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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Tellerfedern oder Wellfedern durch Kugelstrahlen, wobei Oberflächenbereiche, die bei Belastung der Feder durch Zugspannungen beansprucht werden, mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen werden. Die Erfindung erfaßt weiterhin Tellerfedern oder Wellfedern, an denen Oberflächenbereiche, die bei Belastung der Feder durch Zugspannungen beansprucht werden, mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen sind.
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Mit dem Begriff Randschicht wird hierbei ein von der Oberfläche ausgehender Tiefenbereich mit am fertigen Bauteil erzeugter Druckeigenspannung bezeichnet. Durch eine Druckeigenspannung in der Randschicht wird eine Rißbildung und das Rißwachstum von der Oberfläche aus behindert, was zu einer erhöhten Dauerfestigkeit des Bauteils führt.
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Die genannten Tellerfedern oder Wellfedern haben geschlossen kreisringförmige Form, wobei sie überwiegend gleichmäßige Materialdicke aufweisen.
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Tellerfedern haben bei äußerst kurzer Baulänge üblicherweise degressive Kennlinien. Sie erbringen hohe Federkräfte bereits bei geringen Federwegen. Tellerfedern werden häufig als Federsäulen mit übereinstimmender oder wechselnder Konuslage, aber auch als Einzelelemente verwendet. Sie können an ihrer Innenkante und/oder an ihrer Außenkante geschlitzt oder gezahnt sein.
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Wellfedern sind zumeist relativ zu einer Ebene gewellte Federelemente oder relativ zu einer Konusfläche gewellte Federelemente, die lineare oder progressiv verlaufende Kennlinien aufweisen.
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Beide Federarten werden im Einsatzfall auch statisch, zumeist jedoch dynamisch beansprucht.
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Tellerfedern und Wellfedern werden in zahlreichen Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau verwendet. Ein weites Einsatzgebiet ergibt sich insbesondere in den Lamellenkupplungen von Automatikgetrieben.
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Die Herstellung von Tellerfedern und Wellfedern erfolgt bei Federn mit geringerer Dicke durch Ausstanzen von Federplatinen aus einem kaltgewalzten Flachband. Dies geschieht entweder durch Normalstanzen oder durch Feinschneiden, letzteres um eine bessere Qualität der Schnittkante zu erzielen. Nach dem Ausstanzen der Federplatinen wird üblicherweise der beim Normalstanzen bzw. beim Feinschneiden entstehende Grat durch Gleitschleifen entfernt.
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Eine Umformung der Federplatinen erfolgt im Anschluß daran durch Warm- oder Kaltumformung. Zur Erzielung der Federeigenschaften werden die Federplatinen anschließend vergütet. Durch ein Kugelstrahlen nach dem Vergütungsprozeß kann eine Druckeigenspannung in der Randschicht erzeugt werden und dadurch die Lebensdauer der Tellerfedern oder Wellfedern für eine dynamische Belastung verbessert werden.
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Bei Belastung der Tellerfedern oder Wellfedern wird die Druckeigenspannung durch in Umfangsrichtung des Federrings wirkende Zugspannungen reduziert oder abgebaut.
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Aufgrund hoher Zugspannungen bei Belastung können oftmals bei hohen Kräften und begrenzten Einbauräumen nicht alle Forderungen an die Lebensdauer von Tellerfedern und Wellfedern im Hinblick auf eine statische oder dynamische Beanspruchung erfüllt werden. Dies gilt auch dann, wenn durch ein Kugelstrahlverfahren eine Druckeigenspannung in der Randschicht der insbesondere auf Zugspannungen belasteten Oberflächenbereiche an der entspannten Tellerfeder erzeugt worden ist.
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Es ist daher häufig erforderlich, Tellerfedern und Wellfedern in Mehrfachanordnung einzusetzen, um die Beanspruchung der einzelnen Tellerfedern und Wellfedern niedrig zu halten und damit die geforderte Lastwechselzahl im Einsatz zu erfüllen.
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Verbunden damit ist eine erhöhte Anzahl an Tellerfedern oder Wellfedern und ein insgesamt vergrößerter Einbauraum. Die erhöhte Anzahl an Tellerfedern oder Wellfedern bedingt höhere Kosten; gleichzeitig resultieren aus dem erforderlichen größeren Einbauraum höhere Aggregatkosten.
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In der
DE 103 34 470 A1 sind Tellerfedern beschrieben, bei denen bei Belastung durch Zugspannungen belastete Oberflächenbereiche durch Kugelstrahlen oder durch Wärmebehandlung mit einer erhöhten Druckeigenspannung in der Randschicht versehen sind.
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Aus der
DE 44 44 649 A1 sind Tellerfedern bekannt, die aus Bandmaterial gestanzt sind, danach gehärtet und aufgestellt werden, danach angelassen und kugelgestrahlt werden, wobei anschließend noch ein sogenanntes Setzen erfolgt. Bezüglich des Kugelstrahlens wird dabei vorgeschlagen, die Strahlparameter auf der Federoberseite und auf der Federunterseite unterschiedlich zu wählen, um die Kraft-Weg-Charakteristik der Tellerfeder gezielt zu beeinflussen.
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Aus der
DE 31 42 270 A1 ist ein Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften in den oberflächennahen Bereichen von Werkstücken aus Stahl bekannt. Dabei werden die Oberflächenbereiche auf eine hohe Temperatur oberhalb des Umwandlungspunktes erhitzt und dabei mechanisch verformt und während oder nach der Verformung abgekühlt oder abgeschreckt. Zur Verformung wird das Bauteil entweder kugelgestrahlt oder gewalzt beziehungsweise gerollt.
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Aus der
DE 850 620 ist ein Verfahren zur Herstellung von Blattfedern bekannt. Hierfür wird ein wärmebehandeltes Federblatt mit einem Strahlgebläse behandelt, während das Federblatt bis nahe an die Streckgrenze belastet ist.
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Aus der
DE 1 263 056 A ist das Kugelstrahlen von hochbeanspruchten Maschinenteilen offenbart, wobei als Beispiel unter anderem das Oberflächenverdichten von Blattfedern beschrieben wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bearbeitung von Tellerfedern und Wellfedern durch Kugelstrahlen vorzuschlagen, mit dem die statische und dynamische Beanspruchbarkeit der entsprechenden Erzeugnisse signifikant erhöht werden kann, bzw. Tellerfedern und Wellfedern bereitzustellen, die eine entsprechend erhöhte statische und dynamische Beanspruchbarkeit aufweisen.
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Die Lösung besteht in einem Verfahren zur Bearbeitung von Tellerfedern oder Wellfedern durch Kugelstrahlen, wobei Oberflächenbereiche, die bei Belastung der Feder durch Zugspannungen beansprucht werden, mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen werden, wobei die genannten Oberflächenbereiche durch Verformen der Feder unter Zugspannung gesetzt werden und in verformtem Zustand der Feder durch Kugelstrahlen verdichtet werden, und wobei das Verdichten durch Kugelstrahlen nach einem Vergüten der Feder erfolgt.
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Mit der hiermit beschriebenen Verfahrensführung werden zum einen höhere Druckeigenspannungen aufgebaut, als beim bisherigen Kugelstrahlverfahren; zum anderen wird durch die beschriebene Verfahrensführung auch die Möglichkeit eröffnet, das Maximum der Druckeigenspannung in tiefere Bereiche der Randschicht zu verlagern. Hiermit wird eine Randschichtqualität erzeugt, die auch bei eventuell vorhandenen Einschlüssen oder Fehlerstellen des Materials zu erhöhten Lebensdauerwerten der Federn bei statischer und dynamischer Belastung führen.
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Nach einer besonders günstigen Verfahrensführung ist vorgesehen, daß die genannten Oberflächenbereiche durch Kugelstrahlen verdichtet werden, während in den genannten Oberflächenbereichen die Streckgrenze überschritten wird. Hierbei wird insbesondere vorgeschlagen, daß die genannten Oberflächenbereiche bei flachgedrückter Feder verdichtet werden. Es ist jedoch auch eine von einem Flachdrücken in die Planlage abweichende, geringere oder bei einer Tellerfeder eine über die Planlage hinausgehende stärkere Verformung möglich.
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Mit dieser Verfahrensführung lassen sich sowohl die Maximalwerte für die Druckeigenspannung in der Randschicht als auch die Tiefenlage des entsprechenden Maximums der Druckeigenspannung in der Randschicht signifikant erhöhen, wie später noch im einzelnen dargestellt wird.
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Sofern das Verdichten durch Kugelstrahlen bei flachgedrückter Feder auf Teilbereiche der Oberflächen begrenzt wird, ist es günstig, die übrigen Bereiche durch ein Kugelstrahlen bei entspannter Feder zu verdichten. Hierbei erfolgt in bevorzugter Weise das Oberflächenverdichten der Gesamtoberfläche bei entspannter Feder zuerst.
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Das Verdichten nach dem Kugelstrahlverfahren erfolgt in günstiger Weise nach dem Vergüten der Feder, damit die Ergebnisse des Kugelstrahlens nicht durch eine anschließende Wärmebehandlung teilweise wieder beeinträchtigt werden.
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Nach einer günstigen Verfahrensführung erfolgt das erfindungsgemäße Verdichten bei verformter Feder bei einer erhöhten Temperatur der Feder von mehr als 150°C bis etwa 250°, insbesondere bei etwa 200°C. Hiermit läßt sich das Maximum der Druckeigenspannung in eine größere Tiefe unter der Oberfläche verlagern.
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Die Erfindung umfaßt weiterhin Tellerfedern oder Wellfedern, an denen Oberflächenbereiche, die bei Belastung der Feder durch Zugspannungen beansprucht werden, nach einem Vergüten der Feder mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen sind, wobei das Maximum der Druckeigenspannung in der Randschicht der durch Kugelstrahlen bei verformter Feder behandelten Oberflächenbereiche mindestens 850 MPa beträgt. In bevorzugter Ausführung ist hierbei vorgesehen, daß die Druckeigenspannung in der Randschicht der durch Kugelstrahlen bei verformter Feder erzeugten Oberflächenbereiche in einer Tiefe von 100 μm mindestens 850 MPa beträgt.
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Ausgehend von der an sich bekannten Gegebenheit, daß die Qualitätsverbesserung durch eine Druckeigenspannung insbesondere die Oberflächenbereiche erfassen muß, die bei Belastung unter Zugspannungen in der Randschicht gesetzt werden, ist insbesondere vorgesehen, daß zumindest eine der inneren und äußeren Ringkanten mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen ist, oder daß bei einer Tellerfeder zumindest ein Randbereich der innenkonischen Unterseite mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen sind, bzw. daß bei einer Wellfeder zumindest jeweils ein Randbereich der gewellten oberen und unteren Oberflächen mit einer Druckeigenspannung in der Randschicht versehen sind. Die Tellerfedern können hierbei so gestaltet sein, daß die Tellerfeder an ihrer Innenkante geschlitzt bzw. gezahnt ist und/oder daß die Tellerfeder an ihrer Außenkante geschlitzt bzw. gezahnt ist. An den Wellfedern kann vorgesehen sein, daß die Wellung der Wellfeder von einer Tellerung, d. h. von einer Konizität überlagert ist. Darüber hinaus kann die Wellung auch über dem Umfang so variieren, daß Minima und Maxima unterschiedlicher Größe und Höhe in periodischer Abfolge vorhanden sind.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend beschrieben.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Tellerfeder in einer ersten Ausführung;
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Tellerfeder in einer zweiten Ausführung;
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Tellerfeder in einer dritten Ausführung;
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Tellerfeder in einer vierten Ausführung;
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Tellerfeder in einer fünften Ausführung;
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6 zeigt eine erfindungsgemäße Tellerfeder in einer sechsten Ausführung;
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7 zeigt eine erfindungsgemäße Tellerfeder in einer siebten Ausführung;
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8 zeigt eine erfindungsgemäße Tellerfeder in einer achten Ausführung;
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9 zeigt eine erfindungsgemäße Wellfeder in einer ersten Ausführung;
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10 zeigt eine erfindungsgemäße Wellfeder in einer zweiten Ausführung;
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11 zeigt eine erfindungsgemäße Wellfeder in einer dritten Ausführung;
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12 zeigt den Spannungsverlauf in der Randschicht einer erfindungsgemäß vorgespannt kugelgestrahlten Tellerfeder oder Wellfeder im Vergleich mit dem Spannungsverlauf in der Randschicht; einer herkömmlich kugelgestrahlten Tellerfeder oder Wellfeder.
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Die 1 bis 5 werden nachstehend zunächst gemeinsam beschrieben. Es ist jeweils eine Tellerfeder 111 in 3D-Darstellung gezeigt, an der ein vorne liegender Teilbereich weggeschnitten ist. Die Tellerfeder ist insgesamt ein vollständiger Kreisring. Die Tellerung ist derart, daß die Spitze des Öffnungskonus der zueinander parallelen Ober- und Unterseite unterhalb des Federringes liegt. Hierbei wird die obenliegende Seite als Unterseite 12 und die untenliegende Seite als Oberseite 13 bezeichnet. Weiterhin werden eine innere Ringkante 14 und eine äußere Ringkante 15 unterschieden. Im Querschnitt ist die Tellerfeder 111 rechtwinklig, d. h. sie besteht aus Blech von im wesentlichen gleichmäßiger Dicke. Die von Kugelstrahlverdichtung erfaßten Oberflächenbereiche sind als Grauflächen angelegt. In den 1 bis 5 ist jeweils eine Kugelstrahlvorrichtung 31 in verschiedenen Positionen dargestellt, wobei die verschiedenen Positionen die Kugelstrahlverdichtung verschiedener Oberflächenbereiche symbolisieren sollen. Die Vorrichtung 31 wird in einer nicht dargestellten Werkzeughalterung eingespannt, die numerisch gesteuert insbesondere um drei Achsen bewegt werden kann. Mit in der Darstellung nicht gezeigten Mitteln kann die Tellerfeder 111 aufgespannt werden und bei auf die Oberflächen der Tellerfeder ausgerichteter Vorrichtung 31 drehend um ihre Achse angetrieben werden. Hierbei wird ein Druckimpuls in den Oberflächen 33 erzeugt, der die Oberflächen plastisch umformt und dabei eine Druckeigenspannung in der Randschicht erzeugt. Die jeweils vom Kugelstrahlen erfaßten Oberflächen sind in den Figuren dunkel angelegt, wobei zur Verdeutlichung die Vorrichtung 31 jeweils in einer Position an den behandelten Oberflächen dargestellt ist. Um die Oberseite und Unterseite unterscheiden zu können, ist die Feder in entspannter Stellung gezeigt, während das Kugelstrahlen tatsächlich an der vorgespannten, insbesondere flachgedrückten Tellerfeder erfolgt.
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In 1 wird auf diese Weise die Unterseite 12, die innere Ringkante 14 und die äußere Ringkante 15 durch Kugelstrahlen unter Zugspannung verdichtet.
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In 2 wird auf diese Weise die Unterseite 12 und die äußere Ringkante 15 durch Kugelstrahlen unter Zugspannung verdichtet.
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In 3 wird auf diese Weise die Unterseite 12 und die innere Ringkante 14 durch Kugelstrahlen unter Zugspannung verdichtet.
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In 4 wird auf diese Weise die äußere Ringkante 15 und ein an diese anschliessender schmaler Randbereich 17 der Unterseite 12 durch Kugelstrahlen unter Zugspannung verdichtet.
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In 5 wird auf diese Weise die innere Ringkante 14 und ein an diese anschließender schmaler Randbereich 16 der Unterseite 12 durch Kugelstrahlen unter Zugspannung verdichtet.
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Die 6 und 7 werden zunächst gemeinsam beschrieben. Es ist eine Tellerfeder 112 in gleicher Darstellungsweise wie in den 1 bis 5 dargestellt, wobei die Tellerfeder 112 jedoch innen geschlitzt ist, so daß eine glatte äußere Ringkante 15 wie zuvor vorhanden ist, jedoch auf der Innenseite trapezförmige Schlitze 182 und trapezförmige Laschen 192 den Verlauf der inneren Ringkante 142 bestimmen. Die Laschen 192 werden von der Randschichtverdichtung nicht erfaßt.
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In 6 erstreckt sich die Kugelstrahlverdichtung unter Zugspannung auf die Unterseite 12 und die außenliegende Ringkante 15.
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In 7 erstreckt sich die Kugelstrahlverdichtung unter Zugspannung auf die äußere Ringkante 15 und einen schmalen an diesen anschließenden Randbereich 17 der Unterseite 12.
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In 8 ist eine Tellerfeder 113 in grundsätzlich gleicher Darstellung wie in den 1 bis 5 gezeigt, wobei die Tellerfeder 113 jedoch außen geschlitzt ist, so daß nur eine glatte umlaufende innere Ringkante 14 vorhanden ist, während die äußere Ringkante 153 von trapezförmigen Schlitzen 183 und Laschen 193 definiert wird. Die Kugelstrahlverdichtung erstreckt sich nicht auf die Laschen 193. Stattdessen wird von der Kugelstrahlverdichtung unter Zugspannung die Unterseite 12 und die innere Ringkante 14 der Tellerfeder 113 erfaßt.
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Die 9 bis 11 werden zunächst gemeinsam beschrieben. Es ist jeweils eine Wellfeder 21 in 3D-Darstellung gezeigt, von der ein vorneliegender Teilbereich weggeschnitten ist. Die Wellfeder ist insgesamt ein vollständiger Kreisring. Die Wellfeder hat über dem Umfang definitionsgemäß einen Wellenverlauf, wobei sie zueinander parallele Ober- und Unterseiten erkennen läßt. Im einzelnen sind eine Unterseite 22, eine Oberseite 23, eine innere Ringkante 14 und eine äußere Ringkante 15 bezeichnet. Im Querschnitt ist die Wellfeder 21 rechtwinklig, d. h. sie besteht aus Blech von im wesentlichen gleichmäßiger Dicke. Eine Tellerung der Wellfeder 21 ist nicht erkennbar, sie kann aber zur Wellung als ergänzendes Gestaltungskriterium hinzutreten. Die Kugelstrahlvorrichtung 31 wird in einer nicht dargestellten Werkzeughalterung eingespannt, die numerisch gesteuert insbesondere um drei Achsen bewegt werden kann. Mit in der Darstellung nicht gezeigten Mitteln kann die Wellfeder 21 aufgespannt werden und bei auf die Oberflächen der Tellerfeder ausgerichteter Vorrichtung 31 drehend um ihre Achse angetrieben werden. Hierbei wird ein Druckimpuls in den Oberflächen erzeugt, der die Oberflächen plastisch umformt und dabei eine Druckeigenspannung in der Randschicht erzeugt. Die jeweils vom Kugelstrahlen erfaßten Oberflächen sind in den Figuren dunkel angelegt, wobei zur Verdeutlichung die Vorrichtung 31 jeweils in einer Position an den behandelten Oberflächen dargestellt ist. Um die Oberseite und Unterseite unterscheiden zu können, ist die Feder in entspannter Stellung gezeigt, während das Kugelstrahlen tatsächlich an der vorgespannten, insbesondere flachgedrückten Wellfeder erfolgt.
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In 9 wird die Unterseite 22 und die Oberseite 23 von der Kugelstrahlverdichtung unter Zugspannung erfaßt.
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In 10 werden die Unterseite 22, die Oberseite 23 sowie die inneren und äußeren Ringkanten 14, 15 von der Kugelstrahlverdichtung unter Zugspannung erfaßt.
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In 11 wird die innere Ringkante 14 und jeweils zwei begrenzte Randbereiche 162, 163 im Anschluß an die innere Ringkante 14 auf der Unterseite 22 bzw. der Oberseite 23 von der Kugelstrahlverdichtung unter Zugspannung erfaßt.
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In der 12 ist der Spannungsverlauf in der Randschicht eines erfindungsgemäß behandelten Oberflächenbereiches in MPa über dem Abstand von der Oberfläche in μm im Vergleich mit einem Spannungsverlauf in der Randschicht einer Teller- oder Wellfeder nach dem Stand der Technik dargestellt, wobei eine obere Kurve I das Ergebnis einer Verfahrensführung nach dem an der Stand der Technik nach einem Kugelstrahlen der Teller- oder Wellfeder bei entspannter Feder und die untere Kurve II das Ergebnis einer erfindungsgemäßen Verfahrensführung nach einem Kugelstrahlen unter Einspannen der Tellerfeder oder Wellfeder, d. h. bei einer in diesem Fall in die Planlage gedrückten Feder darstellt. Die negativ angegebenen Druckeigenspannungswerte der unteren Kurve II sind deutlich höher und reichen tiefer in die Randschicht hinein, als sie bei der Kurve I nach dem einem üblichen Kugelstrahlverfahren zu erzielen sind.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Tellerfeder
- 12
- Unterseite
- 13
- Oberseite
- 14
- Innenkante
- 15
- Außenkante
- 16
- Randbereich
- 17
- Randbereich
- 18
- Schlitz
- 19
- Lasche
- 21
- Wellfeder
- 22
- Unterseite
- 23
- Oberseite
- 31
- Kugelstrahlvorrichtung
