IndustrieFedern Forschung an Schraubenfedern optimiert Herstellungsprozess und Einsatz

Eine gewöhnliche Industriefeder muss heute etwa 10 Millionen Lastwechsel aushalten, Ventilfedern für Autos weit mehr. Eine Forschungsgruppe Federn – die einzige dieser Art in Deutschland – beschäftigt sich an der Technischen Universität Ilmenau mit der Dimensionierung von Federn und der Optimierung des Herstellungsprozesses.

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Federn gehören zu den wichtigsten Konstruktionselementen, ihre Einsatzgebiete sind äußerst vielseitig. Als funktionelle Elemente sind sie nicht ersetzbar, insbesondere dann, wenn es gilt, berechenbare Verformungen zuzulassen, Energie zu speichern, Relativbewegungen auszugleichen oder Stöße zu mildern. In unterschiedlichsten Ausführungsformen werden Federn im Maschinenbau, der Feinwerk- und Elektrotechnik, im Automobilbau und vielen anderen Technikbereichen eingesetzt.

Federn müssen heute zunehmend erhöhte Genauigkeitsanforderungen erfüllen, höhere Belastungen oder höhere Lastwechselzahlen aushalten bei gleichzeitig verbessertem Relaxationsverhalten (Entspannung nach einer Anspannung), geringerem Materialverbrauch und kleineren Abmaßen. Auch das Wirksamwerden des Produkthaftungsgesetzes und der wachsende Automatisierungsgrad in der Fertigung haben die Anforderungen an Federn gesteigert.

Toleranzen werden immer kleiner

Hinzu kommt, dass Konstrukteure Federn immer häufiger bis an die Grenze der maximalen Belastbarkeit des Werkstoffs dimensionieren, um den Miniaturisierungsforderungen nach leichteren und kompakteren Produkten gerecht zu werden. Federformen werden immer vielfältiger, die Toleranzen immer kleiner, die Dimensionierung und die Fertigung demzufolge immer komplizierter. Letztendlich zeigt die Praxis, dass Federn oft enger toleriert sind, als die Norm es vorgibt.

Auch bei der Herstellung von Schraubenfedern, der am häufigsten verwendeten Federnart, sind Kenntnisse über den Herstellungsprozess und die beeinflussenden Faktoren ausschlaggebend für die Qualität des Endproduktes (Bild 1). Schraubenfedern erhalten ihre Gestalt, indem das Ausgangsmaterial Federstahldraht zu einer Schraubenlinie umgeformt (gewunden) wird. Es handelt sich hierbei um eine Kaltumformung eines federnden Materials, welches natürlich auch bei der Verarbeitung, also der Formgebung, rückfedert. Die erreichbaren Genauigkeiten sind daher von vornherein auch wesentlich geringer als die, die mit spanender Bearbeitung möglich sind.

Musterfeder durchläuft vorab technischen Prozess

Eine Herausforderung sind auch die vielen Parameter, die beim Einrichten der Federwindemaschine zu beachten sind. Durch die große Anzahl von Arbeitsgängen, die zur vollständigen Herstellung von Schraubendruckfedern erforderlich sind, kommen weitere Einflussgrößen dazu. Einige dieser Arbeitsgänge verändern die geometrischen Parameter der Schraubenfeder wieder. An einer Musterfeder, die den gesamten technischen Prozess durchläuft, wird der Herstellungsablauf deshalb zuerst einmal durchgespielt und, wenn erforderlich, angepasst. Die Feder wird gemessen, mit den Soll-Werten verglichen und die festgestellten Unterschiede werden zur Korrektur der Windewerkzeugeinstellung genutzt.

Mitunter werden mehrere Musterfedern gefertigt und vermessen, bevor die Serienfertigung beginnen kann. Auch diese Herangehensweise ist in der spanenden Formgebung nur schwer nachvollziehbar. Der Grund ist einerseits in den nur unzureichend bekannten Zusammenhängen zwischen Draht-, Windemaschinen- und Technikparametern zu suchen und andererseits in den daraus resultierenden Federparametern.

Ausgangswerkstoff meist Federstahldraht

Das Ausgangsmaterial zur Herstellung von kaltgeformten Schraubendruckfedern ist in der Regel Federstahldraht in den Ausführungsformen ölschlussvergütet oder patentiert gezogen. In Ausnahmefällen werden sie auch aus nicht rostendem Draht oder aus Kupferknetlegierungen hergestellt.

Der Draht wird von einer Haspel der Federwindemaschine zugeführt und mittels Einzugswalzen zur Windeeinrichtung transportiert. Dort geschieht die eigentliche Umformung des Drahtes zur Schraubendruckfeder. Der Federdurchmesser wird hauptsächlich durch die Stellung der beiden Windestifte bestimmt, die Federsteigung durch den Steigungskeil (oder den so genannten Steigungsfinger) erzeugt. Letzter Arbeitsgang an der Windemaschine ist das Trennen der Rohfeder vom restlichen Draht (Bild 2).

Anlassen baut Spannungen in der Feder ab

Nach dem Winden wird die Rohfeder einer Wärmebehandlung bei niedrigen Temperaturen, dem Anlassen, unterzogen. Dabei werden die nach der Kaltumformung in der Feder entstandenen Spannungen weitgehend abgebaut und auch eine Erhöhung der Fließ- und Bruchgrenzen des Werkstoffs in Zug-, Torsions- und Biegerichtung erreicht. Meistens werden nach dem Anlassen die Endwindungen der Druckfedern wegen der zentrischen Krafteinleitung angeschliffen (Bild 3a und 3b), gegebenenfalls auch noch angefast.

Bei dynamisch belasteten Federn folgt als nächster Arbeitsschritt das Kugelstrahlen mit anschließendem Entspannen (Wärmebehandlung). Um ein Setzen der Feder im Betrieb zu verhindern, werden die Federn in der Regel vorgesetzt, was im Falle der Schraubendruckfedern zu einer Verringerung der Federlänge führt. Das Setzen oder Vorsetzen stellt zwar einen zusätzlichen Arbeitsgang dar, ermöglicht aber eine bessere Werkstoffauslastung und damit eine höhere Belastung im späteren Einsatz.

Der letzte Arbeitsgang der Federherstellung vor dem abschließenden Prüfen und Messen ist entsprechend dem Einsatzfall eine meist nichtgalvanische Oberflächenbehandlung. Erst nach dieser Vielzahl von nachgelagerten Arbeitsgängen ist die Schraubendruckfeder fertig und wird für wenige Cent verkauft. Lohnend wird dieses Geschäft nur bei großen Stückzahlen und einem optimierten Herstellprozess.

Angebote der Forschung für die Industrie

Für die Firmen der Draht- und Federnindustrie ist die Kenntnis des Federverhaltens bereits vor dem Herstellungsprozess selbstverständlich. Es verwundert auch nicht, dass sich Automobilzulieferer vom Drahtwerk die Qualität der zugelieferten Drähte durch eine entsprechende Zertifizierung bestätigen lassen. Wie verhält sich die Feder in Abhängigkeit von der Drehzahl? Wie genau arbeitet eine bestimmte Maschine bei der Herstellung von Federn? Wie sieht es mit der dynamischen Festigkeit von Drähten und Federn aus? Diese und eine Vielzahl anderer Fragestellungen wurden von der Forschungsgruppe Federn im Rahmen ver-schiedener Forschungsprojekte und Auftragsarbeiten in enger Zusammenarbeit mit Firmen der Draht- und Federnindustrie bearbeitet (Bild 4).

Das Leistungsangebot umfasst Materialanalysen (REM, Röntgendiffraktometrie), die Ermittlung von Materialkennwerten wie Zug-, Druck-, Biege- und Torsionsprüfungen sowie Härtebestimmungen. Im Rahmen der Ferdernprüfung werden Federkennlinie und Querkräfte bestimmt sowie Schwingungsuntersuchungen (Eigenfrequenzen), Lastwechselprüfungen (Lebensdauer) und Geometrievermessungen durchgeführt.

Dabei entstand auch ein ganz praktisches Hilfsmittel für Konstrukteure und Entwickler, die Software Fedpro, mit der für vorgegebene Anwendungen schnell und unkompliziert für jeden Fall die geeigneten Schraubenfedern ausgewählt werden. Mit Unterstützung des Steinbeis-Transferzentrums Federntechnik in Ilmenau wird sowohl das Programm Fedpro als auch das Dienstleistungs-angebot für Industrieforschung vermarktet.MM

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