DE3008342C2 - Verfahren zur Vergütung von Metallflachfedern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Bruchfestigkeit von Metallflachfedern, insbesondere von Stahlbiegefedern und flachen, platten- oder bandförmigen Formschnittfedern, die vorwiegend als federnde Parallelführungselemente an wenigstens zwei separaten Punkten oder Abschnitten zwischen relativ zueinander oszillierend beweglichen Maschinen- oder Vorrichtungsteilen einspannbar und auf Biegung und/ oder Torsion beanspruchbar sind.

Bekanntlich hängt die Bruchfestigkeit von Federn, insbesondere von Blattfedern, nicht ausschließlich von deren Materialbeschaffenheit ab. Es ist auch bekannt, daß bei auf Biegung beanspruchten Blattfedern deren Bruchfestigkeit und Federfunktion durch funktionsgerechte Flächenformgebung verbessert werden können. Dabei ist es allerdings nicht vermeidbar, daß beim Ausschneiden der optimalen Flächenform aus gewalztem Bandmaterial Schnittkanten entstehen, die schräg oder quer zur Walzrichtung verlaufen, so daß bei der Federberechnung eine enisprechend negative Korrektur erforderlich ist. Es sind auch bereits Vergütungsverfahren für Blattfedern bekannt, mit denen eine riefenfreie und rostfreie glatte Oberfläche, z. B. durch Polieren, Kugel- oder Sandstrahlen, erreicht werden kann. Auch durch das elektrolytische oder mechanische Entfernen des an den Schnittstellen entstehenden Grates läßt sich eine gewisse Verbesserung der Bruchfestigkeit erzielen. Durch die bei den bekannten Vergütungsverfahren durchgeführte gleichmäßige Behandlung der gesamten Federoberfläche ist jedoch eine spezifische, dem Materialbeanspruchungsdiagramm der jeweiligen Feder entsprechende punktuelle oder abschnittweise Vergütung in den am stärksten einer Bruchgefahr ausgesetzten Zonen nicht zu erreichen. Insbesondere bei Formfedern können je nach Belastungsrichtung und je nach Lage der Kraftangriffs- und Einspannzonen nicht nur reine Biegebeanspruchungen, sondern auch Torsionsbewegungen auftreten, welche in den Randgebieten der Feder Zugspannungen erzeugen, welche das Material ungleich belasten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem bei Metallflachfedern, insbesondere Stahlbiegefedern und Formschnittfedern, besonders in den Bereichen, die der höchsten Bruchgefahr ausgesetzt sind, die Bruchfestigkeit zu erhöhen.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß entlang der zwischen den Einspannpunkten oder -abschnitten liegenden Flächenbegrenzungskanten verlaufenden Randzonen wenigstens abschnittweise einem

materialverdichtenden Preß- oder Stauchvorgang unterzogen werden,

in den so behandelten Randzonen wird im Federmaterial eine permanente Druckvorspannung erzeugt, die die bei Belastung auftretenden Zugspannungen weitgehend kompensiert und somit die Bruchgefahr, die ja bekanntlich immer von den Randzonen ausgeht, beträchtlich vermindert

Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Preß- oder Stauchvorgang von beiden Flachseiten her zumindest annähernd symmetrisch erfolgt und nur im Bereich eines Streifens durchgeführt wird, dessen Breite etwa der halben bis doppelten Federdicke entspricht Es hat sich gezeigt, daß die Breite dieses durch Pressung oder Stauchung verdichteten Streifens entlang der jeweiligen Flächenbegrenzungskante im wesentlichen von der Beschaffenheit des Federmaterials, insbesondere jedoch von dessen Härte bzw. Sprödigkeit und Festigkeit, abhängt und daß sie deshalb für jedes unterschiedliche Federmaterial separat empirisch zu ermitteln ist, falls für das betreffende Federmaterial noch keine Werte ermittelt und angegeben sind.

Wichtig ist auch, daß der Preß- oder Staucbvorgang in der Weise erfolgt, daß zur jeweiligen Flächenbegrenzungskante hin eine zumindest annähernd stetige, konische oder bogenförmige Dickenverjüngung entsteht. Dadurch kann erreicht werden, daß die vorerwähnte Druckvorspannung, die entlang der Schnittkante am größten sein soll, auch an den Stellen, an denen die Bruchgefahr jeweils zuerst auftritt und auch am größten ist, die größte Kompensationswirkung gegenüber den bei Biege- oder Torsionsbelastung auftretenden Zugspannungen am größten ist und sich im übrigen auf die Federcharakteristik nicht oder nur minimal auswirkt.

Der Preß- oder Stauchvorgang kann mittels Preßstempeln bzw. Roll- oder Walzwerkzeugen durchgeführt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, den Preß- oder Stauchvorgang, insbesondere bei Formschnittfedern, in einem Arbeitsgang mit dem Schnittoder Stanzvorgang mittels Präge- oder Kerbstempeln durchzuführen, so daß eine Nachbehandlung solcher Federn entfallen kann.

Wie die Erfahrung lehrt, genügt es bei Formschnittfedern, den materialverdichtenden Preß- oder Stauchvergang nur an den bogenförmig verlaufenden Kantenabschnitten anzusetzen, was allerdings davon abhängig ist, wie ^xakt die Schnittform der betreffenden Federn die Biegebelastung bzw. Torsionsbelastung angepaßt ist. In jedem Falle ist es zweckmäßig, den Preß- oder Stauchvorgang dort durchzuführen, wo die größte Bruchgefahr besteht.

Generell ist auch wichtig, daß zwischen den verdichteten Randzonen und den nicht verdichteten Kantenabschnitten jeweils ein stetiger Übergang erzeugt wird und zwischen diesen Zonen kein? stufenförmigen oder kerbenartigen Absätze in der Materialdicke entstehen.

Ähnlich wie die Breite des verdichteten Randstreifens hängt auch die optimale Dickenverringerung von der spezifischen Beschaffenheit des jeweiligen Federmaterials ab. Sie kann ein Zehntel bis ein Fünftel der jeweiligen Federblattdicke ausmachen.

Bei besonders dünnen Formschnitt- oder Biegefedern ist eine im Querschnitt konische oder bogenförmige Dickenverringerung problematisch. Statt dessen schlägt die Erfindung bei dünnen Federn mit einer Dicke von etwa unter 0,4 mm sickenartige Kehlungen vor, die in geringem Abstand von den Flächenbegrenzungskanten parallel zu dieser verlaufen.

Eine andere Möglichkeit, das erfindiingsgemäße Verfahren bei dünnen Formschnitt- oder Biegefedern vorteilhaft anwenden zu können besteht dann, daß unmittelbar entlang der jeweiligen Flächenbegrenzungskanten, die zwischen den Einspannabschnitten der Feder liegen, ein schmaler verdünnter Streifen mit gleichmäßig reduzierter Dicke sowie mit einem hohlkehlenartigen Übergang zur gegebenen Oberfläche erzeugt wird.

Anhand der Zeichnung wird nun im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine U-förmige Formschnittfeder, Fig.2 die Querschnittsform der Foimschnittfeder !5 der F i g. 1 entlang der Schnittlinie II-II,

F i g. 3 eine bandförmige Biegefeder mit verdichteten Längskanten,

Fig.4 eine Stirnansicht der in Fig.3 dargestellten Biegefeder,

F i g. 5 die Querschnittsform einer anderen Biegefeder in vergrößertem Maßstab,

F i g. 6 eine weitere Formsc' dttfeder aus Bandmaterial,

F i g. 7 eine dünne Biegefeder in Draufsicht, F i g. 8 einen Schnitt entlang der Schnittlinie VIII-VIII der F i g. 7 mit vier Preßstempeln,

F i g. 9 in Draufsicht eine dünne Biegefeder mit einer anderen Stauchprägung,

Fig. 10 in vergrößertem Maßstab einen Teilquerschnitt entlang der Schnittlinie X-X in F i g. 9.

Die in F i g. 1 dargestellte Fonr;schnittfeder 1 hat eine U-förmige Flächengestalt mit zwei parallelen Schenkeln 2 und 3, die parallel zu der durch die Pfeile 4 angedeuteten Walzrichtung verlaufen und durch einen kreisbogenförmigen Teil 5 miteinander verbunden sind. Die äußeren und inneren bogenförmigen Begrenzungskantenabschnitte e und 7 sind jeweils im Bereich einer streifenförmigen Zone 8 bzw. 9 einem materialverdichtenden Stauch- oder Preßvorgang unterzogen werden, der zu der aus Fig. 2 ersichtlichen symmetrischen, konischen Dickenverjüngung zur jeweiligen Begrenzungskante 6 bzw. 7 hin geführt hat. Während die verdichtete streifenförmige Zone 8 entlang der äußeren bogenförmigen Begrenzungskante 6 sich stetig verjüngend jeweils an den Stellen endet, wo die bogenförmige Begrenzungskante 6 in die geradlinigen äußeren Begrenzungskanten der Schenkel 2 bzw. J übergeht, ist die mit zwei runden, mit jeweils kegelförmigen Stirnflächen versehenen und gegeneinander koaxial beweglich angeordneten Preßstempeln erzeugte Ver dichtungszone 9 über den Kreisbogenmittelpunkt der Schnittkante 7 hinaus nach unten verlängert, so daß sie sich noch über einen Teil der geradlinigen Innenkanten der Schenkel 2 bzw. 3 erstreckt. Aber auch hier ergibt 5: sich aufgrund der Kegelform der Stirnflächen der beiden Stempel ein stetiger Übergang zwischen der verdichtete.! und der nicht verdichteten Zone an den inneren Begrenzungskanten der beiden Schenkel 2 und 3.

Diese Formfeder 1 wird in der Weise angewendet, daß die beiden Schenkel 2 und 3 je für sich an separaten, relativ zueinander parallel beweglichen Maschinenteilen eingespannt werden, so daß die Formfeder 1 die Funktion eines Parallelführungseltmentes ausübt. Es ist bei dieser Formfeder 1 leicht vorstellbar, daß bei der beschriebenen Anwendung durch das jeweilige Auslenken des einen oder anderen Schenkels 2 bzw. 3 aus der normalen Blattebene im Bereich der Schnittlinie II-II

eine Torsionsbelastung auftritt, welche die Bruchgefahr, insbesondere im Bereich der Schnittlinie 11-11 stark erhöht. Diese Bruchgefahr ist jedoch durch die konisch-symmetrisch verdichteten Zonen 8 und 9 zumindest auf das Maß reduziert, das auch iin Bereich der Schenkel 2 bzw. 3 bei solchen Federn üblicherweise an Bruchgefahr vorhanden ist.

Bei der in Fig.3 und 4 dargestellten bandförmigen Biegefeder 10 sind beide Längskanten 11 und 12 durch einen entsprechenden Preß- oder Stauchvorgang, der beispielsweise mit Hilfe eines Walzwerkzeuges durchgeführt worden ist. nut konisch-symmetrischen, materialverdichteten Randzonen Π und 14 verschen, so daß sich die aus F i g. 4 ersichtliche Quersehnittsform ergibt. Diese Biegefeder 10 ist ebenfalls als Paralleiführungselemcnt für zwei im Abstand voneinander angeordnete, oszillierende Parallelbewegungen ausführende Maschinenteile vorgesehen, an denen die Federenden fest eingespannt werden.

An der in Fig "ι dargestellten Blattfeder 15 soll lediglich gezeigt werden, daß statt der konischen ',hierschniusverjüngung auch eine bogenförmige s\mmetrische Querschnittsverjün.ijung entlang einer Π;ι-ehenbegrenzune 16 realisierbar ist. Dort weisen du-^Ki)genförmigen Oberflächen 17 und 18 der verdichteten P- ,indzone 19 einen Bogenradius R auf und gehen stetig. ohne K.intenbildung in die Außenflächen 20 bzw. 21 der Blattfeder 15 über. Dadurch entsteht auch ein stetiger ! bergane zwischen der in der querschnittsverjüngten Randzone 19 herrschenden Druckvorspannung und der im Ruhezustand der Blattfeder 15 im übrigen Querschnitt herrschenden spannungsfreien Zone.

Du¹ ;n F ι ε. 6 dargestellte Formschnittfeder 22 hat die äußere Form einer quadratischen Platte, deren Walzrichtung durch die Pfeile 4 angedeutet ist. Durch einen Ausschnitt 23 ist eine im Flächenzentrum stehende /.enge 24 gebildet, die in der Mitte zwischen zwei äußeren Schenkeln 25 und 26 steht. Die inneren Begrenzungskanten der Schenkel 25 und 26 haben, von unten nach oben gesehen, jeweils zunächst einen von innen schräg nach außen verlaufenden Abschnitt 27 bzw. 28. die jeweils in eine Rundung 29 bzw. 30 münden. An die Rundungen 29 bzw. 30 schließen sich jeweils geradlinig schräg nach innen verlaufende Abschnitte 31 und 32 an. die ihrerseits durch Rundungen 33 bzw. 34 mit symmetrisch schräg nach innen verlaufenden Kantenabschnitten 35 bzw. 36 der Federzunge 24 verbunden sind. Diese Kantenabschnitte 35 und 36 der Federzunge 24 gehen ihrerseits in Rundungen 37 bzw. 38 über, die nach unten in schräg-svmmetrisch nach außen gerichtete Abschnitte 39 und 40 münden. Die Federzunge 24 ist an ihrem unteren rechteckigen Flächenabschnitt mit Befestigungsbohrungen 41 versehen, damit sie an einem beweglichen Maschinenteil eingespannt werden kann. Desgleichen sind die beiden separaten Schenkel 25 und 26 an ihren unteren Enden mit Befestigungsbohrungen 42 versehen, die dazu dienen, in einer ortsfesten Spannleiste eingespannt zu werden.

Wie aus F i g. 6 ersichtlich ist. sind bei dieser Formfeder 22 jeweils nur im Bereich der Rundungen 29, 30, 33, 34, 37 und 38 verdichtete Randzonen 43, 44, 45, 46, 47 und 48 vorgesehen, deren Querschnittsformen und Länge etwa verhäitnisgleich sind mit der Querschnittsform der verdichteten Randzone 9 der Formfeder der Fig. !.

Bei Federn der dargestellten Art, die aüe aus einem vergüteten Stahlblech bestehen, ist die konisch verjüngte Dicke d 1 im Verhältnis zur Normaldicke i/etwa um

ein Zehntel verjüngt. )e nach Materialbeschaffenheit kann es aber empfehlenswert sein, den Preß- oder Stauchvorgang so auszulegen, daß eine Dickenverminderung entlang der Schnittkante bis auf ein Fünftel der normalen Federdicke dentsteht. Ebenso hängt auch die Breite feder verdichteten Randzonen 8, 9, 11, 14, 19,43, 44,45,46,47 und 48 von der jeweiligen Materialbeschaffenheit der betreffenden Formfeder bzw. Biegefeder ab. Bei vergüteten Stahlblattfedern ist es empfehlenswert, die Breite auf das der Federdicke entsprechende Maß zu beschränken. Bei anderen Federmaterialien kann die Streifenbreite der halben bis doppelten Federdicke entsprechen.

Wahrend es ohne weiteres möglich ist. hri F'ornischnittfedern gemäß Fig. I und 6 den Preß- oder .Stauchvorgang zusammen mit dem Stanz- oder .Schnittvorgang, durch welchen die Federn aus Bandmaterial ausgeschnitten werden, durchzuführen, und /war mit Hilfe von entsprechend geformten Preß oder Prägestempeln, kann es bei anderen iiiattfedern. z. B. bei der Biegefeder gemäß F i g. 3 und 4 empfehlenswert sein, die verdichteten Randzonen Π und 14 entlang der Längskanten 11 und 12 mittels eines Roll- oder Walzwerkzeuges zu erzeugen. Bei den Formschnittfedern der F i g. 1 und 6 ist es jedoch auch ohne weiteres möglich, die verdichteten Randzonen in einem besonderen Preßwerkzeug und im Zuge eines besonderen ■\rbeitsvorganges herzustellen.

Die vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf die vorstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Blattfedernarten beschränkt, sondern bei allen nur denkbaren Blattfederformcn in gleich vorteilhafter Weise anwendbar.

Bei besonders dünnen Formschnitt- oder Biegefedern mit Sicken von unter 0.4 mm kann eine im Querschnitt konische oder bogenförmige Dickenverringerung durch Preßung oder Stauchung in der in den F i g. 1 bis 5 dargestellten Art problematisch sein.Trotzdem läßt sich das beschriebene Verfahren auch dort in modifizierter Form anwenden. Ausführungsbeispiele hierzu zeigen die F ig. 7 bis 10.

Die in F ι g. 7 dargestellte Biegefeder 50. die eine Dicke von ca. 0.25 mm aufweist und die an ihren i'.ußerhalb der gestrichelten Linien 51 und 52 liegenden Kndabichnitien eingespannt werden soll, ist auf beiden Flachseiten mit gleichtiefen Kehlungen 53 und 54 bzw. 55 und 56 versehen, die durch Preßstempel 57, 58 bzw. 59,60 erzeugt worden sind.

Diese Preßstempel haben jeweils gerundete Preßstirnflächen 57', 58', 59' bzw. 60' und werden zur Erzeugung der Kehlungen 53 und 54 bzw. 55 und 56 jeweils paarweise synchron und symmetrisch zur Querschnittsmittelebene 61 der Biegefeder aufeinandcrzu bewegt. Statt der beispielsweise dargestellten beidseitigen symmetrischen Anbringung von Kehlungen 53 und 54 bzw. 55 und 56 ist es auch möglich, bei solchen noch dünneren Federn derartige Kehlungen nur auf einer Seite vorzusehen. In jedem Fall ist aber wichtig, daß die Kehlungen 53 bis 56 jeweils in einem gewissen Abstand von den in diesem Falle längsverlaufenden Flächenbegrenzungskanten 62 bzw. 63 und parallel zu diesen verlaufen.

Bei der in den Fig. 9 und 10 dargestellten Anwendungsform ist eine Biegefeder 64 mit einer Dicke von etwa 0,4 mm mit entlang ihrer Längskanten 65 und 66 verlaufenden, zur Querschnittsmittelebene 67 symmetrischen schmalen Streifen 68 und 69 gleichmäßig d. h. planparallel reduzierten Dicke versehen, die durch

die angedeuteten Preßstcmpel 70 und 71 ergänzt worden sind. Dabei ist aus I'ig. IO erkennbar, dall /wischen den symmetrischen Seitenflächen 72 und 73 der verdünnten Streifen 68 und 69 und dem durch die gegebene Miterialdicke vorhandenen Oberflächen 74 und 75 jeweils eine Hohlkehle 76 bzw. 77 vorgesehen ist, damit scharfe, bruchgefährdete Lcken vermieden werden. Die sich von den Hohlkehlen 76 bzw. 77 zu den Olcrflächen 74 bzw. 75 hin erstreckenden Abschnitte 78 und 79 verlaufen schräg zu den Oberflächen 74 bzw. 75 in

unter einem Winkel x, der in jedem ('all 7T nicht übersteigen sollte. {Entsprechend sind auch die spiegelbildlichen Preßsiirnflächen 80 bzw. 81 der beiden l'ießstempel 70 und 71 geformt, welcher zur Ergänzung der symmetrisch verdichteten Streifen 68 und 69 synchron und symmetrisch zur Qucrsehnittsmittelebene 67 aufeinander/u bewegt werden.

Als weitere Modifikation sinil auch nur einseitig geprägte Streifen für manche Federn und bestimmte Anwendungsfälle denkbar und ausreichend.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung der Bruchfestigkeit vcn Metallflachfedern, insbesondere von Stahlbiegefedern und flachen, plattet·- oder bandförmigen Formschr.ittfedern, die vorwiegend als federnde Parallelführungselemente an wenigstens zwei separaten Punkten oder Abschnitten zwischen relativ zueinander oszillierend beweglichen Maschinenoder Vorrichtungsteilen einspannbar und auf Biegung und/oder Torsion beanspruchbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die entlang der zwischen den Einspannpunkten oder -abschnitten liegenden Flächenbegrenzungskanten (11,12; 27,31,

35 39; 28, 32, 36, 40, 62, 63, 65, 66) verlaufenden Randzonen wenigstens abschnittsweise einem materialverdichtenden Preß- oder Stauchvorgang unterzogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preß- oder Stauchvorgang von beiden Flachseiten (20, 21, 74, 75) her zumindest annähernd symmetrisch erfolgt

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Preß- oder Stauchverfahren im Bereich eines Streifens (8,9,13, 14, 19, 43, 44, 45, 46, 47. 48, 68, 69) erfolgt, dessen Breite (b) etwa der halben bis doppelten Federdicke (d) entspricht

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Preß- oder Stauchvorgang in der Weise erfolgt, daß zur jeweiligen Flächenbegrenzungskante (6, 7; 11, 12; 16; 29, 30, 33, 34, 3V, 38) hin eine zumindest annähernd stetige, konische oder bogenförmige Dickenverjüngung entsteh..

5. Verfahren nach Anspruch 1, oder einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Preß- oder Stauchvorgang mittels Preßstempeln durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, daducch gekennzeichnet, daß der Preß- oder Stauchvorgang mittels eines Roll- oder Walzwerkzeuges durchgeführt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen ! und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Preß- oder Stauchvorgang, insbesondere bei Formschnittfedern, in einem Arbeitsgang mit dem Schnitt- oder Stanzvorgang mittels Präge- oder Kerbstempeln durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Formschnittfedern der materialverdichtende Preßoder Stauchvorgang nur an den bogenförmig verlaufenden Flächenbegrenzungskante (6,7; 29,30, 33,34,37,38) durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den verdichteten Streifen (8, 9; 19; 43 bis 48) und den nicht verdichteten Flächenbegrenzungskante (27,31,35,39 bzw. 28,32,

36 und 40) jeweils ein stetiger Übergang erzeugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die größte Dickenverringerung etwa einem Zehntel bis einem Fünftel der Federblattdicke (d) entspricht.

11. Verfahren nach Anspruch! oder 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei besonders dünnen Formschnitt- oder Biegefedern (50) wenigstens abschnittweise in geringem Abstand von den Flächenbegrenzungskanten (62,63) zu diesen parallel verlaufende sickenartige Kehlungen (53, 54, 55,

56) eingepreßt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei besonders dünnen Formschnitt- oder Biegefedern (64) der Preß- oder Stauchvorgang in der Weise erfolgt, daß unmittelbar

ίο entlang der jeweiligen Flächenbegre.jzungskanten (65,66) ein schmaler, verdünnter Streifen (68,69) mit gleichmäßig reduzierter Dicke sowie mit jeweils einem hohlkehlenartigen Obergang (76, 77) zur gegebenen Oberfläche (74,75) entsteht.