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Dokumentenidentifikation DE4233462C2 03.04.1997
Titel Verfahren zur Erhöhung der Zugfestigkeit und der Zähigkeit von martensitischen Stahldrähten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder Bühler & Co GmbH, 75181 Pforzheim, DE;
Soraya, Sorayapour, Dr.-Ing., 66740 Saarlouis, DE
Erfinder Soraya, Sorayapour, Dr., 66740 Saarlouis, DE;
Giessen, Manfred, 66346 Püttlingen, DE;
Bürkle, Horst, 75331 Engelsbrand, DE
Vertreter Heinz H. Puschmann & Uwe R. Borchert, 80331 München
DE-Anmeldedatum 05.10.1992
DE-Aktenzeichen 4233462
Offenlegungstag 14.04.1994
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse C21D 9/02
IPC-Nebenklasse B21B 1/18   B21B 3/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein solches Verfahren ist aus der Zeitschrift "Draht 38" (1987) 8/9, S. 681-684, bekannt. In dem dort veröffentlichten Artikel heißt es, daß man eine wesentliche Verbesserung der Gebrauchseigenschaften der schlußvergüteten Bauteile in der Fertigungstechnik dadurch erreicht, daß die Teile nachträglich kaltgeformt werden. Weiterhin ist dem Artikel zu entnehmen, daß es in der Befestigungstechnik z. B. bekannt ist, daß das Kaltwalzen oder -rollen des Schraubengewindes nach der Vergütung zu einer Verdoppelung der Dauerhaltbarkeit der Schraube führt. Diesen Vorteil der Schlußumformung erreicht man bei allen Drahtprodukten, die aus dem vergüteten Draht Maraform gefertigt werden. Maraformdrähte werden in der Regel kaltgezogen. Das Verfahren wird für Federdrähte mit Zugfestigkeiten von etwa 500 bis 1800 N/mm² angewandt.

Aus der Zeitschrift "Draht 43" (1992) 3, S. 291, ist es bekannt, daß bei kaltverfestigten, austenitischen Stählen die Langzeitstabilität unzureichend ist, abgesehen von der Anisotropie und dem zu erwartenden Bauschingereffekt. Zudem ist dem Artikel zu entnehmen, daß es Ziel bei martensitaushärtendem Federstahl ist, in einem Temperaturbereich von 300 bis 400°C eine hohe Festigkeit und ausreichende Zähigkeit mit sehr guten Langzeiteigenschaften bei ruhender Beanspruchung zu erreichen.

Federstahldraht wird für Federelemente verwendet, wie sie beispielsweise als Schraubendruckfedern in der Kfz-Industrie benötigt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Eigenschaften, insbesondere die Eigenspannungen, die Zugfestigkeit und die Zähigkeit, der bekannten martensitischen Federstahldrähte zu verbessern und ein wirtschaftliches und ohne großen Aufwand durchführbares Verfahren sowie die notwendigen Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe ist für das Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und für die Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 7 gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur Lösung der vorliegenden Aufgabe nutzt die Erfindung also das plastomechanische Potential des Stahldrahtes in einem bisher unbekannten Ausmaß in der Weise, daß von einem martensitisch möglichst sehr gleichmäßig umgewandelten Federstahldraht mit Vergütungsfestigkeiten über 1300 N/mm² ausgegangen wird und zu dieser Grundfestigkeit, die bis zu 2000 N/mm² und darüber betragen kann, ein signifikanter Kaltverfestigungsanteil durch eine möglichst mehrachsige Kaltumformung addiert wird.

Gemäß der Erfindung wird daher der Stahldraht von einer Ringform mit dem üblichen Krümmungsradius von etwa 500 mm ausgehend zuerst massiv gerichtet und weiter unterschiedlich kaltgewalzt.

Wie umfangreiche Versuche gezeigt haben, verursacht die übliche Drahtumformung durch Kaltzug einen Verlust der eingangs erwähnten Vorteile, sobald die Ausgangsfestigkeit des Stahldrahtes die Größenordnung von 1300 N/mm² übersteigt und der Drahtdurchmesser größer wird als etwa 3 mm. Diese Tendenz ist bei martensitischem Federstahldraht noch gravierender als beim patentierten Kohlenstoffstahl. Aus diesen und ähnlichen Erfahrungsfeststellungen konnte nun gefunden werden, daß die Kaltumformbarkeit des martensitischen Stahldrahtes unter bestimmten Bedingungen überraschenderweise höher wird, wenn seine Festigkeit steigt.

Die Grundbedingung für das Vorhandensein hoher Kaltumformbarkeit bei hohen Federdrahtfestigkeiten ist, daß im Gefüge des Stahldrahtes eine äußerst vollständige homogene Latten- Martensit-Umwandlung eingestellt wird; Verfahren die ein solches ermöglichen sind z. B. in der DE 28 30 153 C2 und DE 30 35 032 C1 beschrieben und werden z. T. industriell genutzt.

Bei solchen martensitischen Federstahldrähten stehen die plastischen und mechanischen Potentiale in einem günstigen Verhältnis, so daß die Basis sowohl für die Kaltumformung bei sehr hoher Festigkeit als auch für das Vorhandensein technologisch notwendiger Materialzähigkeit in der fertig kaltgeformten Feder gegeben ist.

Daher werden, ausgehend von einem solchen martensitischen Federstahldraht, durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen vorgeschlagen, hohe dynamische Federbelastungen, extrem kleine Krafttoleranzen bei der Großserienfertigung, maximale Werkstoffausnutzung und Gewichtserleichterung sowie kleinstmögliche Relaxationswerte erreichbar.

Die vorliegende Erfindung geht also von der Erkenntnis aus, daß eine wesentliche Verbesserung der Einsatzeigenschaften von Federn vorrangig durch Erzeugen von nützlichen Eigenspannungen auf dem Wege zweckmäßiger plastischer Kaltumformung des für die Fertigung solcher Federn zum Einsatz gelangenden Federstahldrahtes zu erreichen ist in der Weise, daß die geringfügigen Kaltverfestigungseffekte der Nachbehandlungsverfahren nach dem Stande der Technik z. B. Kugelstrahlen und Vorsetzen insbesondere für den jeweils besonderen Einsatzfall einer Feder stark intensiviert und über das bisher nicht erreichbare Maß hinaus auf die Belange des jeweiligen Einsatzfalles angepaßt werden.

Mittels der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als erster Schritt dem zur Anwendung gelangenden martensitischen Federdraht eine hohe Festigkeit, insbesondere eine hohe 0,2-Dehngrenze (Rp 0,2) aufgeprägt, indem er unter Beibehaltung oder sogar Erhöhung der Zähigkeitseigenschaft (Brucheinschnürung Z) kaltgewalzt wird.

Das bekannte klassische Verfahren des Kaltziehens der Stahldrähte scheidet hierfür aus, was darin begründet ist, daß die Kaltziehtechnologie im Falle martensitischer Stahldrähte ihre Durchführbarkeitsgrenze einer rationalen Fertigung bei einer Drahtfestigkeit von mehr als 1300 N/mm² und einem Drahtdurchmesser von mehr als 3 mm erreicht. Über diese Grenzen hinaus treten vermehrt Brüche und Risse auf. Unter der vereinfachten Annahme der Gültigkeit des Hookeschen Elastizitätsgesetzes würde die theoretische Zugspannung an einer äußeren Krümmungslinie eines Runddrahtes des Durchmessers 10 mm bei einem Krümmungsradius von 1000 mm bereits 2000 N/mm² betragen; die Materialfestigkeit ist bei dieser Spannungshöhe in der Regel bereits überschritten. Ob eine Materialtrennung an dieser Mantellinie des Grunddrahtes in einem solchen Fall erfolgt, hängt davon ab, inwieweit der Gefügezustand des Stahldrahtes duktil ist und welcher Eigenspannungszustand im Bereiche der Mantellinie vorherrscht, um der entstandenen Krümmungszugspannung durch plastische Formänderung entgegenzuwirken. Bei steigender Krümmung, größerem Drahtdurchmesser und Auferlegung der Kaltzieh-Zugspannung entsteht ein nicht mehr plastisch entgegenzuwirkender Grenzzustand, der ziehtechnologisch bedingt auch bei hohen Brucheinschnürungswerten von etwa 40% zu Materialtrennungen von der Drahtoberfläche ausgehend führt. Vor allem resultiert aus der Addition der Ziehspannung zwischen dem Ziehwerkzeug und der Ziehtrommel bzw. der Abzugvorrichtung und der Druckspannungen in der Umformzone des Ziehwerkzeuges sowie der Krümmungszug- und -druckspannung mit und ohne Führungsrollen der unter Zugspannung stehenden Ziehlinie ein inhomogener Gesamtspannungszustand.

Entfällt die Kaltziehspannung der Zugkraft, so entspannt sich der kritische Grenzspannungszustand und man kann den auf hoher Festigkeit stehenden duktilen martensitischen Federdraht bruch- und rißbreit umformen.

Die erfindungsgemäße Anwendung der an sich bekannten Kaltwalztechnik auf den hochfesten martensitischen Federstahldraht wurde als Mittel gefunden, um die Zugspannungsbeaufschlagung des kalt umzuformenden Runddrahtes bei einem Durchmesser d > 3 mm und Rm > 1300 N/mm² und dadurch die Entstehung der Spannungsspitzen und der eindimensionalen Kaltverfestigung in der Drahtachsrichtung sicher zu vermeiden.

Der Verfahrensschritt, den sonst getrennt durchzuführenden Richtvorgang des Drahtes in das Kaltwalzverfahren zu integrieren hat den weiteren Vorteil, eine zunächst torsionsfreie Umformung des Federdrahtes zu bewirken, wie es durch das Vorrichten und Kaltziehen mit den unregelmäßigen Biege- und Torsionsbeaufschlagungen und vorwiegend quasi-eindimensionale Verfestigung nicht möglich ist. Beim Kaltwalzen wird die Umformbarkeit nicht mehr durch das "Ziehgut" Draht selbst zur Umformzone, sondern schonend von außen durch die Walzenpaare mit jeweils größeren Druck- und Umformflächen als die eines "Ziehsteines" übertragen. Das Kaltwalzen von hochfestem martensitischen Stahldraht führt - wie Vergleichsversuche mit Drähten, die nach dem Stande der Technik vergütet worden sind, zeigen - zu einer gleichzeitigen Erhöhung von Festigkeit und Zähigkeit, während dies beim Kaltziehen nur dann der Fall ist, wenn unter schonenden industriell nicht haltbaren Bedingungen in Mehrfach- bzw. Folgezug-Arbeitsweise kaltgezogen wird.

Für den Einsatz von martensitischem Stahldraht als Federdraht ist jedoch eine Grundvoraussetzung, daß sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit hohe Werte aufweisen. Erstrebenswert sind z. B. für Hochspannungs-Schraubendruckfedern Werte für Rm um 2000 N/mm² und Z um 40% und darüber.

Eine andere mechanische Grundgröße, welche durch das Kaltwalzen weit stärker beeinflußt wird als beim Kaltziehen, ist die Streckgrenze, ausgedrückt z. B. durch die 0,2-Dehngrenze Rp 0,2. Diese für die Federeigenschaften sehr wichtige Größe steigt bis zu etwa 99% des Wertes der Zugfestigkeit, ohne daß die ebenso wichtige Brucheinschnürung abnimmt.

Durch die Erfindung läßt sich die nicht mehr - wie beim Kaltziehen - vorrangig axial ausgerichtete Kaltumformstruktur des kaltgewalzten Drahtes martensitischer Gefügebasis hoher Festigkeit besser als bisher dem idealen plastomechanischen Zustand einer maximalen Elastizität und einer hohen Plastizität des jeweiligen Stahldrahtpotentials näher bringen. Dazu sind erfindungsgemäß die Umformparameter beim Kaltwalzen je nach dem Grad der Kombination der Grundvergütungsfestigkeit und der Gesamtkaltverfestigung aufeinander abgestimmt.

Die beim Kaltwalzen mögliche zyklische Kaltumformung in allen räumlichen Richtungen verursacht eine quasi-isotrope Versetzungsstruktur und dadurch günstige Voraussetzungen für den Latten-Martensit, bei dem dann die Gleitmechanismen im Gefüge derart dominieren, daß die die Brucheinschnürung beeinträchtigenden Nachteile der ursprünglichen Eigenkorngröße im Austenit zurückgedrängt werden.

Durch Versuche wurde gefunden, daß dieser Effekt weniger von der Vergütungsfestigkeit als dem Gefügezustand des Stahldrahtes abhängt solange die Festigkeit erfindungsgemäß im Bereich der Federanwendung, also über 1300 N/mm² liegt. Bei niedrigeren Ausgangsfestigkeiten kommt es zur Abnahme der Brucheinschnürung, da es im Gefüge des Stahls vermehrte Karbidausscheidungen gibt die beim für die niedrigeren Festigkeiten notwendigen Anlassen mit höherer Temperatur entstehen. Diese Karbide hindern das Gleiten und mindern das plastische Verformungspotential des Stahls. Daraus resultiert ebenfalls die Bedingung für die Martensit-Morphologie eines Latten-Martensits, für den der Kohlenstoffgehalt des Stahldrahtes nicht höher als 0,50% bis 0,55% sein darf.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Kaltumformen in vielen Richtungen hat also das bereits erwähnte Ziel, Eigenspannungen in dem Federstahldraht entstehen zu lassen, die der unter Belastung befindlichen Feder nützlich sind. Damit werden die Widerstandsmomente einer solchen Schraubendruckfeder signifikant erhöht. Da Schraubendruckfedern im wesentlichen auf Torsion beansprucht werden, ist es einleuchtend, daß es in erster Linie darauf ankommt, die Schubspannungs-Festigkeitswerte des zu deren Fertigung benutzten Stahldrahtes zu erhöhen.

Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß der Stahldraht beim Kaltwalzen von Walzgerüst zu Walzgerüst gezielt tordierend kalt umgeformt wird, wobei der Grad und der Drehsinn des Tordierens sich nach der Federkonstruktion und dem Einsatzfall richtet.

Ebenso vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Schritt, daß der aus dem letzten Walzgerüst kommende Stahldraht unmittelbar in eine Durchmesser egalisierende, rotierend gelagerte Druck- und Umformdüse hineingedrückt wird. Diese Druck- und Umformdüse dient dazu, daß die für den Einsatz der Feder erforderlichen Torsions-Eigenspannungen dem Drehsinn und dem Betrage nach entsprechend genau eingestellt werden können.

In gleicher Weise wirkt der anstelle einer Druck- und Umformdüse verwendete rotierende Walzapparat, mittels dem ebenfalls die vorstehend genannte Randschichtumformung durchführbar ist.

Durch die vorstehend genannte Randschichtumformung wird gleichzeitig die Rundheit des Stahldrahtes auf die eines kaltgezogenen Stahldrahtes erhöht.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die plastomechanische Umformung des Stahldrahtes die Möglichkeit vorbereitet, durch eine thermische Niedertemperaturbehandlung um etwa 250°C die Schubelastizitätsgrenze, d. h. damit auch z. B. die Schubfließgrenze stark zu erhöhen.

Solche Wärmebehandlungen zur Beseitigung des nach "Bauschinger" benannten Rückverformungs-Erleichterungseffektes sind bekannt und beispielsweise im Zusammenhang mit martensitischem Gefüge in der eingangs schon erwähnten Zeitschrift "Draht 38" (1987) 8/9, S. 681 bis 684, beschrieben. Im Unterschied zu der bisherigen Möglichkeit und Betrachtungsweise geht es bei der vorliegenden Erfindung nicht vorrangig um Bauschinger-Effekte bei Zugspannungen und für hohe Dehngrenzwerte, sondern darum, das Torsionswiderstandsmoment des Stahldrahtes dank erhöhter Rand-Schubspannungsfestigkeit zur Vermeidung eines vorzeitigen Fließens der Randschichtbereiche der Federoberfläche unter schwingender Belastung zu steigern. Da diese gefährdeten Bereiche aufgrund der Geometrie von Schraubendruckfedern an Innenwindungen der Feder liegen, hilft, wie die Erfahrung zeigt, die übliche Maßnahme durch Kugelstrahlen zur Druckfestigkeitserhöhung der Oberfläche nur wenig.

Durch den erfindungsgemäßen Verfahrensschritt, zwecks Erhöhung der elastischen Eigenschaften - insbesondere derjenigen der Torsionsbelastung - den Stahldraht einer Wärmenachwirkung während oder unmittelbar nach der Kaltumformung - Kaltwalzen plus Tordieren - zu unterziehen, werden diese Eigenschaften signifikant erhöht.

Die Verbesserung der plastomechanischen Eigenschaften des Federdrahtes setzt jedoch voraus, daß die Beschaffenheit desselben insbesondere im Randzonenbereich und an der Oberfläche möglichst fehlerfrei ist. Materialtrennungen in Form von Rissen - auch Feinrissen und 40 µ Rißtiefe von der Oberfläche - sowie Randab- bzw. -auskohlungen werden gemäß dem Stande der Technik dadurch begegnet, daß der Federwalzdraht in vielen Fällen zerspanend einen bis zu 10% des Drahtgewichts betragenden Oberflächenabzug durch "Schälen" erhält. Bei einer kaltgewundenen Schraubendruckfeder bleiben nämlich die umlaufenden Riefen des Drehschälens, auch eines Drehschleifens, erhalten, während dieselben bei warmgeformter Feder durch das Austenitisieren weitgehend an Schärfe verlieren.

Für den gemäß der Erfindung als Ausgangswerkstoff vorgeschlagenen Federstahldraht erfolgt dagegen ein Oberflächenabzug vor dem Kaltwalzen ohne Querriefen in der Weise, daß ein hydrodynamisch wirkendes System einen die Oberfläche abschleifenden Hartstofftransport entgegen der Verarbeitungsrichtung des Stahldrahtes bewirkt.

Durch das erfindungsgemäße Umformen des martensitischen runden Ausgangsdrahtes während des Kaltwalzens zu einem im Querschnitt inkonstanten Kaltwalzdraht mittels programmgesteuerter Walz-Zusatzgerüste an geeigneter Stelle innerhalb der Kaltwalzanlage nach vorgegebenen Längen und Profilen in den Walzablauf eingreifend, ergibt sich der Vorteil einer einfachen jederzeit reproduzierbaren Fertigung, insbesondere auch durch die Maßnahme, daß zur zylindrisch-konischen Kaltumformung mit einem runden Querschnitt die Kaltwalzung rotierend um die Drahtachse durchgeführt wird.

Der erfindungsgemäße Federdraht mit inkonstantem Durchmesser dient zur Fertigung unter Benutzung eines üblichen Windeautomats von Schraubendruckfedern mit kleiner Blockhöhe, also sogenannter konischer Druckfedern, die im Fahrzeug wenig Federraum beanspruchen. Bei dieser Fertigung entfällt nunmehr das bisher übliche Schälen und die damit verbundenen Nachteile des Materialabfalles und es werden das Schneiden der Kaltverfestigungsfaser und eine Beeinträchtigung der Eigenspannungen sowie eines neu entstandenen Martensits, der ohne sofort entspannt zu werden, an der Oberfläche des Federdrahtes zu Feinrissen führt, vermieden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer Produktionslinie mit mehreren in den Fig. 1 bis 5 mehr oder minder schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer zur Produktionslinie gehörenden Vorrichtung zum massiven Richten eines runden Federstahldrahtes mittels eines Richtwalzenpaares mit sich anschließenden Geradeführungsrollensätzen,

Fig. 2 eine Ansicht einer Anordnung zweier Kaltwalzgerüste zueinander und von Führungsrollen zwischen diesen Kalzwalzgerüsten als Teil der Produktionslinie zum Tordieren eines runden Federstahldrahtes während des Kaltwalzens,

Fig. 3a eine Anordnung für das egalisierende Randschichtumformen eines Federstahldrahtes durch eine drehende Druckdüse als Teil eines Fertig- Kaltwalzgerüstes der Produktionslinie,

Fig. 3b eine Anordnung für das egalisierende Randschichtumformen eines Federstahldrahtes mit einem rotierenden Schrägwalzapparat als Teil eines Fertig-Kaltwalzgerüstes der Produktionslinie,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Darstellung einer Durchlauf-Niedertemperatur-Erwärmungsanordnung zwischen dem Kaltwalzendgerüst bzw. der Randschichtumformung nach den Fig. 3a und 3b und dem Aufhaspeln des geformten Federstahldrahtes, und

Fig. 5 eine Anordnung eines hydrodynamisch wirkenden Hartstoff-Flüssigkeitsgemisch-Systems zum Längszerspanen der Oberfläche eines Federstahldrahtes zwischen dem massiven Richten nach Fig. 1 und der Kaltumformung durch Kaltwalzen innerhalb der Produktionslinie.

Am Beginn der Produktionslinie läuft, wie in Fig. 1 dargestellt, ein martensitischer Federstahldraht 1.2 von einem Drahtring 1.1 elastisch zurückgebogen direkt in ein Richtwalzenpaar 1.3 eines Richtwalzengerüstes ab, in dem der Federstahldraht 1.2 bis zum Kern zügig kaltfließgepreßt und dadurch massiv gerichtet wird, sobald er in einer geraden Richtung z. B. durch Führungsrollen 1.4 geführt wird. Diese erfindungsgemäße Art des Richtens unterscheidet sich von den bekannten Methoden dadurch, daß sie keine zyklisch elastischplastische Spannungsumkehr ausführt.

In Fig. 2 ist eine Anordnung zum Tordieren des Federstahldrahtes während des Kaltumformens durch Kaltwalzen gezeigt, die Kaltwalzgerüste 2.1 sind in Pfeilrichtung in Bezug auf die Längsachse des Federstahldrahtes 1.2 einstellbar und verschwenkbar gelagert während die Walzen des Walzgerüstes 2.2 in Pfeilrichtung relativ zueinander verschiebbar gelagert sind. Ebenso sind die Führungsrollen 2.4 und 2.5 in Richtung des Pfeiles verstellbar gelagert.

Mit Hilfe dieser Anordnung werden dem Federstahldraht 1.2 Torsionseigenspannungen bereits vor dem späteren Winden des Federstahldrahtes 1.2 zu einer Schraubendruckfeder aufgeprägt, wobei die gewünschte Drallrichtung sowie die eigentliche Torsion und damit die gewünschte Torsionseigenspannung durch eine definierte Einstellung von Walzen- und Führungsrollen (2.1, 2.2, 2.4 und 2.5) bestimmt wird. Das Tordieren erfolgt hierbei im Walzenspalt, also im plastischen Zustand des martensitischen Federstahldrahtes 1.2, wodurch jegliche Beschädigungen an der Oberfläche und im Gefüge des Federstahldrahtes 1.2 vermieden werden.

In Fig. 3a ist als Teil der Produktionslinie eine erste Anordnung zur egalisierenden Randschichtumformung des Federstahldrahtes 1.2 gezeigt. Hierzu ist einem Kaltwalzendgerüst 3.3 der Produktionslinie eine drehbar gelagerte Druck- oder Umformdüse 3.1 unmittelbar nachgeschaltet, die rechts- oder linksdrehend betrieben werden kann. Zusätzlich ist auch eine oszillierende Bewegung der Druckdüse 3.1 möglich. Durch die Rotation der Druckdüse 3.1, unabhängig von der Lineargeschwindigkeit des kaltgewalzten martensitischen Federstahldrahtes 1.2 wird die gewollte, durch den Kaltwalzprozeß vorgegebene Torsion dem Einsatzzweck des Federstahldrahtes entsprechend eingestellt, wobei sich eine weitere Randschichtverbesserung durch die ebenfalls geschwindigkeitsabhängig einstellbare Oszillationsbewegung der Druckdüse 3.1 ergibt.

Wie in Fig. 3b dargestellt, kann anstelle der Druckdüse 3.1 die gewünschte Randschichtverbesserung und Torsion des Federstahldrahtes auch durch einen um den Federstahldraht 1.2 rotierenden Schrägwalzenapparat 3.2 herbeigeführt werden, dessen Winkel zum Federstahldraht 1.2 einstellbar ist. Je nach Einstellwinkel des Schrägwalzenapparates 3.2 in Pfeilrichtung und dessen Drehzahl wird die durch den Kaltwalzprozeß vorgegebene Torsion entsprechend eingestellt. Der Schrägwalzapparat 3.2 ist um bzw. parallel zur Achse des Drahtes 1.2 oszillierend oder feststehend positioniert, während die Rotation der Walzen in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Federstahldrahtes 1.2 einstellbar ist.

Der Grad der beschriebenen Kaltwalzumformung bezogen auf den Ausgangsquerschnitt des Federstahldrahtes 1.2 beträgt zwischen 6% und 80% je nach Verwendungszweck und den Eigenschaften des Ausgangsmaterials.

In Fig. 4 ist eine Anordnung einer Durchlauf-Niedertemperatur-Erwärmungseinrichtung in Form einer vor einer Haspelvorrichtung 4.3 angeordneten Erwärmungsstation 4.2 gezeigt, in der eine gezielte Erwärmung des Federstahldrahtes 1.2 im Alpha-Gebiet des Werkstoffes unmittelbar nach dem Kaltwalzprozeß unter Ausnutzung der bereits vorhandenen Umformwärme erreicht wird. Auf diese Weise wird eine Verbesserung der Rand-Schubspannungsfestigkeit des Federstahldrahtes 1. 2 erzielt. Die Erwärmungsstation 4.2 arbeitet geschwindigkeits- und volumenabhängig, so daß mit sehr engen Temperaturbereichen gefahren werden kann. Selbstverständlich kann diese Wärmebehandlung wiederholt werden.

In Fig. 5 ist eine hydrodynamisch arbeitende Längszerspanungseinrichtung dargestellt. Hiermit werden, um Materialtrennungen im Endprodukt, hervorgerufen durch Oberflächenfehler bzw. Feinrisse, zu vermeiden, die martensitischen Federstahldrähte 1.2 nach dem Massivvorrichtvorgang gemäß Fig. 1 in einer nachgeschalteten Gegenstromschleifeinrichtung 5.1 mechanisch bearbeitet. Diese Einrichtung umfaßt ein mit einer Innenspirale versehenes Rohr, durch das mit hohem Druck ein Hartstoffschleifmittel entgegen der Drahtlaufrichtung 1.5 gepreßt wird. Hierdurch wird eine kontinuierliche Oberflächenbearbeitung ohne Querriefen bzw. ohne umlaufende Riefen erzielt, so daß sich für mit solchen Federstahldrähten erzeugten Schraubendruck- und ähnlichen Federn eine wesentliche Qualitätsverbesserung bei gleichzeitiger erheblicher Marterialeinsparung und Erhöhung der Wirtschaftlichkeit ergibt. Bei einem üblichen Schälvorgang entsteht bekanntlich bis zu 10% Materialverlust durch Zerspanung.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Erhöhung der Zugfestigkeit und der Zähigkeit von martensitischem Federstahldraht (1.2) für die Fertigung von Federelementen, dadurch gekennzeichnet, daß der martensitische Federstahldraht (1.2) mit einer Ausgangszugfestigkeit von mehr als 1300 N/mm² und einem Durchmesser von mehr als 3 mm zunächst massiv gerichtet und danach zwischen 6 und 80% kaltgewalzt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kaltumformen des Federstahldrahtes (1.2) durch Kaltwalzen eine egalisierende Randschichtumformung durch eine Druckdüse (3.1) folgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kaltumformen des Federstahldrahtes (1.2) durch Kaltwalzen eine egalisierende Randschichtumformung durch einen um den Federstahldraht (1.2) rotierenden Schrägwalzenapparat (3.2) folgt.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Kaltwalzens der Federstahldraht (1.2) tordiert wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Federstahldrahtes (1.2) nach dem Richten geschliffen wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Federstahldraht (1.2) nach dem Kaltumformen erwärmt und anschließend aufgehaspelt wird.
  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Richt- und Kaltwalzgerüst (1.3, 2.1, 2.2, 3.3).
  8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Kaltwalzgerüst (2.1, 2.2, 3.3) eine Druckdüse (3.1) vorgesehen ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdüse (3.1) drehbar gelagert ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine oszillierende Druckdüse (3.1).
  11. 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schrägwalzenapparat (3.2) vorgesehen ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Walzen des Schrägwalzenapparates (3.2) zum Federstahldraht (1.2) einstellbar ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine um die Achse des Federstahldrahtes (1.2) rotierenden Schrägwalzenapparat (3.3).
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine oszillierende Bewegung des Schrägwalzenapparates (3. 3).
  15. 15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine hydrodynamische Feststoffschleifeinrichtung (5.1) vorgesehen ist.
  16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchlauf-Niedertemperaturerwärmeinrichtung (4.2) und eine Haspelvorrichtung (4.3) nach dem Kaltwalzgerüst (2.1, 2.2, 3.2, 3.3) vorgesehen ist.






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