DE2648488A1

DE2648488A1 - Verfahren und einrichtung zur herstellung eines bimetall-betaetigungselements fuer einen elektrischen schalter

Info

Publication number: DE2648488A1
Application number: DE19762648488
Authority: DE
Inventors: John Crawshaw Taylor
Original assignee: TAYLOR JOHN CRAWSHAW
Current assignee: Strix Ltd
Priority date: 1975-10-30
Filing date: 1976-10-26
Publication date: 1977-05-05
Also published as: IE44399B1; ZA766052B; US4152998A; IT1075787B; CA1086149A; PL120646B1; NL7611662A; HK34081A; IE44399L; GB1546578A; JPS5254977A; FR2330068A1; AU1888876A; NZ182470A; FR2330068B1; AU512491B2; DE2648488C2

Description

Verfahren und Einrichtung zur Herstellung eines Bimetall-Betätigungselements für einen elektrischen Schalter

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung eines nach Art einer Schnappfeder w&tfmeabhängig arbeitenden Bimetall-Betätigungselements für einen elektrischen Schalter, insbesondere für Ausschalter, Sicherungsschalter und Thermostate.

Ein bekanntes Betätigungselement dieser Art ist eine Bimetallscheibe mit einer domartigen Formgebung, die sich bei einer Temperaturänderung mit einer Schnappbewegung zu einer entgegengesetzten Krümmung umformt. Solche Scheiben sind einfach und billig in Massenproduktion herzustellen, denn der Grundvorgang der Formung des Betätigungselements besteht in dem Pressen einer flachen Scheibe zwischen zwei zueinander komplementären Stahlwerkzeugen zu einer vorgegebenen domartigen Form. Eine gewisse Wärmebehandlung kann durchgeführt werden, beispielsweise kann das Betätigungselement einer hohen Temperatur ausgesetzt werden, um seine

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Betriebseigenschaften, insbesondere die Betriebstemperatur zu stabilisieren.

Aus verschiedenen Gründen haben sich solche Scheiben als nicht stabil über eine Vielzahl von Betätigungsvorgängen erwiesen, auch können sie nicht laufend in Massenproduktion mit einer genau vorbestimmten Betriebstemperatur hergestellt werden. Die Ausbeute einer solchen Massen produktion von Scheiben mit einer bestimmten Betriebstemperatur ist gering, typisch ergeben sich AO bis 50 % solcher Scheiben mit einer Betriebstemperatur innerhalb + 2,5° C Variation;
Betriebstemperatur.

+ 2,5° C Variationsbreite gegenüber der vorgegebenen

Ein weiteres Verfahren zur Massenherstellung von Scheiben ist durch die GB-PS 1 027 688 und die GB-PS 1 027 bekannt und arbeitet mit Flüssigkeitsdruck anstelle von Werkzeugen zur Deformierung einer Scheibe an einem festen Anschlag. Das Problem eines solchen Verfahrens besteht, abgesehen von besonderen Schwierigkeiten der Massenherstellung, in der Schwierigkeit, eine vorgegebene kugelige Deformation genau in die Scheibe einzupressen, da der Anschlag nicht genau kugelförmig ausgebildet ist. Dadurch können Fehlstellen erzeugt werden, und der relativ niedrige Flüssigkeitsdruck, der der natürlichen Elastizität der Scheibe entgegenwirkt, kann zu einer Tendenz der Scheibe führen, sich geringfügig zur Originalform zurückzubilden, wenn der Flüssigkeitsdruck beseitigt wird.

In der deutschen Patentanmeldung P 25 56 062.7 ist ein wärmeabhängig arbeitendes Bimetall-Betätigungselement mit Schnappbewegung beschrieben, das aus.einem Bimetallblech mit einer Öffnung besteht, die einen gebogenen Aüßenumfang und einen eine freistehende Zunge bildenden Innenumfang aufweist. Das freistehende Ende der

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Zunge ist nahe dem Außenumfang angeordnet, die beiden Umfange laufen an abgerundeten Enden der öffnung nahe der Zungenwurzel zusammen, und ein Teil dieses Elements umgibt die Zunge, wobei diese mindestens teilweise mittig gegenüber diesem Teil angeordnet ist. Dieses Betätigungselement ist in einem Preßvorgang einem domartig ausgebildeten Werkzeug angepaßt, und die Domform ist so angeordnet, daß das Betätigungselement bei einer Temperaturänderung seine Krümmung mit einer Schnappbewegung umkehrt. Die von der Mitte her gemessene radiale Breite des domförmigen Bereichs nahe der Zungenwurzel ist wesentlich größer als die radiale Breite des Teils, der dem freistehenden Ende der Zunge gegenüberliegt. In einer vorzugsweisen Ausführungsform ist ein solches Betätigungselement insgesamt ausgewölbt und wird im folgenden hinsichtlich seiner Herstellung beschrieben.

Bei diesem Betätigungselement hat sich gezeigt, daß eine sehr viel verbesserte Lebensdauer, stabile Betriebseigenschaften und genaue Bestimmung der Betriebstemperatur möglich ist. Solche Betätigungselemente können nach dem vorstehend angegebenen Verfahren in Massenproduktion hergestellt werden, jedoch soll durch die Erfindung ein einfaches und billiges Herstellungsverfahren angegeben werden, welches sich für eine Massenproduktion eignet, bei der die erreichbaren Vorteile in größerem Umfang verwirklicht werden.

Ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art ist hierzu erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß aus Bimetallblech ein Element mit einer Öffnung gebildet wird, die einen gebogenen Außenumfang und einen eine mindestens teilweise mittig freistehende Zunge bildenden Innenumfang aufweist, wobei der Außenumfang Über abgerundete Öffnungs-

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enden an der Wurzel der Zunge in den Innenumfang übergeht und die radiale Breite des Elements im Bereich der Zungenwurzel wesentlich größer als die radiale Breite im Bereich gegenüber dem freistehenden Zungenende ist, und daß dieses Element insgesamt zwischen einem domförmigen Werkzeug und einer als inkompressible Flüssigkeit wirkenden Anordnung gepreßt wird, so daß es eine domartige Krümmung erhält, die es bei Temperaturände rung mit einer Schnappbewegung umkehrt.

Die Erfindung sieht ferner eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vor, bei der eine Vorrichtung zur Formung des Betätigungselements in der angegebenen Weise sowie eine Preßvorrichtung mit einem Werkzeug der angegebenen Art und einer Anordnung vorgesehen ist, die als inkompressible Flüssigkeit wirkt.

Durch eine Anordnung, die als inkompressible Flüssigkeit wirkt und sich somit selbsttätig den Konturen des Betätigungselements während eines Preßvorgangs anpaßt, jedoch einen Widerstand erzeugt, der den Preßvorgang ermöglicht, hat sich gezeigt, daß zuverlässigere Ergebnisse hinsichtlich genau vorbestimmter Eigenschaften des Betätigungselements erzielt werden, verglichen mit dem bekannten Verfahren der Formung des Betätigungselements zwischen zwei Stahlwerkzeugen. Dies bedeutet, daß die Ausbeute bei der Massenproduktion von Betätigungselementen mit vorgegebenen Eigenschaften höher ist. Dies kann durch kleine Abmessungsungenauigkeiten der Bimetallblechdicke und der einander angepaßten Stahlwerkzeuge (durch Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung und Ausrichtung der Werkzeuge) erklärt werden, die hohe örtliche Spannungskonzentrationen erzeugen, welche die Betriebseigenschaften eines Betätigungselements beeinträchtigen. Wenn jedoch eine Anordnung vorgesehen ist, die als eine inkompressible Flüssigkeit wirkt, so paßt sich diese

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selbst jeglichen Abraessungsungenauigkeiten an, so daß dadurch örtliche Spannungsbeanspruchungen reduziert werden. Zusätzlich beeinträchtigt die Dicke des Bimetalls nicht die Genauigkeit des Preßvorganges nach der Erfindung, während bei einander angepaßten Stahlwerkzeugen üblicherweise dieselben Werkzeuge bei verschiedenen Bimetallblechdicken eingesetzt werden müssen, so daß dadurch Ungenauigkeiten der gegenseitigen Anpassung der Werkzeuge auftreten.

Abgesehen von der größeren Zuverlässigkeit sind ein Verfahren und eine Einrichtung nach der Erfindung wesentlich billiger und einfacher als die zuvor beschriebenen Verfahren, die mit Flüssigkeitsdruck arbeiten. Das Verfahren und die Einrichtung können auch einfacher und billiger als das bekannte Formen zwischen zwei Stahlwerkzeugen sein, da es sehr schwierig sein kann, zwei genau einander angepaßte und genau ausgerichtete Werkzeuge vorzusehen.

Die als eine inkompressible Flüssigkeit arbeitende Anordnung kann ein Behälter mit inkompressibler Flüssigkeit sein, der durch eine flexible Membran abgedeckt ist, auf die das Betätigungselement gesetzt werden kann. Alternativ und wegen der Einfachheit und bequemen Handhabung kann aber ein Feststoff wie z.B. Polyurethan-^ kautschuk verwendet werden. Ein solches Material wird vorzugsweise eingesetzt, in der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß während eines Werkzeugpreßvorganges das Kautschukmaterial zwischen dem Betätigungselement und der Wandung eines Behälters, in dem es angeordnet ist, austreten bzw. herausgedrückt werden kann. Der Behälter ist nicht wesentlich breiter als das Element, um dessen Position relativ zu einem Werkzeug genau einzugrenzen.

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Das zwischen dem Element und dem Behälter austretende Kautschukmaterial macht es schwierig, das Element zu entfernen und führt zu einem schnellen Ausfall des Kautschuks.

Bei einem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel einer Einrichtung nach der Erfindung ist dieses Problem dadurch reduziert, daß der Kautschuk in einem Behälter mit Boden, Seitenwänden und Deckfläche angeordnet ist, der in der Deckfläche eine Öffnung zur Aufnahme des Betätigungselements aufweist und die Position dieses Elements relativ zu einem Werkzeug oberhalb der Öffnung genau bestimmt. Die Seitenwände und die Deckfläche sind relativ zum Boden bewegbar. Das Werkzeug wird bei Abwärtsbewegung genau in die Öffnung eingesetzt und wirkt auf das Betätigungselement ein, und danach wirkt eine Kante des Werkzeugs auf die Deckfläche des Behälters ein, so daß ein weiterer Werkzeugdruck eine Werkzeugbewegung erzeugt und die Deckfläche des Behälters sowie die Seitenwände als eine Einheit einen Druck auf den Kautschuk ausüben, der das Betätigungselement umgibt. Nachdem der volle Preßdruck ausgeübt ist und der Druck beseitigt wird, bewegen sich die Deckfläche und die Seitenwände des Behälters sowie das Werkzeug als eine Einheit zurück. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß eine Verlagerung des Kautschuks im Formungsbereich während des Pressens durch Bewegung des Kautschuks über den gesamten Querschnitt des Behälters angepaßt ist und eine Abnutzung des Kautschuks im Formungsbereich wesentlich verringert wird.

Der Behälter kann zwischen unterschiedlich geformten Werkzeugen bewegbar sein, so daß ein Betätigungselement verschiedenen Preßvorgängen ausgesetzt werden kann, ohne daß es von dem Behälter entfernt werden muß. Insbesondere

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wird auf das Element vorzugsweise zunächst eine umgekehrte Auswölbung ausgeübt, bevor es mit der vorgegebenen Form versehen wird. Dies bedeutet, daß ein Preßvorgang durchgeführt wird, bei dem das Betätigungselement in entgegengesetzter Richtung in seine vorgegebene, endgültige ausgewölbte Form gebracht wird. Dieser Vorgang ist wichtig, denn dadurch erhält das Betätigungselement unterschiedliche Betätigungstemperaturen für Temperaturanstieg und Temperaturabfall.

Das Betätigungselement kann auch vor der umgekehrten Auswölbung mit einem flachen Werkzeug gepreßt werden, um jegliche Anfangskrümmung zu beseitigen. Dadurch kann die mit dem Verfahren erzielbare Ausbeute noch verbessert werden.

Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung hat sich gezeigt, daß nach dem Preßvorgang des Bimetallelements, jedoch vor dessen durch Temperatureinwirkung erzeugter Schnappbewegung,die Eigenschaften des Betätigungselements stabilisiert werden können, indem lediglich mechanisch die Krümmung umgekehrt wird, indem sie über die unstabile mittlere Stellung in die entgegengesetzte Krümmung gebracht wird.

Dies kann von Hand oder auch durch eine mechanische Vorrichtung erfolgen. Nach dem Preßvorgang hat sich gezeigt, daß die erste Schnappbewegung des Betätigungselements sehr unterschiedlich gegenüber nachfolgenden Betätigungen ist. Die Betriebstemperatur liegt oft um 50° C höher als bei nachfolgenden Vorgängen. Durch mechanisches Herbeiführen der ersten Schnappbewegung anstelle einer Wärmeeinwirkung wie bei bisheriger Technik erhält das fertige Betätigungselement stabilere Be-

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triebse igenschaften.

Es hat sich ferner gezeigt, daß der genaue, während der mechanischen Umkehrung von dem Betätigungselement durchmessene Bewegungsabstand die nachfolgenden Betriebseigenschaften wesentlich beeinflußt. Zusätzlich zur Einstellung des Auswölbungsradius ergibt sich somit eine Möglichkeit zur genauen Vorherbestimmung der Betriebseigenschaften.

Der beim Preßvorgang ausgeübte Druck beeinflußt auch die Betriebseigenschaften des Betätigungselements, und es ist möglich, die Eigenschaften durch genaue Druckeinstellung genau vorherzubestimmen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich, wenn das Betätigungselement einen elektrischen Kontakt oder einen Anschlag tragen soll.Bisher ist dieser Kontakt oder der Anschlag auf dem Betätigungselement nach dessen Formung aufgeschweißt oder aufgenietet worden. Dadurch werden Spannungen in das Bimetall eingeführt, die die Betriebseigenschaften beeinträchtigen, so daß es erforderlich wird, das Betätigungselement zu eichen, nachdem der Kontakt oder der Anschlag aufgebracht ist. Bei der Erfindung ist es möglich, einen elektrischen Kontakt oder einen Anschlag an dem Element vor dem Preßvorgang anzubringen, durch den die gewünschte Krümmung erzielt wird. Das Element wird dabei mit dem Kontakt oder dem Anschlag nach unten gegen die inkompressible Flüssigkeit gesetzt, so daß diese sich bei Einwirkung des Preßdrucks so bewegt, daß sie sich dem Kontakt oder Anschlag anpaßt, ohne die Bildung der gewünschten Auswölbung zu beeinträchtigen und die vorgegebenen Betriebseigenschaften zu verschlechtern.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben» Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Draufsichten vorzugsweiser Ausführungsbeispiele eines Betätigungselements, das nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt ist,

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Betätigungselements,

Fig. 4 den Schnitt einer vorzugsweisen Preßvorrichtung zur Auswölbung des Betätigungselements,

Fig. 5 den Schnitt einer vorzugsweisen Einrichtung zur Erzeugung einer ersten mechanischen Umkehrung der Krümmung des Betätigungselements,

Fig. 6 eine tabellarische Zusammenstellung der Ergebnisse vergleichender Herstellungstests und

Fig. 7, 8 und 9 graphische Darstellungen der Abhängigkeit der Betriebstemperatur eines Betätigungselements von verschiedenen Parametern seiner Herstellung.

In Fig. 1 ist ein Betätigungselement aus einem 0,3 mm dicken Bimetallblech dargestellt, das auf seiner gesamten Oberfläche mit einer kugeligen Krümmung versehen ist. Das Element hat einen kreisförmigen Umfang 2 mit einem Druchmesser von 18,3 mm und eine halbkreisförmige Aussparung 4 in seinem Umfang. Ferner ist eine Zunge 6 vorgesehen, die zumindest teilweise zentral im Element angeordnet ist und durch eine Öffnung 8 gebildet wird, die einen gebogenen Außenumfang 10 und einen Innenumfang 12 hat, der die Zunge 6 bildet und glatt in den

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Außenumfang 10 an abgerundeten Enden 14 übergeht. Die Zunge 6 ist unter einem Winkel von 15°, ausgehend von einer breiten Zungenwurzel, zugespitzt und hat eine Länge von ca. 13 mm. Das Ende der Zunge hat eine Öffnung 16, mit der das Betätigungselement befestigt wird. Die radiale Breite der Teile dieses Elements, die die Zunge umgeben, nimmt ausgehend von einem Maximalwert an der Zungenwurzel (6 mm) bis zu einem Minimalwert (3 mm) gegenüber dem freien Ende der Zunge ab. Wird das Betätigungselement erwärmt, so führt es bei einer vorbestimmten Betriebstemperatur eine Schnappbewegung zu einer entgegengesetzten Krümmung aus.

In Fig. 2 ist ein Betätigungselement ähnlich wie in Fig. 1 dargestellt, dieses ist jedoch zum Einsatz in einem Sieherungsschalter vorgesehen, der auf Stromerhöhungen anspricht. Mit der Darstellung nach Fig. 1 gleichartige Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das in Fig. 2 gezeigte Betätigungselement trägt einen elektrischen Kontakt 18, der an dem Umfang gegenüber dem freistehenden Ende der Zunge 6 verschweißt ist. Der Umfang des Betätigungselements auf beiden Seiten des Kontaktes 18 ist wesentlich schmaler als bei den entsprechenden Teilen in Fig. 1, um den elektrischen Widerstand zu erhöhen und damit die Empfindlichkeit des Betätigungselements auf Stromfluß zu verbessern.

Bei dem in Fig. 3 schematisch dargestellten Verfahren nach der Erfindung wird ein Bimetallstreifen kontinuierlich von einer Vorratsrolle einer Stanzstation 20 zugeführt. Ein Stanzer 22 mit der Form des in Fig. 1 oder 2 gezeigten Betätigungselements stanzt die Form des Elements aus dem Bimetallstreifen aus, wobei die Zunge in Längsrichtung des Streifens liegt, so daß innere Spannungslinien, die über die Länge des Materialstrei-

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fens hinweg unveränderlich vorhanden sind, in Längsrichtung der Zunge liegen und den Betrieb des Betätigungselements daher nicht stören.

Nach dem Stanzen wird das Element mit einem Druckkissen 24 zurück in den Materialstreifen gedrückt. Dies ist ein üblicher Vorgang, er ist jedoch besonders im Zusammenhang mit der Erfindung günstig, da das Betätigungselement innerhalb des Materialstreifens zur weiteren Verarbeitung in der jeweils richtigen Orientierung transportiert werden kann.

Soll ein elektrischer Kontakt an dem Betätigungselement befestigt werden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, so wird dieser Kontakt vor dem Stanzvorgang mittels einer Nietmaschine angebracht, die schematisch bei 30 dargestellt ist. Die Maschine hat einen Halter 32 für einen Niet 34 und einen Stanzer 36 zur Durchdringung des Bimetallstreifens und zum Vernieten des Niets an dem Streifen. Alternativ zum Nieten kann der Kontakt auch durch Punktschweißung an dem Materialstreifen angebracht werden.

Die ausgestanzten Betätigungselemente werden innerhalb des Materialstreifens zu einer Auswölbungsvorrichtung 40 gebracht, an der eine vorbestimmte Auswölbung oder Domform erzeugt wird, die die gewünschten Temperaturabhängigkeiten erzeugt. In dieser Station sind drei hydraulische Pressen vorgesehen, mit denen das Betätigungselement nacheinander gepreßt wird. Die erste Presse 42 hat ein flaches Werkzeug zur Entfernung jeglicher Anfangskrümmung, die zweite Presse 44 erzeugt eine umgekehrte Auswölbung, die dritte Presse 46 erzeugt die vorgegebene Auswölbung. Es hat sich gezeigt,

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daß der Vorgang der umgekehrten Auswölbung sehr günstig ist, da dadurch geringfügige Spannungen und Deformationen entfernt werden, die in dem Betätigungselement infolge des Stanzvorganges vorhanden sein können. Zusätzlich erzeugt das Umkehrpressen eine "Streckung" des Bimetalls, d.h. es wird eine nicht umkehrbare Bewegung und Spannung zwischen den beiden Schichten des Bimetalls erzeugt, die zu einem wesentlichen Anteil den Unterschied zwischen den Betriebstemperaturen des Betätigungselements für Temperaturerhöhung und Temperaturverringerung bestimmt.

In der Auswölbungseinrichtung 40 wird das Betätigungselement M in einem Vagen 48 (Fig. 4) angeordnet, der zwischen der Hydraulikpresse 42 mit einem flachen Werk-r zeug 50, der Hydraulikpresse 44 mit einem Werkzeug 52 zur Umkehrwölbung und einer hydraulischen Presse 46 mit einem Werkzeug 54 zur positiven Auswölbung bewegbar ist. Der Wagen hat einen Behälter mit einem Boden 60, Seitenwänden 62 und einer Deckfläche 64. Die Deckfläche 64 hat eine kreisrunde Öffnung 66, in der das Betätigungselement M passend sitzt. Der Behälter enthält ein Kissen 68 aus synthetischem Kautschuk der oben bezeichneten Art, der bei einem Preßvorgang als inkompressible Flüssig keit wirkt. Die Deckfläche 64 und die Seitenwände 62 sind einstückig ausgebildet und relativ zum Boden 60 aufwärts und abwärts verschiebbar.

Das Werkzeug 52 zur Umkehrauswölbung hat eine Fläche 72 mit einer vorgegebenen kugeligen Krümmung. Bei einem Preßvorgang bewegt sich das Werkzeug 52 abwärts, so daß die Fläche 72 in die Öffnung 66 dicht passend eingesetzt wird und das Betätigungselement M berührt.

Bei weiterer Abwärtsbewegung berührt eine Kante 74 des Werkzeugs 52 die Deckfläche 64 des Behälters, so daß bei

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Erzeugung des vollen Preßdrucks das Werkzeug 52, die Deckfläche 64 und die Seitenwände 62 sich als eine Einheit relativ zum Boden 60 und dem Kissen 68 bewegen. Das Kissen 68 wirkt als inkompressible Flüssigkeit und bietet den erforderlichen Widerstand, durch den die vorgegebene Krümmung des Betätigungselements M erzeugt wird. Die Bewegung des Kautschuks während des Preßvorganges zur Anpassung an die Form des Werkzeugs, die auch auf jegliche geringfügige Kompression im Kautschuk zurückzuführen ist, verteilt sich über den gesamten Querschnitt des Behälters, so daß ein Ausfall des Kautschuks durch zu starkes Austreten im Formungsbereich nicht auftritt. Ist ein vorbestimmter Druck auf das Betätigungselement M ausgeübt worden, so wird die Fläche 72 zurückgezogen.

Das Betätigungselement M wird in dem Wagen belassen, dieser wird zur Positivpresse 46 bewegt. Das Werkzeug 54 hat eine Fläche 78, die eine vorgegebene positive kugelige Krümmung hat, so daß damit die gewünschte domartige Auswölbung des Betätigungselements M erzeugt wird. Dieses wird mit der Presse 46 positiv ausgewölbt, der Preßvorgang wird in derselben Weise wie vorstehend bereits für die Presse 44 beschrieben durchgeführt, hierbei wird ein vorbestimmter Druck ausgeübt, der mit einer Vorrichtung 80 erzeugt wird.

Durch Anwendung des Kautschukkissens 68 hat sich gezeigt, daß zuverlässigere Ergebnisse hinsichtlich genauer Vorbestimmung von Eigenschaften des Betätigungselements erzielt werden, verglichen mit dem bekannten Verfahren der Formung zwischen zwei Stahlwerkzeugen. Dies kann mindestens teilweise durch geringfügige Abmessungsungenauigkeiten bei der Formung und Ausrichtung von Werkzeugen erklärt werden, ferner durch Un-

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genauigkeiten des Birnetaliblechs, die hohe örtliche Spannungskonzentrationen erzeugen, welche die Betriebseigenschaften des Betätigungselements beeinträchtigen. Ein Kautschukkissen wirkt hingegen als eine inkompressible Flüssigkeit und paßt sich selbst solchen Abmessungsungenauigkeiten an, so daß dadurch örtliche Spannungskonzentrationen verringert werden. Zusätzlich werden Druckänderungen während des Druckvorgangs um die Hälfte verringert, verglichen mit dem Pressen zwischen zwei Stahlwerkzeugen.

Als ein zusätzlicher Schritt zur Verringerung jeglicher Anfangskrümmung des Bimetalls ist ein Werkzeug 50 mit flacher Stirnfläche in einer Presse 42 vorgesehen, so daß dort das Betätigungselement M im Wagen 48 flach gepreßt werden kann, bevor es den Krümmungspressen zugeführt wird.

Vorzugsweise wird die Umgebungstemperatur genau innerhalb +2⁰C Änderungsbereich während der Preßvorgänge gehalten, um genau vorgegebene Betriebseigenschaften einzuhalten.

Nach dem Pressen wird das Betätigungselement einer Station 90 (Fig. 3) zugeführt, in der instabile Spannungen beseitigt werden, so daß die nachfolgend erzielte Stabilität des Betätigungselements verbessert wird. In der Station 90 wird das Betätigungselement M mechanisch in eine entgegengesetzte Auswölbung gebracht, wozu die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung verwendet wird. Diese mechanische Umkehrung führt zu einer beachtlichen Stabilisierung. In Fig. 5 ist das Betätigungselement M (mit der konvexen Seite nach unten) in einem Halter angeordnet, der in eine Position unter einer fest montierten Lagerplatte 104 sowie in Einwirkung auf diese

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gebracht werden kann. Die Lagerplatte 104 hat eine kreisrunde Bohrung 106 mit einem Durchmesser, der etwas kleiner als derjenige des Betätigungselements M ist. Eine Kolbenanordnung 108 unter der Lagerplatte 104 umfaßt eine Platte 110, die vertikal bewegbar und mit dem Kolben 112 eines DruckluftZylinders verbunden ist. Ein Bolzen 114 ist verschiebbar in einer Bohrung 116 zur Führung der Platte 110 angeordnet. Ein einstellbarer Anschlag 117 ist zur genauen Begrenzung der Aufwärtsbewegung der Platte 110 und damit der Kolbenanordnung 108 vorgesehen. Direkt unter der Bohrung 106 ist ein Kolben 118 an der Platte 110 befestigt und in einem rohrförmigen Körper 120 angeordnet, der durch Federdruck zur Lagerplatte 104 gedrückt wird. Der Körper 120 ist in vertikaler Richtung verschiebbar und in einem Grundkörper 122 gehalten.

Bei der Benutzung dieser Einrichtung wird ein Betätigungselement Hin den Halter 102 eingesetzt. Dieser wird dann in die in Fig. 5 gezeigte Position gebracht, in der er auf die Lagerplatte 104 einwirkt und das Betätigungselement M unter der Bohrung 106 angeordnet ist. Der Kolben 112 wird dann betätigt und bewegt die Anordnung 108 aufwärts, wodurch der Kolben 118 auf die Mitte des Betätigungselements M einwirkt. Bei weiterer Aufwärtsbewegung der Anordnung 108 wird das Betätigungselement M nach oben durch seine mittlere instabile Position hindurch in eine entgegengesetzte Auswölbung deformiert. Während dieser Bewegung wirkt der Körper 120 auf den Halter 102 ein und hält diesen in seiner Position. Es hat sich gezeigt, daß der genaue Abstand, über den das Betätigungselement M während dieser Umkehrung bewegt wird, die nachfolgend erreichte Betriebstemperatur des Betätigungselements

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beeinflußt. Dies bedeutet, daß die nachfolgend erreichte Betriebstemperatur sehr genau von dem Bewegungsbetrag dieser ersten mechanischen Umkehrung abhängt. Aus diesem Grund ist der einstellbare Anschlag 117 vorgesehen, der die Aufwärtsbewegung der Kolbenanordnung genau eingrenzt.

In Fig. 7 ist die Abhängigkeit der nachfolgend erreichten Betriebstemperatur des Betätigungselements von dem Bewegungsbetrag bei der mechanischen Umkehrung dargestellt. Es ist zu erkennen, daß für eine Zunahme von 0,5 mm dieser Bewegung der Anordnung 108 die Betriebstemperatur des Betätigungselements M um 30° C abnehmen kann. Somit ist es möglich, eine genaue Steuerung der letztlich erreichten Betriebstemperatur durch die mechanische Umkehrung zu erreichen.

Auch der während des Pressens erzeugte Druck beeinflußt die erreichbaren Betriebseigenschaften eines Betätigungselements, wenn auch nicht in dem Grade wie die mechanische Umkehrung. Es kann deshalb günstig sein, einen genau vorbestimmten Druck während des Pressens auszuüben, insbesondere währenddes positiven Auswölbens. In Fig. 8 ist eine Änderung des Preßdrucks¹ beim positiven Auswölben von. 2t bis 5t dargestellt, diese Änderung führt zu einem Anstieg der Betriebstemperatur um ca. 5⁰C Änderungen des Drucks in der Größenordnung von 50 kg, wie sie allgemein bei Preßvorgängen auftreten, beeinflussen die Betriebstemperatur nicht wesentlich.

Die Preßwerkzeuge für die Auswölbungen können nach üblichen Verfahren hergestellt werden, hierbei werden eine Reihe von Auswölbungen in Schritten von 0,1 mm Radienänderung hergestellt, um eine genaue Einstellung

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der gewünschten Betriebstemperatur zu ermöglichen. Anhand der Fig. 9 ist zu erkennen, daß eine Änderung des Auswölbungsradius von 33,5 mm auf 36,5 mm eine Abnahme der Betriebstemperatur des Betätigungselements von ca. 35° C zur Folge hat.

Es ist wiederum zu erkennen, daß durch geeignete Auswahl des Krümmungsradius und durch genaue Steuerung des Bewegungsbetrages bei der mechanischen Umkehrung der Wölbung sowie durch genaue Einstellung des Preßdrucks eine kontinuierliche Einstellung der Betriebstemperatur und deren sehr genaue Steuerung möglich ist.

Eine solche Steuerung ist auch hinsichtlich der anderen Betriebseigenschaften des Betätigungselements möglich, diese muß jedoch hier nicht im einzelnen beschrieben
werden.

Nach der mechanischen Umkehrung der Wölbung kann das Betätigungselement, falls erwünscht, an der Station 94
einer kurzzeitigen Wärmebehandlung zur weiteren Stabilisierung ausgesetzt werden. Hierzu wird es beispielsweise in ein Ölbad mit einer Temperatur von 250° C
wenige Sekunden lang eingetaucht und dann entfettet. · . Auch ist es möglich, das Betätigungselement in heißer
Luft oder in einem Fließbett zu erwärmen.

Es wurden Tests durchgeführt, um die Vorteile des Verfahrens nach der Erfindung gegenüber einem bisher üblichen Verfahren der Formung zwischen zwei Stahlwerkzeugen aufzuzeigen.

Eine erste Serie von 100 Betätigungselementen nach der Erfindung mit einem Durchmesser von 18,3 mm und einer

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Dicke von 0,3 mm wurde aus Bimetall hergestellt, "bei dem die stark ausdehnungsfähige Schicht aus 22 % Nickel und 3 % Chrom, im übrigen aus Eisen, und die gering ausdehnungsfähige Schicht aus 36 % Nickel und im übrigen aus Eisen bestand. Dieses Material wurde einer anfänglichen Wärmebehandlung von 30 Minuten Länge bei 250° C ausgesetzt. Die Betätigungselemente wurden wie vorstehend anhand der Fig. 4 beschrieben gepreßt. Sie wurden dann mechanisch stabilisiert, wie es anhand der Fig. 5 beschrieben wurde, dann wurden sie zur weiteren Stabilisierung sechsmal einer Wärmebehandlung von zehn Sekunden Dauer bei 200° C ausgesetzt.

Eine zweite Serie von 100 Betätigungselementen wurde mit denselben Abmessungen aus demselben Material und nach derselben anfänglichen Wärmebehandlung wie zuvor beschrieben hergestellt. Dabei wurde ein Pressen zwischen zwei Stahlwerkzeugen durchgeführt, nachfolgend erfolgte eine Erwärmung für vier Stunden bei 250° C zur Stabilisierung. Schließlich wurden die Elemente fünfmal einer Wärmebehandlung von 30 Sekunden Länge bei 150° C ausgesetzt. Somit wurde die zweite Serie nach dem bekannten Verfahren hergestellt.

Die in Fig. 6 gezeigte Tabelle vergleicht die Ausbeute der beiden Serien hinsichtlich Betriebstemperatur, Temperaturunterschied und Auslenkung des freien Endes der Zunge während einer Schnappbewegung. Die aktive Auslenkung ist dabei diejenige, die während einer Schnappbewegung auftritt und eine Kriechbewegung beiderseits der Schnappbewegung gegen eine Nennkraft von 5 gwt ermöglicht. Aus der Tabelle nach Fig. 6 ist zu erkennen, daß die Ausbeute für die Serie 2 in jeder Hinsicht wesentlich schlechter als diejenige der Serie 1 ist.

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Die Ausbeute hängt allgemein von der Betriebstemperatur ab. Je höher die Betriebstemperatur ist, um so niedriger ist die Ausbeute für eine bestimmte Betriebseigenschaft. Somit können beispielsweise die Werte für eine Betriebstemperatur von 100° C wesentlich höher als die in Fig. 6 angegebenen liegen.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung eines nach Art einer Schnappfeder wärmeabhängig arbeitenden Bimetall-Betätigungselements für einen elektrischen Schalter, insbesondere für Ausschalter, Sicherungsschalter und Thermostate, dadurch gekennzeichnet, daß aus Bimetallblech ein Element mit einer Öffnung gebildet wird, die einen gebogenen Außenumfang und einen eine mindestens teilweise mittig freistehende Zunge bildenden Innenumfang aufweist, wobei der Außenumfang über abgerundete Öffnungsenden an der Wurzel der Zunge in den Innenumfang übergeht und die radiale Breite des Elements im Bereich der Zungenwurzel wesentlich größer als die radiale Breite im Bereioh gegenüber dem freistehenden Zungenende ist, und daß dieses Element insgesamt zwischen einem domförmigen Werkzeug und einer als inkompressible Flüssigkeit wirkenden Anordnung gepreßt wird, so daß es eine domartige Krümmung erhält, die es bei Temperatüränderung mit einer Schnappbewegung umkehrt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Pressen ein Anfangspreßvorgang durchgeführt wird, bei dem das Betätigungselement zwischen einem die umgekehrte domförmige Krümmung aufweisenden Werkzeug und der als inkompressible Flüssigkeit wirkenden Anordnung mit einer umgekehrten Auswölbung versehen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der umgekehrten Auswölbung ein Preßvorgang zwischen einem flachen Werkzeug und der als inkompressible Flüssigkeit wirkenden Anordnung durch-

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geführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement in einem Behälter angeordnet wird, der die als inkompressible Flüssigkeit wirkende Anordnung enthält und zwischen den genannten Werkzeugen zur Durchführung der einzelnen Preßvorgänge transportiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als inkompressible Flüssigkeit ein Kautschukkissen verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des bzw. der Preßvorgänge auch ein Druck auf das Kautschukkissen ausgeübt wird, welches das Betätigungselement umgibt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Kontakt oder ein Befestigungsanschlag auf das Betätigungselement vor dem bzw. den Preßvorgängen aufgebracht wird und daß das Betätigungselement auf der als inkompressible Flüssigkeit wirkenden Anordnung mit der Trägerfläche für den Kontakt oder dem Befestigungsanschlag nach unten während der Preßvorgänge angeordnet ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bimetallmaterial in Form eines Streifens einer Stanzstation zugeführt wird, wo das Betätigungselement aus dem Bimetallstreifen ausgestanzt und dann zurück in den Bimetallstreifen gedrückt wird, bevor die Preßvor-

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gänge durchgeführt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem bzw. den Preßvorgängen, jedoch vor einer durch Temperaturänderung bewirkten Schnappbewegung eine mechanische Umkehrung der Auswölbung des Betätigungselements durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Umkehrung mit einer Kolbenanordnung erfolgt, die auf das in einem Halter angeordnete Betätigungselement einwirkt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungslänge, über die das Betätigungselement während der mechanischen Umkehrung bewegt wird, zur Bestimmung der nachfolgend erzielbaren Betriebstemperatur des Betätigungselements eingestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck während des Preßvorganges zur Bestimmung der nachfolgend zu erzielenden Betriebstempe- · ratur des Betätigungselements eingestellt wird.
13. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (20) zur Bildung eines Betätigungselements (M) aus Bimetallblech mit einer Öffnung (8), die einen gebogenen Außenumfang (10) und einen eine mindestens teilweise mittig freistehende Zunge (6) bildenden Innenumfang (12) aufweist, wobei der Außenumfang (10) über abgerundete Öffnungsenden (14)

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an der Wurzel der Zunge (6) in den Innenumfang (12) übergeht und die radiale Breite des Elements (M) im Bereich der Zungenwurzel wesentlich größer als die radiale Breite im Bereich gegenüber dem freistehenden Zungenende ist, und durch eine Preßeinrichtung (40) die ein domförmig ausgebildetes Werkzeug (54) enthält, welches in Wechselwirkung mit einer als inkompressible Flüssigkeit wirkenden Anordnung (68) steht, wenn das Betätigungselement (M) insgesamt gepreßt wird.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßeinrichtung (40) eine Vorrichtung (80) zur Einstellung des Drucks zwischen dem Werkzeug (54) und der inkompressiblen Flüssigkeit (68) aufweist.
15. Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Werkzeug (52) vorgesehen ist, welches eine gegenüber dem ersten (54) entgegengesetzte Auswölbung aufweist, und daß ein Behälter (48) für die inkompressible Flüssigkeit (68) zwischen den Werkzeugen (52, 54) transportabel ist.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes, flaches Werkzeug (50) vorgesehen ist und daß der Behälter (48) zwischen den drei Werkzeugen (50, 52, 54) transportabel ist.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die inkompressible Flüssigkeit (68) in einem Behälter (48) mit Boden (60), Seitenwänden (62) und Deckfläche (64) befestigt ist, daß die Deckfläche (64) mit einer Öffnung (66) zur Aufnahme des Betätigungselements (M) versehen ist und daß das oder die Werkzeuge (50, 52, 54) so bemessen sind, daß sie in die Öffnung (66) einerseits eng

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passen, andererseits auf die Deckfläche (64) während des Preßvorganges einwirken.
18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Vorrichtung (Fig. 5) zur Umkehrung der Auswölbung des Betätigungselements (M) nach dem bzw. den Preßvorgängen vorgesehen ist.
19. Einrichtung nach. Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Vorrichtung (Fig. 5) einen federnd belasteten Kolben (118), eine Haltevorrichtung (102) für das Betätigungselement (M) und eine Vorrichtung (108) zum Andrücken des Kolbens (118) in die Haltevorrichtung (102) umfaßt.
20. Einrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Vorrichtung eine Einstellvorrichtung (117) zur genauen Bestimmung der durch das Betätigungselement (M) durchmessenen Bewegungslänge während der mechanischen Umkehrung aufweist.

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