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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Federzinken für die Bodenbearbeitung, die seit Jahrzehnten als S-Zinken, Kultivatorzinken oder Federzinken dänischer Bauart bekannt sind und sich vielfach in der Praxis bewährt haben.
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Diese Federzinken gibt es in vielen Ausführungsformen für unterschiedliche Einsatzfälle.
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Die am weitesten verbreitete Ausführungsform ist ein im weiten Bereich seines Verlaufs zweidimensional um die flache Seite gebogener Flachstahl. Lediglich am unteren Ende ist sein Querschnitt oft so zur V-Form gebogen, so dass die v-förmige Spitze in Fahrtrichtung weist. Die Seitenansicht des Federzinkens weist den Verlauf eines S auf. Das obere Ende des S-förmigen Teils liegt am quer ausgerichteten Geräte-Rahmenprofil an und ist dort befestigt. Der obere Bogen des S-förmigen Teils ist so um das Geräte-Rahmenprofil herumgeführt, dass dessen senkrecht ausgerichteter Bereich vor und der Wendepunkt des unter dem Geräte-Rahmenprofil angeordnet sind. Das untere Ende des S-förmigen Teils weist somit nach vorn und wird zur Bearbeitung des Bodens durch diesen in üblicher Art und Weise gezogen.
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Diese Federzinken bestehen regelmäßig aus Federstahl und wirken aufgrund ihrer Form wie eine gebogene Blattfeder, die einseitig eingespannt ist. Da beim Einsatz das auf diese Blattfeder wirkende Biegemoment von der Widerstandskraft des Bodens erzeugt wird, nimmt das Biegemoment und die Verformung mit zunehmendem Abstand vom Boden zu. Somit ist die Verformung des unteren Zinkenteils gering und dieser ist im Falle des v-förmig ausgebildeten Querschnitts ist als annähernd starr zu betrachten.
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Die Wahl des Ausgangs-Zinkenquerschnitts erfolgt entsprechend dem durch den zu erwartenden Bodenwiderstand verursachten Biegemoment, welches aufgrund des Hebelgesetzes mit zunehmendem Abstand des zu betrachtenden Querschnitts vom Boden funktionsbedingt zunehmen kann. Daraus folgt, dass der Zinkenwerkstoff im oberen Bereich sehr stark beansprucht wird, während seine Beanspruchung mit zunehmender Nähe zum Boden abnimmt, wobei die in der Nähe der Zinkenspitze häufig anzutreffende V-Form des Querschnitts die dortige Beanspruchung noch weiter reduziert.
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Die Herstellung eines solchen Zinkens erfolgt üblicherweise in der Art, dass ein auf das erforderliche Maß abgelängter Federstahl-Flachstab auf eine oberhalb der für das Härten notwendigen Temperatur erwärmt wird und anschließend in mehreren Schritten durch Kanten, Lochen, Wickeln und Biegen in die endgültige geometrische Gestalt umgeformt und anschließend zwecks Härtung abgeschreckt wird. Dabei ist wichtig, dass das Werkstück nach dem Umformen und vor dem Abschrecken die für die Härtung notwendige Temperatur aufweist.
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Zur Vermeidung unnötiger Werkstoffaufwendungen und zur Erzielung einer gleichmäßigen Bauteilbeanspruchung ist aus der
EP 0 081 121 B1 eine Lösung bekannt, bei der der Zinken nicht aus einem Flachstahl konstanten Querschnitts gefertigt ist. Vielmehr ist der Zinken durch Auswalzen (verfahren walztechnisch) oder spanende Formgebung so gefertigt, dass sich sein Querschnitt so über der Länge ändert, dass der am unteren Zinkenende horizontal angreifende Bodenwiderstand eine über die ganze Länge des Zinkens annähernd konstante Biegespannung verursacht. Dieses Verfahren zur Herstellung eines Zinkens ist technologisch relativ aufwendig und deshalb nicht für eine massenhafte Anwendung in der Praxis geeignet.
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Aus der
EP 0 191 412 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Federzinkens bekannt, wobei ein gerader Federstahlstab mit kreisförmigem Querschnitt auf eine Temperatur von 850 bis 950°C erwärmt und auf einem Teil seiner Länge zu einem rechteckförmigen Querschnitt mit abgerundeten Schmalseiten abgeplattet wird, nachfolgend an seinem abgeplatteten Ende beschnitten und an beiden Enden gelocht wird. Anschließend wird der Stab durch Biegen in seine gekrümmte Form gebracht und im Nachgang gehärtet.
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Bei dieser für Federzinken angewendete Lösung
EP 0 191 412 A1 wird dieser aus einem Rundstab gewalzt, bei dem der Ausgangsquerschnitt im Bereich der Zinkenspitze beibehalten wird und der im oberen Bereich zu einem Flachstab variabler Stärke in der Art ausgewalzt wird, dass sich das Widerstandsmoment annähernd proportional zum Biegemoment verhält.
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Nachteilig ist bei diesen beiden Lösungen gemäß der
EP 0 081 121 B1 und der
EP 0 191 412 A1 , dass der Zinkenrohling (Halbzeug) für den erstem Umformschritt vollständig erwärmt werden muss und dass für diesen Schritt eine relativ aufwendige Walzvorrichtung erforderlich ist, welche u. a. einen hohen Investitionsaufwand bedarf. Die herzustellenden Federzinken sind ein Massenprodukt, für welche sich relativ geringe Verkaufserlöse erzielen lassen. Die beschriebenen Verfahren ermöglichen keine diesbezüglich kostendeckende Herstellung der Zinken.
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Außerdem gibt es im Markt für große Zinken folgende Lösung (Stand der Technik, 1 und 2):
Neben den beiden Bereichen 1 in denen der Zinkenquerschnitt 4 eine flache Form hat, gibt es einen Bereich 2 mit zur Längsrichtung des Profils quer angeordneten Zinkenquerschnitt 5, welcher eine nach oben hin gebogene Form besitzt.
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Für den Federzinken (1 und 2) findet ein Halbzeug, hier ein mit abgerundeten Kanten versehener Flachstab mit den Abmessungen 70 mm × 12 mm als Ausgangsmaterial Verwendung. Im Bereich 1 weist die flache Form bezüglich der Längsachse 6 des Querschnitts 4 ein Flächenwiderstandsmoment W von ca. 1.562 mm3 und ein Flächenträgheitsmoment I von ca. 9.370 mm4 auf.
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Im Bereich 2 fällt durch die Biegung im Zinkenquerschnitt 5 quer zur Längsrichtung des Profils das Flächenwiderstandsmoment W bezüglich der Achse 6 auf ca. 1.352 mm3; während das Flächenträgheitsmoment auf ca. 10.515 mm4 ansteigt. Das bedeutet, dass das Profil durch die Biegung quer zur Längsrichtung in üblicher Art und Weise an Steifigkeit zunimmt aber gleichzeitig an Festigkeit abnimmt. Eigentlich wäre, entsprechend der erwarteten Beanspruchung, gerade in diesem Bereich 2 eine Zunahme der Festigkeit erwünscht, da hier auch das Maximum des Biegemoments vorliegt.
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An dem, in Einbaulage, unteren der beiden Bereiche 1 schließt sich ein Bereich 3 an, in dem der Federzinken einen nach unten gerichteten Verlauf hat. Dieser ist hier Bereich 3 in üblicher Art und Weise durch Längsfaltung des mit abgerundeten Kanten versehenen Flachstabs verformt.
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Eine seit langem bekannte Lösung (Stand der Technik, 3) zur Realisierung von Federzinken für hohe Beanspruchungen besteht darin, einen für normale Beanspruchungen geeigneten Federzinken 16 mithilfe einer Zusatzfeder 18, die zusammen mit dem Federzinken 16 am Rahmenprofil 17 befestigt wird, zu stützen. Diese Zusatzfeder 18 kann mit einer an ihrem freien Ende ausgebildeten Öse 19 ausgestattet sein, die den Federzinken 16 umschließt und somit in alle Richtungen stützt. In der Regel reicht die Zusatzfeder 18 bis an den Bereich 3 des Zinkens heran, in dem dieser aus dem annähernd horizontalen Verlauf in den nach unten gerichteten Verlauf übergeht.
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Diese Lösung hat sich als sehr wirtschaftlich und wirksam erwiesen. Allerdings zieht sie eine zusätzliche Masse der Zusatzfeder 18 sowie einen nicht unerheblich vergrößerten Arbeitsaufwand bei deren Montage nach sich. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, dass die Zusatzfeder 18, wenn sie mit der Öse 19 ausgestattet ist, bei der Arbeit insbesondere bei großer Arbeitstiefe auch zur Störung des Erdflusses und damit zur Verstopfung des Gerätes führen kann.
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Es besteht seit langem ein hoher Bedarf an einem wirtschaftlich betreibbaren Verfahren zur Herstellung von Federzinken, welche einen verringerten Materialeinsatz verursacht und dennoch ein Produkt mit den notwendigen Produkteigenschaften ermöglicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet und welches dennoch effektiv in der Massenproduktion von Federzinken eingesetzt werden kann.
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Mithilfe vorliegender Erfindung soll ein Federzinken herstellbar sein, der einen solchen Verlauf des Querschnitts über der Länge aufweist, bei dem der Verlauf des Flächen-Widerstandsmoment annähernd dem Verlauf des Biegemomentes entspricht. Die Herstellung soll außerdem mit relativ einfachen Umformwerkzeugen erfolgen können, ohne dass dazu beispielsweise ein aufwendiger Parabelfeder-Walzstuhl erforderlich ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungswesentlich ist, dass ein aus einem Flachstab bestehendes Halbzeug in den Längenbereichen 7, in denen ein besonders großes Biegemoment zu erwarten ist und demzufolge ein großes auf die Längsachse 6 des Querschnitts bezogenes Flächenwiderstandsmoment W erforderlich ist, durch Querstauchen in Richtung der Längsachse 6 seines Querschnitts in der Art umgeformt wird, dass sich der Querschnitt beiderseits der dann verkürzten Längsachse 6a quer zu dieser vergrößert, so dass das auf die Längsachse 6a des Querschnitts bezogene Flächen-Widerstandsmoment W erheblich größer ist als bei der Ausgangsform des Halbzeugs bestehenden Längsachse 6.
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Beim erfindungsgemäßen Querstauchen bleibt der Betrag der Querschnittsfläche erhalten. Die Form der durch das Querstauchen erzeugten Querschnittsfläche kann beliebig sein. Jedoch ist sie im Interesse eines möglichst großen auf die Längsachse 6a des Querschnitts bezogenen Flächen-Widerstandsmomentes symmetrisch zur Längsachse 6a.
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Die erfindungsgemäße Herstellung des Federzinkens erfolgt grundsätzlich durch folgende Schritte:
- – ein mit abgerundeten Kanten versehener Flachstab wird in zumindest einem Bereich 7 durch Querstauchen umgeformt,
- – dieser Flachstab kann in zumindest einem Bereich 3 durch Längsfaltung umgeformt werden,
- – im Bereich 1 kann durch einen weiteren Arbeitsgang eine Abflachung, beispielsweise durch Umformen (Pressen) angebracht werden,
- – in den Bereichen 1 und/oder 3 können Bohrungen eingebracht werden, und
- – anschließend erfolgt ein üblicher kombinierter Wickel- und Biegeprozess, um die gewünschte S-Form des Federzinkens 16 zu erreichen.
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Die abhängigen Ansprüche 2 bis 10 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ohne diese damit zu begrenzen.
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Bevorzugt ist, dass dieser Federzinken zumindest einen Bereich 7 besitzt, in welchem sein Querschnitt durch Querstauchen verformt ist, und zumindest einen Bereich 3 besitzt, in welchem sein Querschnitt unverformt ist.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform (4 und 5) erfolgt eine abgestufte Querstauchung in der Art, dass mindestens ein Längenbereich 7 entsteht, in dem durch einheitliche Querstauchung ein Flächenwiderstandsmoment erzeugt wird, das mindestens dem in dem mindestens einen Bereich zu erwartenden Biegemoment standhält. Das Querstauchen erzeugt, wie in 5, rechts, erkennbar, beiderseits der Längsachse 6a der Querschnitts eine obere und eine untere Verdickung 8, die symmetrisch zueinander angeordnet und geformt sind, sowie eine verkürzte Längsausdehnung des Querschnitts beim quergestauchten Rohling 15 gegenüber einem ungestauchten Rohling, wie in 5, links, erkennbar.
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In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Querstauchung der Art, dass das erzielte Widerstandsmoment des Federzinkens einen kontinuierlichen Verlauf besitzt, welcher sich im Wesentlichen proportional zum zu erwartenden Biegemoment verhält.
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In einer weiteren Ausführungsform (6, eine Teilansicht) wird in einem weiteren Umformschritt zumindest in dem Bereich des Anschlages 9, mit welchem der Federzinken 16 am Geräterahmen in üblicher Art und Weise befestigbar ist und der montierte Federzinken an diesem dann anliegt, in 6 nicht dargestellt, eine ebene Auflagefläche 10 in üblicher Art und Weise, beispielsweise durch einen weiteren Umformschritt, erzeugt.
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In einer weiteren Ausführungsform (7, eine Teilansicht) erfolgt das erfindungsgemäße Querstauchen dadurch, dass der abgerundete Flachstab 20 zumindest im Bereich seiner seitlichen Abrundungen 11 von den beiden Stauchwerkzeugen 12 erfasst, in 7 dargestellt, und nachfolgend durch Zusammendrücken der Stauchwerkzeuge 12 quer zu seiner Längsachse 6 gestaucht wird, in 7 nicht dargestellt.
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Die Form der dann in üblicher Art und Weise entstehenden Verdickung 8, in 7 nicht dargestellt, ergibt sich insbesondere durch die Werkstoffeigenschaften des Flachstabes 20, die Geometrie der Stauchwerkzeuge 12 und den Grad der Querstauchung, in 6 nicht dargestellt.
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In einer weiteren Ausführungsform (8.1, eine Teilansicht) wird der abgerundete Flachstab 20 über weite Bereiche seiner Kontur in der Art von den Stauchwerkzeugen 13 umschlossen, dass der von den beiden Stauchwerkzeugen 13 gebildete Hohlraum 14 nach dem Ende des Stauchvorganges des Querstauchens vom Werkstoff des nunmehr quergestauchten Rohlings 15 (8.2, eine Teilansicht) weitgehend ausgefüllt ist und die dortige Geometrie der Stauchwerkzeuge 12 damit die Querschnittsform des quergestauchten Rohlings 15 weitgehend bestimmt.
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8.1 zeigt den mit abgerundeten Kanten versehenen Flachstab 20 vor dem Querstauchen und 8.2 den quergestauchten Rohlings 15 nach dem Querstauchen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bereich, flache Form
- 2
- Bereich, gebogene Form
- 3
- Bereich, mit Längsfaltung
- 4
- Querschnitt des Bereiches 1
- 5
- Querschnitt des Bereiches 2
- 6
- Längsachse des Querschnittes
- 7
- Längenbereich
- 8
- Verdickung
- 9
- Anschlag
- 10
- Auflagefläche
- 11
- Rundung
- 12
- Stauchwerkzeug
- 13
- Stauchwerkzeug
- 14
- Hohlraum
- 15
- Rohling, quergestaucht
- 16
- Federzinken
- 17
- Rahmenprofil
- 18
- Zusatzfeder
- 19
- Öse
- 20
- Flachstab
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0081121 B1 [0007, 0010]
- EP 0191412 A1 [0008, 0009, 0010]
