TECHNIK
WISSENSWERTE INFOS RUND UM DIE FEDERNPRODUKTION
GLOSSAR
Anlassen
Nach dem Wickeln bzw. nach dem Winden müssen kaltgeformte Federn entspannt werden, da die entstandene Eigenspannung für die spätere Funktion der Feder schädlich ist. Durch die verbleibende Eigenspannung kann es unter Umständen zu Mikrorissen und Bruch führen. Dazu wird die Feder auf ca. 250-300 C erwärmt bzw. angelassen (Spannungsarmglühen bei niedrigen Temperaturen).
Ausknicken
Sehr lange Schraubendruckfedern können bei Belastung ausknicken, der dazugehörige Federweg lässt sich berechnen und ist abhängig von der Federlagerung. Nach der DIN 2089, Teil 1 werden 5 Lagerarten mit den angegebenen Lagerungsbeiwerten unterschieden.
Beanspruchung
Dynamisch
Zeitlich veränderliche Beanspruchung mit vernachlässigbar kleinen Hubspannungen.
Zeitlich veränderliche Beanspruchung mit vernachlässigbar kleinen Hubspannungen.
Quasistatisch
Zeitlich veränderliche Beanspruchung mit vernachlässigbar kleinen Hubspannungen.
Statisch
Zeitlich konstante Beanspruchung
Beizen
Unter Beizen versteht man eine Behandlung der Metalloberfläche zur Entfernung nichtmetallischer meist oxidischer Stoffe, wie Walz- oder Glühhäute, Rost und dergleichen, um eine metallisch blanke Oberfläche zu erhalten. Anorganische Verunreinigungen der Oberfläche, lassen sich durch geeignete Säuren oder Basen beseitigen.
Blattfedern
Siehe auch Flach- und Flachformfeder. Gerade Biegefedern aus Bandmaterial (Blattfeder) können konstante oder veränderliche Stabquerschnitte aufweisen. Für die Gestaltung der Krafteinleitungsstelle und die Aufnahme der Feder gibt es zahlreiche Variationsmöglichkeiten. Blattfedern können a) einseitig eingespannt sei, b) beidseitig abgestützt oder c) einseitig eingespannt und elastisch bzw. starr unterstützt aufgenommen werden.
Als elastisch unterstützte Blattfederanordungen sind meist Kontaktsysteme elektrischer Schalteinrichtungen, beispielsweise in Relais, ausgeführt.
Als elastisch unterstützte Blattfederanordungen sind meist Kontaktsysteme elektrischer Schalteinrichtungen, beispielsweise in Relais, ausgeführt.
Chromatieren
Siehe auch Oberflächenbehandlung. Dabei wird die Feder in eine chromhaltige Lösung getaucht oder bespritzt. Die Abriebs- und Stoßfestigkeit ist eher mäßig, die Haltbarkeit dafür sehr gut.
Druckfeder
Druckfedern sind zylindrische Schraubenfedern aus meist runden Drähten mit konstantem Durchmesser. Der Abstand der Windungen (Steigung) ist längs der Federachse konstant, die linke und die rechte Endwindung sind angelegt. Die Federn besitzen eine lineare Kennlinie; Hauptbeanspruchsrichtung ist die Federachse.
Eigenspannung
Erfolgt eine Belastung über die Gültigkeitsbereich hinaus, dann kommt es auch zu einer plastischen Verformung. Da die Kaltformgebung der Feder immer mit einer Werkstoffbeanspruchung in plastischen Verformungsbereich verbunden ist, verbleiben Eigenspannungen
(innere Spannungen) im Federwerkstoff zurück.
Eigenspannungen können durch eine Erwärmung abgebaut werden.
So werden durch ein Anlassen (Spannungsarmglühen bei niedrigen Temperaturen) nach dem Federwickeln die mit dieser plastischen Verformung entstandenen Eigenspannung wesentlich verringert.
(innere Spannungen) im Federwerkstoff zurück.
Eigenspannungen können durch eine Erwärmung abgebaut werden.
So werden durch ein Anlassen (Spannungsarmglühen bei niedrigen Temperaturen) nach dem Federwickeln die mit dieser plastischen Verformung entstandenen Eigenspannung wesentlich verringert.
Federenden
Federenden gibt es in geschliffener oder ungeschliffener Ausführung.
Siehe auch Schleifen.
Siehe auch Schleifen.
Federrate
Die Federrate (C) ist das Verhältnis von Federkraft zu Federweg. Diese ist maßgeblich von der Form, ihren Abmessungen und des Werkstoffes abhängig. Zur Charakterisierung einer Feder wird der Anstieg der Kennlinie herangezogen. In den meisten Fällen besitzen Federn eine lineare Kennlinie (s. Kennlinie)
Federstahldraht
Werkstoffgruppen:
a) patentiert gezogene Federstahldrähte
b) Ölschlussvergütete Federstahldrähte
c) Federstahldrähte aus nichtrostenden Stählen
d) Federstahldrähte aus Kupfer-Knetlegierungen
e) Federstahldrähte aus Speziallegierungen
Die jeweiligen Federstahldrähte werden jeweils noch nach DIN und EN Norm unterschieden.
Fertigungsausgleich
Bei der Herstellung von Federn ist es sinnvoll, nicht alle Maße vorzuschreiben bzw. zusätzlich zu eng zu tolerieren. Abgeleitet von der Funktion sollten die Werte vorgegeben werden, die wirklich notwendig sind. Alle anderen Maße sollten frei bzw. weit toleriert sein. Diese freien Maße werden als Fertigungsausgleich bezeichnet.
Hier stehen im wesentlichen zur Verfügung:
die ungespannte Länge Lo der mittlere Windungsdurchmesser Dm der Drahtdurchmesser d die Windungszahl (federnd oder gesamt) n bzw. nt
Flachformfeder
Formfedern ist eine Sammelbezeichnung für alle Biegefedern aus Federband oder Federdraht, deren Gestalt von der gestreckten (geraden) Form abweicht und durch Abbiegungen verschiedenster Art gekennzeichnet ist. Aus Federband gefertigte Federn und Federelemente werden als Flachform- oder Bandformfedern und die aus Draht gefertigten als Drahtformfedern bezeichnet.
Die Hauptaufgaben der Federn sind:
– Speicherelement
– Schwingungs- und Dämpfungselement
– Ruheelement
– Lagerelement
Gleitmodul
Federn müssen aus einem geeigneten Werkstoff hergestellt und so ausgelegt und gestaltet werden, dass sie nach Wegnahme einer aufgebrachten Belastung wieder ihre ursprüngliche Gestaltung bzw. Lage annehmen. Die dafür verantwortliche Eigenschaft des Werkstoffes ist seine Elastizität. Sie wird durch den Elastizitätsmodul oder Gleitmodul als Verhältnis zwischen Werkstoffbeanspruchung (Spannung) und Verformung (Dehnung bzw. Schiebung) ausgedrückt und sollte einen möglichst hohen Wert haben. Eine Auswahl der verschiedenen Werkstoffe finden Sie unter downloads.
Gütegrad
Der Gütegrad gibt die zulässige Abweichung (Ad) für Federn an. Für Federn sind die Gütegrade 1, 2und 3 festgelegt. Die Auswahl unter den Gütegraden richtet sich nach den betrieblichen Anforderungen. Der geforderte Gütegrad und die zulässigen Abweichungen sind ausdrücklich zu vereinbaren oder im Zeichnungsvordruck anzugeben (DIN 2099).
Fehlt eine solche Angabe, so gilt der Gütegrad 2. Im Interesse einer rationellen Fertigung soll der Gütegrad 1 nur vorgeschrieben werden, wenn die Verwendung es erfordert.
Härten
Härten ist die Erwärmung eines Stahls auf eine vom Werkstoff abhängige bestimmte Temperatur mit nachfolgendem Abschrecken auf Raumtemperatur (Martensitbildung). Anschließend erfolgt ein Anlassvorgang, um eine definierte Härte und Zähigkeit einzustellen (temperaturabhängig).
Herstellung
Die Formgebung der Grundkörper von Metallfedern erfolgt ausschließlich spanlos. Federn mit kleinen bis mittleren Materialquerschnitten werden durch Kaltformgebung (s. Winden und Wickeln) und solche mit größeren durch Warmformgebung hergestellt. Eine spanende Formgebung findet lediglich bei der Bearbeitung von Federnenden oder Werkstückkanten statt. Anschließend durchgeführte Wärme- und Oberflächenbehandlungen dienen der Vervollkommnung der Feder. Sie können deren Funktionsfähigkeit entscheidend beeinflussen.
Herstellungsausgleich
Schon die zahlreichen Arbeitsgänge die zur Herstellung einer Feder benötigt werden lassen erkennen, dass die Herstellung nicht ohne Toleranzen möglich ist. Jedes Verfahren und jeder Fertigungsschritt hat seine bestimmte Probleme zur Einhaltung exakter Fertigungs-bedingungen. Abweichungen führen zu Abweichungen der Endprodukte. Hinzu kommt, dass es unter wirtschaftlichen Fertigungsbedingungen nicht möglich ist, Federdraht ohne Toleranzen in Durchmesser, Verformungsgrad – und der damit z.B. verbundenen Zugfestigkeit und Härte – und chemischer Zusammensetzung herzustellen. Davon abhängig sind jedoch das Rückfederungsverhalten sowie die Umformbarkeit und die Genauigkeit der Formveränderung in definiert eingestellten Werkzeugen, Vorrichtungen und Maschinen.
Kennlinie
Die Federkennlinie beschreibt die Abhängigkeit der Federkraft vom Federweg.
Korrosion
Korrosion ist die Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteiles oder eines ganzen Systems führen kann. In den meisten Fällen ist dieser Vorgang elektrochemischer Natur, in einigen Fällen kann sie jedoch auch chemischer (nicht elektrochemischer) oder metallphysikalischer Natur sein.
Kriechen
Die Relaxation, Kriechen und Nachwirkung sind Erscheinungen, die zu zeitbedingten Veränderungen der Federungswerte (F,s) führen. Während als Relaxation und Kriechen plastische Verformungen bezeichnet werden, die sich bei konstanter Einbaulänge (z.B. Druckfedern) als Kraftverlust (Relaxation), bei konstanter Belastung als Längenverlust (Kriechen) äußern, sind Nachwirkungen elastische Verformungen, die zeitverzögert erfolgen.
Kugelstrahlen
Die höchste Werkstoffbeanspruchung tritt in der Regel in den Randschichten, also an den Werkstoffoberflächen der Feder auf. Mit Pressluft oder Schleuderrädern werden Stahlkugeln mit entsprechender Geschwindigkeit auf die Federn geschleudert. Dadurch entsteht eine Werkstoffverdichtung und damit eine Verfestigung der Oberfläche – auch Randschichtverfestigung genannt.
Lochkorrosion
Die Lochkorrosion wird nur an passiven Werkstoffzuständen beobachtet und besteht aus einem örtlich begrenzten und stark in die Tiefe gehendem Korrosionsangriff.
Legierungszuschlag
Temporärer Preisaufschlag bei legierten Stählen (s.u.), der sich an den (Welt-) Marktpreisen der Legierungselemente orientiert. Der LZ wird regelmäßig der Marktsituation angepasst und in der Regel im Anhängeverfahren berechnet.
Flacherzeugnisse aus rost-, säure- und hitzebeständigen Edelstählen sind unentbehrliche Werkstoffe für alle Einsatzbereiche, in denen es insbesondere auf Beständigkeit gegenüber unterschiedlichsten Korrosionsbeanspruchungen und hygienisch einwandfreie Oberflächen ankommt, deren ansprechende Optik sie darüber hinaus auch für zahlreiche dekorative Verwendungen prädestinieren. Diese durch Legieren mit im wesentlichen Chrom, Nickel und Molybdän erreichten Vorzüge vereint der Werkstoff gleichzeitig mit universeller Verarbeitbarkeit zu vielfältigsten Endprodukten.
Materialnormung
In den Materialnormen und -vorschriften sind die entsprechenden Qualitäten definiert. Hier kam es in den vergangenen Jahren durch den Umstieg auf die Europa Normen zu Änderungen in den Grundlagen, zuletzt im Dezember 2001 für die wichtigsten Drahtsorten. Jetzt sind sowohl die patentiert gezogenen, die ölschlussvergüteten sowie die nichtrostende Drähte in einem Werk (EN 10270) vereinigt.
Hier die wichtigsten Änderungen:
– patentiert gezogene Drähte (DIN 17223 –> EN 10270-1)
– ölschlußvergütete Drähte (DIN 17223-2 –> EN 10270-2)
– nichtrostende Drähte (DIN 17224 –> EN 10270-3)
Normen
Es gibt unzählig viele DIN Normen die den hier zu Verfügung stehenden Rahmen sprengen würden. Eine Übersicht ist beim VDFI erhältlich. Eine Übersicht über die wichtigsten Werkstoffnormen erhalten Sie unter downloads.
Oberflächenschutz
Werden Federn aus korrosionsanfälligen Werkstoffen hergestellt, so ist in vielen Anwendungsfällen eine Oberflächenbehandlung zum Zwecke des Korrosionsschutzes unumgänglich.
Hier die gängigsten, nichtgalvanischen Verfahren:
– Ölen
– Wachsen
– Lackieren
– Pulverbeschichten
– Chromatieren
Ölhärten
Härten, bei dem das Rohmaterial anschließend in Öl abgeschreckt wird.
Relaxation
Nicht blockfeste Druckfedern können sich setzen, d.h. wird die Elastizitätsgrenze des Werkstoffes überschritten, kann eine plastische Verformung auftreten. Nach der Entlastung wird die ursprüngliche Länge (Lo) nicht mehr erreicht. Es entsteht ein Kraftverlust, die Relaxation. Bei diesem Vorgang entstehen Eigenspannungen, die sich günstig auf die weitere Belastung der Feder auswirken. Durch ein gezieltes Vorsetzen, d.h. Belasten der Feder auf Block über einen gewissen Zeitraum, kann ein späteres Setzen im Betrieb vorweggenommen werden.
Schenkelfeder
Schenkelfedern sind zylindrische Schraubenfedern aus meist runden Drähten mit konstantem Durchmesser. Sie besitzen eine lineare Drehmomentkennlinie. Drehfedern sind räumlich gewundene Biegefedern, das Material wird vorwiegend auf Biegung beansprucht. Die Krafteinleitung erfolgt über die Schenkel am Anfang und Ende der Feder, die in vielfältiger Weise angepasst werden kann.
Schleifen
Bei Druckfedern wird häufig anschließend an das Anlassen der Federn ein Schleifen der Endwindungen notwendig. Das Anschleifen der Federenden soll eine einwandfreie Auflagefläche und möglichst gleichmäßige Krafteinleitung schaffen.
Setzen
erreicht. Es entsteht ein Kraftverlust, die Relaxation. Bei diesem Vorgang entstehen Eigenspannungen, die sich günstig auf die weitere Belastung der Feder auswirken. Durch ein gezieltes Vorsetzen, d.h. Belasten der Feder auf Block über einen gewissen Zeitraum, kann ein späteres Setzen im Betrieb vorweggenommen werden.
Spiralfedern
Spiralfedern sind aus Federband, in Ausnahmefallen aus Federdraht, in einer Ebene spiralförmig gewickelte Federn. Sie sind in der Lage, Drehmomente aufzunehmen und somit Rückstellmomente zu erzeugen. Hinsichtlich des Windungszwischenraums werden zwei Bauformen unterschieden. Mit konstantem Windungsabstand gewundene Federn werden als Rückstellfedern in Schlössern, Fensterhebern und Kickstartern sowie für Zeiger in elektrischen Messgeräten und als Schwingungselement in Gangreglern von mechanischen Uhren eingesetzt. Spiralfedern ohne Windungszwischenraum werden meist in einem Federhaus geführt. Sie werden wegen ihres großen Energiespeichervermögens als Triebfeder für mech. Uhren. Laufwerke und verschiedenen Antriebseinrichtungen eingesetzt. Aus diesen Federn wurden die Rollfedern entwickelt.
Tellerfedern
Tellerfedern bestehen aus kegelig geformten Ringscheiben, die aus Federband ausgeschnitten werden. Ihre Belastung erfolgt axial, wobei die Kraftein- bzw. Ableitung gleichmäßig über den oberen Innen- bzw. den unteren Außenrand verteilt erfolgt. Sie zeichnen sich durch eine relativ große Federrate aus. Als Einzelfeder werden sie in Kupplungen und zum Spielausgleich bei Wälzlagern eingesetzt.
Toleranzgruppen
Bei der Herstellung der Feder muss eine Probefeder vollständig bis zum letzten Arbeitsgang hergestellt werden, um das Endergebnis zu kennen. Voraussetzung ist natürlich, dass die Bedingungen an allen Fertigungsstationen konstant bleiben. Da die praktisch nicht möglich ist, wird die Qualität der Feder sehr genau überprüft. Dies wiederum bedeutet, dass die Prüfbedingungen bei Lieferant und Kunden – soweit überhaupt möglich – gleich sein müssen. Diese Vorbemerkung deutet an, dass eine Normung von Toleranzen an Federn äußerst schwierig ist.
Hier die Toleranzgruppen.
Hier die Toleranzgruppen.
Toleranzgruppe 2 erfordert noch nicht eine 100% Prüfung der Federn, sondern kann mit statistischer Überwachung überprüft werden.
Toleranzgruppe 1 bedingt eine 100 % Kontrolle. Hier muss mit einem größeren Ausschussanteil gerechnet werden. Dies bedingt Risiken bei der Qualitätsüberwachung und der Termineinhaltung.
Toleranzgruppe 3 bezeichnet Federn, die mit normalem Aufwand an Überwachung gefertigt werden können.
Vergüten
Der eigentliche Zweck des Härtens und Anlassens von Federn, die in der Regel aus geglühten Stählen gefertigt wurden, besteht darin, die zur Federfunktion notwendigen Festigkeitseigenschaften zu erzielen.
Wasserstoffversprödung
Die früher oft übliche galvanische Behandlung von Federn ist heute durch die nichtgalvanische nahezu verdrängt worden. Die Ursache liegt in der mit der galvanischen Behandlung verbundenen Wasserstoffversprödung. sowohl beim Beizen, als auch beim kathodischen Entfetten und bei der galvanischen Behandlung selbst wird Wasserstoff frei, der ungehindert in den Federwerkstoff eindringen kann und zu einer Versprödung führt, die die Federeigenschaften erheblich beeinträchtigen kann.
Wickelverhältnis
Wickelverhältnis = Verhältnis des mittleren Windungsdurchmessers zum Drahtdurchmessers (w=Dm/d). Obwohl bei Schraubenfedern das Wickelverhältnis im Bereich von 4-w-16, bevorzugt zwischen 7-w-10 liegen sollte, sind durchaus kleinere Werte üblich. Um beim Winden, oder Wickeln, Haarrisse zu vermeiden, muss der verwendete federharte Werkstoff über beträchtliche Kaltverformungsreserven verfügen.
Wickeln
Beim Wickeln wird der Draht mit Hilfe eines Gegenhalters, der von Hand, durch ein Leitlineal oder eine Leitspindel axial fortbewegt wird, auf einem Dorn zum Federkörper gewickelt.
Zugfeder
Zugfedern sind zylindrische Schraubenfedern aus meist runden Drähten mit konstantem Durchmesser. Die Federn besitzen eine lineare Kennlinie. Die Belastung wirkt längs der Federachse. Zur Krafteinleitung ist am linken und rechten Ende eine Öse angebracht.
Zwischenstufenvergüten
Erwärmung eines Stahls auf eine vom Werkstoff abhängige bestimmte Temperatur mit nachfolgendem Abschrecken in einem flüssigen Salzbad. Definierte Haltezeit im Salzbad, anschließend abkühlen auf Raumtemperatur (Zwischenstufengefüge). Kein zusätzliches Anlassen erforderlich.
GLOSSAR
Anlassen
Nach dem Wickeln bzw. nach dem Winden müssen kaltgeformte Federn entspannt werden, da die entstandene Eigenspannung für die spätere Funktion der Feder schädlich ist. Durch die verbleibende Eigenspannung kann es unter Umständen zu Mikrorissen und Bruch führen. Dazu wird die Feder auf ca. 250-300 C erwärmt bzw. angelassen (Spannungsarmglühen bei niedrigen Temperaturen).
Ausknicken
Sehr lange Schraubendruckfedern können bei Belastung ausknicken, der dazugehörige Federweg lässt sich berechnen und ist abhängig von der Federlagerung. Nach der DIN 2089, Teil 1 werden 5 Lagerarten mit den angegebenen Lagerungsbeiwerten unterschieden.
Beanspruchung
Dynamisch
Zeitlich veränderliche Beanspruchung mit vernachlässigbar kleinen Hubspannungen.
Zeitlich veränderliche Beanspruchung mit vernachlässigbar kleinen Hubspannungen.
Quasistatisch
Zeitlich veränderliche Beanspruchung mit vernachlässigbar kleinen Hubspannungen.
Statisch
Zeitlich konstante Beanspruchung
Beizen
Unter Beizen versteht man eine Behandlung der Metalloberfläche zur Entfernung nichtmetallischer meist oxidischer Stoffe, wie Walz- oder Glühhäute, Rost und dergleichen, um eine metallisch blanke Oberfläche zu erhalten. Anorganische Verunreinigungen der Oberfläche, lassen sich durch geeignete Säuren oder Basen beseitigen.
Blattfedern
Siehe auch Flach- und Flachformfeder. Gerade Biegefedern aus Bandmaterial (Blattfeder) können konstante oder veränderliche Stabquerschnitte aufweisen. Für die Gestaltung der Krafteinleitungsstelle und die Aufnahme der Feder gibt es zahlreiche Variationsmöglichkeiten. Blattfedern können a) einseitig eingespannt sei, b) beidseitig abgestützt oder c) einseitig eingespannt und elastisch bzw. starr unterstützt aufgenommen werden.
Als elastisch unterstützte Blattfederanordungen sind meist Kontaktsysteme elektrischer Schalteinrichtungen, beispielsweise in Relais, ausgeführt.
Als elastisch unterstützte Blattfederanordungen sind meist Kontaktsysteme elektrischer Schalteinrichtungen, beispielsweise in Relais, ausgeführt.
Chromatieren
Siehe auch Oberflächenbehandlung. Dabei wird die Feder in eine chromhaltige Lösung getaucht oder bespritzt. Die Abriebs- und Stoßfestigkeit ist eher mäßig, die Haltbarkeit dafür sehr gut.
Druckfeder
Druckfedern sind zylindrische Schraubenfedern aus meist runden Drähten mit konstantem Durchmesser. Der Abstand der Windungen (Steigung) ist längs der Federachse konstant, die linke und die rechte Endwindung sind angelegt. Die Federn besitzen eine lineare Kennlinie; Hauptbeanspruchsrichtung ist die Federachse.
Eigenspannung
Erfolgt eine Belastung über die Gültigkeitsbereich hinaus, dann kommt es auch zu einer plastischen Verformung. Da die Kaltformgebung der Feder immer mit einer Werkstoffbeanspruchung in plastischen Verformungsbereich verbunden ist, verbleiben Eigenspannungen
(innere Spannungen) im Federwerkstoff zurück.
Eigenspannungen können durch eine Erwärmung abgebaut werden.
So werden durch ein Anlassen (Spannungsarmglühen bei niedrigen Temperaturen) nach dem Federwickeln die mit dieser plastischen Verformung entstandenen Eigenspannung wesentlich verringert.
(innere Spannungen) im Federwerkstoff zurück.
Eigenspannungen können durch eine Erwärmung abgebaut werden.
So werden durch ein Anlassen (Spannungsarmglühen bei niedrigen Temperaturen) nach dem Federwickeln die mit dieser plastischen Verformung entstandenen Eigenspannung wesentlich verringert.
Federenden
Federenden gibt es in geschliffener oder ungeschliffener Ausführung.
Siehe auch Schleifen.
Siehe auch Schleifen.
Federrate
Die Federrate (C) ist das Verhältnis von Federkraft zu Federweg. Diese ist maßgeblich von der Form, ihren Abmessungen und des Werkstoffes abhängig. Zur Charakterisierung einer Feder wird der Anstieg der Kennlinie herangezogen. In den meisten Fällen besitzen Federn eine lineare Kennlinie (s. Kennlinie)
Federstahldraht
Werkstoffgruppen:
a) patentiert gezogene Federstahldrähte
b) Ölschlussvergütete Federstahldrähte
c) Federstahldrähte aus nichtrostenden Stählen
d) Federstahldrähte aus Kupfer-Knetlegierungen
e) Federstahldrähte aus Speziallegierungen
Die jeweiligen Federstahldrähte werden jeweils noch nach DIN und EN Norm unterschieden.
Fertigungsausgleich
Bei der Herstellung von Federn ist es sinnvoll, nicht alle Maße vorzuschreiben bzw. zusätzlich zu eng zu tolerieren. Abgeleitet von der Funktion sollten die Werte vorgegeben werden, die wirklich notwendig sind. Alle anderen Maße sollten frei bzw. weit toleriert sein. Diese freien Maße werden als Fertigungsausgleich bezeichnet.
Hier stehen im wesentlichen zur Verfügung:
die ungespannte Länge Lo der mittlere Windungsdurchmesser Dm der Drahtdurchmesser d die Windungszahl (federnd oder gesamt) n bzw. nt
Flachformfeder
Formfedern ist eine Sammelbezeichnung für alle Biegefedern aus Federband oder Federdraht, deren Gestalt von der gestreckten (geraden) Form abweicht und durch Abbiegungen verschiedenster Art gekennzeichnet ist. Aus Federband gefertigte Federn und Federelemente werden als Flachform- oder Bandformfedern und die aus Draht gefertigten als Drahtformfedern bezeichnet.
Die Hauptaufgaben der Federn sind:
– Speicherelement
– Schwingungs- und Dämpfungselement
– Ruheelement
– Lagerelement
Gleitmodul
Federn müssen aus einem geeigneten Werkstoff hergestellt und so ausgelegt und gestaltet werden, dass sie nach Wegnahme einer aufgebrachten Belastung wieder ihre ursprüngliche Gestaltung bzw. Lage annehmen. Die dafür verantwortliche Eigenschaft des Werkstoffes ist seine Elastizität. Sie wird durch den Elastizitätsmodul oder Gleitmodul als Verhältnis zwischen Werkstoffbeanspruchung (Spannung) und Verformung (Dehnung bzw. Schiebung) ausgedrückt und sollte einen möglichst hohen Wert haben. Eine Auswahl der verschiedenen Werkstoffe finden Sie unter downloads.
Gütegrad
Der Gütegrad gibt die zulässige Abweichung (Ad) für Federn an. Für Federn sind die Gütegrade 1, 2und 3 festgelegt. Die Auswahl unter den Gütegraden richtet sich nach den betrieblichen Anforderungen. Der geforderte Gütegrad und die zulässigen Abweichungen sind ausdrücklich zu vereinbaren oder im Zeichnungsvordruck anzugeben (DIN 2099).
Fehlt eine solche Angabe, so gilt der Gütegrad 2. Im Interesse einer rationellen Fertigung soll der Gütegrad 1 nur vorgeschrieben werden, wenn die Verwendung es erfordert.
Härten
Härten ist die Erwärmung eines Stahls auf eine vom Werkstoff abhängige bestimmte Temperatur mit nachfolgendem Abschrecken auf Raumtemperatur (Martensitbildung). Anschließend erfolgt ein Anlassvorgang, um eine definierte Härte und Zähigkeit einzustellen (temperaturabhängig).
Herstellung
Die Formgebung der Grundkörper von Metallfedern erfolgt ausschließlich spanlos. Federn mit kleinen bis mittleren Materialquerschnitten werden durch Kaltformgebung (s. Winden und Wickeln) und solche mit größeren durch Warmformgebung hergestellt. Eine spanende Formgebung findet lediglich bei der Bearbeitung von Federnenden oder Werkstückkanten statt. Anschließend durchgeführte Wärme- und Oberflächenbehandlungen dienen der Vervollkommnung der Feder. Sie können deren Funktionsfähigkeit entscheidend beeinflussen.
Herstellungsausgleich
Schon die zahlreichen Arbeitsgänge die zur Herstellung einer Feder benötigt werden lassen erkennen, dass die Herstellung nicht ohne Toleranzen möglich ist. Jedes Verfahren und jeder Fertigungsschritt hat seine bestimmte Probleme zur Einhaltung exakter Fertigungs-bedingungen. Abweichungen führen zu Abweichungen der Endprodukte. Hinzu kommt, dass es unter wirtschaftlichen Fertigungsbedingungen nicht möglich ist, Federdraht ohne Toleranzen in Durchmesser, Verformungsgrad – und der damit z.B. verbundenen Zugfestigkeit und Härte – und chemischer Zusammensetzung herzustellen. Davon abhängig sind jedoch das Rückfederungsverhalten sowie die Umformbarkeit und die Genauigkeit der Formveränderung in definiert eingestellten Werkzeugen, Vorrichtungen und Maschinen.
Kennlinie
Die Federkennlinie beschreibt die Abhängigkeit der Federkraft vom Federweg.
Korrosion
Korrosion ist die Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteiles oder eines ganzen Systems führen kann. In den meisten Fällen ist dieser Vorgang elektrochemischer Natur, in einigen Fällen kann sie jedoch auch chemischer (nicht elektrochemischer) oder metallphysikalischer Natur sein.
Kriechen
Die Relaxation, Kriechen und Nachwirkung sind Erscheinungen, die zu zeitbedingten Veränderungen der Federungswerte (F,s) führen. Während als Relaxation und Kriechen plastische Verformungen bezeichnet werden, die sich bei konstanter Einbaulänge (z.B. Druckfedern) als Kraftverlust (Relaxation), bei konstanter Belastung als Längenverlust (Kriechen) äußern, sind Nachwirkungen elastische Verformungen, die zeitverzögert erfolgen.
Kugelstrahlen
Die höchste Werkstoffbeanspruchung tritt in der Regel in den Randschichten, also an den Werkstoffoberflächen der Feder auf. Mit Pressluft oder Schleuderrädern werden Stahlkugeln mit entsprechender Geschwindigkeit auf die Federn geschleudert. Dadurch entsteht eine Werkstoffverdichtung und damit eine Verfestigung der Oberfläche – auch Randschichtverfestigung genannt.
Lochkorrosion
Die Lochkorrosion wird nur an passiven Werkstoffzuständen beobachtet und besteht aus einem örtlich begrenzten und stark in die Tiefe gehendem Korrosionsangriff.
Legierungszuschlag
Temporärer Preisaufschlag bei legierten Stählen (s.u.), der sich an den (Welt-) Marktpreisen der Legierungselemente orientiert. Der LZ wird regelmäßig der Marktsituation angepasst und in der Regel im Anhängeverfahren berechnet.
Flacherzeugnisse aus rost-, säure- und hitzebeständigen Edelstählen sind unentbehrliche Werkstoffe für alle Einsatzbereiche, in denen es insbesondere auf Beständigkeit gegenüber unterschiedlichsten Korrosionsbeanspruchungen und hygienisch einwandfreie Oberflächen ankommt, deren ansprechende Optik sie darüber hinaus auch für zahlreiche dekorative Verwendungen prädestinieren. Diese durch Legieren mit im wesentlichen Chrom, Nickel und Molybdän erreichten Vorzüge vereint der Werkstoff gleichzeitig mit universeller Verarbeitbarkeit zu vielfältigsten Endprodukten.
Materialnormung
In den Materialnormen und -vorschriften sind die entsprechenden Qualitäten definiert. Hier kam es in den vergangenen Jahren durch den Umstieg auf die Europa Normen zu Änderungen in den Grundlagen, zuletzt im Dezember 2001 für die wichtigsten Drahtsorten. Jetzt sind sowohl die patentiert gezogenen, die ölschlussvergüteten sowie die nichtrostende Drähte in einem Werk (EN 10270) vereinigt.
Hier die wichtigsten Änderungen:
– patentiert gezogene Drähte (DIN 17223 –> EN 10270-1)
– ölschlußvergütete Drähte (DIN 17223-2 –> EN 10270-2)
– nichtrostende Drähte (DIN 17224 –> EN 10270-3)
Normen
Es gibt unzählig viele DIN Normen die den hier zu Verfügung stehenden Rahmen sprengen würden. Eine Übersicht ist beim VDFI erhältlich. Eine Übersicht über die wichtigsten Werkstoffnormen erhalten Sie unter downloads.
Oberflächenschutz
Werden Federn aus korrosionsanfälligen Werkstoffen hergestellt, so ist in vielen Anwendungsfällen eine Oberflächenbehandlung zum Zwecke des Korrosionsschutzes unumgänglich.
Hier die gängigsten, nichtgalvanischen Verfahren:
– Ölen
– Wachsen
– Lackieren
– Pulverbeschichten
– Chromatieren
Ölhärten
Härten, bei dem das Rohmaterial anschließend in Öl abgeschreckt wird.
Relaxation
Nicht blockfeste Druckfedern können sich setzen, d.h. wird die Elastizitätsgrenze des Werkstoffes überschritten, kann eine plastische Verformung auftreten. Nach der Entlastung wird die ursprüngliche Länge (Lo) nicht mehr erreicht. Es entsteht ein Kraftverlust, die Relaxation. Bei diesem Vorgang entstehen Eigenspannungen, die sich günstig auf die weitere Belastung der Feder auswirken. Durch ein gezieltes Vorsetzen, d.h. Belasten der Feder auf Block über einen gewissen Zeitraum, kann ein späteres Setzen im Betrieb vorweggenommen werden.
Schenkelfeder
Schenkelfedern sind zylindrische Schraubenfedern aus meist runden Drähten mit konstantem Durchmesser. Sie besitzen eine lineare Drehmomentkennlinie. Drehfedern sind räumlich gewundene Biegefedern, das Material wird vorwiegend auf Biegung beansprucht. Die Krafteinleitung erfolgt über die Schenkel am Anfang und Ende der Feder, die in vielfältiger Weise angepasst werden kann.
Schleifen
Bei Druckfedern wird häufig anschließend an das Anlassen der Federn ein Schleifen der Endwindungen notwendig. Das Anschleifen der Federenden soll eine einwandfreie Auflagefläche und möglichst gleichmäßige Krafteinleitung schaffen.
Setzen
erreicht. Es entsteht ein Kraftverlust, die Relaxation. Bei diesem Vorgang entstehen Eigenspannungen, die sich günstig auf die weitere Belastung der Feder auswirken. Durch ein gezieltes Vorsetzen, d.h. Belasten der Feder auf Block über einen gewissen Zeitraum, kann ein späteres Setzen im Betrieb vorweggenommen werden.
Spiralfedern
Spiralfedern sind aus Federband, in Ausnahmefallen aus Federdraht, in einer Ebene spiralförmig gewickelte Federn. Sie sind in der Lage, Drehmomente aufzunehmen und somit Rückstellmomente zu erzeugen. Hinsichtlich des Windungszwischenraums werden zwei Bauformen unterschieden. Mit konstantem Windungsabstand gewundene Federn werden als Rückstellfedern in Schlössern, Fensterhebern und Kickstartern sowie für Zeiger in elektrischen Messgeräten und als Schwingungselement in Gangreglern von mechanischen Uhren eingesetzt. Spiralfedern ohne Windungszwischenraum werden meist in einem Federhaus geführt. Sie werden wegen ihres großen Energiespeichervermögens als Triebfeder für mech. Uhren. Laufwerke und verschiedenen Antriebseinrichtungen eingesetzt. Aus diesen Federn wurden die Rollfedern entwickelt.
Tellerfedern
Tellerfedern bestehen aus kegelig geformten Ringscheiben, die aus Federband ausgeschnitten werden. Ihre Belastung erfolgt axial, wobei die Kraftein- bzw. Ableitung gleichmäßig über den oberen Innen- bzw. den unteren Außenrand verteilt erfolgt. Sie zeichnen sich durch eine relativ große Federrate aus. Als Einzelfeder werden sie in Kupplungen und zum Spielausgleich bei Wälzlagern eingesetzt.
Toleranzgruppen
Bei der Herstellung der Feder muss eine Probefeder vollständig bis zum letzten Arbeitsgang hergestellt werden, um das Endergebnis zu kennen. Voraussetzung ist natürlich, dass die Bedingungen an allen Fertigungsstationen konstant bleiben. Da die praktisch nicht möglich ist, wird die Qualität der Feder sehr genau überprüft. Dies wiederum bedeutet, dass die Prüfbedingungen bei Lieferant und Kunden – soweit überhaupt möglich – gleich sein müssen. Diese Vorbemerkung deutet an, dass eine Normung von Toleranzen an Federn äußerst schwierig ist.
Hier die Toleranzgruppen.
Hier die Toleranzgruppen.
Toleranzgruppe 2 erfordert noch nicht eine 100% Prüfung der Federn, sondern kann mit statistischer Überwachung überprüft werden.
Toleranzgruppe 1 bedingt eine 100 % Kontrolle. Hier muss mit einem größeren Ausschussanteil gerechnet werden. Dies bedingt Risiken bei der Qualitätsüberwachung und der Termineinhaltung.
Toleranzgruppe 3 bezeichnet Federn, die mit normalem Aufwand an Überwachung gefertigt werden können.
Vergüten
Der eigentliche Zweck des Härtens und Anlassens von Federn, die in der Regel aus geglühten Stählen gefertigt wurden, besteht darin, die zur Federfunktion notwendigen Festigkeitseigenschaften zu erzielen.
Wasserstoffversprödung
Die früher oft übliche galvanische Behandlung von Federn ist heute durch die nichtgalvanische nahezu verdrängt worden. Die Ursache liegt in der mit der galvanischen Behandlung verbundenen Wasserstoffversprödung. sowohl beim Beizen, als auch beim kathodischen Entfetten und bei der galvanischen Behandlung selbst wird Wasserstoff frei, der ungehindert in den Federwerkstoff eindringen kann und zu einer Versprödung führt, die die Federeigenschaften erheblich beeinträchtigen kann.
Wickelverhältnis
Wickelverhältnis = Verhältnis des mittleren Windungsdurchmessers zum Drahtdurchmessers (w=Dm/d). Obwohl bei Schraubenfedern das Wickelverhältnis im Bereich von 4-w-16, bevorzugt zwischen 7-w-10 liegen sollte, sind durchaus kleinere Werte üblich. Um beim Winden, oder Wickeln, Haarrisse zu vermeiden, muss der verwendete federharte Werkstoff über beträchtliche Kaltverformungsreserven verfügen.
Wickeln
Beim Wickeln wird der Draht mit Hilfe eines Gegenhalters, der von Hand, durch ein Leitlineal oder eine Leitspindel axial fortbewegt wird, auf einem Dorn zum Federkörper gewickelt.
Zugfeder
Zugfedern sind zylindrische Schraubenfedern aus meist runden Drähten mit konstantem Durchmesser. Die Federn besitzen eine lineare Kennlinie. Die Belastung wirkt längs der Federachse. Zur Krafteinleitung ist am linken und rechten Ende eine Öse angebracht.
Zwischenstufenvergüten
Erwärmung eines Stahls auf eine vom Werkstoff abhängige bestimmte Temperatur mit nachfolgendem Abschrecken in einem flüssigen Salzbad. Definierte Haltezeit im Salzbad, anschließend abkühlen auf Raumtemperatur (Zwischenstufengefüge). Kein zusätzliches Anlassen erforderlich.
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