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.