DE19951698A1

DE19951698A1 - Verfahren zur Herstellung von hochfesten Schraubenfedern sowie Anlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19951698A1
Application number: DE19951698A
Authority: DE
Inventors: Bernd Rhoenisch; Dietmar Pohl; Volker Fiegenschuh
Original assignee: Ahle & Co Geb GmbH
Current assignee: Ahle & Co Geb GmbH
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2019-10-28
Also published as: DE19951698C2

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung von hochfesten Schraubenfedern aus Stäben aus Federstahl, wobei jeder Stab zunächst einer spanenden Oberflächenbearbeitung oder einer spanenden und spanlosen Bearbeitung unterworfen wird. Zur Erzeugung von Federn aus hochfesten Federstählen werden folgende Verfahrensschritte in Kombination miteinander und aufeinanderfolgend durchgeführt: DOLLAR A a) der Stab wird anschließend an die Oberflächenbearbeitung im Kaltwickelverfahren zu einer Schraubenfeder gewickelt; DOLLAR A b) die gewickelte Schraubenfeder wird dann mittels induktiver Erwärmung austenitisiert und anschließend durch Abschrecken im Ölbad gehärtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochfesten Schrau benfedern aus Stäben aus Federstahl, wobei jeder Stab zunächst einer spa nenden Oberflächenbearbeitung unterworfen wird und gegebenenfalls zusätz lich kaltgeschmiedet wird.

Die zur Herstellung von Schraubenfedern, insbesondere von sogenannten hochfesten Federn verwendeten Stäbe aus Federstahl bedürfen in der Regel einer spanenden Oberflächenbearbeitung des Stabes, damit Narben, Riefen, Randentkohlungen und sonstige schädigende Einflüsse beseitigt werden. Bei Schraubenfedern, die aus Stäben mit unterschiedlichen Durchmessern, also konischen oder doppelkonischen Stäben hergestellt werden, ist eine solche mechanische Bearbeitung unerläßlich. Diese Bearbeitung verursacht jedoch in der Oberfläche des Stabes in der Regel quer zur Stabachse verlaufende Riefen. Hierbei sind Riefentiefen von Rt = 20 µ durchaus üblich. Werden nun derartige Stäbe nach bisher bekannten Verfahren zunächst vorvergütet und anschließend zur Schraubenfeder gewickelt, so kommt es zu einem hohen Ausschuß durch Bruch. Weiterhin sind nach diesem Verfahren plane Fede renden kaum realisierbar und die üblichen Kennzeichnungen durch Einstem peln von Charge, Herstellerzeichen und Teile-Nummer können nur unter gro ßen Schwierigkeit angebracht werden, da sie kerbwirkend sind. Insbesondere bei hochfesten Federn stößt man hier an technische Grenzen, wenn man Ein prägungen bei einer Grundfestigkeit von < 2000 N durchführen will.

Andererseits benötigen hochfeste Federstähle Härteverfahren, die ein Ent kohlen der Oberfläche zuverlässig verhindern.

Es ist grundsätzlich bekannt, die Stäbe aus Federstahl vor der Formgebung für die Vergütung oder auch für die Erwärmung auf Warmwickeltemperatur mit anschließender Härtung induktiv zu erwärmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs und im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen so auszuge stalten, daß auch bei der Fertigung von hochfesten Federn mit Festigkeiten von beispielsweise 1850-2200 N/mm² kein Ausschuß durch Bruch bei der Formgebung auftritt, plane Federenden erzeugt werden können und die ge wünschten Kennzeichnungen angebracht werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt verfahrensmäßig mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Eine Anlage zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Patentanspruch 4 beschrieben. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der An lage zu seiner Durchführung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrie ben.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt in der Kombination zweier, an sich be kannter Verfahren, nämlich einmal der Herstellung einer Schraubenfeder aus weichgeglühtem Stahl im Kaltwickelverfahren und andererseits dem Verfahren der induktiven Erwärmung des Federstahles. Im Unterschied zu bekannten Verfahren wird aber bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst die Schraubenfeder kalt gewickelt und daran anschließend die gewickelte Schraubenfeder mittels induktiver Erwärmung induktiv austenitisiert und an schließend durch Abschrecken im Ölbad gehärtet.

Wie weiter unten näher erläutert, kann dabei die induktive Erwärmung derart durchgeführt und an jede Federform so angepaßt werden, daß eine durch greifende randentkohlungsfreie Härtung gewährleistet ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auch formschwierige Schraubenfedern, beispielsweise Kegelstumpffedern oder Doppelkegel stumpffedern mit variablen Stabdurchmessern, also sogenannte Mini-bloc- Federn, in hochfester Ausführung herzustellen, indem das bekannte Kaltwickel verfahren, das von Stäben ausgeht, deren Grundgefüge kugelperlitisch ge glüht ist, kombiniert wird mit einem Verfahren, bei dem die gewickelte Schrau benfeder induktiv austenitisiert und dann im Ölbad abgeschreckt wird.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Federn weisen keine Randentkohlung auf. Da es praktisch nicht zu Kohlenstoffverlusten an der Oberfläche kommt, wird die Vollhärte bis in oberste Randschichten erreicht. Hierdurch werden beste Lebensdauereigenschaften auch bei großen Schwell beanspruchungen erreicht und gute Relaxationseigenschaften begründet. Hochfeste Federn erfüllen Forderungen des Leichtbaus, bei deutlich verrin gerter Masse gleiche Leistungen wie herkömmliche Federn zu erbringen.

Im folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen eine Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Anlage zu seiner Durchführung und Beispiele für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren her gestellte Schraubenfedern näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 in einer stark schematisierten Seitenansicht eine Härtevorrichtung für kalt gewickelte Schraubenfedern;

Fig. 2 in einer schematischen Ansicht von vorne den geschlossenen Induk tor der Härtevorrichtung nach Fig. 1.

Bei der Herstellung von Schraubenfedern werden die Stäbe aus Federstahl mit kugelperlitischem Gefüge, beispielsweise mit den Qualitäten 54 SiCr6, 54 SiCrV6 oder 60 SiCr V7 zunächst einer Drehbearbeitung, beispielsweise nach dem bekannten Zieh-Drehverfahren unterworfen, bei dem der Stab von einem umlaufenden Messerkopf bearbeitet wird, dessen Werkzeuge im Be trieb radial verschiebbar sind und dem unmittelbar ein Ziehwerkzeug vorge schaltet ist (siehe hierzu beispielsweise DE 16 02 689). Die derart bearbeite ten Stäbe werden dann nach dem bekannten Kaltwickelverfahren auf Wickel maschinen mit einem Leit- und Wickeldorn zu Schraubenfedern gewickelt.

Dieses an sich bekannte Wickelverfahren wird im folgenden nicht näher er läutert. Die Formgebung der Federn kann wahlweise auch auf Wickelauto maten erfolgen.

Nach der Formgebung durch Wickeln werden die Schraubenfedern einer Härtevorrichtung zugeführt, wie sie beispielsweise in den Fig. 1 und 2 darge stellt ist.

Fig. 1 zeigt in einer grob schematischen Darstellung eine solche Härtevor richtung, die im wesentlichen aus einer Vorrichtung zur induktiven Erwärmung einer Schraubenfeder und einem dieser Vorrichtung nachgeschalteten Ölbad, sowie einer Vorrichtung zur Überführung einer Schraubenfeder von der Vor richtung zur induktiven Erwärmung in das Ölbad besteht.

Die elektrischen Einrichtungen der Vorrichtung sind innerhalb eines Schalt schranks 1 angeordnet, an dem ein Tragarm 2 befestigt ist, der einen Induktor 3 trägt. Auf einem Grundgestell 2.1 ist ein schwenkbarer Arm 4 angeordnet, dessen äußeres Ende eine Federaufnahme zur Aufnahme und Halterung ei ner Schraubenfeder aufweist, die in Fig. 1 mit Bezugsziffer 5 bezeichnet ist. Die Ausbildung und Anordnung des Induktors und der Federaufnahme ist in Fig. 2 genauer dargestellt. Die Federaufnahme besteht aus zwei einander gegenüberliegenden Aufnahmeteilen 5.1 und 5.2, zwischen denen die axialen Enden einer Schraubenfeder 2 angeordnet und an ihnen befestigt sind. Die beiden Aufnahmeteile 5.1 und 5.2 sind in axialer Richtung auseinanderziehbar zur Freigabe der Schraubenfeder F. Weiterhin sind die beiden Aufnahmeteile 5.1 und 5.2 drehbar gelagert und über eine insgesamt mit 5.3 bezeichnete Antriebsvorrichtung (Fig. 1) mit vorgegebener Umdrehungszahl in Rotation versetzbar. Der Induktor besteht ebenfalls aus zwei einander gegenüberlie genden Teilen 3.1 und 3.2, welche die Schraubenfeder F an zwei gegenüber liegenden Seiten in ihrer Längsrichtung umfassen und in einem vorgegebenen Abstand angenähert der Außenform der Schraubenfeder F folgen. Der Induk tor 3 bzw. 3.1-3.2 ist in nicht eigens dargestellter Weise an die elektrischen Einrichtungen zur Erzeugung eines Induktionsstroms vorgegebener Stärke und Frequenz angeschlossen.

An der Vorderseite der oben beschriebenen Härtevorrichtung befindet sich eine schräg abfallende Rutsche 6 zur Überführung der erwärmten und von der Federaufnahme freigegebenen Schraubenfeder F in die Aufnahmeschale 7, die innerhalb des Ölbades 8 angeordnet ist, das von einer Abzugshaube 9 abgedeckt ist. Unterhalb der Aufnahmeschale 7 ist ein Förderband 10 ange ordnet, welches die gehärtete Schraubenfeder aus dem Ölbad 8 herausbe wegt.

Das mit der Anlage nach Fig. 1 und 2 durchzuführende Härteverfahren läuft dann in folgenden Schritten ab:
Eine Schraubenfeder F wird manuell oder automatisch in die Federaufnahmen 5 bzw. 5.1-5.2 eingelegt. Die Schraubenfeder F wird in den Induktor 3 bzw. 3.1-3.2 eingefahren. Die Schraubenfeder F wird innerhalb des Induktors in Rotation versetzt. Es wird eine Induktionsspannung angelegt. Die Schrau benfeder F wird induktiv erwärmt, wobei der Grad der Erwärmung entweder durch eine Zeitvorgabe erfolgt oder während der Erwärmung die Oberflä chentemperatur der Schraubenfeder an mindestens einer Stelle mittels eines Infrarotsensors bestimmt und bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes die Induktionsspannung ausgeschaltet wird. Dies kann mittels einer nicht eigens beschriebenen und dargestellten Steuervorrichtung für den Erwärmungspro zeß erfolgen, die mindestens einen auf die Oberfläche der Schraubenfeder F ausrichtbaren Infrarotsensor aufweist, der an eine Steuerschaltung zum Ab schalten des Induktionsstromes angeschlossen ist.

Anschließend wird die Rotation der Schraubenfeder gestoppt und die Schrau benfeder nach unten geschwenkt. Die Federaufnahmenteile 5.1 und 5.2 fah ren in axialer Richtung auseinander, so daß die Schraubenfeder F freigege ben wird und über die Rutsche 6 in die Aufnahmeschale 7 innerhalb des Öl beckens 8 einrollt. Das Förderband 10 fördert die gehärtete Schraubenfeder weiter.

Anschließend kann die gehärtete Schraubenfeder in bekannter Weise weite ren Behandlungen unterworfen werden, wie Anlassen, Warmsetzen, Kugel strahlen, Phosphatieren, Pulverlackieren, und schließlich Überprüfung auf Einhaltung der vorgegebenen Werte.

Im folgenden werden zwei Beispiele für Schraubenfedern angegeben, die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurden.

Beispiel I

Verwendeter Werkstoff: 54 SiCr V6
kleinster Stabdurchmesser: 9,75 mm
größter Stabdurchmesser: 15,35 mm
Federlänge: L₀

= 275 mm
Augendurchmesser der Feder: 40 mm/48 mm
Federgewicht: 2,3 kg
Einstelldaten bei der induktiven Erwärmung:
Frequenz: 27 KHz
Erwärmzeit: 60 s
Leistung: 90 KW - 75%
Regeltemperatur: 1100°C
Drehzahl der Feder: 60 U/min im Induktor.

Beispiel II

Werkstoff: 54 SiCr V6
kleinster Stabdurchmesser: 12,2 mm
größter Stabdurchmesser: 20,35 mm
Federlänge: L₀

= 330 mm
Augendurchmesser: 53 mm
Außendurchmesser: 165 mm
Federgewicht: 4,2 kg
Einstelldaten der induktiven Erwärmung:
Frequenz: 27 KHz
Erwärmzeit: 90 s
Leistung: 108 KW - 90%
Regeltemperatur: 1080°C
Drehzahl der Feder: 60 U/min im Induktor.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von hochfesten Schraubenfedern aus Stäben aus Federstahl, wobei jeder Stab zunächst einer spanenden Oberflächen bearbeitung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeu gung von Federn aus hochfesten Federstählen folgende Verfahrens schritte in Kombination miteinander und aufeinanderfolgend durchgeführt werden:

a) der Stab wird anschließend an die Oberflächenbearbeitung im Kaltwickelverfahren zu einer Schraubenfeder gewickelt;
b) die gewickelte Schraubenfeder wird dann mittels induktiver Erwärmung austenitisiert und anschließend durch Abschrecken im Ölbad gehärtet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrau benfeder während der induktiven Erwärmung in Rotation um ihre Längs achse versetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der induktiven Erwärmung der Schraubenfeder die Oberflächentemperatur der Schraubenfeder an mindestens einer Stelle mittels eines Infrarotsen sors bestimmt und die induktive Erwärmung bei Erreichen vorgegebener Werte der Temperatur beendet wird.

4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Vorrichtung zur spanenden Oberflächenbearbeitung eines Sta bes aus Federstahl sowie einer Vorrichtung zum Kaltwickeln von Schrau benfedern, gekennzeichnet durch eine Härtevorrichtung mit einer Vorrich tung (3, 3.1-3.2) zur induktiven Erwärmung einer Schraubenfeder (F) und einem nachgeschalteten Ölbad (8) sowie einer Vorrichtung (6) zur Über führung einer Schraubenfeder (F) von der Vorrichtung (3, 3.1-3.2) zur in duktiven Erwärmung in das Ölbad (8).

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur induktiven Erwärmung einer Schraubenfeder (F) zwei einander gegen überliegende Federaufnahmen (5.1, 5.2) aufweist zur Aufnahme und Hal terung einer Schraubenfeder (F) an ihren axialen Enden sowie einen, die Schraubenfeder (F) in ihrer Längsrichtung an zwei gegenüberliegenden Seiten umfassenden Induktor (3, 3.1-3.2), der an eine Anlage (1) zur Er zeugung eines Induktionsstroms vorgegebener Stärke und Frequenz an geschlossen ist.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (3.1-3.2) so ausgebildet ist, daß er der Außenform der Schraubenfeder (F) mindestens angenähert folgt.

7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder aufnahmen (5.1, 5.2) an einem Schwenkarm (4) angeordnet sind, der in einer vertikalen Ebene auf- und abschwenkbar ist.

8. Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Federaufnahmen (5.1, 5.2) in axialer Richtung aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind.

9. Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Federaufnahmen (5.1, 5.2) drehbar ausgebildet und durch eine An triebsvorrichtung (5.3) mit vorgegebener Umdrehungszahl in Rotation ver setzbar sind.

10. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuervorrichtung für den Erwärmungsprozeß vorgesehen ist, die mindestens einen auf die Oberfläche der Schraubenfeder (F) ausrichtba ren Infrarotsensor aufweist, der an eine Steuerschaltung zur Abschaltung des Induktionsstroms angeschlossen ist.

11. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Überführung der Schraubenfeder (F) in das Ölbad (8) als an die Vorrichtung zur induktiven Erwärmung anschließende Rutsche (6) ausgebildet ist, an deren Ende eine im Ölbad (8) liegende Aufnahme schale (7) angeordnet ist.

12. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 11, gekennzeichnet durch ein Förderband (10) zum Fördern der Schraubenfeder (F) aus dem Ölbad (8).