DE102010020833A1 - Verfahren zur Oberflächenverfestigung bei einer Feder - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenverfestigung bei einer Feder, insbesondere bei einer Teller- oder einer Wellfeder. Erfindungswesentlich ist dabei, dass eine Oberfläche der Feder zumindest bereichsweise Ultraschall-Kugelgestrahlt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenverfestigung bei einer Feder, insbesondere bei einer Teller- oder einer Wellfeder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine nach einem derartigen Verfahren hergestellte Teller- oder Wellfeder.
  • Teller- bzw. Wellfedern sind für industrielle Zwecke häufig eingesetzte Federtypen, welche üblicherweise eine große Belastung über einen langen Zeitraum problemlos ertragen. Um die Lebensdauer derartiger Federn steigern zu können, ist es bekannt, deren Oberfläche bspw. mittels geeigneter Verfahren zu verdichten. Ein derartiges Oberflächenverdichten kann bspw. durch ein Kugelstrahlen von bestimmten Bereichen der Feder erreicht werden, bei welchem eine durch die aufprallenden Kugelelemente verdichtete Randschicht erzeugt wird. Gleichzeitig werden beim Kugelstrahlverfahren Druckeigenspannungen auf die kugelgestrahlten Bereiche aufgebracht, welche ebenfalls dazu beitragen, die dynamische Lebensdauer der so bearbeiteten Federn zu verlängern. Darüber hinaus sind chemische Verfahren zum Härten, insbesondere zum Randschichthärten, wie bspw. das Borieren bzw. das Nitrieren bekannt. Einen großen Einfluss auf die Lebensdauer solcher Federn hat dabei insbesondere die Beschaffenheit der Federoberfläche. Weist diese bspw. Beschädigungen in Form von Rillen, Macken, Lunkern, Fremdpartikeln o. ä. auf, kann dies zu einer lokalen Schwächung der Feder und damit zu einem deutlichen Herabsetzen der dynamischen Lebensdauer führen. In gleicher Weise wirkt sich eine über bestimmte Maße hinausgehende Oberflächenrauhigkeit negativ auf die Lebensdauer der Federn aus. Um dabei die Oberflächenrauhigkeit zu vermindern und insbesondere vorher genannte Oberflächenfehler ausgleichen zu können, sind auch mechanische Nachbearbeitungsschritte, wie bspw. ein Läppen, ein Polieren oder ein Schleifen bekannt. Bei diesen, die Oberfläche der Feder verbessernden Verfahren, wird eine mechanische Bearbeitung der Oberfläche durchgeführt, wobei die Qualität der so durchgeführten Behandlung stark abhängig von den eingesetzten Werkzeugen und der Zugänglichkeit der Oberflächen der Federn ist.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich deshalb mit dem Problem, für ein gattungsgemäßes Verfahren, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, durch welche in besonders einfacher Weise die Steigerung der Lebensdauer einer Feder erreicht werden kann.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine zu verfestigende Oberfläche einer Feder nicht mehr nur Kugelzustrahlen, sondern vielmehr Ultraschall-Kugelzustrahlen. Im Vergleich zu einem konventionellen Kugelstrahlen, dem sogenannten Shot-peening, liefert diese Verfahrensvariante eine deutlich verbesserte Oberflächenqualität bei gleichzeitig höherer Wirtschaftlichkeit. Die Steigerung der Wirtschaftlichkeit besteht insbesondere darin, dass beim Ultraschall-Kugelstrahlen eine Aufbereitung und eine Kreislaufführung des Strahlmittels entfallen kann. Generell arbeitet man beim Ultraschall-Kugelstrahlen mit absolut runden, im Vergleich zum normalen Kugelstrahlverfahren weitaus größeren Kugeln. Sie werden beispielsweise in einer zylindrischen Kammer mit einer sogenannten Sonotrode in eine zyklische, hämmernde Bewegung versetzt. Dieser Lautsprecher für Ultraschall bildet dabei eine Kammerseite, während das zu bearbeitende Bauteil bzw. im vorliegenden Fall die zu bearbeitende Oberfläche der Feder die gegenüberliegende Kammerseite bildet. Während der Bearbeitung bleibt die Kammer üblicherweise dicht verschlossen, wodurch eine kontinuierliche Kugelzu- und -abfuhr entfällt. Zugleich ist der Verschleiß äußerst gering. Generell befinden sich immer nur wenige Gramm Kugeln in der Kammer, die nach einer hohen Anzahl an Zyklen komplett ausgetauscht werden. Ein Kugeldurchmesser der beim erfindungsgemäßen Ultraschall-Kugelstrahlverfahren verwendeten Kugeln liegt bei bis zu 3 mm, wobei im Vergleich zum herkömmlichen normalen Kugelstrahlen ein Auftreffen der Kugeln auf der zu verfestigenden Oberfläche nicht zielgerichtet, sondern vielmehr diffus erfolgt mit bis zu 20 m/s. Wie eingangs erwähnt sind die beim Ultraschall-Kugelstrahlen verwendeten Strahlkugeln mit bis zu 3 mm deutlich größer als herkömmliches kugelförmiges Strahlgut mit einem Durchmesser von 0,4 bis ca. 0,9 mm. Generell wird Ultraschall-Kugelstrahlen bisher lediglich beispielsweise bei Turbinenschaufeln in der Luftfahrtindustrie verwendet, wohingegen die Übertragung auf und damit auch die Verwendung des Ultraschall-Kugelstrahlens bei Federn, insbesondere bei Tellerfedern bisher gänzlich unbekannt ist. Die besondere Wirkungsweise bei Ultraschall-Kugelstrahlen liegt insbesondere in den geringen Abdrücken des Strahlguts auf der zu verfestigenden Oberfläche, das heißt auf der zu verfestigenden Feder, wodurch die derart verfestigte Oberfläche nach der Randschichtverfestigung deutlich glatter ist. Die Gründe hierfür liegen in der Art der Beschleunigung, wie vorher ausgeführt.
  • Die wichtigsten beiden Vorteile lassen sich daher wie folgt definieren: Mit dem Ultraschall-Kugelstrahlverfahren lassen sich definierte und reproduzierbare Druckeigenspannungen auf die zu verfestigenden Oberflächen der Federn einbringen, während das Verfahren die Rauhigkeit der zu strahlenden Oberflächen generell nicht oder nur unwesentlich verändert.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, werden die Kugeln beim Ultraschall-Kugelstrahlen mittels einer Sonotrode beschleunigt. Eine derartige Sonotrode ist beispielsweise der DE 10 2006 010 880 A1 zu entnehmen. Generell beeinflusst die Sonotrode mit ihrer Schwingungsamplitude den Strahlvorgang zumindest ebenso stark, wie ein Durchmesser der Strahlkugeln, eine Eigenschaft der Strahlkugeln (Material, Härte, Dichte, Rundheit). Auch ein Winkel und ein Abstand zwischen der zu strahlenden Oberfläche der Feder und der Sonotrode beeinflussen dabei das Strahlergebnis. Generell gilt dabei, dass bei einer größeren Schwingungsamplitude die Kugeln eine stärkere Beschleunigung und damit eine höhere Geschwindigkeit erfahren. Eine höhere Schwingungsamplitude kann dabei auch dazu genutzt werden, den Ultraschall-Kugelstrahlvorgang insgesamt zu straffen, da bei einer höheren Schwingungsamplitude die zu strahlende Oberfläche der Feder öfter pro Zeiteinheit getroffen wird.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, wird die Feder vor oder nach dem Ultraschall Kugelstrahlen vorgesetzt. Generell können sich Federn setzen, das heißt es kann eine plastische Verformung auftreten, sofern die Elastizitätsgrenze des Werkstoffes überschritten wird. Nach der Entlastung wird dabei die ursprüngliche axiale Länge nicht mehr erreicht, wodurch ein Kraftverlust, die so genannte Relaxation, entsteht. Durch ein gezieltes Vorsetzen, das heißt ein Belasten der Feder auf eine bestimmte Einfederung über einen gewissen Zeitraum, kann ein derartiger Relaxationsvorgang, das heißt ein späteres Setzen beim Betrieb der Feder, vorweggenommen werden.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird die Feder zumindest bereichsweise chemisch gehärtet, insbesondere boriert oder nitriert. Das Borieren ist ein thermochemisches Randschichthärteverfahren, welches üblicherweise zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberfläche angewendet wird. Es kann bei fast allen Stählen, Gusseisensorten und Sintereisen angewendet werden. Generell beruht das Borieren auf dem Einbringen von Bor in die Randzone eines Werkstoffes bei einer Temperatur zwischen 850 und 950°C. Das Bor kann dabei pulver- oder pastenförmig vorliegen, wobei sich beim Borieren bis in eine Tiefe von ca. 250 μm eine Boridschicht aus FeB und Fe2B bildet, die stängelartig nach oben wächst und eine gute Verankerung zum Federstahl aufweist, gleichzeitig jedoch auch eine Volumenzunahme der so behandelten Randzone von ungefähr 25% mit sich bringt. Demgegenüber wird das Nitrieren in der Regel bei Temperaturen von ca. 500 bis 520°C durchgeführt, wobei der Kern des zu nitrierenden Werkstoffs ferritisch bleibt um gleichzeitig eine Bildung von oberflächennahem Austenit durch Eindiffusion von Stickstoff vermieden wird. An der Oberfläche der Feder bildet sich dabei durch Eindiffundieren von Stickstoff oder Kohlenstoff in das Werkstück eine sehr harte oberflächliche Verbindungsschicht, die je nach Behandlungszeit, das heißt Einwirkungszeit des Stickstoffs, ca. 10–30 μm dick werden kann. Der beim Nitrieren eingelagerte Stickstoff führt zu einer Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit und damit auch zu einer Erhöhung der Lebensdauer der so behandelten Feder.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird die Feder geschliffen, geläppt und/oder elektropoliert. Das Elektropolieren zählt zu den abtragenden Fertigungsverfahren, wodurch die Oberflächenrauheit verringert wird. In gleicher Weise kann hier auch von einem so genannten elektrochemischen Glätten gesprochen werden. Bei einem Elektropolieren werden generell Rauheitsspitzen schneller abgetragen also so genannte Rauheitstäler, da sich beim Elektropolieren in Mineralsäueregemischen vor der Oberfläche eine transportlimitierende Polierschicht bildet, die den Abtrag an Rauheitsspitzen begünstigt. Gleichzeitig wird durch das Elektropolieren auch die Nanorauheit reduziert. Generell kann das Elektropolieren auch zum Entgraten eingesetzt werden. Demgegenüber ist das Läppen ein maschinelles, ggf. auch von Hand ausgeübtes, zeitbestimmtes Glättverfahren von Oberflächen. Beim Läppen wird ein Gemisch aus Läpp-Pulver, also einem abrasiven Schleifmittel, und Wasser oder Läpp-Öl verwendet. Im Gegensatz zum Schleifen, wenn das Schleifkorn fest gebunden ist, wird dabei mit losem (rollendem) Korn gearbeitet. Dadurch können, selbst bei relativ grober Körnung, wegen des geringen Materialabtrags, sehr hohe Oberflächengüten erreicht werden. Wichtig ist dabei, dass die Korngröße des Schleifgutes annähernd homogen ist, da vereinzelte größere Körner, ansonsten relativ tiefe Riefen ergeben könnten. Im Gegensatz zum Schleifen, ist Läppen ein Abtrag in mehrere Richtungen. Generell kann auch noch Honen als Oberflächenvergütungsverfahren bei den erfindungsgemäß chemisch polierten Federn zur positiven Beeinflussung der tribologischen Eigenschaften genutzt werden. Honen ist dabei ein zerspanendes Feinbearbeitungsverfahren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006010880 A1 [0007]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Oberflächenverfestigung bei einer Feder, insbesondere bei einer Teller- oder einer Wellfeder, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche der Feder zumindest bereichsweise Ultraschall-Kugelgestrahlt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder vor oder nach dem Ultraschall-Kugelstrahlen vorgesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln mittels einer Sonotrode beschleunigt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder als Tellerfeder ausgebildet ist und auf einer Unterseite, einer inneren und/oder einer äußeren Ringkante Ultraschall-Kugelgestrahlt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder zumindest bereichsweise chemisch behandelt, insbesondere boriert oder nitriert wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder geschliffen oder geläppt wird.
  7. Teller- oder Wellfeder, hergestellt bzw. bearbeitet nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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