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Verfahren zur Herstellung eines Stufendornes für das Wickeln von Kegelstumpffedern
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und ein Aneinanderlegen von Federwindungen bei kleinen Spielen mit Sicherheit zu vermeiden, wodurch die Durchhärtung der Feder sowie die Federeigenschaften im Betrieb überaus günstig beeinflusst werden.
Die Vorherberechnung der räumlichen Spirale gestattet es, den Stufendorn mit vollkommener Präzision aus besonders geeigneten Werkstoffen herzustellen.
Gemäss der Erfindung kann der Stufendorn nach der Bearbeitung zur Erhöhung seiner Härte, Verschleissfestigkeit und Anlassbeständigkeit vergütet werden. Für Gusswerkstoffe sind die Wärmebehandlungsverfahren beschränkt und bringen keine wesentlichen Vorteile wie für vor der mechanischen Bearbeitung warmverformte Werkstücke, wie sie als Vormaterial für den erfindungsgemäss verausberechneten Stufendorn vorliegen. Der erfindungsgem ässe Stufendorn kann nun bei der für die spanabhebende Bearbeitung günstigsten Festigkeit durch Drehen und Fräsen mechanisch bearbeitet und durch eine Wärmebehandlung auf seine Arbeitseigenschaften gebracht werden. Die gegossenen Dorne haben im Gusszustand bereits ihre Arbeitseigenschaften und können deshalb nur durch Schleifen bearbeitet werden, welches jedoch im wesentlichen nur Putzarbeit ist.
Eine andere spanabhebende Bearbeitung, z. B. durch Drehen, ist meistens unwirtschaftlich, wenn nicht unmöglich. Durch die Vergütung wird also dem mechanisch fertig bearbeiteten vorausberechneten Stufendorn Härte. Verschleissfestigkeit und Anlassbeständigkeit verliehen.
Die Fig. l bis 4 zeigen Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung. Fig. l zeigt die Form eines zugeschnittenen Federblattes. Fig. 2 den Ausgangskegel bevor die Stufen eingestochen werden. Fig. 3 den Stufendorn in den Ausgangskegel eingestochen mit Schablone und Fig. 4 zeigt schematisch den Verlauf der wirklichen und theoretischen Radien. bei Neuzuordnung der p-Werte von Dorn und Schablone.
Herstellung des Stufendornes :
Nach Berechnung der Daten der Feder werden unter Berücksichtigung des Härteverzuges die Daten des Stufendornes festgelegt. Diese Rechnungen werden zweckmassig mit entsprechenden Tabellen oder Kurven durchgeführt. Bei der Herstellung des Stufendofnes ergibt sich nun eine Analogie mit dem Schneiden von Gewinden, bei dem auf einem sich gleichförmig drehenden Zylinder durch ein in Achsenrichtung gleichförmig fortbewegtes Drehmesser ein Gewindeprofil eingeschnitten wird. Das Drehmesser wird mit dem Werkzeugschlitten fortbewegt. Die Gleichförmigkeit der Bewegung wird durch die Leitspindel gewährleistet, die Grösse der Bewegung für jede Umdrehung der Arbeitsspindel wird durch die Steigung der Leitspindel einschliesslich des Übersetzungsverhältnisses der Zwischenräder bestimmt und muss der gewünschten Steigung entsprechen.
Wird das Drehmesser zusätzlich noch senkrecht zur Drehachse bewegt, so wird aus der Schraubenlinie eine räumliche Spirale und es ist möglich, dem Drehmesser die gleiche Bahn vorzugeben, die die Federblattinnenseite gemäss dem errechneten Radiusverlauf beschreiben soll. Damit sind alle Voraussetzungen für die Herstellung von Stufendornen durch Drehen erfüllt. Aus der Konstruktion der Kegelstumpffedern ergibt es sich, dass die gesamte Blattbreite lediglich bei der ersten Windung über einen festen Dorn als Werkzeug gewickelt werden kann. Setzt das Wickeln mit Führung am Ende der ersten Windung ein, so bleibt die Breite dieses Führungsstreifens konstant, der absolute Wert, parallel zur Wickelachse gemessen, ist gleich dem Vorschub je Umdrehung. Die Stufen zur Führung dieses Streifens würde man durch ein Drehmesser erhalten, dessen Schneidenbreite gleich der Steigung ist.
Praktisch kann man mit einem derartigen breiten Messer die Stufen nicht einstechen, sondern man setzt ein schmäleres Einstichmesser, u. zw. mittels eines zusätzlichen Längssupports, immer wieder an einer in axialer Richtung versetzten Stelle an, bis die Breite der Stufe gleich der Steigung ist. Da der stufenförmige Teil des Dornes mit der zweiten Windung beginnt, darf die Steuerung der Stufen in radialer Richtung, die durch den Planzug erfolgt, ebenfalls nur von dem Radius ausgehen, den der Dorn im Beginn der zweiten Windung ( = 2 ir) haben muss. Somit wird der Dorn in zwei Etappen angefertigt, u. zw. wird zuerst der stufenförmige Teil gedreht und erst anschliessend der Stummel als Auflage für die gesamte erste Windung fertiggestellt.
Es besteht nun die Formel
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(z = die Entfernung einer beliebigen Wicklungsstelle von der unteren Kante der Feder, = Umdrehungs- winkel, h =, Vorschub je Umdrehung = Steigung). Mit dieser Formel kann nun ein Diagramm für die Blattinnenseite ermittelt werden und in Abhängigkeit vom Umdrehungswinkel umgezeichnet werden, so dass man damit den Stufendornverlauf in Abhängigkeit vom Vorschub erhält. Der Verlauf der ersten Windung wird dabei durch eine achsparallele Gerade im Diagramm ersetzt. Dieses Diagramm wird im Massstab 1 : 1 gezeichnet und dient als Vorlage für die Anfertigung einer Schablone zum Nachformen.
Beim me- chanischen Nachformen wird am hinteren Ende des Plansupportes eine Rolle angebracht, die durch Federzug gegen die Schablone gepresst wird, und dadurch den Planzug steuert. Selbstverständlich kann die Steu-
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erung auch durch einen elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Taster erfolgen, der an der Schablor ankante entlang fährt und die Drehmesserverstellung einleitet. Der Taster steuert ebenfalls nur den Planzug, während die Leitspindel die Steuerung des Langszuges übernimmt, der während des Drehorganges mit konstanter Geschwindigkeit und konstantem Vorschub läuft.
Bei mechanischen Nachformeinrichtungen mit direkter Kraftübertragung ist ein Nachformen von Kopierlinien möglich, die mit der Drehbanklängsachse keinen grösseren Winkel als 300 bilden, bei indirekter Steuerung durch Taster kann der Winkel bis zu 600 betragen. Nachformeinrichtungen werden als Zusatzgeräte geliefert, die ohne besondere Vorkehrungen an normale Drehbänke angebaut werden können.
Der Stufendorn wird nun folgendermassen hergestellt. Zunächst wird ein Ausgangskegel roh vorgedreht. Dabei wird am verjüngten Kegelende ein zylindrischer Ansatz geformt, u. zw. in einer axialen Länge, die der am Ende verringerten Breite des Federblattes entspricht und der den Dornradius für den Umdrehungswinkel cp= 211'erhält. Dieser Teil wird erst nach dem Drehen der Stufen fertigbearbeitet. Das kegelige Mittelstück wird ebenfalls bereits mit der Schablone, die auch für das spätere Einstechen der Stufen dient, gedreht. Das kegelige Stück geht mit dem maximalen Dorndurchmesser in einen Zylinder über, dessen Länge nach den Einbauverhältnissen des Dornes zu bestimmen ist.
Zweckmässig ist es, das ganze
Werkstück zuerst grob vorzuschruppen und dann die beiden zylindrischen Teile auf das Fertigmass zu drehen. Da den konstanten Radien der zylindrischen Teile die achsparallelen Geraden der Schablone entsprechen, kann die Schablone nach diesen eingerichtet und der Ausgangskegel fertiggedreht werden. Anschliessend beginnt man, in das kegelige Mittelstück die Stufen mit Steigung einzustechen. Der Längszug erhält die errechnete Steigung h, für die die Schablone hergestellt wurde. Die Verbindung zwischen Leitspindel und Support soll während des gesamten Einstichvorganges nicht mehr gelöst werden, weil sonst der einmal hergestellte Zusammenhang zwischen Werkstückumdrehung (Vorschub) und zugehörigem Radius verloren geht und es schwierig ist, diesen wieder unverändert herzustellen.
Das hintere Ende II (Fig. 3) des Drehmessers 1 wird im Übergangspunkt zur kegeligen Umrisslinie angesetzt. Die Schnittkante des Drehmessers 1 bildet während des Drehvorganges die Erzeugenden des Stufendornes. Wenn ein Drehmesser verwendet wird. dessen Breite kleiner als die Steigung ist, muss während des Einstichvorganges immer wieder an einer axial versetzten Stelle angesetzt werden, u. zw. so lange, bis die gewünschte Stufenbreite erreicht ist. Der Punkt I entspricht der vorderen Endlage des Drehmessers 1. Da das Drehmesser 1 während des Rücklaufes des Langszuges vom Werkstück abgehoben werden muss, ist noch ein zusätzlicher Quersupport erforderlich, so dass das Drehmesser 1 also in Achsenrichtung sowie senkrecht dazu willkürlich verstellt werden kann. Die beiden Punkte I und 11 beschreiben parallele Raumkurven.
Die Bahn des Punktes I verläuft auf der Oberfläche 2 des Ausgangskegels 3, während die Bahn des Punktes II, um die Steigung versetzt, im Ausgangskegel 3 verlaufen würde, d. h. die Schnitt- kans 1-11 des Drehmessers 1 schneidet ein keilförmiges Stück aus dem Ausgangskegel 3.
Die Führungsrolle 4 (Taster) für den Planzug liegt bei Beginn des Drehvorganges auf der achsenparallelen Geraden 5 der Schablone 6, u. zw. um die Steigung versetzt vor dem Übergangspunkt IIs. Für die erste Umdrehung bleibt damit der Radius konstant und während sich die Führungsrolle 4 (Taster) von Is nach Ils bewegt, schneidet das Drehmesser eine Verlängerung des zylindrischen Ansatzes in den'Ausgangskegel3 ein. Dieser Teil des Dornes, der die erste Windung aufnimmt, wird später fertigbearbeitet. Nach der ersten Umdrehung liegt die Führungsrolle 4 (Taster) im Punkte IIs und das Drehmesser 1 hat sich aus der Lage I-lI in die Lage II- III bewegt. Der Abstand des Drehmessers von der Drehachse ist gleich dem Dornradius für den Umdrehungswinkel So¯ 2ir (für z = h).
Bei der zweiten und den folgenden Umdrehungen schneidet nun das Drehmesser den durch die Schablone bestimmten Radiusverlauf in den Ausgangskegel ein, bis dieser in den grössten Dornradius ausläuft. Die Herstellung des stufenförmigen Teiles kann auch ohne vorheriges Drehen des Ausgangskegals direkt aus dem vorgeschruppten Vormaterial erfolgen. Es hat sich jedoch bei der praktischen Durchführung gezeigt, dass die zweistufige Herstellung die zeitsparendste und auch. übersichtlichste Methode des Drehens ist. Das Fertigbearbeiten des Dornstummels erfolgt nun, indem am Dornende eine axial frei auslaufende Nut eingefräst wird. Das vorgekerbte Endstück des Federblattes muss nämlich in einen Schlitz des Dornes eingesteckt werden.
Bei Beginn der Wickelbewegung biegt sich das Endstück an der eingekerbten Stelle, kann nicht mehr radial aus dem Schlitz rutschen und wickelt das Federblatt über den Dorn. Die Breite des Schlitzes muss etwas grösser als die Stärke des Endstückes sein, damit das Endstück leicht eingeschoben und die gewickelte Feder gut abgezogen werden kann. Die Tiefe des Schlitzes wird auf die Länge des Endstückes (Splintes) abgestimmt. Nach dem Abhärten der Feder kann der Splint mit einem geeigneten Werkzeug abgeschlagen werden und bricht leicht und ohne Grat an der vorgekerbten Stelle. Der Schlitz wird an der Stelle cl= 0 in den zylindrischen Stummel eingefräst, die durch den Übergang des stufenförmigen Teiles in den zylindrischen markiert ist,
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oder durch Nachmessen der Radien eindeutig ermittelt werden kann.
Mit dem Einfräsen des Schlitzes ist der Bereich der ersten Windung abgegrenzt.
Nachstehend wird die verwendete Vorrichtung und die Bearbeitung näher beschrieben :
Die Arbeitsspindel treibt über eine Zahnradübersetzung im Verhältnis 1 : 1 eine Keilwelle, die senk- recht unter dem Arbeitsstück, parallel zur Arbeitsspindel gelagert ist. Auf diese Welle ist eine gehärtete
Nocke aufgeschoben, deren Umriss der archimedischen Spirale für den Radiusverlauf der ersten Windung entspricht. Der Plansupport trägt am hinteren Ende den Abnehmer und eine Gabel zur seitlichen Verschie- bung der Nocke. Durch Federzug wird der Plansupport mit dem Abnehmer gegen die Nocke gepresst und steuert den Planzug mit dem Hinterdrehmesser. Der Stummel wird so lange abgedreht, bis der Radiusver- lauf dem Sollwert entspricht.
Die Erzeugende des Domes an der Stelle in = 211',, (in Fig. l Gerade BCD) geht dann ohne Übergang in die erste Stufe über. Die Erzeugenden für kleinere -Werte weisen nur bis zu einer, der Geraden AC in Fig. l entsprechenden Begrenzung den richtigen Radiusverlauf auf, weil der
Stummel nur bis zu dieser Geraden ohne Beschädigung der zweiten Windung gedreht werden kann. Die
Fläche des Domes, auf die das Dreieck ABC (Fig. l) gewickelt wird, müsste schon mit Steigung binterdreht werden, doch ist es einfacher, sie zylindrisch auszubilden.
Nacharbeiten des Stufendorns :
Die Andrückrolle drückt beim Wickeln das Federblatt gegen den Stufendorn. Die Kanten der Stufen eines gegossenen Domes sind nun auf die Dauer dem grossen Anpressdruck bei hoher Temperatur nicht ge- wachsen und beginnen sich stark abzunützen. Der Dorn verliert teilweise oder auch vollkommen seine ur- sprllI1g1iche Form und wird unbrauchbar. Zur Regenerierung der Dome wurden die bearbeiteten Flanken bisher aufgeschweisst und nachgeschliffen. Die Dorne verlieren bei dieser Behandlung immer mehr ihre ursprüngliche Form und müssen nach mehrmaliger Nacharbeit ausgeschieden werden. Bei der Herstellung der Dome durch Drehen ist es zweckmässiger, die Dorne ohne Aufschweissen der Kanten nachzudrehen.
Dazu muss der Stufendorn genau einjustiert werden, wobei es vor allem darauf ankommt, die Zuordnung zwischen den so-Werten am Dorn und an der Schablone genau wiederherzustellen. Ist dies gelungen, so wird die Stufe in axialer Richtung so lange abgedreht, bis die deformierte Kante vollkommen verschwunden ist. Der radiale Verlauf bleibt dabei vollkommen gleich. Da der zylindrische Dornstummel bei der Nacharbeit länger wird, muss der eingefräste Schlitz um den Betrag der Verschiebung nachgearbeitet werden. Sofern der längere Stummel hinderlich sein sollte, kann das überflüssige Stück abgesägt werden.
Sollten sich auch die Auflageflächen der Stufen sehr stark abgenützt haben, so dass es notwendig wird, den richtigen Radiusverlauf wiederherzustellen, dann wird die Zuordnung der -Werte an Dorn und Schablone nicht mehr in der ursprünglichen Form hergestellt, sondern der Dorn wird so aufgespannt, dass einem beliebigen -Wert an der Schablone (bestimmt durch die Lage der Rolle bzw. des Tasters an der Schablone) ein etwas höherer -Wert am Dorn (bestimmt durch die Lage des Drehmessers zum Dorn) entspricht. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, liegt dann der neue angestrebte Radienverlauf a innerhalb des bestehenden Umrisses und die Auflageflächen können im gesamten Bereich überdreht werden. Der Grad der Verdrehung richtet sich nach der Abnützung. Die Fig. 4 wurde für eine Verdrehung ir/2 gezeichnet.
Es ist lediglich notwendig, den Schlitz im Dornstummel zu versetzen und den früheren Schlitz zuzuschweissen. Praktisch wird der Dorn so lange in Richtung höherer p-Werte verdreht, bis die Auflageflächen vollkommen rein werden.
Bei Verwendung von warm- und verschleissfesten Werkzeugstählen für Stufendorne, wie sie bei der Herstellung durch Drehen möglich ist, erübrigt sich eine Nacharbeit nahezu vollkommen. Der Stahl lässt sich im geglühten Zustand gut zerspanen und wird nach der Fertigbearbeitung auf eine Festigkeit von zirka 180 kg/mm2 vergütet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines Stufendornes für das Wickeln von Kegelstumpffedern, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufendorn nach der vorausberechneten Form der Feder durch spanabhebende Bearbeitung, wie Drehen oder Fräsen, geformt, wird.