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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von flachen Spiralfedern
Der Gegenstand der Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Herstellung von
flachen Spiralfedern in Maschinen mit Profilbacken zum Winden. von vorzugsweise
hochelastischem, dauernd zulaufendem Material mittels mehrerer Laufflächen, deren
besondere Bauart einen weiteren Teil der Erfindung bildet.
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Die Herstellung von flachen Spiralfedern unterscheidetsich grundsätzlich
von der Herstellung von Schraubenfedern, da sich bei solchen nur Windungen gleichen
Durchmessers nebeneinanderreihen, während bei flachen Spiralfedern jede Windung
einen anderen Durchmesser hat und sich diese etwa konzentrisch ineinanderlegen müssen.
Dies erfordert vollkommen andere Schubrichtungen des Drahtes zum verformenden Werkzeug,
wobei die Lenkflächen wegen der Vergrößerung des Durchmessers zwangläufig verschoben
werden müssen. Ebenso muß das waagerecht liegende Vorschubwerkzeug auch waagerecht
verschoben werden. Um diese unter@schiedlichen Verschiebungen der einzelnen Werkzeugteile
zu erreichen, müssen sie zwangläufig .so gesteuert werden, daß die Verstellung als
Funktion des sich ändernden Durchmessers der Spiralen erfolgt. Zur Erzeugung der
Windungen sind im Winkel zueinander stehende Lenkflächen angeordnet, die sich unterschiedlich
waagerecht und senkrecht bewegen können. Die Ver-
Schiebung verläuft
so, daß die Mittelpunkte7_ der Windungen auf einer geraden Linie liegen und diese
immer tangential zu den sich verändernden Lenkflächen laufen.
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Die Einzelheiten der Maschine nach der Erfindung sind aus der Beschreibung
und Zeichnung zu entnehmen.
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Fig. i zeigt ganz allgemein und im. schematischer Weise, wie das Wickeln.
einer Spiralfeder beginnt; Fig. 2 ist eine ähnliche Ansicht bei fortgeschrittenem
Aufwickelvorgang; Fig. 3 ist eine geometrische, theoretische Darstellüng des Wickelvorganges
einer Spiralfeder und läßt erkennen, nach welchem Gesetz die das Formwerkstück bildenden
Teile vorzugsweise verschoben werden müssen; Fsg. q. ist eine Seitenansicht einer
auf Grund obigen Gesetzes arbeitenden Werkzeugeinrichtung; Fig. 5 entspricht -einem
Schnitt gemäß V-V der Fig. q.; Fig.6 ist eine Ansicht der vollständigen, mit obigem
Werkzeug ausgerüsteten Wickelmaschine; Fig. 7 zeigt eine Einzelheit; Fig. 8 zeigt
das Werkzeug- gemäß. der zweiten Ausführungsform beim Anfang des Wickelvorganges;
Fig: 9 zeigt dasselbe Werkzeug bei vorgeschrittenem Aufwickelvorgang; Fig. io zeigt
das Werkzeug nach der dritten Ausführungsform.
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Zum Wickeln einer Spiralfeder nach dem vorliegenden Verfahren bedient
man sich z. B: eines durch die Walzen i, 2 der Fig. i und 2 gebildeten Walzenstuhles,
welcher das Material 3 in Richtung des Pfeiles q. vorwärts schiebt.
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Ein düsenartiges Führungsstück 5 leitet das Material gegen die in
seiner Bahn geneigt liegende Fläche 6 einer Backe-7 des dreiteiligen Formwerkstückes
7, 8, 9. Das Material wird hierdurch seitlich zur Bahn abgelenkt, stößt gegen die
zweite der neuen Richtung gegenüber geneiigt liegenden Führungsfläche -der Leiste
8 und wiederholt diesen Vorgang ein drittes Mal gegen die Backe 9.
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Nach jeder Ablenkung rutscht das vorgestoßene Material tangential
zur formgebenden Fläche im Kreis weiter, und es entsteht bald eine Schleife io (Fig.
i).
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Würde man das Werkzeug in der in der letztgenannten Figur angegebenen
Entfernung x der Walzen steherlassen, so' würde sich die Schleife weiter mit unverändertem
Durchmesser aufwickeln, und es entstünde eine Schraubenfeder, falls die Führungsflächen
des Werkzeuges mit der Wickelebene einen derartigen Winkel bilden würde, daß die
nacheinander gebildeten Schleifen seitlich ausweichen könnten.
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Daidurch aber, @daß man während dem Vorschub des Materials das Werkzeug
zwangläufig von, den Walzen i, 2 entfernt und deren Teile 7, '8, 9 glichzeitig auseinanderstößt,
entstellen aneinander anschließende, immer größer werdende Schleifen, mit anderen
Wortren die in Fig. 2 sichtbare Spiralfeder i i. Entsprechend der Vergrößerung .des
Aufwind durchmessers ist das Formwerkzeug auf die Entfernung y der Walzen verschoben
und deren Teile gleichzeitig voneinander entfernt worden.
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Eine disen Wickelvorgang selbsttätig verrichtende Maschine bedingt
Mittel, welche diese . Bewegungen zwangläufig und gesetzmäßig ausführen.
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Was da zu geschehen hat, läßt sich mathematisch ableiten, kann aber
a n Hand der geometrischen, theoretischen Darstellung der Fig. 3 -in genügender
Weise erklärt werden.
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In -dieser Figur sind eineAn£angs- und eine Endlage 7a, 8a, 9a und
7b, 8b, 9b der Werkzeugteile bzw. von Backen 7 und 9 sowie von einer Leiste 8 dargestellt.
Sie -entsprechen den Biegungskreisen a und b des in Richtung des Pfeiles 12 lagenunveränderlich
vorgestoßenen Materials. Weitere fünf dazwischenliegende Stellungen der Werkzeugteile
und entsprechende Biegüngskreise sind aufgezeichnet und verstehen sich, ohne die
Figur mit Bezugszeichen zu beladen.
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Die lagerunveränderliche Vorstoßrichtung 12 bedingt, daß alle gebildeten
Kreise derselben tangential liegen. Sie liegen auch in bezug auf die dargestellten
beweglichen Führungsflächen tangential.
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Von einem unendlich klein gedachten Ausgangskreis, welcher dem Punkt
A entsprechen würde, wächst ein senkrecht zur Backe 9 liegender Durchmesser in Richtung
A-B, während sich vom jeweiligen Mittelpunkt B eine Parallele zur Vorstoßrichtung
als Radius B-C .senkrecht zur Leiste 8 ziehen läßt, die den Winkel zwischen A-B
und dem zu A-B und zur. Backe 7 senkrecht liegenden Radius B-C' in gleiche
Teile teilt. Auch sind die Winkel D-B-C und C-B-E einander gleich, und es ließe
sich beweisen, daß sämtliche Punkte wie D und E je auf einer Geraden A-D bzw. A-E
liegen.
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Die soeben-ermittelten Richtungen A-D und A-E würden dann. der den
Backen 7 und 9 mit Bezug auf die Lauste 8 zu erteilenden Vorschubrichtung entsprechen.
Der dickere Strich 13 mit Pfeil zeigt endlich die in Bildung befindliche, Schleife
des äußeren Spralabschnittes größeren Durchmessers.
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Die soeben ängeführte Theorie erfährt infolge der hohen Elastizität
des zur Herstellung von Federn angewandten Materials jedoch eine kleine Änderung.
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Unelastisches Material, wie z. B. Blei, würde sich, wie 'angeführt,
aufwickeln, und sein Profil könnten -,die Backe 7 und die Leiste 8 ohne Zuhilfenahme
der Backe 9 eindeutig bestimmen.
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In Wirklichkeit ist aber das Material hochelastisch, @so,daß sich
eine durch den bloßen Einfluß von 12, 7 und 8 gebildete kreisförmige Schleife nach
dem Durchgang durch das Formwerkzeug wieder sehr weit öffnen würde und statt einer
archimedischen. Spirale mit gleichmäßigen Windungsabständen eine Art logarithmische
Spirale mit rasch wachsenden. Windungsabständen entstehen würde. An. der Backe 9
würde das Material nahezu wirkungslos vorbeigleiten.
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Aus diesem Grund soll dieser Backe eine weitere Aufgabe zuerteilt
werden, und zwar diejenige, das Material so zu bremsen, da,B es an die zwei für
die Bildung des Kreisbogens verantwortlichen
Flächen der Backe 7
und der Leiste 8 so@ stark angedrückt wird, daß die Elastizitätsgrenze des Materials
überschritten wird und die beabsichtigte Formgebung eintritt.
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Diese Bremswirkung wird am .einfachsten durch Erhöhung (des Reibungswiderstandes
an der Backe 9 erzeugt, indem der Normaldruck des Federbandes an die betreffende
Fläche durch entsprechendes Neigen derselben stark erhöht wird. Deshalb dürfen bei
elastischem Material die nacheinander von den Führungsflächen des Werkzeuges gebildeten
Winkel nicht je 45° sein, sondern es ruß der Winkel zwischen der Richtung D-E der
Leiste 8 und der Führungsfläche d er Backe 9 praktisch etwa 6o° oder noch mehr sein,
was auch ausgedrückt werden kann als 30° oder weniger zwischen dieser Fläche und
der Vorstoßrichtung.
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Es ergibt sich also praktisch, daß der durch die Führungsflächen der
Backen. 7 und 9 eingeschlossene Winkel .nicht, wie in Pig. 3 dargestellt, durch
die Richtung des Vorstoßes in zwei gleiche Winkel unterteilt würde, sondern in ungleiche
Winkel, derart, daß der kleinere auf der Seite der Backe 9 zu liegen kommt, über
welche die gebildete Schleife das Formwerkzeug -eerläßt.
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Entsprechend der soeben angeführten Theorie kann das Formwerkzeug,
wie als erstes Beispiel in den Fig. 4 und 5 dargestellt, gebaut werden, die Fig.
8 bis io zeigen eine andere Weise, hochelastisches Material wie erwünscht zu wickeln.
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Zwischen zwei durch irgendwelche Mittel im Abstand festgehaltenen
Führungsplatten 14, 15 der Fig. -4,. und 5 ist in Nuten, 16 dieser letzteren ein
Schlitten 17 geradlinig in der angenommenen Vorstoßrichtung des Materials geführt.
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Senkrecht zu dieser Richtung stehend, trägt der Schlitten eine längs
aufgeschlittzte Führungsleiste 18, durch deren Schlitz zwei Stifte i9, 2o greifen,
die ihrerseits an beiden Enden in Schlitze 21, 22 der Führungsplatten 14, 15 geführt
sind..
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Gibt man diesen Führungsschlitzen die sich aus der soeben, besprochenen
Theorie ergebende Neigung in bezog auf die Schlittenbewegungsrichtung, so ist leicht
ersichtlich, daß einer Verschiebung des Schlittens 17 eine Bewegung der Stifte längs
der Leiste entspricht, die z. B. den gemäß Fig. 3 festgesetzten Richtungen, A-E
bzw. A-D entspricht.
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Es läßt sich somit ohne weiteres die Führungsleiste 18 als mittlerer
Teil 8 des Formwerkzeuges benutzen, vorausgesetzt, daß sie und die Stifte i9, 2o
die beiden anderen Teile 7, 9, die hier als Backen 23 und 24 ausgebildet sind, mitbewegen.
Wie abgebildet, ist die Führungsfläche der Backe 23 um 450 in. bezog auf die der
Schlittenbewegung entsprechende Vorstoßrichtung geneigt und diejenige der Backe
24, wie oben. angeführt, um 30P. Dieser Winkel könnte noch kleiner sein.
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Die für den Aufwickelvorgang nötige Bewegung kann z. B. eine Feder
25 auslösen, die mit dem einen Ende am Schlitten zieht und deren anderes Ende, in
26, an den Führungsplatten verankert äst.
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Die zeitliche Gesetzmäßigkeit der Bewegung kann irgendwelche mit den
Förderwalzen des vorgestoßenen Materials zwangläufig verbundene Leitkurve vornehmen,
die einen Stift 27 bewegen würde, an welchen ein Stift 28 des Schlittens 17 anliegt.
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Die -in Fi.g, 6 dargestellte Wickelmaschine benutzt das soeben beschriebene
Formwerkzeug gemäß der ersten Ausführungsform. Sire ist folgendermaßen ausgebildet:
Ein Gestell, 2,9 trägt der aus den Walzen 30 und 31 gebildete Walzenstuhl,
deren Walze 31 auf dem in, 32 an@gelenkten Balken 33 liegt und durch die Druckfeder
34 auf (die gegenüberliegende Walze gedrückt wird.
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Die Walzen sind durch gleich große nicht dargestellte Zahnräder derart
gekuppelt, daß sie sich in entgegengesetztem Drehsinn bewegen, wenn. die untere
Walze 30 z. B. durch eine auf der hinteren Seite angebrachte, nicht abgebildete
Kurbel angetrieben wird.
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Der Materialstreifen 35 wird dadurch in Richtung des eingezeichneten
Pfeiles gegen das Werkzeug 36 vorgestoßen. Dieses Werkzeug entspricht genau demselben
der Ausführungsform gemäß Fig. 4 und 5.
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Zum Aufheben des durch die obere Walze 31 auf die untere Walze 3o
ausgeübten Druckes genügt es, den Balken 33 entgegen der Wirkung der Feder 34 zu
verschwenken. Hierzu kann z. B. in 37 ein Kabel am Balken befestigt werden, der
mit Hilfe eines Pedals fußbetätigt werden könnte.
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In 38 ist die Vorratsspule für den Materialstreifen.
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Das auf der Welle der Walze 30 liegende, nicht sichtbare Zahnrad greift
im ein größeres, gleichfalls unsichtbares Zahnrad ein, deren Welle 39 eine schneckenförmige
Kurvenscheibe 40 trägt. Gegen diese Kurvenscheibe stößt der Stift 41 einer Kulisse
42, .die den in den Fig. 4 und 5 beschriebenen Stift 27 trägt, gegen welchen der
Stift 28 des Werkzeugschlittens 17 anliegt.
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Es ist somit leicht ersichtlich, daß der federbelastete Werkzeugschlitten
(s. Feder 25) sich nur so weit bewegen wird, als es die Schneckenkurve 40 und die
Kulisse 42 zulassen werden., d. h. daß infolge der mechanischen Verbindung dieser
Teile mit dem Walzenstuhl die in bezog auf den Materialvorschob . erwünschte zwangläufig
stattfindende Lagenänderung der Werkzeugteile stattfinden wird.
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Der Stift 27 .ist in der Kulisse 42 dank einer Stellschraube 43 längs
verstellbar angeordnet, so daß die Entfernung des Formwerkzeuges gegenüber dem Walzenstuhl
eingestellt werden kann.
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Auf der Welle 39 ist eine Skalenscheibe 44 angeordnet und auf der
sichtbaren Führrungsplatte. des Formwerkzeuges eine Skala 45, die die jeweilige
Lage des Werkzeugschlittens angibt.
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Wie die Draufsicht der Fig. 7 zeigt, kann man außerdem vorsehen, daß
das Formwerkzeug in bezog auf die eingezeichnete Pfeilrichtung des Materialvorstoßes
quer zur Aufwickeleben@e um eine Befestigungsschefbe 46 am Gestell 29 beidseitig
der Förderrichtung um einen kleinen, auf einer Skala 47 ablesbaren Winkel versch.wenkt
werden kann.
Das auf dem Vorrat 38 hefindliche Material wird nun
durch die Walzen in Richtung des.FormwerkstÜckes 36 wie angedeutet vorgestoßen.
Am Anfang gibt man dem Maiterial von Hand dder durch eine zusätzliche Vorrichtung
eine leichte Biegung nach oben. - Nacheinander auf die drei Führungsflächen des
Werkzeuges aufstoßend, wird: das Material wie eingangs erklärt aufgewickelt.
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Unter der Wirkung der Steuerung, welche die Kurvenscheibe 4o gleichzeitig
vornimmt, entfernt sich der Schlitten des Werkzeuges vom Walzenstuhl und bewegt
die Werkzeugteile derart, daß tatsächlich eine Spirale entsteht.
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Die Länge des vorgestoßenen Materials läßt sich auf der Skalenscheibe
44 ablesen, deren Drehung proportional -derjenigen. der Vorschubwalzen ist,
Ferner ist der jeweilige Durchmesser der einzelnen Windungen auf der @die Lage des
Werkzeugschlittens anzeigenden Skala 45 ablesbar.
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Am Ende des Wickelvorganges. verschwenkt man den Balken 33, so daß
der Werkzeugschlitten in seine Endstellung gebracht werden kann., ohne da.ß weiteres
Material vorgeschoben wird. Es ist nun möglich, das Material abzuschneiden und die
Feder herauszunehmen.
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Durch eine entsprechende Verstellung der.Werkzeugteile lassen sich
auch andere Artcri von Federn auf dieser Maschine wickeln. -Wickelt man eine Spiralfeder
mit seitlich um die Drehscheibe 46 etwas verschwenktem Form-Werkzeug, so haben die
Windungen das Bestreben, seitlich, in Richtung der Wicklungsachse auszuweichen je
nach Maß der Verschwenkung und sowohl nach links- als nach rechts. Die erhaltene
Feder ist in diesem Fall eine Kegelspirale.
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Über -der Kulisse 42 -sitzt ferner ein Handrad 48, das nichts anderes
ist, als eine auf einen Führungsbolzen 49 aufgeschraubte Mutter.
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Durch Anziehen dieses Handrades kann die Kulisse 42 blockiert werden.
In diesem Fall kann sich der Werkzeugschlitten und können sich die Werkzeugteile
nicht mehr bewegen. Das Material wird also auf den eingestellten gleichbleibenden
.Durchmesser aufgewunden.
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Läßt man esdurch die soeben angewendete seitliche Verschwenkung,des
Formwerkzeuges seitlich ausweichen, so erhält man eine zylindrische. Schraubenfeder
von beliebigem, auf der Skala 45 ablesbarem Durchmesser und entsprechend dem auf
der Skala 47 ablesbaren Wert eingestellter Steigung.
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Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf das soeben
beschriebene, erste Ausführungsbeispiel sondern kann auch in anderen, davon abweichenden
Konstruktionen verwirklicht werden.
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Insbesondere, und wie eingangs angedeutet, erhält man nicht unter
allen Umständen eine archi-medische Spirale, weil deren Bildung vom Material . abhängt
und mit zunehmender Elastizität desselben erschwert wird.
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Das, Werkzeug gemäß der zweiten Ausführungsform .der Fig. 8 und 9,
bei welchem vier die zu erhaltene Kurve tangenfial umgebende Führungsflächen verwendet
wenden, wovon die eine mit der Vorstoßrichtung zusammenfällt, eignet sich ganz besonders
für diesen Fall.
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Dieses Werkzeug besieht aus den zwei ortsfestem Backen 5o und 54 mit
den. Führungsflächen. 52 und 53, und aus den zwei weiteren, jedoch beweg--lichen
Backen 54 und 55; mit den Führungsflächen 56 und 57.
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Die Flächen 5o und 51 sind Teile fies Maschinengestelles, und
es fällt die Fläche 53 mit der Vorstoßrichtung des durch die Rollen 58 und 59 vorgestoßenen
Materials 6o zusammen.
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Die Backe 55 gleitet auf der Backe 54 zwischen durch den im Schlitz
6ö beweglichen Stift 61 bestimmten Endlagen. Die gesetzmäßige Bewegung beider Backen
kann, z. B. mittels entsprechend ausgebildeter Leitkurven gesichert wenden.
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Zum Wickeln einer Spirailfeder verfährt man wie folgt: Das freie Ende
des vorgestoßenen Materials wird zu eimr Schleife umgebogen und zwischen den Führungsflächen
eingeführt (Fig. $). Dann rollt die Windung zwischen den drei ersten Führungsflächen.
wie ein Rad, und zwar nach 52 zu, wo sie aufgehalten wird:. Denn infod-ge der hohen
Elastizität des Materials beträgt anfänglich der Alxstand zwischen 53 und 57 riur
etwa o,6 des Solldurchmessers. -der Windungen. Dieser Koeffizient beruht- auf. Erfahrungen
und kann sich selbstverständlich mit den Eigenschaften des Matezials ändern.
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. So z. B. wird man für eine Windung, die anfänglich einen Durchmesser
von 5 mm haben soll, die lichte Weite zwischen den Flächen, 53 und 57 mit 3 mm wählen,
weil das so. gewundene Material beim Freilassen der Windung auf 5 mm aufgehen wird.
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Das endgültige Zusammenrollen der Spirale findet dann im Winkel zwischen
52 und 53 statt. Das Material geht somit von. einem, elliptischen Kurvenstück aus,
was auf die endgültige Gestalt der Feder ohne Einflug bleibt, wenn dadurch die Proportionalitätsgrenze
nicht überschritten wird.
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Bei Spiralen mit größerem Außendurchmesser wird man zur Vorrichtung
gemäß der dritten Ausführungsform der Fig. ro greifen müssen.
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Hier ist die Backe 55 des zweiten Beispiels in drei Teile 62, 63 und
64 unterteilt, um den Raum zwischen der gesamten Ausladung dieser Backe und den
anderen Backen, insbesondere der Backe 65 am Anfang des Wickelvorganges so klein
wie möglich halten zu können.
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Der innere Teil 62 wind dann auf jeden Fall gesetzmäßig und zwangläufig
geführt, _ w9bei es genügen mag, die zwei anderen Teile .durch Federn 66 und 67
entsprechend der zur Verfügung stehenden freien. Ausladung derärt zurückzuholen,
däB ihre mit dem Ende des ersten Teiles in Flucht gelangenden. Enden eine sich ,im
Laufe des Wickelvorganges verbreiternde Führungsfläche bilden. Der Vorgang versteht
sich von selbst .und -ist selbstverständlich nicht auf eine dreiteilige Backe beschränkt.
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Zu bemerken ist, daß die so unterteilte Backe stets diejenige sein
wird, die dem aus den Rollen gelangenden vorggeoBenen Material gegenübersteht.
An
Stelle der :in den Beispielen beschriebenen Backen und Leisten könnten anders geformte
Stoßpunkte für das bearbeitete Material angeordnet werden, z. B. in Gestalt von.
Bolzen od. dgl. Allerdings dürfte in diesem Fall die Steuerung derartiger Stoßpunkte
höchst kompliziert werden.
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Auch wäre es denkbar, die Lage des Formwerkstückes unveränderlich-zu
machen und dien Walzenstuhl in bezug auf denselben gesetzmäßig zu verschieben.