanschkörpers ist
ein Faltbereich 3a zur Verstärkung bereitgestellt. Ferner
weist ein Flansch 3b des Flanschkörpers zwölf radiale, nach einem Stanzverfahren
gebildete Rippen 3c zur Verstärkung auf. Ferner sind auf
der Innenseite des Flanschkörpers
Eingriffsbereiche 3b mittels eines Stanzverfahrens bereitgestellt
zum Ineingrifftreten mit der inneren peripheren Oberfläche der
Trommel 2.
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Das
Flanschverstärkungsglied 4 wird
gebildet durch Stanzen eines warmgewalzten hochzugfesten Stahlblechs
mit einer Dicke von 1,0 mm in die Form eines Torus und einer Scheibe.
Bei dem Flanschverstärkungsglied 4 ist
die innere Peripherie der Scheibenform in eine im Querschnitt L-förmige Gestalt
gebogen zum Verschweißen
mit der Trommel durch Punktschweißen.
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Nachfolgend
sollen nun ein Beispiel für
eine detaillierte Konstruktion des Flanschverstärkungsgliedes und Herstellungsverfahren
der Spule unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 beschrieben
werden.
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Das
Flanschverstärkungsglied 4 wird
in die im Querschnitt L-förmige
Gestalt gebogen, derart, dass ein flanschseitiger Bereich 4a in
einem Neigungswinkel θ von
4 Grad +3/–3
Grad in Bezug zu einer vertikalen Linie angeordnet ist. Ferner ist
das Flanschverstärkungsglied 4 ringförmig und
weist den flanschseitigen Bereich 4a und einen trommelseitigen
Bereich 4b auf, die durch einen gebogenen Bereich P, der
eine Grenze hierzwischen bildet, voneinander getrennt sind.
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Die
Spule wird wie folgt hergestellt. Zunächst wird, wie in 2 gezeigt,
das Flanschverstärkungsglied 4 in
den Flanschkörper 3 eingepasst.
Dann kommt der flanschseitige Bereich 4a des Flanschverstärkungsgliedes
mit dem Flansch 3b des Flanschkörpers in Kontakt und der trommelseitige
Bereich 4b des Flanschverstärkungsgliedes kommt mit dem
Eingriffsbereich 3d des Flanschkörpers in Kontakt. In diesem
Schritt sind der Flanschkörper
und das Flanschverstärkungsglied
durch den zwischen dem flanschseitigen Bereich 4a des Flanschverstärkungsgliedes
und dem Flansch 3b des Flanschkörpers gebildeten Neigungswinkel θ voneinander
getrennt. An dem gebogenen Bereich P tritt daher keine Spannung
auf.
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Als
nächstes
wird, wie in 3 gezeigt, der flanschseitige
Bereich 4a des Flanschverstärkungsgliedes in innigen Kontakt
mit dem Flansch 3b des Flanschkörpers gebracht zum Fixieren
daran durch Punktschweißen
W,W, um dadurch einen Flanschbereich zu bilden. Hierbei wird eine
Zugspannung an dem gebogenen Bereich P erzeugt, wodurch der flanschseitige
Bereich des Flanschverstärkungsgliedes
eine Zugspannung aufweist zum Ziehen des Flansches des Flanschkörpers zur
Innenseite hin.
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Danach
wird, wie in 4 gezeigt, der trommelseitige
Bereich 4b des Flanschverstärkungsgliedes in die innere
Peripherie der Trommel 2 eingepasst zum Fixieren daran
durch Punktschweißen
W.
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Die
Spule wurde wie oben beschrieben hergestellt.
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Als
nächstes
werden Festigkeit und wiederholte Verwendbarkeit der Spule geprüft durch
Verwendung einer Spule mit einem Neigungswinkel θ von 4 Grad gemäß vorliegender
Erfindung und einer Spule mit einem Neigungswinkel θ von 0 Grad
als Vergleichsbeispiel, um einen Sägedraht auf jede Spule aufzuwickeln,
und Vergleichen der obengenannten Eigenschaften zwischen diesen
Spulen. Die Festigkeit der Spule wird bestimmt auf Basis einer Distanz
zwischen den Flanschen bei vollständig auf die Spule gewickeltem
Draht. Ferner wird die wiederholte Verwendbarkeit der Spulen bestimmt
auf Basis einer Veränderung
in einer Distanz zwischen den Flanschen der Spule ohne den Draht
nach fünfmalig
wiederholten Drahtaufwickel- und -abwickelvorgängen. Die Ergebnisse sind in
Tabelle I unten wiedergegeben.
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Es
sei angemerkt, dass Material und Dicke jeder Komponente der Spule
des Vergleichsbeispiels identisch sind mit denjenigen der erfindungsgemäßen Spule.
Für die
jeweiligen Bauteile der Spule und den Durchmesser des Sägedrahts
wurden folgende Werte verwendet:
Distanz zwischen Flanschen:
315 mm
Trommeldurchmesser: 120 mm
Außendurchmesser des Flanschkörpers: 255
mm
Durchmesser des Sägedrahts:
0,16 mm
Wickelspannung: 0,45 kg
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Aus
der Tabelle 1 ist offensichtlich, dass der Neigungswinkel der Spule
gemäß vorliegender
Erfindung zu verbesserter Festigkeit und wiederholter Verwendbarkeit
der Spule führt.
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Im
Falle des Vergleichsbeispiels kommt es wegen der signifikant erweiterten
Distanz zwischen den Flanschen zu dem unnötigen Sichverschlingen oder
Zerdrücken
des gewickelten Drahtes und damit häufigen Bruch des Drahtes während des
Abwickelvorgangs.
