Titel: | Ueber eine neue Einrichtung der Stempelhämmer mit Federn von vulcanisirtem Kautschuk, erfunden von Joh. Schmerber Sohn, Maschinenbauer zu Tagolsheim (Oberrhein). |
Fundstelle: | Band 123, Jahrgang 1852, Nr. LVI., S. 330 |
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LVI.
Ueber eine neue Einrichtung der Stempelhämmer mit
Federn von vulcanisirtem Kautschuk, erfunden von Joh. Schmerber Sohn, Maschinenbauer zu
Tagolsheim (Oberrhein).
Aus dem Bulletin de la Société industrielle de
Mulhouse, Nr. 112, S. 145.
Mit Abbildungen auf Tab.
V.
Schmerber's Stempelhämmer mit Federn von vulcanisirtem
Kautschuk.
Seit der Erfindung der Stempel-, Stampf- oder Dampfhämmer sind erst
wenige Jahre verflossen und schon findet man sie in den meisten metallurgischen
Werkstätten eingeführt. Die Leichtigkeit des Betriebes, der senkrechte Fall des
Hammers, und die Möglichkeit jeden Schlag nach den Erfordernissen der Arbeit zu
reguliren, haben diese Maschinen für die Grob- und Zeugschmiede unentbehrlich
gemacht. Zum Ausrecken von Stäben und zur Bearbeitung gewöhnlicher Stücke von
geringerer Schwere sind sie jedoch nicht zweckmäßig; die große Anzahl gleich starker
Schläge in der Minute, welche bei diesen Arbeiten erforderlich ist, erheischt
kostbare, verwickelte und leicht in Unordnung gerathende Dampfvertheilungen. Dieser
Nachtheil und der Umstand, daß man die Dampfkessel in der Nähe der Stempel anbringen
muß, waren die Veranlassung, daß man den Hämmern mit Helm bis jetzt den Vorzug gab,
wenn Stücke von gewöhnlicher Größe ausgeschmiedet werden sollen.
Beibehaltung der Vortheile der Dampf-Stempelhämmer und
Erfindung eines Systems, welches durch eine beliebige Triebkraft bewegt werden
kann, zugleich aber den Bedingungen genügt, welche die Hämmer mit Helmen
erfüllen: dieß war der Zweck, welchen ich zu erreichen suchte.
Mehrere Maschinenbauer haben denselben Zweck bereits auf andere Weise zu erreichen
gesucht, allein wegen verschiedener, sogleich zu erörternder Gründe, konnten die von ihnen
construirten Hämmer nicht in Aufnahme kommen.
Eine von diesen Einrichtungen besteht darin, den Hammer mittelst einer Rolle zu
heben, gegen welche man nach Belieben den Helm drückt; die Schläge können dadurch
aber weder regelmäßig noch rasch genug seyn; wenn der Hammer nicht sehr hoch gehoben
wurde, so fällt er mit zu geringer Wirkung nieder.
Bei den übrigen Einrichtungen wird der Hammer durch einen Hebedaumen gehoben; dabei
zeigt sich aber eine große Schwierigkeit, welche durch die Maschinenbauer, die sich
mit dieser Construction beschäftigten, nicht vermieden wurde; nämlich der ungeheure
Druck auf den Hebedaumen, welcher dadurch entsteht, daß der Hammer augenblicklich in
Geschwindigkeit versetzt wird. Dieser Druck ist bei den Stempelhämmern noch
bedeutender als bei den Hämmern mit Helm, indem bei diesen das Holz wegen seiner
Biegsamkeit die Zeit verlängert, während welcher der Hammer seine Geschwindigkeit
erlangt. Bei dem Stempelhammer kann nur die Welle nachgeben, und diese ist bei einer
solchen Maschine natürlich stets sehr kurz. Es folgt daraus, daß wenn man den
Stempelhammer mit der Geschwindigkeit eines Helmhammers betreiben will, alle Theile
bald aus ihrer Lage kommen und zerbrechen müssen.
Eine andere, noch nicht genügend gelöste Schwierigkeit besteht in der Feder, welche
zur Beschleunigung des Falles des Hammers erforderlich ist. Eine hölzerne Feder
zweckmäßig anzubringen ist unmöglich, da dieß die Form der Maschine nicht zuläßt.
Stahlfedern aber halten die Anstrengung nicht aus, die ein rascher und
ununterbrochener Gang des Hammers veranlaßt, und sie würden daher steter Reparaturen
oder Auswechselung bedürfen.
Bei meinen neuen Systemen von Stempelhämmern, welche durch Hebedaumen bewegt werden,
habe ich die oben erwähnten Schwierigkeiten durch Anwendung von Federn aus
vulcanisirtem Kautschuk zu heben gesucht. Ueberhaupt wird diese Substanz wegen ihrer
merkwürdigen Elasticität noch eine große Rolle in den Gewerben spielen. In Folge des
ihr einverleibten Schwefels (welcher beiläufig den vierten Theil ihres Gewichts
beträgt), behält sie mit sehr geringen Abweichungen, von der niedrigsten Temperatur
bis zu einer solchen von 150° C. (120° R.) gleiche Zusammensetzung und
gleiche Elasticität bei. Die Federn von vulcanisirtem Kautschuk haben ein geringes
Gewicht und nehmen wenig Raum ein, leisten aber einen bedeutenden Widerstand und
sind sehr elastisch. Um dieselbe Leistung hervorzubringen, sind Stahlfedern aus platten Schienen von
wenigstens fünfzigmal größerem Gewicht erforderlich, welche drei- bis viermal
soviel kosten.
Bei meinem ersten System (Fig. 1–3) brachte ich
zum Schwächen der Stöße des Hebedaumens in dem Hammer eine Feder von vulcanisirtem
Kautschuk an, gegen welche der Daumen wirkt. Die Folge davon ist, daß der Hammer die
Geschwindigkeit nicht plötzlich, sondern nach und nach und während eines
wahrnehmbaren Zeitraumes erlangt, d.h. während der Zusammendrückung und Ausdehnung
der Feder. – Um mir Rechenschaft von dem Druck auf den Hebedaumen zu geben,
habe ich durch vorläufige Versuche die Zusammendrückung des Kautschuks, welche einer
gewissen Anzahl verschiedener Belastungen entsprechen, bestimmt.
Ich war daher im Stande Kurven zu entwerfen, welche das Gesetz der Zusammendrückung
für jede Größe der Kautschukscheiben angeben. Ich habe gefunden, daß diese Curven
fast vollkommene Hyperbeln sind, für welche man die Gleichungen leicht finden kann.
Die in Fig. 7
abgebildete Curve betrifft die Feder für einen Hammer von 150 Kilogrammen (315
kölnische Pfunde); die Zusammendrückungen sind auf der Linie AB angegeben und der Druck durch die Senkrechten,
welche auf dieser Basis errichtet sind.
Die Kautschukscheiben bilden eine Länge von 262 Millimetern, welche unter einer
Belastung von 1500 Kilogr. um 135, unter einer Belastung von 900 Kilogr. um 112
Millimeter verkürzt wird u.s.w. Die von mir angewendeten Federn erleiden eine
anfängliche Zusammendrückung, welche bei dem vorliegenden Beispiele 15 Millimet.
beträgt. Indem ich während des Ganges des Hammers die größte Zusammendrückung der
Feder beobachtete, fand ich, daß sie ungefähr 100 Millimeter betrug. Suchen wir nun
mittelst der Curve den entsprechenden Druck, so finden wir 950 Kilogr. Wir wollen
uns jetzt Rechenschaft von dem Druck geben, welchen der Hebedaumen zu tragen hätte,
wenn er den Hammer ohne Hülfe der Feder aufwerfen müßte: da der 150 Kilogr. schwere
Hammer im Maximum 150 Schläge in der Minute zu machen hat, und der Halbmesser des
Heblings 0,17 Met. beträgt, so ist die mittlere Geschwindigkeit, womit sich der
letztere bewegt, v = 2,65 Met. Der Einfachheit wegen
nehmen wir an, daß keine Verschiedenheit der Geschwindigkeit vor und nach dem Stoße
stattfindet, und daß daher der Hammer mit der Geschwindigkeit von 2,65 Met. gehoben
wird.
Es sey f die veränderliche Kraft, welche der Hebedaumen
während des Stoßes ausübt.
ds sey das Element des Weges, welchen ein Punkt
des Schwungrades – der von der Achse der Welle eben so weit entfernt ist als
der Halbmesser des Daumens lang ist – durchlief, während die Kraft f wirkte.
dx Element des Rückganges des Daumens, welcher der
Kraft f unterworfen ist, die Stellung angenommen, welche
er ohne Torsion und Biegung der Welle einnehmen würde.
ds' Element der Zusammendrückung des Metalles am
Berührungspunkt des Daumens.
Construiren wir nun die Gleichung für die Arbeit oder Wirkung, so erhalten wir:
Textabbildung Bd. 123, S. 332
Da aber ds = xp +
ds', so reducirt sich die Gleichung auf
Textabbildung Bd. 123, S. 332
Da nun nach Morin die Pfeile, welche ein der Biegung und
der Torsion unterworfener Körper annimmt, proportional diesen Kräften sind, so
folgt, daß wenn wir die größte von dem Daumen bewirkte Kraft F nennen, wir haben:
1/2 m v² = Fx/2.
Da die Welle nicht lang seyn kann, so ist die Größe x
sehr klein, d.h. höchstens 2 bis 3 Millimeter. Nehmen wir diesen letztern Werth an,
so haben wir
F = m v³/x = (107 . 40)/0,003 = 35800 Kilogr.
Berechnet man nun nach den gebräuchlichen Formeln die Dimension welche die Welle
haben muß, um dieser Torsionskraft zu widerstehen, so findet man den sehr
bedeutenden Durchmesser von 0,25 Met. Die Kraft von 35800 Kil. ist mehr als das
37fache von 950 Kil., welche auf den Hebedaumen einwirken, wenn er, statt direct zu
wirken, auf den Hammer mittelst der Kautschukfeder wirkt. Dieß beweist, daß ein
Stempelhammer nach meinem System weit weniger angestrengt wird, als einer mit
directem Aufwurf, und daß sämmtliche Theile, um den gehörigen Widerstand leisten zu
können, keine außerordentlichen Dimensionen erfordern.
Ein anderer Vortheil, welcher aus dem Einbringen einer Kautschukfeder in den Körper
des Hammers hervorgeht, ist eine wesentliche Ersparung an Triebkraft.
Man weiß, daß bei dem Stoß zweier Körper die moleculären Wirkungen eine Arbeitsgröße
absorbiren gleich 1/2 (MM'
v²)/(M + M) wobei M die Masse des
gestoßenen und M' diejenige des stoßenden Körpers ist.
Bei einem Hammer ist M' viel größer als M, wegen der Masse des Schwungrades; es nähert sich
daher M'/(M + M) der Einheit, und die Kraft welche die moleculären
Verdrängungen veranlaßte, ist nahezu gleich 1/2 M
v². Wären beide Körper vollkommen elastisch, so würde dieser Effect
gänzlich zurückgegeben werden, aber das Eisen hat diese Eigenschaft bei weitem
nicht. Nach den von mir gemachten Versuchen, welche Jeder wiederholen kann, gibt das
Eisen beim Stoß nur etwa ein Viertel von der Kraft zurück, die auf dasselbe
eingewirkt hat. Es folgt daraus, daß bei einem Stempelhammer ohne Feder durch den
Stoß des Hebedaumens 0,75. 1/2 M v² von der
Leistung verloren geht. Der vulcanisirte Kautschuk, welcher weit elastischer als das
Eisen ist, gibt wenigstens drei Viertel von der auf ihn einwirkenden Kraft zurück,
weßhalb man nur 0,25. 1/2 M v² verliert. Durch
Anwendung dieser Substanz erspare ich daher eine Kraft, welche gleich (0,75 –
0,25) 1/2 M v² ist. Bei einem Hammer von 150
Kil., wie wir ihn hier annehmen, beträgt dieß 27 Kilogrammeter auf den Schlag; und
da 150 Schläge in der Minute erfolgen, 67 Kilogrammeter in der Secunde. Es wird also
fast ein Dampfpferd an Kraft erspart.
Im obern Theil des Maschinengestelles habe ich eine zweite Kautschukfeder angebracht,
welche den Zweck hat den Hammer zurückzutreiben, nachdem ihn der Hebedaumen
verlassen hat.
Um die Durchmesser des Schwungrades, der Welle und der Riemenscheiben so viel als
möglich zu vermindern, wende ich nur einen einzigen Daumen an. Diese Einrichtung
gestattet mir außerdem, in dem Schwungrade ein Gegengewicht anzubringen, welches
seine größte Wirksamkeit während des Hubes des Hammers hat. Dadurch vermindere ich
die Unregelmäßigkeiten der Geschwindigkeit bedeutend, und es wird auch der
Treibriemen sehr erleichtert. Ich gebe dem Schwungrade mit Inbegriff des
Gegengewichts nur das 2 1/2 fache Gewicht des Hammers, und einen äußern Halbmesser
welcher der dreifache von demjenigen des Hebedaumens ist.
Ein wesentlicher Punkt bei den Hämmern ist, daß man die Stärke der Schläge leicht
verändern kann. Bei den ältern Einrichtungen erreicht man diesen Zweck durch
Abänderungen der Geschwindigkeit des Motors, daher in den Eisenhütten meistens eben
so viele Treibmaschinen als Hämmer in Gang sind. Man war folglich zu sehr großen
Ausgaben genöthigt, brauchte sehr viel Platz, und da die Triebkraft getheilt war, so
konnte sie nicht vortheilhaft benutzt werden. Diese Nachtheile sind es auch, welche
die meisten Maschinenbau-Werkstätten verhinderten, Hämmer in ihren Schmieden
anzubringen.
Ich suchte daher bei meinen neuen Hammer-Einrichtungen die Abänderung der
Stärke und der Anzahl der Hammerschläge, ohne Veränderung der Geschwindigkeit des
Motors zu erreichen. Meine Stempelhämmer können folglich in beliebiger Anzahl und
mit andern Werkzeugsmaschinen durch eine einzige Treibmaschine in Bewegung gesetzt
werden.
Ich habe die Aufgabe auf eine sehr einfache Weise gelöst, indem ich neben der
Treibrolle eine Leerrolle von gleichem Durchmesser anbrachte. Will man die Starke
der Schläge vermindern, so läßt man den Laufriemen mehr oder weniger auf die
Leerrolle übergehen. Diese Bewegung erfordert keine Kraft und ist sehr schnell zu
machen. Man vermindert dadurch mehr oder weniger die Zugkraft des Laufriemens. In
dem Augenblick wo der Hebedaumen den Hammer faßt, gleitet der Riemen auf der
Treibrolle und der Hammer wird langsamer aufgeworfen. Man kann so in sehr kurzer
Zeit die Stärke der Schläge beträchtlich vermindern. Da die Rollen gut polirt sind,
so haben die Laufriemen eine lange Dauer.
Die Hämmer meines ersten Systems eignen sich hauptsächlich
zu den Schmiedearbeiten in den Maschinenbau-Werkstätten, zum Zängen der
Luppen aus den Frischfeuern, und zum Ausrecken starker Stäbe. Die Anzahl der
Schläge, welche diese Hämmer machen, beträgt höchstens 180 in der Minute.
Zum Ausrecken mittelstarker und feiner Stabeisensorten und der Stahlstäbe, zum
Ausschmieden der Platinen zu Schaufeln, Sensen und zu verschiedenen anderen
Zeug- und Blankschmiede-Arbeiten ist es wegen des schnellen Abkühlens
dieser dünnern Gegenstände nöthig, eine sehr große Anzahl von Schlägen zu geben. Zu
diesem Zweck habe ich mein zweites System von
Stempelhämmern construirt, welche 150 bis 600 Schläge in der Minute machen
können.
Der Hebedaumen ist nicht nach einer Kreisevolvente, sondern nach einer Spirale
construirt, und hebt daher den Hammer mit geringer Geschwindigkeit. Um den Druck auf den Hebedaumen
bei dem Auswerfen des Hammers zu vermindern, lege ich auf die Schwelle des
Hebedaumen-Lagers mehrere Scheiben von vulcanisirtem Kautschuk, welche ein
Setzen des Lagers um mehrere Millimeter gestatten.
Der Hammer hebt sich nicht frei, wie bei dem ersten Systeme, sondern er drückt
während seines Aufwurfs gegen eine Feder von Kautschuk, in welcher daher eine Kraft
angesammelt wird, die im Verhältniß zu dem anfänglichen Zusammendrücken der Feder
steht. Der Hammer fällt nicht nur durch die Wirkung seines eigenen Gewichts nieder,
sondern seine Geschwindigkeit wird auch durch die Ausdehnung der Feder bedeutend
erhöht.
Die Abänderung der Anzahl der Schläge wird auf dieselbe Weise bewirkt wie bei dem
vorhergehenden System, und diejenige der Stärke der Schläge dadurch, daß man die
Feder mehr oder weniger anzieht.
Um stets einen recht sichern Schlag zu haben, wie er für die Arbeit, wozu diese
Hämmer bestimmt sind, erforderlich ist, werden sie in geneigten Culissen geführt,
welche man nach Maaßgabe ihrer Abnutzung wieder nähern kann; die nach diesem System
eingerichteten Hämmer können ohne Bedenken zu den angestrengtesten Arbeiten benutzt
werden; so ist in der von mir geleiteten Hütte zu Tagolsheim ein Hammer dieses
Systems im Betriebe, der seit vier Monaten Tag und Nacht arbeitet und nur Sonntags
still steht, wobei er durchschnittlich in 24 Stunden mehr als 400,000 Schläge
macht.
Schließlich halte ich es für nöthig, einige Bemerkungen über die Unterhaltung der
Federn von vulcanisirtem Kautschuk und über deren Dauer mitzutheilen.
In der ersten Zeit nach meiner Erfindung habe ich die Kautschukscheiben mittelst
Gußeisenscheiben von einander getrennt; aber die geringe Haltbarkeit dieser
letzteren veranlaßte mich sie aufzugeben; ich ersetzte sie zuerst durch messingene
Scheiben, und dann durch eiserne, welche die zweckmäßigsten sind. Die
Kautschukscheiben dürfen aber die metallenen nicht unmittelbar berühren; sie bleiben
sonst an denselben hängen, werden angegriffen und nutzen sich sehr bald ab. Um
diesen Nachtheil zu vermeiden, rieb ich die Kautschukscheiben zuvörderst mit
trockenem Graphit ein, wodurch die Abnutzung sehr vermindert wurde. Um aber ein noch
besseres Resultat zu erlangen, habe ich zwischen den Kautschuk und das Metall recht
glatte, nichtmetallische Körper, wie Glanzpappe, lackirtes Leder, dicke lackirte
Leinwand gelegt. Die Wirkung derselbe war der Art, daß die Kautschukscheiben erst
nach langer Zeit ausgewechselt zu werden brauchten.
So geht der 70 Kilogr. schwere Hammer bei den HHrn. Stehelin und Comp. zu
Bitschweiler schon sechs Monate lang mit den selben Federn, welche 17 Franken
kosten. In der Hütte zu Tagolsheim hat man bis jetzt zum Verschmieden von 1000
Kilogr. Luppenstücken in Schmiedeisen aller Art nur 0,116 Kilogr. Kautschuk, oder
für 1,97 Fr. verbraucht. Da aber die Federn der in dieser Hütte im Betriebe
stehenden Hämmer schlechte Verhältnisse haben, indem es die ersten von mir
construirten Stempelhämmer waren, so ist jener Geldwerth für die neuern und bessern
Hämmer viel zu hoch.
Um dem vulcanisirten Kautschuk eine lange Dauer zu sichern, müssen die Federn eines
im lebhaften Betriebe stehenden Hammers alle sechs Stunden gereinigt werden. Noch
zweckmäßiger ist es, eine Feder welche sechs Stunden lang im Betriebe war, durch
eine andere, gereinigte und bei Seite gestellte zu ersetzen. Während die neue
Garnitur in Wirksamkeit ist, finden die Schmiede Zeit, die herausgenommene Feder zu
reinigen und zu schmieren.
Um meinen Stempelhämmern den Grad der Einfachheit, Festigkeit und Vollkommenheit zu
verleihen, welchen sie jetzt haben, mußte ich drei Jahre lang Versuche machen, da
ich mich bei ihrer Construction weder auf theoretische Regeln noch auf Erfahrungen
stützen konnte. Erst nachdem ich 17 verschiedene Hämmer erbaut und sie täglich
beobachtet hatte, gelangte ich dahin, allen Theilen derselben die Form und
Dimensionen zu geben, welche sie gegen Abnutzung und Brüche am besten schützen.
Diese Versuche haben mich in den Stand gesetzt, jetzt Stempelhämmer zu erbauen,
welche allen Anforderungen vollkommen Genüge leisten.
Beschreibung der Abbildungen.
Erstes System von Stempelhämmern, Fig. 1 bis 3.
Fig. 1 Aufriß;
Fig. 2
Seitenansicht; Fig.
3 Durchschnitt nach ab, Fig. 1.
M eiserner Hammerkörper.
C Hebedaumen, welcher an der Welle A befestigt ist.
G Becher von verstahltem Eisen, gegen welchen der Daumen
wirkt und der sich in dem Cylinder O des Hammers
bewegt.
t Stange, über welche die Kautschukscheiben c geschoben sind, welche durch die eisernen Scheiben r centrirt sind.
P Treibrolle.
F Leerrolle, auf welche man mittelst des Hebels L den Treibriemen mehr oder weniger schiebt, wenn man
die Stärke der Hammerschläge vermindern will.
V Schwungrad, in welchem das Gegengewicht Q angebracht ist, das den Laufriemen erleichtern
muß.
B Kolben, auf welchen eine zweite Kautschukfeder drückt,
die den aufgeworfenen Hammer zurücktreibt.
a Aufhalter, der von dem Hebel L' bewegt wird.
L' Hebel, welcher, wenn er gehoben wird, mit dem
Aufhalter a den herabfallenden Hammer faßt und ihn
aufhält. Der Hebedaumen bewegt sich dann leer in dem Schlitz des Hammers.
L'' Hebel, welcher gehoben werden muß, wenn der Hammer
wieder in Betrieb gesetzt werden soll. Der kleine, an der Treibrolle P befestigte Hebedaumen c
berührt alsdann den Hebel L''; man hält die Hand dagegen
und der Hebel L' muß sich senken. Der Aufhalter a geht folglich zurück und der Hammer kommt wieder in
Gang.
Zweites System von Stempelhämmern, Fig. 4 bis 6.
Fig. 4 Aufriß;
Fig. 5
Seitenansicht; Fig.
6 senkrechter Durchschnitt der obern Feder.
M eiserner Hammerkörper.
C Hebedaumen an der Welle A.
a Stück von Gußstahl, welches in dem Hammer befestigt
ist und auf das der Hebedaumen wirkt, um den Stempel zu heben.
R Kautschukscheiben, welche unter dem Lager S angebracht sind und dazu dienen, den Stoß des
Hebedaumens zu schwächen.
G eiserner, über dem Hammer angebrachter Becher, der
sich in dem gußeisernen Cylinder O bewegt.
t Stab, auf welchen die durch die eisernen Scheiben r centrirten Kautschukscheiben c geschoben sind.
g kleiner Becher, welcher den Stab t in der Mitte erhält.
v Schraube, um der Feder eine größere oder geringere
anfängliche Spannung zu geben, wodurch die Stärke der Hammerschläge bestimmt werden
kann.
V Schwungrad mit dem Gegenwicht Q. P Treibrolle.
F Leerrolle.
L Hebel zum Richten des Treibriemens, wenn die Anzahl
der Hammerschläge vermindert werden soll.