DE19514486A1

DE19514486A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Schraubenfedern

Info

Publication number: DE19514486A1
Application number: DE1995114486
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Ing Otzen; Hans-Juergen Prof Dr Schorcht; Mathias Prof Dr Ing Weis
Original assignee: SCHORCHT HANS JUERGEN PROF DR
Current assignee: SCHORCHT HANS JUERGEN PROF DR
Priority date: 1995-04-19
Filing date: 1995-04-19
Publication date: 1996-10-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zur Herstellung von Schraubenfedern durch Federwinden, wobei ein Draht von einer Einzugsvor richtung eingezogen und mit einer Umformein richtung, bestehend aus Windestiften oder -rollen bzw. Windedorn und einer Steigungseinrichtung, um geformt wird.

An Schraubenfedern werden von Seiten der industri ellen Anwender zunehmend erhöhte Genauigkeitsanfor derungen hinsichtlich Einhaltung der konstruktiv festgelegten Federkennwerte, speziell der Feder kennlinie, gestellt. Gründe dafür sind insbesondere die steigenden Anforderungen an Maschinen und Ge räte, in denen Schraubenfedern eingesetzt werden, sowie der wachsende Automatisierungsgrad in der Fertigung von Maschinen und Geräten mit der Ten denz, daß nur eng tolerierte Bauteile verarbeitet werden können.

Der Federdraht als Ausgangsmaterial unterliegt werkstoffbedingten, geometrischen und verar beitungstechnischen Schwankungen. Sie äußern sich in Abweichungen des Drahtdurchmessers d, der Festigkeitswerte bzw. Werkstoffkennwerte von ihren Nennwerten und in Verdrillungen infolge elastischer Torsionsspannungen. Außerdem spielen auch Ab weichungen eine maßgebliche Rolle, die sich aus dem plastisch-elastischen Verformungsverhalten des Federdrahtes ergeben und meist in vorgelagerten Fertigungsstufen ihre Ursache haben.

Die genannten Schwankungen verursachen erhebliche Abweichungen der Parameter der kaltgeformten Schraubenfeder von den konstruktiv festgelegten Daten, deren Auswirkungen in Abweichungen der Federkennlinie von der Sollkennlinie feststellbar sind.

Die Kennlinie kann aufgrund der bekannten Beziehung für die Federrate

d - Drahtdurchmesser
G - Gleitmodul
D_m - mittlerer Windungsdurchmesser
n_f - Anzahl federnder Windungen

in Abhängigkeit vom jeweiligen d- bzw. G-Istwert des Drahtes und des sich nach der Drahtumformung ergebenden Istwertes des mittleren Windungsdurch messers D_m hinsichtlich der Steigung beträchtlich variieren und durch Verdrillungen hervorgerufene Steigungs- und Längenschwankungen der Feder auch parallel zu sich verschoben sein.

In der Folge entsteht bei der Federherstellung zwangsläufig Ausschuß, dessen Anteil bei Federn mit kleinen Abmessungen und hohen Genauigkeitsforderun gen beträchtlich sein kann. Da dieser Ausschuß meist erst an der endbearbeiteten Feder feststell bar ist, ergeben sich erhebliche volkswirtschaft liche Verluste. Außerdem führen die notwendigen Mehraufwendungen für Material und Energie zu zu sätzlichen Umweltbelastungen.

Im Stand der Technik sind Maschinen zur Federher stellung, die über Einzugsrollen, mechanisch oder elektrisch gesteuerte Windestifte oder -rollen, Steigungs- und Formwerkzeuge verfügen, bekannt. Ihre Entwicklung war zunächst hauptsächlich darauf gerichtet, möglichst hohe Stückzahlen zu erreichen und bei vertretbarem Aufwand auch die Umrüstung zur Fertigung von Federn mit unterschiedlichen Abmes sungen und Formen zu gewährleisten.

Bei den bekannten Maschinen ist nachteilig, daß sie nicht in der Lage sind, die Schwankungen des Aus gangsmaterials Federdraht während der Fertigung zu erfassen und auszugleichen.

Im Stand der Technik sind auch Maschinen mit Über wachungs- und Qualitätssicherungssystem bekannt, bei denen die Federlänge mechanisch, optisch, kapa zitiv oder auch durch Induktionsänderung gemessen oder geprüft wird.

Es sind weiterhin Systeme bekannt, die mit Hilfe dieser Meß- bzw. Prüfmöglichkeiten Ausschußfedern erkennen und aussortieren sowie selbständig Korrek turen an der Steuerung des Federwindeautomaten vor nehmen. Dies geschieht in der Regel auf der Grund lage von Methoden zur statistischen Prozeßregelung. Andere realisierte Varianten liefern bei vorhan denen Abweichungen der gefertigten Federn über Dia logsysteme entsprechende Fehlermeldungen an den Bediener, der dann in die Steuerung korrigierend eingreifen muß. Weiterhin sind Systeme bekannt, die nach einer entsprechenden Anzahl von unmittelbar hintereinander gefertigten Ausschußfedern den Her stellungsprozeß unterbrechen.

Bei allen bekannten Verfahren zur Messung, Kon trolle und Korrektur von Federdaten ist nachteilig, daß sie die geometrischen Federgrößen erst an fer tigen Federn, oft bereits an Ausschußfedern, kon trollieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche hohe Genauigkeiten bei der Federherstellung gewährleisten und gleichzeitig den Ausschuß minimieren.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe durch ein Verfahren und eine Anordnung mit den in den Ansprüchen 1 bis 10 angegebenen Merkmalen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungs gemäße Vorrichtung zeichnen sich durch eine Reihe von Vorteilen aus.

Zum Erfassen der Parameter des Federdrahtes in einer oder in zwei Ebenen sind mehrere Verfahren möglich. Die Erfassung in zwei Ebenen ermöglicht es, Abweichungen des Drahtquerschnittes zu erfassen und der Prozeßregelung zuzuführen. Vorteilhaft sind neben taktil oder berührungslos messenden elek trischen Sensoren auch optische Sensoren, die die Änderung lichttechnischer Größen auswerten.

Die Korrektur der Drahtdurchmesserschwankungen ist besonders für vergütete Federdrähte wichtig. Bei diesen Drähten bauen sich zwar die beim Ziehen ent standenen Spannungen aufgrund des abschließenden bei über 860°C durchgeführten Härteprozesses ab, dafür kommt es in der Ofenstrecke aber selbst bei kleinsten Behinderungen des Drahtablaufhaspels zur verjüngenden Streckung des Drahtes. Drahtdurchmes serschwankungen sind hier deshalb wesentlich ausge prägter als bei patentiert gezogenen und bei nicht rostenden Drähten.

Durch Kombination der Windewerkzeuge mit Kraftmeßeinrichtungen wird es möglich, die Umform kräfte beim Federwinden zu messen und durch deren Auswertung Rückschlüsse auf Veränderungen der Federparameter zu ziehen und diese Änderungen in die Maschinensteuerung einzubeziehen.

Eine weitere spezielle Ausführung sieht vor, daß eine E- bzw. G-Modul-Meßeinrichtung aus Rollen besteht, welche ein geringfügiges elastisches Ver formen des Drahtes um definierte Werte bewirken und dabei die erforderlichen Verformungskräfte messen.

Da der Drahtausgangszustand bereits vor dem Umform prozeß ermittelt und beim Steuern der Windewerk zeuge berücksichtigt wird, kann der Ausschuß wesentlich reduziert werden.

Außerdem kann auch das Umformergebnis stetig über wacht sowie die Soll-Ist-Abweichung über einen schnellen Echtzeit-Regler auf die Werkzeugstellung rückgeführt werden.

Dies führt zu beträchtlichen Lohn-, Material- und Energiekostenreduzierungen sowie zur Verringerung der Aufwendungen für das Werkstoffrecycling und zur Reduzierung zusätzlicher Umweltbelastungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungs gemäße Vorrichtung können vorteilhaft bei der Her stellung neuer Federfertigungsautomaten angewendet werden, wobei die Anwendung nicht auf Schraubenfe derwindeautomaten beschränkt bleibt, sondern auch für andere Maschinen zur Federherstellung geeignet ist. Sie kann auch an bereits vorhandenen NC-gesteuerten Federwindeautomaten nachgerüstet wer den, so daß ein möglichst großer Kreis von Federherstellern ohne grundlegende Erneuerung des Maschinenparks und mit geringem finanziellen Auf wand die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzen kann.

Es ist ferner möglich, die Federn aufgrund der ge wonnenen Meßergebnisse in verschiedene Qualitäts klassen zu sortieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der zuge hörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Maschine,
die Fig. 2 und 3 die Anordnung zur Ermitt lung des Federdurchmessers und

Fig. 4 die Verknüpfungen der einzelnen Bau gruppen in Form eines Blockschaltbildes.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Maschine sche matisch dargestellt. Zum Anfertigen einer Schrau benfeder wird der Draht zunächst an einer Draht durchmessermeßeinrichtung 1 vorbeigeführt, an der der aktuelle Durchmesser des Federdrahtes ermittelt wird. Anschließend gelangt der Draht in die Meßein richtung zur Ermittlung des E- bzw. G-Moduls. Die Meßeinrichtung besteht aus Rollen 2, von denen mindestens die Rolle 2.3 senkrecht zur Rollenachse verstellbar ist, das Rollenpaar 2.2 angetrieben wird und das Rollenpaar 2.1 frei mitläuft. Bei dieser Verstellung wird ein elastisches Verformen des Drahtes um definierte Werte bewirkt. Mit den Rollen sind Sensoren verbunden, mit denen die La gerkräfte A, B, und C kontinuierlich gemessen wer den. Diese Lagerkräfte sind von den Mate rialeigenschaften des Federdrahtes abhängig und ge statten die Ermittlung des E-Moduls. Damit wird es möglich, den G-Modul für den jeweils aktuellen Zu stand zu bestimmen. Um die Messung unabhängig von Einflüssen der Maschinenfunktion durchzuführen, sind die Schlaufen 4 angeordnet. Die Verformungseigenschaften des zu verarbeitenden Drahtes können erkannt und entsprechende Reaktionen eingeleitet werden. Solche Reaktionen können z. B. ein Warnsignal sein oder entsprechende Verstellbe wegungen der Formwerkzeuge auszulösen. Nachdem der Draht diese Einrichtung passiert hat, gelangt er in die Zuführeinrichtung Z und anschließend in die Umformeinrichtung. Von der Umformeinrichtung sind in Fig. 1 die Windestifte 3.1 und 3.2 dargestellt, die elektrisch verstellbar sind. Durch eine weitere Stelleinrichtung wird die Verstellung des Stei gungskeils ermöglicht, so daß alle geometrischen Parameter der herzustellenden Feder beeinflußt wer den können. An den Windestiften 3.1 und 3.2 sind Kraftsensoren angebracht, mit denen die Windekräfte F1 und F2 kontinuierlich ermittelt werden. Damit werden auch Änderungen der Drahtumformeigenschaften erfaßt und zur Auswertung der Prozeßregelung zu geführt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Anordnung, mit der der Federaußendurchmesser und die Steigung P nach dem Winden ermittelt werden können. Als Meßeinrich tung sind hierzu verschiedene Lösungen möglich. Im dargestellten Beispiel wird der Federdurchmesser an der Feder 5 mit Hilfe einer CCD-Matrix 6 ermittelt. Die Feder 5 liegt dabei definiert an der V-Nut 7 an. Schwankungen des Federdurchmessers sind auch in bekannter Weise nach dem Schattenbildverfahren oder dem Scanningprinzip mit optischen Meßeinrichtungen erfaßbar.

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung die Ver knüpfungen der einzelnen Baugruppen. Die erforder lichen Stellbewegungen werden durch einen Maschi nenrechner, der über eine Signalaufbereitung mit den einzelnen Meßstationen der Maschine verbunden ist, angesteuert.

Der Draht wird dabei vom Drahteinzug in die Vor richtung gezogen. Er durchläuft zuvor die Drahtdurchmessermeßeinrichtung DDME. Der Draht einzug ist in an sich bekannter Weise mit einer Wegmeßeinrichtung verbunden, von der ein Signal über die Länge des zu verarbeitenden Drahtes ge wonnen wird. Diese Meßeinrichtung ist hier nicht mit dargestellt. Dem Drahteinzug vorgeschaltet ist außerdem erfindungsgemäß eine E- bzw. G-Modulmeß einrichtung E/G-ME mit einer Kraftmeßeinrichtung KME und einer Wegmeßeinrichtung WME, mit der die Verformung des Drahtes und die dazugehörige Kraft ermittelt werden. Aus den ermittelten Kraft- und Verformungswerten können die aktuellen Werte für den E-Modul des Drahtes bestimmt werden. Aus dem E-Modul läßt sich der G-Modul ermitteln. Nachdem der Draht die Meßeinrichtung durchlaufen hat, wird er der Einzugeinrichtung und damit der Um formeinrichtung zugeführt, die die Windestifte 3 und den Steigungskeil enthält. Windestifte 3 und Steigungskeil sind jeweils mit Linearantrieben ver bunden, mit denen die aktuell erforderliche Stel lung dieser Elemente positioniert wird. Die Winde stifte 3 sind außerdem mit einer Kraftmeßeinrich tung KME verbunden, die Aussagen über die gemesse nen Umformkräfte zur Auswertung an die Signalaufbereitung übergibt. Nach dem Durchlaufen der Umformeinrichtung ist der Draht zu einem Feder körper geformt. Die Abmessungen des Federkörpers werden von der Außendurchmesser-Meßeinrichtung ADME und der Steigungsmeßeinrichtung SME ermittelt. Der Federkörper wird mit Hilfe eines von der Si gnalaufbereitung angesteuerten Trennmessers in der jeweils erforderlichen Länge abgeschnitten. Die da durch entstandene Feder wird mit einer Längenmeß einrichtung LME und einer Kraftmeßeinrichtung KME so ausgewertet, daß die Kennlinie der Feder be stimmt ist. Die so gewonnenen aktuellen Daten wer den ebenfalls der Signalaufbereitungseinrichtung zugeführt. Das Messen der Federlänge mittels Län genmeßeinrichtung LME sowie der Federkräfte mittels der Kraftmeßeinrichtung KME und die damit mögliche Bestimmung der Federkennlinie kann auch vor dem Ab schneiden der Feder durchgeführt werden.

Die Anordnung ermöglicht es, Federdrahtdurchmesser abweichungen zu erfassen sowie entsprechende Kom pensationen und deren Auswirkungen auf die Steigung der Federkennlinien durch geregelte Änderung ande rer Federparameter, vorzugsweise des Federdurchmes sers, zu realisieren. Da außerdem der Istwert des Gleitmoduls erfaßt wird, können daraus eine Reihe weiterer Korrekturinformationen zur Einhaltung der Federkennlinie gewonnen und bei den Stellbewegungen berücksichtigt werden.

Bezugszeichenliste

1 Drahtdurchmessermeßeinrichtung
2 Rollen
3 Windestifte
4 Schlaufen
5 Feder
6 CCD-Matrix
7 V-Nut
A, B, C Reaktionskräfte
F₁, F₂ Windekräfte
P Steigung
D_a Federaußendurchmesser
DDME Drahtdurchmesser-Meßeinrichtung
ADME Außendurchmesser-Meßeinrichtung
SME Steigungsmeßeinrichtung
LME Längenmeßeinrichtung
KME Kraftmeßeinrichtung
WME Winkelmeßeinrichtung
Z Zuführeinrichtung
E/G-ME E bzw. G-Modul-Meßeinrichtung

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Schraubenfedern, durch Federwinden, wobei ein Draht von einer Ein zugsvorrichtung eingezogen und mit einer Umformein richtung, bestehend aus Windestiften oder -rollen und einer Steigungseinrichtung umgeformt wird, da durch gekennzeichnet, daß

- der Draht vor der Zuführung zur Umformeinrichtung eine Meßeinrichtung durchläuft, in der der Draht durchmesser ermittelt wird,
- aus dem Meßergebnis die erforderlichen Kompensationsgrößen für die Stellung der Winde stifte oder -rollen und des Steigungskeiles ermit telt werden und
- die Stellung der Windestifte oder -rollen und des Steigungskeils in Abhängigkeit von diesen Kompensa tionsgrößen verändert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Draht einer weiteren Meßeinrichtung zugeführt wird, mit der der E-Modul und daraus der G-Modul ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit sensoriellen Windestiften die Umformkräfte ermittelt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß an der Feder nach dem Winden der Außendurchmesser der Feder, die Steigung der Feder, die Federlänge im ungespannten Zustand und zur Bestimmung der Federkennlinie Federlängen und zugehörige Federkräfte einzeln oder in beliebi gen Kombinationen ermittelt und auf die Regelung zurückgeführt werden.

5. Vorrichtung zur Herstellung von Schraubenfedern durch Federwinden, mit einer Einzugsvorrichtung und mit einer Umformeinrichtung, bestehend aus Winde stiften mit gesteuerter Verstelleinrichtung und einer Steigungseinrichtung mit gesteuerter Ver stelleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß an der Vorrichtung eine Drahtdurchmessermeßeinrichtung angebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß, eine Meßeinrichtung zur Bestimmung des E-Moduls bzw. des G-Moduls angebracht ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die E-Modul- bzw. G-Modul-Meß einrichtung aus Rollen besteht, welche ein elasti sches Verformen des Drahtes um definierte Werte be wirken und dabei die Verformungskräfte und Verfor mungswege messen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Windestiften oder -rollen Kraftsensoren zur Ermittlung der Ver formungskräfte angebracht sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit ei ner Einrichtung zur Messung des Federaußendurchmes sers und der Steigung der Feder verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Vorrichtung eine Einrichtung zur Messung der Federlänge und der Fe derkräfte und somit der Federkennlinie angebracht sind.