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Verfahren zur Vergütung von Metallflachfedern
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Bruchfestigkeit
von Metallflachfedern, insbesondere von Stahlbi.egeredern und flachen, platten-
oder bxindiörmigen Formschnittledern, die vorwiegend als federnde Pwlralleliührungselemente
an wenigstens zwei separaten Punkten oder Abschnitten zwischen relativ zueinander
oszillierend beweglichen Maschinen- oder Vorrichtungsteilen einspannbar und auf
Biegung und/oder Torsion beanspruchbar sind.
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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
Federfunktton 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 entsprechend negative Korrektur erforderlich
ist. Es sind auch bereits Vergütungsverfahren für Blattfedern bekannt, mit denen
eine riefenrreie
und frostfreie glatte OberfLäche, z.B. durch Polieren,
Kuge1- 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.
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Aufgage der Lrfi ntluiig ist es, eill Verfahren der e#ngangs genannten
dort anzugelxen, mit dem bei #Ieta1 I£Iachfedern, insbesondere Stahlbiegefedern
und Formschiiiütfedern, besonders in den Bereichen, die der höchsten Bruchgefahr
ausgesetzt sind, die Bruchfestigkeit zu erhöhen.
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Erreicht wirtl dies erfindungsgemäß dadurch, daß entlang tier zwischen
den Einspannpunkten oder -abschitten liegenden Flächenbegrenzungskanten verlaufenden
Randzonen wenigstens abschnittweise einem materialverdichtenden Preß- oder Stauchvorgang
unterzogen werden.
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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 bekanntlicii immer von den Randzonen
ausgeht, beträchtlich vermindert.
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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.
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Wichtig ist auch, daß der Preß- oder Stauchvorgang 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.
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Der Preß- oder Stauchvorgang kann mittels Preßstempeln bzw.
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Roll- oder Walzwerkzeugen durchgeführt werden. Es besteht auch die
Möglichkeit, den Preß- oder Stauchvorgang, insbesondere bei Formschnittfedern, in
einem Arbeitsgang mit dem Schnitt- oder Stanzvorgang mittels Präge- oder Kerbstempeln
durchzuführen, so daß eine Nachbehandlung solcher Federn entfallen kann.
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Wie die Erfahrung lehrt, genügt es bei Formschnittfedern, den materialverdichtenden
Preß- oder Stauchvorgang nur an den bogelförmig verlaufenden Kantenabschnitten anzusetzen,
was al-1erdungs davon abhängig ist, wie exakt die Schnittform der betreffenden Federn
der Biegebelastung bzw. Torsionsbelastung angepaßt ist. In jedem Falle ist es zweckmäßig,
den Preß-oder Stauchvorgang dort durchzuführen, wo die größte Bruchgefahr besteht.
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Generell ist auch wichtig, daß zwischen den verdichteten Randzonen
und den nicht verdichteten Kantenabschnitten jeweils ein stetiger Übergang erzeugt
wird und zwischen diesen Zonen keine stufenförmigen oder kerbenartigen Absätze in
der Materialdicke entstehen.
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Ähnlich wie die Breite des verdichteten Randstreifens hängt auch die
optimale Dickenverringerung von der spezifischen Beschaffenheit des jeweiligen Federmaterials
ab. Sie lann ein Zehntel bis ein Fünftel der jeweiligen Federblattdicke ausmachen.
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Bei besonders dünnen Formschnitt- oder Biegefedern ist eine im Querschnitt
konische oder bogenförmige Dickenverringerung problematisch. Statt dessen schlägt
die Eritndung bei dünnen Federn mit einer Dicke von etwa unter 0,4 mm sickenartige
Kehlungen vor, die in geringem Abstand von den Flachenbegrenzungskanten parallel
zu dieser verlaufen.
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Eine andere Möglichkeit, das erfindungsgemäße Verfahren bei dünnen
Formschnitt- oder Biege federn vorteilhaft anwenden zu können besteht darin, daß
unmittelbar entlang der Jeweiligen Flächenbegrenzungskanten, die zwischen den Einspannabschnitten
der Feder liegen, ein schmaler verdünnter Strelic mit gleichmäßig reduzierter Dicke
sowie mit einem hohikehlenartigen Übergang zur gegebenen Oberfläche erzeugt wird.
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Äxihand der Zeichnung wird nun im folgenden die Erfindung näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 eine U-fbrmige Formschnittfeder Fig, 2 die Querschnittsform der
Formschnittfeder der Fig. l entlang der Schnittlinie IIIII, Fig. 3 eine bandiörmige
Biege feder mit verdichteten Längskanten, Fig. 4 eine Stirnansicht der in Fig. 3
dargestellten Biegefeder, Fig. 5 die Querschnittsform einer anderen Biege feder
in vergrößertem Maßstab, Fig. 6 eine weitere Formschnittfeder aus Bandmaterial,
Fig. 7 eine dünne Biegefeder in Draufsicht, Fig. 8 einen Schnitt entlang der Schnittlinie
VIII - VIII der Fig. 7 mit vier Preßstempeln, Fig. 9 in Draufsicllt eine dünne Biege
feder mit einer anderen Stauchprägung, Fig.iO in vergrößertem Maßstab einen Teilquerschnitt
entlang der Schnittlinie X - X in Fig. 9.
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Die in Fig. 1 dargestellte Formschnittfeder i hat eine U-förmige Flächengestait
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 6 und 7
sind jeweils im Bereich einer streifenförmigen Zone 8 bzw, 9 einem materialverdichtenden
Stauch- oder Preßvorgang unterzogen worden, der zu der
aus Fig.
2 ersichtlichen symmetrische, konischen Dickenverjüngung zur jeweiligen Begrenzungskante
6 bzw. 7 hin gefiihrt hat. Während die verdichtete streifenförmige Zone 8 entlang
der äußeren bogenförmigen Begrenzungskante 6 sich stetig ver-Jüngend jeweils an
den Stellen endet, wo die bogenförmige Begrenzungskante 6 in die geradlinigen äußeren
Begrenzungskanten der Schenkel 2 bzw. 3 übergeht, ist die mit zwei runden, mit jeweils
kegelförmigen Stirnflächen versehenen und gegeneinander koaxial beweglich angeordneten
Preßstempeln erzeugte Verdichtungszone 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 sich aufgrund
der Kegelform der Stirnflächen der beiden Stempel ein stetiger Übergang zwischen
der verdichteten und der nicht verdichteten Zone an den inneren Begrenzungskanten
der beiden Schenkel 2 und 3.
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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 Parallelführungselementes
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.
5 aus der normalen Blattebene im Bereich der Schnittlinie II-lI eine Torsionsbelastung
auftritt, welche die Bruchgefahr, insbesondere im Bereich der Schnittlinie II-IX
stark erhöht. Diese
Bruchgefahr ist Jedoch durch die konisch-symmetrisch
verdichteten Zonen S und 9 zumindest auf das Maß reduziert, das auch im Bereich
der Schenkel 2 bzw. 3 bei solchen Federn üblicherweise an Bruchgefahr vorhanden
ist.
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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, mit konischsymmetrischen,
materialverdichteten Randzonen 13 und 14 versehen, so daß sich die aus Fig. 4 ersichtliche
Querschnittsform ergibt. Diese Biegefeder 10 ist ebenfalls als Parallelführungseiement
Itir zwei im Abstand voneinander angeordnete, oszillierende Parailelbewegungen ausführende
Maschinenteile vorgesehen, an denen die Federenden fest eingespannt werden.
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An der in Fig. 5 dargestellten Blattfeder 15 soll lediglich gezeigt
werden, daß statt der konischen Querschnittsverjüngung auch eine bogenförmige symmetrische
Querschnittsver-Jüngung entlang einer Flächenbegrenzung 16 realisierbar ist.
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Dort weisen die bogenförmigen Oberflächen 17 und 18 der verdichteten
Randzone 19 einen Bogenradius ltauf und gehen stetig, ohne Kantenbildung in die
Außenflächen 20 bzw. 21 der Blattfeder l5 über. Dadurch entsteht auch ein stetiger
Übergang zwischen der in d e r der querschnittsverjüngten Randzone 19 herrschenden
Druckvorspannung und der im Ruhezustand der Blattfeder 15 im übrigen Querschnitt
herrschenden spannungsfreien Zone.
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Die in Fig. 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 Zunge 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. 3H über, die nacll unten in schräg-symmetrisch
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.
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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.
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Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, sind bei dieser Formfeder 22 Jeweils
nur im Bereich der Rundungen 29, 50 33, 34, 37 und 38 verdichtete Randzonen 43,
44, 45, 46, 47 und 48 vorgesehen, deren Querschnittsformen und Länge etwa verhältnisgleich
sind
mit der Querschnittsform der verdichteten Randzone 9 der Formfeder
der Fig. 1.
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Bei Federn der dargestellten Art, die alle aus einem vergüteten Stahlblech
bestehen, ist die konisch verjüngte Dicke d 1 im Verhältnis zur Normaldicke d etwa
um ein Zehntel ver-Junge. Je 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 d entsteht. Ebenso
hängt auch die Breite b der 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 Stahiblatledcrn ist es empfehlenswert, die Breite
auf das der Federdicke entsprechende Maß zu beschränken. Bei anderen Federmater-ialien
kann die Streifenbreite der halben bis doppelten Federdicke entsprechen.
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Während es ohne weiteres möglich ist, bei Formschnittfedern gemäß
Fig. 1 und 6 den Preß- oder Stauchvorgang zusammen mit dem Stanz- oder Schnittvorgang,
durch welchen die Federn aus Bandmaterial ausgeschnitten werden, durchzuführen,
und zwar mit Hilfe von entsprechend geformten Preß- oder Prägestempeln, kann es
bei anderen Blattfedern, z.B. bei der Biegefeder gemäß Fig. 3 und 4 empfehlenswert
sein, die verdichteten Randzonen 13 und 14 entlang der Längskanten 11 und 12 mittels
eines Roll-oder Walzwerkzeuges zu erzeugen. Bei den Formschnittfedern der
Fig.
i und 6 ist es jedoch auch ohne weiteres möglich, die verdichteten Randzonen in
einem besonderen Preßwerkzeug und im Zuge eines besonderen Arbeitsvorganges herzustelien.
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Die vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht
auf die vorstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Blatttedernarten
beschränkt, sondern bei allen nur denkbaren Blattfederformen in gleich vorteilhafter
Weise anwendbar.
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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 Fig. 1 bis 5 dargestellten Art problematisch
sein. Trotzdem läßt sich das beschriebene Verfahren auch dort in modifizierter Form
awwenden. Ausftihrungsbeispieie hierzu zeigen die Fig.
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7 bis 10.
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Die in Fig. 7 dargestellte Biegefeder 50, die eine Dicke von ca. 0,25
mm aufweist und die an ihren außerhalb der gestrichelten Linien 51 und 52 liegenden
Endabschnitten 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.
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Diese Preßstempel haben jeweils gerundete Preßstirnflächen 57', 58t,
59' bzw. 60' und werden zur L'rzeugung der Kehlungen 53 und 54 bzw. 55 und 56 jeweils
paarweise synchron und symmetrisch
zur Querschnittsmittelebene
61 der Biege feder aufeinanderzu bewegt. Statt der beispielsweise dargestellten
beidseitigen symmetrischen JVnbringung von Kehlungen 53 und 5 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 wichteig, 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 Fi g. 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 querschnittsmittelebeue 67 symmetrischen
schmalen Streifen 68 und 69 gleichmäßig d. h. planparallel reduzierten Dicke versehen,
die durch die angedeuteten Preßstempel 70 und 71 ergänzt worden sitld. Dabei ist
aus Fig. 10 erkennbar, daß zwischen den syazetrischen Seitenflachen 72 und 73 der
verdünnen Streifen 68 und 69 und dem durch die gegebene Materialdicke vorhandenen
Oberflächen 74 und 75 jeweils eine Hohlkehle 76 bzw. 77 vorgesehen ist, damit scharfe,
bruchgefährdete Ecken vermieden werden. Die sich von den Hohlkehlen 76 bzw. 77 zu
den Oberflächen 74 bzw. 75 hin erstreckenden Abschnitte 78 und 7#) verlaufen schräg
zu den Oberflächen 74 bzw.
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75 unter einem Winkel ct, der in jedem Fall 750 nicht übersteigen
sollte. Liitsprechend sind auch die spiegelbildlichen Preßstirnflächen SO bzw. 81
der beiden Preßstempel 70 und 71
geformt, welcher zur Ergänzung
der symmetrisch verdichteten Streifen 68 und 69 synchron ud symmetrisch zur Querschnittsmittelebene
67 aufeinanderzu bewegt werden.
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Als weitere Modifikation sind auch nur einseitig geprägte Streifen
für manche Federn und bestimmte Anwendungsfälle denkbar und ausreichend.
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