EP0990708B1 - Verfahren zum Herstellen von Schraubenfedern - Google Patents

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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/26—Methods of annealing
    • C21D1/30—Stress-relieving

Definitions

  • the invention relates to a method for producing Coil springs made of steel wire, in which the coil springs a thermomechanical solidification, one first shot peening, followed by thermal relaxation and then a subsequent shot peening. so manufactured coil springs are found in particular in Automotive use as suspension springs, where at their Resilience must meet the highest demands.
  • Coil springs made of steel wire There are essentially two methods of making Coil springs made of steel wire are known.
  • the first Process the so-called “cold wind process” is called Pre-coated steel wire used.
  • the "Hot winding process” is the unrefined steel wire warmed, wrapped warm and then one Subjected to remuneration treatment.
  • the hot winding process is for example in the publication "thermoformed springs" described, which on the occasion of the 52nd International Automobile exhibition IAA, Frankfurt / Main 1987, presented has been.
  • a third manufacturing option is less common, where the raw material is cold wound and the spring in a separate one Operation is subjected to remuneration treatment.
  • the hot winding process In the hot winding process, it runs in the form of a rod steel wire used in its remuneration the Steps of heating, hardening and Cranking.
  • the heating is usually done in Continuous furnaces caused by the combustion of gas or oil be heated. In ovens like that, it will Steel wire material relatively slowly Austenitizing temperature brought to it after the To be able to harden winding.
  • the coil springs After hardening and tempering, the coil springs preferably cooled with air, then for the "Warming up” operation to be warmed up again.
  • "Warm up” is used Front of the coil springs, d. H. one over their Yield stress beyond, understood, which is carried out at elevated temperature. By warming up becomes a favorable residual stress condition generated in the spring wire to increase the static and dynamic resilience of the springs and their relaxation and creep behavior improved.
  • thermomechanical coating of the To make spring wire.
  • This "thermomechanical In contrast to the usual, remuneration includes performed remuneration in the form of hardening and tempering after heating to austenitizing temperature performed additional step of a plastic Deformation of the spring steel by twisting and / or Rollers.
  • DE 43 30 832 C2 also describes a method known for producing helical compression springs, in which the helical compression springs a first and second Be subjected to shot peening.
  • the object of the invention is therefore, starting from the above explained prior art to provide a method that the production of Springs allows for higher dimensions with smaller dimensions and lower weight are resilient.
  • thermomechanical solidification of the Coil springs make the spring wire material close to the surface as deep as possibly plastically deformed.
  • the subsequent thermal relaxation of the springs causes favorable changes in properties in the deformed material layers et al on excretion processes, aging, polygonization of the structure and Formation of an advantageous structure of the dislocations.
  • the final second blasting process which involves the springs being preloaded is carried out, causes a high residual compressive stress to build up in the Boundary layer.
  • this second blasting treatment takes place in two Steps.
  • a "coarse-grained", high-energy abrasive means a coarse blasting of Springs performed. This coarse radiation has a deep effect in the outer layers of the Spring material.
  • the so-called. "Fine blasting” is carried out, causing an increase directly on the wire surface of the residual compressive stresses and smoothing them.
  • Preloading the coil springs in the first step is a coarse-grained Blasting media used and in the second step a finer grained.
  • JP-A-05177544 it is known to strengthen an outer layer Steel wire coil springs by the sequence of operations first Shot peening, thermal relaxation and second shot peening. About that it is also known from DE-A-4330832 to use the so-called. Use stress beams after the spring has been thermally relaxed has been. With this tension blasting, the spring is in a preloaded state peened.
  • the delivered steel wire is first in one electro-inductive, not shown Heater to austenitizing temperature brought. Then the austenitized Steel wire material mechanically in a rolled or Twisting process plastically deformed. Then that happens Wind the still warm steel wire into one Coil spring.
  • the thermomechanical coating of the Steel wire is continued by the following the Winding performed hardening. With the conclusion of the The following reason is the thermomechanical coating of the steel ended.
  • pre-stressed shot peening is mainly in the surface layer near the surface the directional high of the spring steel wire Build up residual compressive stresses. Do they stand Springs during blasting under a preload which acts in the same direction as the later operating load, so in that direction on the Steel wire surface particularly high internal compressive stresses build up in which the operating load is the highest Will cause tensile stress. As a rule, this is at an angle of 45 ° to the longitudinal axis of the spring wire the case.
  • the residual compressive stresses generated in this way have an effect as counter voltage in practical use under load resulting tensile stresses.
  • the shot peening under prestress is according to the invention carried out in two stages.
  • the first stage is called Blasting media a relatively coarse grain with a Diameters from 0.7 - 0.9 mm are used. So that can a residual compressive stress profile in the marginal zone of the Achieve spring wire steel, as exemplified in Diagram 2 is shown. It is characteristic the great depth of penetration of the residual compressive stresses but not their highest value as desired, directly in the area of the surface of the spring wire, but only at a certain distance below it to reach.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Schraubenfedern aus Stahldraht, bei dem die Schraubenfedern einer thermomechanischen Randschichtverfestigung, einem ersten Kugelstrahlen, dem sich ein thermisches Entspannen anschließt und einem daran anschließend erfolgenden zweiten kugelstrahlen unterzogen werden. Derart hergestellte Schraubenfedern finden insbesondere im Automobilbau als Tragfedern Verwendung, wo an ihre Belastbarkeit höchste Anforderungen gestellt werden.
Es sind im wesentlichen zwei Verfahren zur Herstellung von Schraubenfedern aus Stahldraht bekannt. Bei dem ersten Verfahren, dem sogenannten "Kaltwindeverfahren", wird als Vormaterial vergüteter Stahldraht verwendet.
Bei dem zweiten bekannten Verfahren, dem "Warmwickelverfahren", wird der unvergütete Stahldraht erwärmt, im warmen Zustand gewickelt und anschließend einer Vergütungsbehandlung unterzogen. Das Warmwickelverfahren ist beispielsweise in der Veröffentlichung "Warmgeformte Federn" beschrieben, welche anläßlich der 52. Internationalen Automobil-Ausstellung IAA, Frankfurt/Main 1987, überreicht worden ist.
Weniger verbreitet ist eine dritte Fertigungsmöglichkeit, bei der unvergütetes Vormaterial kalt gewunden wird und die Feder erst anschließend in einem separaten Arbeitsgang einer Vergütungsbehandlung unterzogen wird.
Beim Warmwickelverfahren durchläuft der in Stabform eingesetzte Stahldraht bei seiner Vergütung die Arbeitsschritte des Erwärmens, des Härtens und des Anlassens. Dabei erfolgt das Erwärmen in der Regel in Durchlauföfen, die durch die Verbrennung von Gas oder Öl beheizt werden. In derartigen Öfen wird das Stahldrahtmaterial relativ langsam auf Austenitisierungstemperatur gebracht, um es nach dem Wickeln härten zu können.
Nach dem Härten und Anlassen werden die Schraubenfedern vorzugsweise mit Luft gekühlt, um anschließend für den Arbeitsgang des "Warmsetzens" wieder erwärmt zu werden. Unter "Warmsetzen" wird in diesem Zusammenhang ein Vorsetzen der Schraubenfedern, d. h. eine über deren Fließgrenze hinausgehende Beanspruchung, verstanden, welche bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird. Durch das Warmsetzen wird ein günstiger Eigenspannungszustand im Federdraht erzeugt, der zur Erhöhung der statischen und dynamischen Belastbarkeit der Federn beiträgt und deren Relaxations- und Kriechverhalten verbessert.
Nach dem Warmsetzen werden die Federn kugelgestrahlt, wodurch die äußeren Randschichten des Federdrahts verfestigt und vor allem mit Druckeigenspannungen beaufschlagt werden. Diese Druckeigenspannungen erhöhen die dynamische Beanspruchbarkeit der Federn besonders wirksam, da sie den während der Federbelastung an der Drahtoberfläche auftretenden hohen Zugspannungen entgegenwirken.
Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Federstahls ist in der DE 36 33 058 C1 vorgeschlagen worden, eine sogenannte "thermomechanische Vergütung" des Federdrahts vorzunehmen. Diese "thermomechanische Vergütung" umfaßt im Unterschied zur üblicherweise durchgeführten Vergütung in Form von Härten und Anlassen den nach der Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur durchgeführten zusätzlichen Schritt einer plastischen Verformung des Federstahls durch Tordieren und/oder Walzen.
Aus der DE 43 30 832 C2 ist des weiteren ein Verfahren zum Herstellen von Schraubendruckfedern bekannt, bei dem die Schraubendruckfedern einem ersten und zweiten Kugelstrahlen unterzogen werden.
In der Veröffentlichung "Spannungsstrahlen von Schraubendruckfedern", Eckehard Müller, Draht, 1994, Heft 1/2, ist schließlich erwähnt, daß durch ein zweistufig erfolgendes Kugelstrahlen, bei dem die erste Strahlbehandlung ohne und die zweite Strahlbehandlung unter Vorspannung erfolgt, Schraubenfedern hergestellt werden können, die, verglichen mit Federn, die keiner Strahlbehandlung unterzogen worden sind, bei vermindertem Materialbedarf und geringerem Gewicht vergleichbare Eigenschaften aufweisen.
Die bekannten Verfahren zur Herstellung von Schraubenfedern haben sich bewährt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es mit den bekannten Verfahren nicht mehr möglich ist, Federn herzustellen, welche die immer stärker werdenden Forderungen insbesondere der Automobilindustrie nach einer Minimierung der Abmessungen und damit einhergehend einer Verminderung des Gewichts und des Einbauraumes der Federn erfüllen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ein Verfahren zu schaffen, welches die Herstellung von Federn ermöglicht, die bei kleineren Abmessungen und geringerem Gewicht höher belastbar sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 gelöst.
Durch den ersten Strahlvorgang der thermomechanischen Randschichtverfestigung der Schraubenfedern wird der obenflächennahe Werkstoff des Federdrahtes so tief wie möglich plastisch verformt. Das anschließende thermische Entspannen der Federn bewirkt in den verformten Werkstoffschichten günstige Eigenschaftsveränderungen, die u.a. auf Ausscheidungsvorgänge, Alterung, Polygonisation des Gefüges und Ausbildung einer vorteilhaften Struktur der Versetzungen zurückzuführen sind.
Der abschließende zweite Strahlvorgang, welcher mit Vorspannung der Federn durchgeführt wird, bewirkt den Aufbau einer hohen Druckeigenspannung in der Randschicht. Erfindungsgemäß erfolgt diese zweite Strahlbehandlung in zwei Arbeitsschritten. Im ersten Arbeitsschritt wird dabei mittels eines "grobkörnigen", mit hoher Energie ausgebrachten Strahlmittels ein Grobstrahlen der Federn durchgeführt. Dieses Grobstrahlen wirkt tief in die Randschichten des Federmaterials ein. Im zweiten Arbeitsschritt wird unter Verwendung des grobkörnigeren Strahlmittels mit verringerter Abwurfgeschwindigkeit das sog. "Feinstrahlen" durchgeführt, was unmittelbar an der Drahtoberfläche zu einer Erhöhung der Druckeigenspannungen und zu einer Glättung derselben führt.
Die Erhöhung der Druckeigenspannungen unmittelbar an der Drahtoberfläche verhindert, daß sich dort bei hoher dynamischer Beanspruchung der Federn unter Betriebslast vorzeitig Anrisse bilden. Derartige Anrisse können andernfalls besonders bei den kerbempfindlichen, hoch- und höchstfesten Schraubenfedern schnell zu einem vorzeitigen Bruch des Federdrahtes führen.
Schließlich bietet die Glättung der Drahtoberfläche neben einer Reduzierung der von ihrer Struktur ausgehenden Kerbwirkung auch für die nachfolgende Lackierung der Schraubenfedern erhebliche Vorteile.
Zum gleichen Ergebnis kommt man, wenn man beim zweiten Kugelstrahlen unter Vorspannung der Schraubenfedern im ersten Arbeitsschritt ein grobkörniges Strahlmittel verwendet und im zweiten Arbeitsschritt ein feiner gekörntes.
Dieses Ergebnis kann noch weiter verbessert werden, wenn beim zweiten Kugelstrahlen unter Vorspannung der Schraubenfeder beim ersten Arbeitsschritt ein grobkörniges Strahlmittel verwendet wird und im zweiten Arbeitsschritt ein feiner gekörntes Strahlmittel, wobei dann im ersten Arbeitsschritt das grobkörnigere Strahlmittel mit einer erhöhten Abwurfgeschwindigkeit ausgebracht wird als im zweiten Arbeitsschritt das feiner gekörnte Strahlmittel.
Nach der JP-A-05177544 ist es bekannt, eine Randschichtverfestigung bei Schraubenfedern aus Stahldraht durch die Folge der Arbeitsgänge erstes Kugelstrahlen, thermisches Entspannen und zweites Kugelstrahlen zu erzielen. Darüber hinaus ist es nach der DE-A-4330832 bekannt, für den gleichen Zweck das sog. Spannungsstrahlen einzusetzen, nachdem die Feder vorher thermisch entspannt wurde. Bei diesem Spannungsstrahlen wird die Feder in einem vorgespannten Zustand kugelgestrahlt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von ein Ausführungsbeispiel darstellenden Diagrammen näher erläutert. Es zeigen:
Diagramm 1
eine Arbeitsschrittfolge bei der Fertigung von hoch- und höchstfesten Schraubenfedern mit thermomechanischer Vergütung und thermomechanischer Randschichtverfestigung;
Diagramm 2
den Verlauf der Druckeigenspannung in der Randschicht der Schraubenfedern nach einem Kugelstrahlen unter Vorspannung bei Verwendung von grobkörnigem Strahlmittel mit hoher Abwurfgeschwindigkeit,
Diagramm 3
den Verlauf der Druckeigenspannung in der Randschicht der Schraubenfedern bei einem stufenweise aufeinander folgenden Kugelstrahlen unter Vorspannung bei Verwendung von grobkörnigem Strahlmittel in der ersten Stufe und feinkörnigem Strahlmittel in der zweiten Stufe.
Der angelieferte Stahldraht wird zunächst in einer elektro-induktiv arbeitenden, nicht dargestellten Erwärmungseinrichtung auf Austenitisierungstemperatur gebracht. Anschließend wird das austenitisierte Stahldrahtmaterial mechanisch in einem Walz- oder Tordierprozeß plastisch verformt. Dann erfolgt das Wickeln des noch warmen Stahldrahts zu einer Schraubenfeder. Die thermomechanische Vergütung des Stahldrahts wird fortgesetzt durch das im Anschluß an das Wickeln durchgeführte Härten. Mit Abschluß des darauf folgenden Anlassens ist-die thermomechanische Vergütung des Stahls beendet.
Nach dem Anlassen erfolgt ein schnelles Abkühlen der Schraubenfeder mittels Wasser.
Bei der anschließend durchgeführten ersten Kugelstrahlbehandlung der ungespannten Schraubenfeder kommt es primär darauf an, den oberflächennahen Werkstoff des Federstahldrahts so tief wie möglich plastisch zu verformen. Nach Beendigung dieses ersten Kugelstrahlens werden die Schraubenfedern in dem für die Erwärmung auf Warmsetztemperatur bestimmten, nicht dargestellten Ofen erwärmt und gleichzeitig thermisch entspannt. Nach Erreichen der Warmsetztemperatur erfolgt das Warmsetzen selbst. Sobald die Federn mittels einer Wasserkühlung wieder abgekühlt sind, werden sie in einem zweiten Strahlvorgang unter Vorspannung kugelgestrahlt.
Der Zweck des Kugelstrahlens unter Vorspannung besteht hauptsächlich darin, in der oberflächennahen Randschicht des Federstahldrahts richtungsorientiert hohe Druckeigenspannungen aufzubauen. Stehen nämlich die Federn während des Strahlens unter einer Vorlast, welche in gleicher Richtung wirkt wie die spätere Betriebslast, so lassen sich in derjenigen Richtung an der Stahldrahtoberfläche besonders hohe Druckeigenspannungen aufbauen, in der die Betriebslast die höchsten Zugspannungen verursachen wird. In der Regel ist dies unter einem Winkel von 45° zur Längsachse des Federdrahts der Fall. Die so erzeugten Druckeigenspannungen wirken als Gegenspannung den im praktischen Einsatz unter Last entstehenden Zugspannungen entgegen.
Das Kugelstrahlen unter Vorspannung wird erfindungsgemäß in zwei Stufen durchgeführt. In der ersten Stufe wird als Strahlmittel ein verhältnismäßig grobes Korn mit einem Durchmesser von 0,7 - 0,9 mm verwendet. Damit läßt sich ein Druckeigenspannungsprofil in der Randzone des Federdrahtstahls erzielen, wie es beispielhaft in Diagramm 2 dargestellt ist. Charakteristisch ist dabei die große Eindringtiefe der Druckeigenspannungen, die allerdings ihren höchsten Wert nicht, wie gewünscht, unmittelbar im Bereich der Oberfläche des Federdrahts, sondern erst in einem gewissen Abstand darunter erreichen.
Bei der anschließend durchgeführten zweiten Stufe des Kugelstrahlens unter Vorspannung wird das gleiche Strahlmittel verwendet, wobei dieses jedoch mit einer geringeren Abwurfgeschwindigkeit ausgebracht wird als in der ersten Stufe. Wie aus Diagramm 3 deutlich erkennbar, wird durch das Feinstrahlen die Druckeigenspannung direkt an der Drahtoberfläche und den daran angrenzenden Werkstoffschichten deutlich erhöht. Auf diese Weise ist im Ergebnis die dynamische Beanspruchbarkeit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schraubenfedern erheblich erhöht und die Gebrauchsgüte der Schraubenfedern deutlich gegenüber bekannten als Fahrzeugtragfedern eingesetzten Schraubenfedern verbessert.
Zum Abschluß des Herstellungsverfahrens wird eine Rißprüfung, eine Lackierung und eine Kraftprüfung an den Schraubenfedern vorgenommen. Als im Hinblick auf einen optimalen Korrosionsschutz besonders wirkungsvolle Lackierung hat sich dabei eine Zinkphosphatierung mit Pulverbeschichtung herausgestellt.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Herstellen von Schraubenfedern aus Stahldraht, bei dem die Schraubenfedern einer thermomechanischen Randschichtverfestigung, einem ersten Kugelstrahlen, dem sich ein thermisches Entspannen anschließt und einem daran anschließend erfolgenden zweiten Kugelstrahlen unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kugelstrahlen ohne Vorspannung und das zweite Kugelstrahlen unter Vorspannung der Schraubenfeder erfolgt, wobei das zweite Kugelstrahlen in zwei Arbeitsschritten erfolgt und ein einheitliches grobkörniges Strahlmittel verwendet wird, welches im ersten Arbeitsschritt mit einer höheren Abwurfgeschwindigkeit ausgebracht wird als im zweiten Arbeitsschritt.
  2. Verfahren zum Herstellen von Schraubenfedern aus Stahldraht, bei dem die Schraubenfedern einer thermomechanischen Randschichtverfestigung, einem ersten Kugelstrahlen, dem sich ein thermisches Entspannen anschließt und einem daran anschließend erfolgenden zweiten Kugelstrahlen unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kugelstrahlen ohne Vorspannung und das zweite Kugelstrahlen unter Vorspannung der Schraubenfeder erfolgt, wobei das zweite Kugelstrahlen in zwei Arbeitsschritten erfolgt und wobei im ersten Arbeitsschritt des zweiten Kugelstrahlens ein grobkörniges und im zweiten Arbeitsschritt ein feiner gekörntes Strahlmittel verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem zweiten Kugelstrahlen das Strahlmittel im ersten Arbeitsschritt mit einer höheren Abwurfgeschwindigkeit ausgebracht wird als im zweiten Arbeitsschritt.
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