Herstellung einer Feder: Fertigungsprozess für Druckfedern

Was sind Druckfedern?

Druckfedern zeichnen sich durch eine besondere Konstruktion aus. Ihre zusammendrückbare Schraubenform ermöglicht es ihnen, Druckkräften entgegenzuwirken. Sie können zylindrisch, konisch, sich verjüngend, konvex oder konkav gefertigt werden. Möglich sind eine konstante Steigung, bei der der Abstand zwischen den Windungen über die gesamte Feder gleich bleibt, oder eine variable Steigung mit unterschiedlichen Windungsabständen und Windungshöhen über die gesamte Federlänge. Die Enden können geschliffen oder ungeschliffen ausgeführt werden.

Auf YouTube können Sie „How Coil Springs Are Made at Lesjöfors“ ansehen.

Wie funktionieren Druckfedern?

Druckfedern werden in allen Anwendungen eingesetzt, in denen Energie gespeichert werden muss. Wird eine Druckfeder stark belastet, wird sie zusammengedrückt und verkürzt. Die Abstände zwischen den Windungen verringern sich, bis sich der Federdraht berührt und die Feder ihre maximale komprimierte Länge erreicht.

Die Windungen erzeugen beim Zusammendrücken eine Gegenkraft. Dabei speichern sie die eingebrachte Energie, bis diese wieder freigesetzt wird.

Beispiele für häufige Anwendungen

Unsere industriellen Hochleistungs-Druckfedern kommen häufig in der Automobilindustrie, Landwirtschaft, im Bergbau und in Steinbrüchen, in der Öl- und Gasindustrie, im Schienenverkehr, in der Energietechnik und Stromerzeugung, im Bauwesen und im Motorsport zum Einsatz. Dies sind jedoch nicht die einzigen Anwendungsbereiche. Unsere Schraubenfedern werden in vielen unterschiedlichen Branchen eingesetzt.

Arten von Druckfedern

Federn mit geschlossenen und offenen Windungen

Druckfedern können geschlossene und geschliffene Enden, geschlossene und ungeschliffene Enden, offene und ungeschliffene Enden oder offene und geschliffene Enden haben. Doch was bedeuten diese Ausführungen bei der Herstellung einer Druckfeder?

Diese Varianten beeinflussen die Position der Feder in der jeweiligen Anwendung, ihre Länge im unbelasteten Zustand, ihre Blocklänge im zusammengedrückten Zustand sowie ihre Steigung und die Anzahl der aktiven Windungen.

Geschlossene und geschliffene Enden:

Der Abstand zwischen den letzten beiden Windungen wird verringert, sodass sich die Endwindungen berühren. Anschließend werden die Enden geschliffen, um eine ebene Auflagefläche zu erzeugen. Geschlossene und ungeschliffene Enden ermöglichen ebenfalls, dass sich die Endwindungen berühren. Ein Schleifprozess zur Erzeugung einer ebenen Fläche ist jedoch nicht erforderlich.

Offene und ungeschliffene Federn:

Diese Federn haben an den Enden eine konstante Steigung. Dadurch bleibt der Abstand zwischen den Windungen bis zum Federende gleich. Offene und geschliffene Druckfedern werden an den Enden geschliffen, um ebenere Auflageflächen zu erzeugen.

Als führender Hersteller von Druckfedern fertigen wir sowohl kleine als auch große Stückzahlen für zahlreiche Branchen. Diese Anwendungen erfordern unterschiedliche Druckfederformen und Endausführungen, die auf den jeweiligen Zweck und die Einsatzumgebung der Feder abgestimmt sind.

Konische, tonnenförmige und sanduhrförmige Federn

Konische Federn werden auch als sich verjüngende Federn bezeichnet. Bei diesen Druckfedern nimmt der Außendurchmesser der Windungen zu oder ab, wodurch eine annähernd kegelförmige Feder entsteht.

Konkave Federn haben eine Sanduhrform und in der Mitte einen kleineren Windungsdurchmesser. Durch diese symmetrische Form lässt sich die Schraubenfeder mittig über einem bestimmten Punkt positionieren.

Tonnenförmige oder konvexe Federn sind Druckfedern, deren Durchmesser in der Mitte größer ist als an den Enden.

Federn mit variabler und konstanter Steigung

Eine Feder mit variabler Steigung hat unterschiedliche Windungsabstände. Dadurch entstehen über die gesamte Federlänge unterschiedliche Windungshöhen.

Federn mit konstanter Steigung gehören zu den am häufigsten eingesetzten Druckfedern. Der Draht wird dabei über die gesamte Länge mit gleichbleibendem Windungsabstand gewunden.

Konstruktion und Spezifikationen von Druckfedern

Werkstoffoptionen 

Federn sind äußerst vielseitig. Es gibt viele verschiedene Arten von Metallfedern, die in nahezu jeder denkbaren Umgebung unterschiedliche Funktionen erfüllen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, müssen die Werkstoffe sorgfältig auf den Zweck und die erforderliche Leistung der Druckfeder abgestimmt werden.

Einer der bei Lesjöfors am häufigsten verwendeten Werkstoffe ist ölvergüteter Chrom-Silizium-Stahl. Wir verfügen über einen der weltweit größten Bestände an Chrom-Silizium- und Chrom-Vanadium-Draht.

Die große Mehrheit unserer kundenspezifischen Druckfedern wird aus hochfestem und elastischem Federstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt gefertigt. Danach folgen rostfreie Stähle und ölvergütete Stähle mit Chromzusatz.

Darüber hinaus verarbeiten wir zahlreiche Stahlarten, Kupfer- und Titanlegierungen sowie Superlegierungen wie Inconel, Hastelloy und Nimonic.

Spezifikationen für Kraft und Federweg

Es ist wichtig, die erforderliche Leistung der Feder im Hinblick auf Kraft und verfügbaren Federweg zu verstehen. Die meisten Druckfedern werden auf zwei Arten ausgelegt: durch Angabe einer Kraft bei einer definierten Länge oder durch Angabe einer Kraft über einen definierten Federweg.

Die Abmessungen von Druckfedern werden üblicherweise in mm angegeben. Kräfte werden in Newton (N) angegeben.

In vielen Motorsportanwendungen wird weiterhin das imperiale Maßsystem verwendet, beispielsweise 250 lbf/in. Dies entspricht einer Federrate von etwa 43,8 N/mm.

Überlegungen zu Außendurchmesser und Länge

Diese Abmessungen gehören zu den vier Elementen, die die Feder und ihre Leistung bestimmen. Die beiden weiteren Faktoren sind der Drahtdurchmesser und die Gesamtzahl der Windungen.

Der Außendurchmesser muss bereits bei der Fertigung berücksichtigt werden. Die Federkonstruktion definiert den optimalen Außendurchmesser für die jeweilige Anwendung. Die Feder muss außerdem in den vorgesehenen Einbauraum passen oder über das vorgesehene Bauteil montiert werden können.

Theoretisch ist die Länge einer Feder, die auf unseren CNC-Windemaschinen gefertigt wird, unbegrenzt. Bei längeren Federn steigt jedoch das Risiko des Ausknickens. Dabei bewegen sich die Windungen unter Belastung seitlich, bis sie sich annähern oder gegenseitig berühren.

Fertigungsverfahren für Druckfedern

Kaltumformung

Dieser Begriff beschreibt die Herstellung einer Feder aus kaltem, geglühtem oder vorgehärtetem Werkstoff. Die erforderliche Wärmebehandlung und das Anlassen erfolgen anschließend.

Warmumformung

Dieser Begriff beschreibt ein Verfahren, bei dem der Werkstoff vor dem Winden erwärmt wird. Anschließend wird die Feder abgeschreckt und angelassen.

Winden

In der Federherstellung bezeichnet dieser Begriff sowohl das Herstellen einer Feder als auch den eigentlichen Fertigungsprozess.

Schleifen

Beim Schleifen einer Feder bearbeiten wir die Enden, um eine größere Auflagefläche zu schaffen und sie im Winkel von 90° zur Federachse auszurichten.

Prüfung und Qualitätskontrolle von Druckfedern

Zugprüfung

Bei dieser Prüfung wird eine Zugfeder gedehnt, um entweder a) die Anfangsspannung zu prüfen, also die Kraft, die erforderlich ist, um die Windungen erstmals voneinander zu trennen, oder b) die Kraft bei einer definierten Dehnung oder einem definierten Federweg zu messen.

Ermüdungsprüfung

Mit einer Ermüdungsprüfung wird die erwartete Lebensdauer eines Bauteils geprüft. Sie wird üblicherweise bei sicherheitskritischen Anwendungen oder neuen Konstruktionen durchgeführt. Die Feder wird zwischen zwei festgelegten Punkten zyklisch belastet, bis sie versagt oder die vorgegebene Zielzahl erreicht ist. Die Ermüdungslebensdauer kann mit einem Goodman-Diagramm abgeschätzt werden und ist Bestandteil jedes Auslegungsprozesses.

Leistungsprüfung in einer simulierten Anwendung

Die Feder wird in einer nahezu realen Einsatzumgebung geprüft. Dadurch lassen sich die Folgen eines möglichen Versagens oder einer Abweichung von den erwarteten Leistungsparametern vermeiden und gleichzeitig die Eignung der Feder bewerten.

Prüfung der Maßgenauigkeit

Maßprüfungen sind Bestandteil jedes Fertigungs- und Qualitätsplans. Sie werden in allen Prozessschritten durchgeführt, um sicherzustellen, dass die fertige Feder den Zeichnungs- und Konstruktionsvorgaben entspricht.

Häufige Probleme und Ausfallarten bei Druckfedern

Überlastung

Eine Überlastung tritt auf, wenn eine Feder einer höheren Kraft ausgesetzt wird, als der Werkstoff aufnehmen kann. Dies führt in der Regel zu einer plastischen Verformung. Dadurch verändern sich die Abmessungen und die erzeugten Kräfte dauerhaft.

Korrosion und Ermüdung

Korrosion ist eine der häufigsten Ursachen für den Ausfall einer fachgerecht konstruierten Feder. Die dadurch entstehenden mikroskopisch kleinen Oberflächenrisse breiten sich mit der Zeit aus und können schließlich zum vollständigen Versagen führen.

Verlust der Vorspannung

Ähnlich wie bei der Überlastung einer Druckfeder entsteht der Verlust der Vorspannung bei einer Zugfeder meist dadurch, dass die Feder über die Elastizitätsgrenze des Werkstoffs hinaus gedehnt wird. Dies verursacht eine plastische Verformung und kann die ursprüngliche Anfangsspannung vollständig aufheben.

Bruch

Alle zuvor genannten Faktoren können zu einem Bruch führen. Jede Beschädigung des Federdrahts kann einen Bruch verursachen. Je höher die konstruktive Spannung, desto größer ist in der Regel das Bruchrisiko an einer beschädigten Stelle.

Fazit und zukünftige Entwicklung von Druckfedern

Die Bedeutung hochwertiger Druckfedern

Unsere Kunden erwarten Federn von höchster Qualität, die den funktionalen Anforderungen und den Umgebungsbedingungen ihrer Anwendungen entsprechen. Die Leistung unserer Federn als Bestandteil eines Kundenprodukts trägt entscheidend zu dessen Erfolg bei.

Unsere Federn befinden sich in Ventilen in den Tiefen der Ozeane, in Straßenleuchten entlang von Autobahnen und in zahlreichen Bauprojekten. Sie sorgen außerdem für Sicherheit in Verkehrsnetzen und bei Energieversorgern. Die weltweite Infrastruktur ist auf unsere Federn angewiesen.

Federn müssen fachgerecht konstruiert, aus dem richtigen Werkstoff gefertigt und mit der für ihren Einsatzzweck am besten geeigneten Oberflächenbehandlung versehen werden. Ohne eine gründliche Bewertung der funktionalen Anforderungen steigt das Risiko eines Ausfalls und die Qualität der Feder nimmt ab.

Deshalb beraten unsere Ingenieure jeden Kunden und prüfen alle Aspekte der Federfunktion. Wir sind stolz darauf, ausschließlich hochwertige Druckfedern zu fertigen. Ein Produkt verlässt unser Werk erst, wenn es unsere Qualitätsanforderungen vollständig erfüllt.

Kontinuierliche Weiterentwicklung von Konstruktion und Fertigungsverfahren

Federkonstruktion und Federherstellung liegen in unserer DNA. Seit mehr als 170 Jahren treiben wir Innovation und Technologie in der Branche voran. Auch künftig investieren wir in modernste Federwindemaschinen sowie in unterstützende Software und Technologien in unserem weltweiten Produktionsnetzwerk.

Wir entwickeln das Fachwissen unserer Metallurgen, Ingenieure, Konstrukteure und Maschineneinrichter kontinuierlich weiter. Wir investieren in alle Mitarbeitenden, um die besten Fachkräfte für Federtechnik zu gewinnen und unseren Kunden Federprodukte von höchster Qualität zu liefern.

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