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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
einer Tellerfeder mit einer umlaufenden Vertiefung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und des Anspruchs 4.
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Aus
der
DE 21 11 726 A ist
ein Verfahren zur Herstellung einer Tellerfeder bekannt geworden.
Bei diesem Verfahren wird ein Innenloch und ein Außendurchmesser
der Feder in einem einzigen Arbeitsgang gestanzt. Gleichzeitig kann
die Formprägung beziehungsweise
das Hochstellen der Tellerfeder vorgesehen sein.
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Es
sind des Weiteren Tellerfedern bekannt, welche auf einer Oberseite
eine umlaufende Vertiefung aufweisen. Derartige Tellerfedern werden
bei sogenannten Rotocap-Systemen eingesetzt. Diese Systeme dienen
als Ventildrehvorrichtungen insbesondere von Schiffsdieselmotoren
oder dergleichen. Bei jeder Hubbewegung wird der Ventilteller um
wenige Winkelgrade gedreht, wobei diese Drehung über Kugeln eines Rotocap-Systems erfolgen,
die in der umlaufenden Vertiefung geführt sind. Diese Kugeln sind
gehärtet.
Das Rotocap-System weist in einer Drehrichtung einen Freilauf auf
und sperrt in der entgegengesetzten Richtung. Dadurch wird den Ventiltellern
eine Drehrichtung aufgezwungen.
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Bei
den bisher eingesetzten Tellerfedern wurde die umlaufende Vertiefung
eingedreht. Dieses Herstellungsverfahren ist sehr kostenintensiv,
da die Rille hoch präzise
eingearbeitet werden muss, damit im Einsatz eine exakte Führung der
Kugeln gegeben ist. Darüber
hinaus weist diese Ausgestaltung den Nachteil auf, dass die Oberfläche beziehungsweise die
Haut der Oberseite des Einzeltellers aufgebrochen wird. Durch die
Querschnittverringerung wird der Spannungsverlauf beeinträchtigt.
Es muss im Querschnittbereich mit Spannungsspitzen gerechnet werden.
Zusätzlich
treten im Laufrillenbereich hohe Hertz'sche Spannungen auf, die sich zu den
oben erwähnten
Spannungsspitzen hinzuaddieren. Des Weiteren ist die hoch präzise Drehbearbeitung
eines Einzeltellers kostenintensiv.
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Des
Weiteren ist eine Tellerfeder mit einer umlaufenden Vertiefung bekannt
geworden, bei der die Vertiefung auf der Oberseite des Einzeltellers
in warmem Zustand eingepresst wurde. Die Unterseite des Einzeltellers
ist analog zu der des Einzeltellers mit eingedrehter Vertiefung
plan ausgebildet. Diese Tellerfeder mit der eingepressten Vertiefung
weist zwar den Vorteil einer einfachen Herstellung auf, jedoch überwiegen
die Nachteile, da aufgrund der ausschließlichen Pressung eine Quetschung
beziehungsweise Verdrängung
des Materials erfolgen muss, wodurch es insbesondere im Übergangsbereich
von der Vertiefung zu der Oberseite der Tellerfeder zu Mikrorissen
führen
kann.
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Aus
der
DE 27 58 199 A1 ist
eine Tellerfeder mit einer umlaufenden Rille bekannt geworden, bei der
die Dicke der Tellerfeder beziehungsweise Federscheibe über die
gesamte Ausdehnung im Wesentlichen gleich ausgestaltet ist. Eine
solche Tellerfeder wird bei Ventildreheinrichtungen eingesetzt. Dadurch,
dass die Tellerfeder über
ihre gesamte Ausdehnung im Wesentlichen gleichmäßig dick ausgebildet ist, treten
keine signifikanten Änderungen
der Durchbiegungseigenschaften bei Belastungen auf.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einer Vorrichtung
zur Herstellung einer Tellerfeder mit einer umlaufenden Vertiefung
zu schaffen, welche einfach und kostengünstig herstellbar ist, eine
hohe Dauerbelastbarkeit gewährleistet und
eine exakte Positionierung zum Einzelteller und Führung der
darin laufenden Kugeln ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Arbeitsschritte
Innen- und Außendurchmesser
stanzen, eine Vertiefung einprägen
und durchdrücken
sowie die Tellerfeder hoch setzen in einem Arbeitsgang mittels eines
Folgewerkzeuges hergestellt wird. Dieses Verfahren ist besonders
vorteilhaft bei sehr hohen Stückzahlen
der Einzelteller. Durch die Kombination beziehungsweise gleichzeitige
Einbringung der umlaufenden Rille und das Ausstanzen der Innen-
und Außendurchmesser
kann eine exakte Positionierung der umlaufenden Rille auf der Oberseite
oder Unterseite des Einzeltellers gewährleistet sein.
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Des
Weiteren weist dieses Verfahren den Vorteil auf, dass die Kraftlinien,
die sich zwischen einem äußeren Randbereich
und einem inneren Randbereich erstrecken, nicht unterbrochen werden.
Dadurch ist die Dauerschwingfestigkeit des Einzeltellers erhöht. Der
Querschnitt des Einzeltellers bleibt in seiner Dicke im wesentlichen
vollständig
erhalten. Dadurch kann sich nicht nur die absolute Belastbarkeit des
Einzeltellers erhöhen,
sondern es bleibt dadurch nach dem Einsatzhärten die Elastizität beziehungsweise
die Federbelastbarkeit der Federscheibe vollständig erhalten. Dies beruht
darauf, dass keine Verminderung des Kernbereiches auftritt, der
bei den Ausführungsformen
bezüglich
der Kernhärte
keine Schwankungen aufweisen kann, die auf Dickenänderung
zurückzuführen ist.
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Des
Weiteren weist das erfindungsgemäße Verfahren
den Vorteil auf, dass eine Quetschung des Materials unterbunden
werden kann, da die Vertiefung auf der gegenüberliegenden Seite des Einzeltellers
als Erhebung durchgedrückt
wird. Dadurch kann eine hoch präzise
Ausgestaltung der Vertiefung herstellbar sein, wodurch die Betriebssicherheit
nicht nur für
den Einsatz bei drehbaren Ventiltellern erhöht werden kann. Nach einer
vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass
die Vertiefung durch eine kontinuierliche Kraftzunahme des Prägewerkzeugs
eingeprägt
wird. Dadurch kann während des
Prägevorgangs
das Material ohne Rissbildung fließen, so dass keine Mikrorisse
entstehen, wodurch eine hohe Qualität der Vertiefung gewährleistet
werden kann.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform des
Verfahrens sieht vor, dass nach dem Einprägen der umlaufenden Vertiefung
die Tellerfeder vergütet oder
einsatzgehärtet
wird. Dadurch kann der Tellerfeder eine hohe Zähigkeit und Festigkeit verliehen
werden, so dass optimale Dauerfestigkeitseigenschaften vorliegen
können.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Herstellung einer Tellerfeder mit einer umlaufenden Rille weist
zumindest einen Stempel eines Prägewerkzeuges
mit einer Formschräge
auf, auf welcher eine umlaufende Erhebung vorgesehen ist, die wiederum
zu einer umlaufenden Vertiefung einer Formschräge auf einer Matrize korrespondiert.
Durch dieses Prägewerkzeug
kann vorteilhafterweise erzielt werden, dass beim Einbringen der
Vertiefung die Wandstärke aufrecht
erhalten werden kann, da das verdrängte Material in die umlaufende
Vertiefung der Matrize ausweichen kann. Somit ist sichergestellt,
dass eine Quetschung des Materials auf eine geringere Dicke vermieden
wird, beziehungsweise dass die Dicke des Einzeltellers im wesentlichen
aufrecht erhalten werden kann.
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Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, dass die Erhebung segmentförmig ausgebildet ist. Dabei
ist der Radius des Kreisbogens an den jeweiligen Einsatzfall angepasst,
so dass bei beispielsweise größeren Ventiltellern
auch größere Radien
aufgebracht werden, um die entsprechenden Kugeln für die Drehvorrichtung
in der Vertiefung zu führen.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen,
dass die Matrize segmentförmig
oder nutenförmig
ausgebildet ist. Dadurch kann in einfacher Weise die Matrize herstellbar sein
und bildet eine definierte Begrenzung, von der aus die durchgedrückte Erhe bung
ausgeht. Dadurch können
definierte Kraftverhältnisse
während
des Durchdrücken
beziehungsweise Prägen
gegeben sein.
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Vorteilhafterweise
ist des Weiteren vorgesehen, dass die an dem Stempel vorgesehene
Erhebung eine hohe Oberflächenqualität aufweist
und vorteilhafterweise einen fließenden Übergang zur Formschräge vorgesehen
ist. Dadurch kann ohne Beschädigung
der Oberfläche
beziehungsweise ohne Ausbildung von Mikrorissen die umlaufende Vertiefung
auf die Oberseite des Einzeltellers eingebracht werden.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
wird nachfolgend anhand der Beschreibung, der Figuren und der Patentansprüche näher erörtert: Es
zeigen
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1 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines Einzeltellers gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines Einzeltellers gemäß der Erfindung,
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3 eine
Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Einzelteller,
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4 eine
Unteransicht auf einen erfindungsgemäßen Einzelteller und
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5 eine
schematische Schnittdarstellung eines Prägewerkzeuges.
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In 1 ist
eine Tellerfeder 11 gemäß dem Stand
der Technik dargestellt. Eine derartige aus federelastischem Material
hergestellte Tellerfeder 11 besteht beispielsweise aus
Federstahl, Einsatzstahl oder dergleichen. An einer Oberseite 12 der
Tellerfeder 11 ist eine umlaufende Vertiefung 13 vorgesehen. Eine
Unterseite 14 verläuft
im wesentlichen parallel zur Oberseite 12 und ist plan
ausgebildet.
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Eine
derartige Tellerfeder 11 wird beispielsweise nach folgendem
Verfahren hergestellt: Von einem Coil wird ein Blechstreifen abgezogen,
der einem Stanzwerkzeug zugeführt
wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß Stäbe oder Tafeln einer Blechstanzmaschine
zugeführt
werden. Anschließend
wird ein Innendurchmesser 16 und anschließend ein
Außendurchmesser 17 ausgestanzt.
Im nächsten
Arbeitsgang wird der Tellerrohling Drehbearbeitungszentren zugeführt, welche
den Außen-
und Innendurchmesser drehen und die Kanten runden. Darauf folgend
wird der hochgesetzte Tellerfederrohling eingespannt und die Vertiefung 13 auf
der Oberseite 12 der Tellerfeder 11 eingedreht.
Hierbei ist eine präzise
Einspannung der Tellerfeder erforderlich, um die hohen Anforderungen
an die Maßhaltigkeit
der Vertiefung 13 zu gewährleisten. Anschließend wird die
bearbeitete Tellerfeder einsatzgehärtet oder vergütet.
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Anhand
von Kraftflußlinien 23 in 1 ist
zu erkennen, daß diese
insbesondere nahe der Oberseite 12 der Tellerfeder 11 unterbrochen
sind. Darüber
hinaus ist die Tellerfeder 11 im Bereich der Vertiefung 13 bezüglich der
Dicke des Kernes vermindert, wodurch die Dauerbelastbarkeit beziehungsweise Dauerschwingfestigkeit
beeinflußt
wird.
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In 2 ist
eine Tellerfeder 21 dargestellt, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt
ist. Die erfindungsgemäße Tellerfeder 21 weist
im Unterschied zum Stand der Technik gemäß 1 keine
Drehbearbeitung der Vertiefung 13 auf, sondern eine Prägung, durch welche
die Vertiefung 13 an der Oberseite 12 eingebracht
wird. Eine Unterseite 14 der Tellerfeder 21 verläuft im wesentlichen parallel
zur Oberseite 12, wobei die Vertiefung 13 auf der
Unterseite 14 als Erhebung 22 ausgebildet ist. Durch
das Durchdrücken
der Vertiefung 13 bei der Herstellung der Tellerfeder 21 wird
das federelastische Material, welches durch die Vertiefung 13 verdrängt wird,
an der Unterseite 14 in Form der Erhebung 22 nach
außen
gedrückt.
Dadurch bleibt die Dicke des Kernes im wesentlichen konstant, wodurch die
härtetechnischen
Vorteile entstehen. Bei Tellerfedern dieser Art ist es erforderlich,
daß diese
eine relativ hohe Oberflächenhärte und
eine geringe Kernhärte
aufweisen.
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Aufgrund
des im wesentlichen konstant ausgebildeten Querschnitts der Tellerfeder
kann der Härteverlauf
durchgehend konstant vorliegen, so daß auch im Bereich der Vertiefung
beziehungsweise Erhebung eine geringe Kernhärte bei gleichzeitig hoher Oberflächenhärte, durch
beispielsweise das Einsatzhärten,
gegeben sein kann.
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Die
Vertiefung 13 auf der Oberseite 12 der Tellerfeder 21 ist
geringer als die Hälfte
der Dicke des Kernes tief. Vorteilhafterweise genügen zur
Führung der
Kugeln im vorliegenden Einsatzfall nur wenige zehntel Millimeter,
so daß die
Vertiefung 13 beziehungsweise die korrespondierende Erhebung 22 auf der
Unterseite 14 weniger als 20 % der Dicke der Tellerfeder
betragen.
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In
Abhängigkeit
des Anwendungsfalles können
auch weitere geometrische Formen, wie beispielsweise ein elliptischer
Verlauf der Vertiefungen 13, vorgesehen sein.
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In 3 ist
eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Tellerfeder 21 dargestellt.
Ein Übergang
zwischen der Oberseite 12 zur Vertiefung 13 ist fließend ausgebildet,
so daß keine
Mikrorisse entstehen können.
Die Vertiefung 13 ist zumeist wenige Zehntelmillimeter
ausgebildet, so daß die
darin laufenden Kugeln eine Führung
erhalten.
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In 4 ist
eine Unteransicht auf eine erfindungsgemäße Tellerfeder 21 dargestellt.
Auch auf der Unterseite ist vorteilhafterweise ein fließender Übergang
zur Erhebung 22 vorgesehen, um im Übergang einen einfach zu bearbeitenden
und gut zu härtenden
Bereich auszubilden. Alternativ kann vorgesehen sein, daß auf der
Oberseite der Tellerfeder eine Erhebung und auf der Unterseite der
Tellerfeder eine Vertiefung ausgebildet ist.
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Des
weiteren kann vorgesehen sein, daß vor oder während des
Durchdrücken
beziehungsweise dem Einbringen der Vertiefung die Tellerfeder erwärmt wird,
so daß anstelle
einer Kaltumformung eine Warmumformung durchgeführt wird.
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In 5 ist
eine schematische Schnittdarstellung eines Prägewerkzeuges 30 dargestellt,
welches in die Tellerfeder 21 die Vertiefung 13 einprägt.
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Dieses
Prägewerkzeug 30 kann
als Einzelwerkzeug ausgebildet sein. Alternativ können auch weitere
Bearbeitungsvorgänge
integriert sein.
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Das
Prägewerkzeug 30 weist
einen zylindrischen Stempel 31 auf. An seinem freien Ende
ist eine Formschräge 32 vorgesehen,
welche im Querschnitt gesehen, flach V-förmig ausgebildet ist. Diese
Anordnung der Formschrägen 32 entspricht
im wesentlichen der Winkelanordnung einer hochgestellten Tellerfeder 21.
An dieser Formschräge 32 ist
eine umlaufende Erhebung 33 vorgesehen, welche die Vertiefung 13 in
die Tellerfeder 21 einprägt. Die Tellerfeder 21 liegt
während
des Einprägevorganges
auf einer Matrize 34, welche korrespondierend zu der Erhebung 33 an
der Formschräge 37 der
Matrize 34 eine Vertiefung 36 aufweist. Diese
Vertiefung 36 ist segmentförmig, vorteilhafterweise nutenförmig vorgesehen,
wobei dessen Breite im wesentlichen der Breite der Erhebung 33 entspricht.
Selbstverständlich
kann die Breite der Vertiefung 36 auch größer als die
Breite der Erhebung 33 ausgebildet sein. Durch die nutenförmige Vertiefung 36 ist
ermöglicht,
daß das
durch die Erhebung 33 verdrängte Material in die Vertiefung 36 ausweichen
kann, so daß die
Dicke des Kerns des Einzeltellers im wesentlichen mit den oben beschriebenen
Vorteilen erhalten bleibt. Alternativ können die Erhebung 33 in
der Matrize 34 und die Vertiefung in dem Stempel 31 vorgesehen
sein.
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Dieser
Arbeitsschritt kann in Abhängigkeit der
zu fertigenden Stückzahlen
der Tellerfeder als auch von weiteren Parametern entweder als Einzelarbeitsschritt,
der in das zu 1 beschriebene Verfahren integriert
ist, oder in Kombination mit einem oder mehreren Arbeitsschritten
eingebunden sein. Bei einer Tellerfeder 21 mit beispielsweise
einer hohen Stückzahl
kann vorgesehen sein, daß ein
Folgewerkzeug eingesetzt wird, welches sowohl den Innendurchmesser
als auch den Außendurchmesser, die
Hochstellung und die Einprägung
der Vertiefung 13 in einem Arbeitsgang durchführt. Anschließend kann
die vorgefertigte Tellerfeder 21 vergütet oder einsatzgehärtet werden.
Des weiteren kann die Tellerfeder 21 noch gleitgeschliffen
und geölt
werden oder zum Korrosionsschutz weiter behandelt werden, wie beispielsweise
Phosphatieren, Brünieren
oder ähnliches.
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Alternativ
kann auch vorgesehen sein, daß beispielsweise
das Einprägen
der Vertiefung 13 und das Hochsetzen eines vorgefertigten
Tellerfederrohlings in einem Arbeitsgang durchgeführt werden.