Beschreibung
P 632 – Herstellung von Schraubenfedern aus Rohrmaterial
Schraubenfedern werden im Wesentlichen auf Torsion beansprucht. Das Material nahe der Drahtachse bleibt weitgehend ungenutzt. Durch Verwendung von Rohrmaterial ist eine Verringerung der Federmasse um 20 – 40 % bei gleicher Federfunktion erreichbar. Voraussetzung für diese Substitution ist die Verfügbarkeit von hochwertigem Rohrmaterial mit analogen Festigkeitseigenschaften wie Federstahldraht.
In dem Forschungsvorhaben wurde ein nahtloses Rohr aus dem Stahl 70Mn7 verwendet. Zur Erstellung der kontinuierlichen Umwandlungsschaubilder wurden die erforderlichen Abkühlkurven ermittelt, Härtemessungen durchgeführt und Schliffe zur Gefügebestimmung angefertigt. Das Rohrmaterial lag in unterschiedlichen Abmessungen und Behandlungszuständen vor. Es wurden die genauen Abmessungen, die Oberflächenrauhigkeit und die mechanischen Kennwerte im Zugversuch ermittelt. Außerdem sind metallographische Untersuchungen durchgeführt worden. Anhand von Untersuchungsergebnissen der Drahtvergütung wurde der Temperaturbereich für die Rohrvergütung auf Anlasstemperaturen zwischen 350 und 500°C eingegrenzt. Es wurde festgelegt, das Rohr im weichen Zustand zur Feder zu formen und danach auf die gewünschte Festigkeit zu vergüten.
Aus den Ergebnissen von Rauheitsmessungen konnte eindeutig gefolgert werden, dass nur ein Ziehen mit Innenwerkzeug zu einer Innenoberfläche führt, die für die Herstellung einer dynamisch belasteten Rohrfeder geeignet ist. Zusätzlich wurde bei einem Teil des Rohres zwischen zwei Ziehstufen das Rohr innen geschält. Die Rohrendabmessung betrug 10 x 2,0 mm. Zur Prüfung der Federn wurden zwei Geometrien (w = 8 und w = 5) mit den zwei Umformtechnologien Wickeln und Winden gefertigt. Beim Winden wurde eine geringe Querschnittsverformung des Rohres durch den Druck der Einzugswalzen und die Biegung des Rohres auf den Kreisbogen festgestellt.
Die nachfolgende Behandlung bestand im Härten der Feder, Anlassen, Kugelstrahlen und nochmaligem Anlassen. An einem Teil der Federn wurden die Endwindungen angeschliffen. Die Wärmebehandlung wurde so durchgeführt, dass sich eine Festigkeit von Rm ca. 1700 MPa ergab.
Die Federprüfung umfasste die Ermittlung der Kennlinie, des Relaxationsverhaltens und der Schwingfestigkeit. Letztere sollte zeigen, dass Federn aus Rohrmaterial generell auch für den Einsatz bei schwingender Beanspruchung geeignet sind (Einfluss der Innenoberfläche). Die Lastwechseltests wurden mit einer Hubspannung (korrigiert) von 650 MPa (?ku = 300 MPa, ?ko = 950 MPa) durchgeführt. Die besten Testergebnisse wurden mit Federn mit nicht geschliffenen Endwindungen aus innen geschältem Rohr erreicht. Hier gab es Lastwechselzahlen bis 14 Mio. ohne Bruch. Die Federn aus nicht geschältem Rohr zeigten Ausfälle bereits unter 100.000 Lastwechseln. Die Bruchursache war auf die ungenügende Qualität der Innenoberfläche zurückzuführen.
Bei den Federn mit angeschliffenen Endwindungen traten Brüche der Endwindungen auf. Als weitere notwendige und Erfolg versprechende Forschungsrichtungen ergeben sich:
⇒ die Verwendung von Material höherer Festigkeit (hochfester Federstahl),
⇒ die weitere Verringerung der Wandstärke des Rohres und damit noch größere Materialeinsparung,
⇒ die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei der Rohrherstellung.
Autoren:
G. Lehmann, F. Hoffmann, H. J. Schorcht, S. Lutz
Veröffentlichung:
2007
