DE4233462C2 - Process for increasing the tensile strength and toughness of martensitic steel wires and device for carrying out the process - Google Patents
Process for increasing the tensile strength and toughness of martensitic steel wires and device for carrying out the processInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 specified type and a device for Execution of the procedure.
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 nachträg lich kaltgeformt werden. Weiterhin ist dem Artikel zu ent nehmen, 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 Zug festigkeiten von etwa 500 bis 1800 N/mm² angewandt.Such a process is from the magazine "wire 38" (1987) 8/9, pp. 681-684. In the published there Article states that one can make a significant improvement in the Performance characteristics of the finally tempered components in the Manufacturing technology achieved in that the parts later Lich cold-formed. The article is also to be found take that in fastening technology z. B. is known that the cold rolling or rolling of the screw thread after the remuneration to double the durability of the Screw leads. This advantage of the final shaping is achieved one with all wire products made from the tempered wire Maraform can be manufactured. Maraform wires are usually used cold drawn. The procedure is for spring wires with tension strengths of about 500 to 1800 N / mm² applied.
Aus der Zeitschrift "Draht 43" (1992) 3, S. 291, ist es be kannt, daß bei kaltverfestigten, austenitischen Stählen die Langzeitstabilität unzureichend ist, abgesehen von der Aniso tropie und dem zu erwartenden Bauschingereffekt. Zudem ist dem Artikel zu entnehmen, daß es Ziel bei martensitaushärten dem 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. From the magazine "Draht 43" (1992) 3, p. 291, it is be knows that the work-hardened, austenitic steels Long-term stability is inadequate, apart from the aniso tropie and the expected Bauschinger effect. In addition is The article suggests that it aims at martensite hardening the spring steel is in a temperature range from 300 to 400 ° C with high strength and sufficient toughness very good long-term properties when at rest to reach.
Federstahldraht wird für Federelemente verwendet, wie sie beispielsweise als Schraubendruckfedern in der Kfz-Industrie benötigt werden.Spring steel wire is used for spring elements like them for example as helical compression springs in the automotive industry are needed.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Eigenschaften, insbesondere die Eigenspannungen, die Zugfestigkeit und die Zähigkeit, der bekannten martensiti schen Federstahldrähte zu verbessern und ein wirtschaftliches und ohne großen Aufwand durchführbares Verfahren sowie die notwendigen Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.The present invention is therefore based on the object the properties, especially the residual stresses Tensile strength and toughness, the well-known martensiti to improve spring steel wires and an economical and process which can be carried out with little effort, and the necessary devices for performing this method to accomplish.
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.This task is characteristic for the process Features of claim 1 and for the device the characterizing features of claim 7 solved.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unter ansprüchen.Further features of the invention emerge from the sub claims.
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 mar tensitisch möglichst sehr gleichmäßig umgewandelten Feder stahldraht mit Vergütungsfestigkeiten über 1300 N/mm² aus gegangen wird und zu dieser Grundfestigkeit, die bis zu 2000 N/mm² und darüber betragen kann, ein signifikanter Kaltver festigungsanteil durch eine möglichst mehrachsige Kaltum formung addiert wird.The invention thus uses the solution to the present problem the plastomechanical potential of the steel wire in one hitherto unknown extent in such a way that from a mar spring which is converted very uniformly as far as possible steel wire with tempering strengths over 1300 N / mm² is gone and to this basic strength that up to 2000 N / mm² and above, a significant cold ver Percentage of consolidation through a multi-axis cold formation is added.
Gemäß der Erfindung wird daher der Stahldraht von einer Ring form mit dem üblichen Krümmungsradius von etwa 500 mm aus gehend zuerst massiv gerichtet und weiter unterschiedlich kaltgewalzt. According to the invention, the steel wire is therefore of a ring shape with the usual radius of curvature of about 500 mm going massive first and then different cold rolled.
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 gravie render als beim patentierten Kohlenstoffstahl. Aus diesen und ähnlichen Erfahrungsfeststellungen konnte nun gefunden wer den, daß die Kaltumformbarkeit des martensitischen Stahl drahtes unter bestimmten Bedingungen überraschenderweise höher wird, wenn seine Festigkeit steigt.As extensive tests have shown, this causes usual wire forming by cold drawing a loss of advantages mentioned above, once the initial strength of the steel wire exceeds the order of 1300 N / mm² and the wire diameter becomes larger than about 3 mm. This The trend is still grave with martensitic spring steel wire render than with the patented carbon steel. From these and Similar experiences could now be found who that the cold formability of the martensitic steel wire surprisingly under certain conditions gets higher as its strength increases.
Die Grundbedingung für das Vorhandensein hoher Kaltumform barkeit 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.The basic condition for the existence of high cold forming Availability at high spring wire strengths is that in the structure of the steel wire an extremely complete homogeneous slat Martensite conversion is discontinued; Procedure the one enable such z. B. in DE 28 30 153 C2 and DE 30 35 032 C1 described and z. T. industrial utilized.
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 techno logisch notwendiger Materialzähigkeit in der fertig kaltge formten Feder gegeben ist.With such martensitic spring steel wires, the plastic and mechanical potentials in a favorable Ratio, so that the base for both cold forming very high strength as well as for the presence of techno logically necessary material toughness in the finished cold shaped spring is given.
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 kleinst mögliche Relaxationswerte erreichbar. Therefore, starting from such a martensitic Spring steel wire, by the measures according to the invention suggested high dynamic spring loads, extreme small force tolerances in large series production, maximum Material utilization and weight reduction as well as smallest possible relaxation values attainable.
Die vorliegende Erfindung geht also von der Erkenntnis aus, daß eine wesentliche Verbesserung der Einsatzeigenschaften von Federn vorrangig durch Erzeugen von nützlichen Eigen spannungen auf dem Wege zweckmäßiger plastischer Kaltumfor mung des für die Fertigung solcher Federn zum Einsatz ge langenden Federstahldrahtes zu erreichen ist in der Weise, daß die geringfügigen Kaltverfestigungseffekte der Nachbe handlungsverfahren nach dem Stande der Technik z. B. Kugel strahlen und Vorsetzen insbesondere für den jeweils beson deren Einsatzfall einer Feder stark intensiviert und über das bisher nicht erreichbare Maß hinaus auf die Belange des jeweiligen Einsatzfalles angepaßt werden.The present invention is based on the knowledge that that a significant improvement in operational properties of feathers primarily by creating useful properties tensions on the way of appropriate plastic cold forming tion of ge used for the production of such springs to reach long spring steel wire is in the way that the minor work hardening effects of the afterbe State-of-the-art handling procedures e.g. B. bullet radiate and set in particular for the particular their use of a spring intensified and about that So far unattainable measure beyond the interests of be adapted to the respective application.
Mittels der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemä ßen Verfahrens wird als erster Schritt dem zur Anwendung ge langenden martensitischen Federdraht eine hohe Festigkeit, insbesondere eine hohe 0,2-Dehngrenze (Rp 0,2) aufgeprägt, indem er unter Beibehaltung oder sogar Erhöhung der Zähig keitseigenschaft (Brucheinschnürung Z) kaltgewalzt wird.By means of the device for carrying out the The first step is to apply the process long martensitic spring wire high strength, in particular a high 0.2 proof stress (Rp 0.2), by maintaining or even increasing toughness property (fracture constriction Z) is cold rolled.
Das bekannte klassische Verfahren des Kaltziehens der Stahl drähte 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 Drahtdurch messer 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 Krüm mungslinie 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 Krümmungszug spannung durch plastische Formänderung entgegenzuwirken. Bei steigender Krümmung, größerem Drahtdurchmesser und Auferle gung der Kaltzieh-Zugspannung entsteht ein nicht mehr pla stisch entgegenzuwirkender Grenzzustand, der ziehtechnolo gisch bedingt auch bei hohen Brucheinschnürungswerten von etwa 40% zu Materialtrennungen von der Drahtoberfläche aus gehend führt. Vor allem resultiert aus der Addition der Zieh spannung zwischen dem Ziehwerkzeug und der Ziehtrommel bzw. der Abzugvorrichtung und der Druckspannungen in der Umform zone des Ziehwerkzeuges sowie der Krümmungszug- und -druck spannung mit und ohne Führungsrollen der unter Zugspannung stehenden Ziehlinie ein inhomogener Gesamtspannungszustand.The well-known classic process of cold drawing steel wire is excluded for this, which is due to the fact that the Cold drawing technology in the case of martensitic steel wires Feasibility limit of a rational manufacturing at a Wire strength of more than 1300 N / mm² and a wire diameter knife of more than 3 mm reached. Beyond these limits fractures and cracks occur more often. Under the simplified Assumption of the validity of Hooke's law of elasticity would the theoretical tension on an outer bend line of a round wire with a diameter of 10 mm at one Radius of curvature of 1000 mm is already 2000 N / mm²; the Material strength is usually at this stress level already exceeded. Whether a material separation on this Surface line of the base wire takes place in such a case, depends on the extent to which the structural condition of the steel wire is ductile and what state of internal stress in the area of Surface line prevails to the resulting curvature counteract tension by plastic shape change. At increasing curvature, larger wire diameter and alder The cold drawing tensile stress creates a no longer pla limit state to be counteracted, the drawing technology gisch also due to high breakdown values of about 40% to material separations from the wire surface walking leads. Above all results from the addition of the draw tension between the drawing tool and the drawing drum or the trigger device and the compressive stresses in the forming zone of the drawing tool as well as the curvature pull and pressure tension with and without guide rollers under tension standing drawing line an inhomogeneous total stress state.
Entfällt die Kaltziehspannung der Zugkraft, so entspannt sich der kritische Grenzspannungszustand und man kann den auf hoher Festigkeit stehenden duktilen martensitischen Feder draht bruch- und rißbreit umformen.If the cold-drawing tension of the tensile force is eliminated, it relaxes the critical limit state and you can get that on high strength ductile martensitic spring Form wire break and crack width.
Die erfindungsgemäße Anwendung der an sich bekannten Kalt walztechnik auf den hochfesten martensitischen Federstahl draht wurde als Mittel gefunden, um die Zugspannungsbeauf schlagung 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.The inventive use of the known cold rolling technology on the high-strength martensitic spring steel wire was found as a means of tensioning Beat the round wire to be cold formed at one Diameter d <3 mm and Rm <1300 N / mm² and thereby the Origin of the voltage peaks and the one-dimensional Strain hardening in the wire axis direction avoid.
Der Verfahrensschritt, den sonst getrennt durchzuführenden Richtvorgang des Drahtes in das Kaltwalzverfahren zu inte grieren 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 mar tensitischen Stahldraht führt - wie Vergleichsversuche mit Drähten, die nach dem Stande der Technik vergütet worden sind, zeigen - zu einer gleichzeitigen Erhöhung von Festig keit und Zähigkeit, während dies beim Kaltziehen nur dann der Fall ist, wenn unter schonenden industriell nicht haltbaren Bedingungen in Mehrfach- bzw. Folgezug-Arbeitsweise kaltge zogen wird.The procedural step that would otherwise have to be carried out separately Straightening process of the wire in the cold rolling process to inte Grieren has the further advantage of being initially torsion-free Reshaping the spring wire as caused by that Preparing and cold drawing with the irregular bending and Torsional loads and predominantly quasi-one-dimensional Solidification is not possible. In cold rolling, the Formability no longer due to the "drawn material" wire itself Forming zone, but gently from the outside through the pairs of rollers each with larger printing and forming areas than one "Drawing die" transferred. The cold rolling of high strength mar tensitic steel wire carries - like comparative tests Wires that have been tempered according to the state of the art are - show - a simultaneous increase in Festig speed and toughness, while this only applies to cold drawing The case is if under gentle industrial not durable Conditions in multiple or subsequent train mode of operation cold is pulled.
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.For the use of martensitic steel wire as spring wire However, a basic requirement is that both strength as well as the toughness have high values. Desirable are z. B. for high-voltage helical compression springs values for Rm around 2000 N / mm² and Z around 40% and above.
Eine andere mechanische Grundgröße, welche durch das Kaltwal zen 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.Another basic mechanical size caused by the cold whale zen is influenced far more than in cold drawing, is Yield strength, expressed e.g. B. by the 0.2 proof stress Rp 0.2. This size is very important for the spring properties increases up to about 99% of the value of the tensile strength without that the equally important constriction decreases.
Durch die Erfindung läßt sich die nicht mehr - wie beim Kalt ziehen - vorrangig axial ausgerichtete Kaltumformstruktur des kaltgewalzten Drahtes martensitischer Gefügebasis hoher Festigkeit besser als bisher dem idealen plastomechanischen Zustand einer maximalen Elastizität und einer hohen Plastizi tät 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. The invention can no longer - as with cold pull - primarily axially aligned cold forming structure of the cold rolled wire martensitic structure base high Strength better than previously the ideal plastomechanical State of maximum elasticity and high plasticity closer to the respective steel wire potential. To According to the invention, the forming parameters in cold rolling are each according to the degree of the combination of the basic remuneration strength and the total work hardening matched to each other.
Die beim Kaltwalzen mögliche zyklische Kaltumformung in allen räumlichen Richtungen verursacht eine quasi-isotrope Verset zungsstruktur und dadurch günstige Voraussetzungen für den Latten-Martensit, bei dem dann die Gleitmechanismen im Gefüge derart dominieren, daß die die Brucheinschnürung beeinträch tigenden Nachteile der ursprünglichen Eigenkorngröße im Austenit zurückgedrängt werden.The cyclic cold forming possible in all in cold rolling spatial directions caused a quasi-isotropic offset structure and thereby favorable conditions for the Slatted martensite, which then has the sliding mechanisms in the structure dominate in such a way that it affects the fracture constriction major disadvantages of the original grain size in the Austenite will be pushed back.
Durch Versuche wurde gefunden, daß dieser Effekt weniger von der Vergütungsfestigkeit als dem Gefügezustand des Stahldrah tes abhängt solange die Festigkeit erfindungsgemäß im Bereich der Federanwendung, also über 1300 N/mm² liegt. Bei niedri geren Ausgangsfestigkeiten kommt es zur Abnahme der Bruchein schnürung, da es im Gefüge des Stahls vermehrte Karbidaus scheidungen gibt die beim für die niedrigeren Festigkeiten notwendigen Anlassen mit höherer Temperatur entstehen. Diese Karbide hindern das Gleiten und mindern das plastische Ver formungspotential des Stahls. Daraus resultiert ebenfalls die Bedingung für die Martensit-Morphologie eines Latten-Marten sits, für den der Kohlenstoffgehalt des Stahldrahtes nicht höher als 0,50% bis 0,55% sein darf.Experiments have shown that this effect is less of the hardening strength as the structural condition of the steel wire tes depends as long as the strength according to the invention in the range the spring application, that is over 1300 N / mm². At low Lower initial strengths lead to a decrease in fracture lacing, as there is increased carbide in the structure of the steel there are divorces for lower strengths necessary tempering with higher temperature arise. This Carbides prevent sliding and reduce plastic ver shaping potential of steel. This also results in the Condition for the martensite morphology of a lath marten sits for which the carbon content of the steel wire is not may be higher than 0.50% to 0.55%.
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 Schrauben druckfeder signifikant erhöht. Da Schraubendruckfedern im wesentlichen auf Torsion beansprucht werden, ist es ein leuchtend, daß es in erster Linie darauf ankommt, die Schub spannungs-Festigkeitswerte des zu deren Fertigung benutzten Stahldrahtes zu erhöhen. The cold forming on which the present invention is based in many directions the goal already mentioned has To cause residual stresses in the spring steel wire, that are useful to the spring under load. So the resistance moments of such screws compression spring significantly increased. Since helical compression springs in essential to torsion, it is a glowing that it comes down to the thrust Stress strength values of the used for their manufacture To increase steel wire.
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 Tor dierens sich nach der Federkonstruktion und dem Einsatzfall richtet.This is achieved according to the invention in that the steel wire at Cold rolling from roll stand to roll stand specifically twisting cold formed, the degree and direction of the gate depending on the spring construction and the application judges.
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 Umform düse dient dazu, daß die für den Einsatz der Feder erforder lichen Torsions-Eigenspannungen dem Drehsinn und dem Betrage nach entsprechend genau eingestellt werden können.The step according to the invention is also advantageous in that the steel wire coming from the last mill stand directly in a diameter equalizing, rotating bearing pressure and the forming nozzle is pressed in. This printing and forming The nozzle is used to ensure that the spring is used torsional residual stresses, the sense of rotation and the amount can be adjusted accordingly.
In gleicher Weise wirkt der anstelle einer Druck- und Umform düse verwendete rotierende Walzapparat, mittels dem ebenfalls die vorstehend genannte Randschichtumformung durchführbar ist.It works in the same way instead of printing and forming nozzle used rotating roller, by means of which also the boundary layer forming mentioned above can be carried out is.
Durch die vorstehend genannte Randschichtumformung wird gleichzeitig die Rundheit des Stahldrahtes auf die eines kaltgezogenen Stahldrahtes erhöht.Due to the above-mentioned surface layer forming at the same time the roundness of the steel wire to one cold drawn steel wire increased.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die plastomecha nische Umformung des Stahldrahtes die Möglichkeit vorberei tet, durch eine thermische Niedertemperaturbehandlung um etwa 250°C die Schubelastizitätsgrenze, d. h. damit auch z. B. die Schubfließgrenze stark zu erhöhen.Another advantage is that the plastomecha niche forming of the steel wire prepare the possibility tet, by a thermal low-temperature treatment by about 250 ° C the shear elastic limit, d. H. so that z. B. the Increase the shear yield point.
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 bis herigen 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 vorzeiti gen Fließens der Randschichtbereiche der Federoberfläche unter schwingender Belastung zu steigern. Da diese gefährde ten Bereiche aufgrund der Geometrie von Schraubendruckfedern an Innenwindungen der Feder liegen, hilft, wie die Erfahrung zeigt, die übliche Maßnahme durch Kugelstrahlen zur Druckfe stigkeitserhöhung der Oberfläche nur wenig.Such heat treatments to remove the "Bauschinger" called recovery-relief effect are known and for example in connection with the martensitic structure in the magazine "Draht 38" (1987) 8/9, pp. 681 to 684. Unlike the up The original possibility and way of looking at it is with present invention is not primarily about Bauschinger effects with tensile stresses and for high yield strength values, but because the torsional moment of resistance of the steel wire thanks to increased Edge shear stress resistance to avoid premature flow of the boundary layer areas of the spring surface increase under vibrating load. Because this is dangerous areas due to the geometry of helical compression springs lying on the inside of the spring helps, like experience shows the usual measure by shot peening to Druckfe The surface is only slightly increased.
Durch den erfindungsgemäßen Verfahrensschritt, zwecks Er höhung der elastischen Eigenschaften - insbesondere der jenigen der Torsionsbelastung - den Stahldraht einer Wärme nachwirkung während oder unmittelbar nach der Kaltumformung - Kaltwalzen plus Tordieren - zu unterziehen, werden diese Eigenschaften signifikant erhöht.Through the method step according to the invention, for the purpose of Er Increasing the elastic properties - especially the that of the torsional load - the steel wire of a heat Aftermath during or immediately after cold working - Cold rolling plus twisting - these are subjected to Properties significantly increased.
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 Federwalz draht 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 verlie ren. The improvement of the plastomechanical properties of the However, spring wire requires that the texture the same, in particular in the peripheral zone area and on the Surface is as flawless as possible. Material separations in Form of cracks - also fine cracks and 40 µ crack depth from the Surface and edge decarburization or decarburization are according to countered the prior art in that the spring roller in many cases cutting wire up to 10% of the Surface weight deduction by "peeling" receives. Stay with a cold-wound helical compression spring namely the circumferential grooves of the rotary peeling, also one Rotary grinding, obtained while the same is being thermoformed Austenitizing feather largely imparted sharpness ren.
Für den gemäß der Erfindung als Ausgangswerkstoff vorge schlagenen Federstahldraht erfolgt dagegen ein Oberflächen abzug vor dem Kaltwalzen ohne Querriefen in der Weise, daß ein hydrodynamisch wirkendes System einen die Oberfläche abschleifenden Hartstofftransport entgegen der Verarbei tungsrichtung des Stahldrahtes bewirkt.For the pre-invented according to the invention as a starting material struck spring steel wire, on the other hand, there is a surface deduction before cold rolling without cross marks in such a way that a hydrodynamically acting system unites the surface abrasive transport of hard materials contrary to processing direction of the steel wire causes.
Durch das erfindungsgemäße Umformen des martensitischen runden Ausgangsdrahtes während des Kaltwalzens zu einem im Querschnitt inkonstanten Kaltwalzdraht mittels programm gesteuerter 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 Kalt umformung mit einem runden Querschnitt die Kaltwalzung rotie rend um die Drahtachse durchgeführt wird.By reshaping the martensitic according to the invention round output wire during cold rolling to an im Cross-section of inconsistent cold-rolled wire using the program controlled additional roll stands at a suitable location within the cold rolling mill according to specified lengths and profiles Interfering with the rolling process, there is the advantage of a simple, reproducible production, in particular also by the measure that the cylindrical-conical cold forming with a round cross-section the cold rolling rotie rend is carried out around the wire axis.
Der erfindungsgemäße Federdraht mit inkonstantem Durchmesser dient zur Fertigung unter Benutzung eines üblichen Windeauto mats von Schraubendruckfedern mit kleiner Blockhöhe, also so genannter konischer Druckfedern, die im Fahrzeug wenig Feder raum beanspruchen. Bei dieser Fertigung entfällt nunmehr das bisher übliche Schälen und die damit verbundenen Nachteile des Materialabfalles und es werden das Schneiden der Kaltver festigungsfaser 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.The spring wire according to the invention with an inconsistent diameter is used for production using a conventional wind car mats of helical compression springs with a small block height, so like this called conical compression springs, the spring in the vehicle little take up space. This is now no longer necessary in this production hitherto common peeling and the associated disadvantages of material waste and it will cut the cold ver strengthening fiber and an impairment of the internal stresses as well as a newly created martensite, which without immediately to be relaxed on the surface of the spring wire Fine cracks leads, avoided.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer Produktionslinie mit mehreren in den Fig. 1 bis 5 mehr oder minder schema tisch dargestellten Ausführungsbeispielen von erfindungs gemäßen Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. The invention is described below with reference to a production line with several exemplary embodiments of devices according to the invention for carrying out the method according to the invention which are more or less schematically illustrated in FIGS. 1 to 5.
Im einzelnen zeigen:In detail show:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer zur Produktionslinie gehörenden Vorrichtung zum massiven Richten eines runden Federstahldrahtes mittels eines Richtwalzenpaares mit sich anschließenden Geradeführungsrollensätzen, Fig. 1 is a side view of a production line belonging to the device for directing a massive round spring steel wire by means of a straightening roll pair with just subsequent guide roller sets,
Fig. 2 eine Ansicht einer Anordnung zweier Kaltwalz gerüste zueinander und von Führungsrollen zwischen diesen Kalzwalzgerüsten als Teil der Produktionslinie zum Tordieren eines runden Federstahldrahtes während des Kaltwalzens, Fig. 2 is a view of an arrangement of two cold rolling mills to each other and of guide rollers between these Kalzwalzgerüsten as part of the production line to the twisting of a round spring steel wire during the cold rolling,
Fig. 3a eine Anordnung für das egalisierende Rand schichtumformen eines Federstahldrahtes durch eine drehende Druckdüse als Teil eines Fertig- Kaltwalzgerüstes der Produktionslinie, Fig. 3a shows an arrangement for equalizing the edge of a spring steel wire layer forming by a rotating pressure nozzle as part of a finished cold rolling stand of the production line,
Fig. 3b eine Anordnung für das egalisierende Rand schichtumformen eines Federstahldrahtes mit einem rotierenden Schrägwalzapparat als Teil eines Fertig-Kaltwalzgerüstes der Produktions linie, FIG. 3b, an arrangement for equalizing the edge of a spring steel wire layer forming with a rotating cross-rolling apparatus as part of a finished cold rolling mill of the production line,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Darstellung einer Durchlauf-Niedertemperatur-Erwärmungsanordnung zwischen dem Kaltwalzendgerüst bzw. der Rand schichtumformung nach den Fig. 3a und 3b und dem Aufhaspeln des geformten Federstahldrahtes, und Fig. 4 is a plan view of an illustration of a continuous low-temperature heating arrangement between the cold rolling end stand or the edge layer forming according to FIGS . 3a and 3b and the reeling of the shaped spring steel wire, and
Fig. 5 eine Anordnung eines hydrodynamisch wirkenden Hartstoff-Flüssigkeitsgemisch-Systems zum Längs zerspanen der Oberfläche eines Federstahldrahtes zwischen dem massiven Richten nach Fig. 1 und der Kaltumformung durch Kaltwalzen innerhalb der Produktionslinie. Fig. 5 shows an arrangement of a hydrodynamically acting hard material-liquid mixture system for longitudinal machining of the surface of a spring steel wire between the solid straightening according to Fig. 1 and the cold forming by cold rolling within the production line.
Am Beginn der Produktionslinie läuft, wie in Fig. 1 darge stellt, ein martensitischer Federstahldraht 1.2 von einem Drahtring 1.1 elastisch zurückgebogen direkt in ein Richt walzenpaar 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 elastisch plastische Spannungsumkehr ausführt.At the beginning of the production line, as shown in FIG. 1, a martensitic spring steel wire 1.2 elastically bent back from a wire ring 1.1 runs directly into a straightening roller pair 1.3 of a straightening roll stand, in which the spring steel wire 1.2 is quickly cold extruded up to the core and thereby massively straightened, once it is in a straight direction e.g. B. is guided by guide rollers 1.4 . This type of straightening according to the invention differs from the known methods in that it does not perform a cyclically elastic plastic reversal of tension.
In Fig. 2 ist eine Anordnung zum Tordieren des Federstahl drahtes 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.In Fig. 2 an arrangement for twisting the spring steel wire during cold forming by cold rolling is shown, the cold rolling stands 2.1 are adjustable in the direction of the arrow with respect to the longitudinal axis of the spring steel wire 1.2 and pivotally mounted while the rollers of the rolling mill 2.2 are mounted relative to each other in the direction of arrow . Likewise, the guide rollers 2.4 and 2.5 are adjustable in the direction of the arrow.
Mit Hilfe dieser Anordnung werden dem Federstahldraht 1.2 Torsionseigenspannungen bereits vor dem späteren Winden des Federstahldrahtes 1.2 zu einer Schraubendruckfeder aufge prägt, wobei die gewünschte Drallrichtung sowie die eigent liche Torsion und damit die gewünschte Torsionseigenspannung durch eine definierte Einstellung von Walzen- und Führungs rollen (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 Feder stahldrahtes 1.2 vermieden werden.With the help of this arrangement, the spring steel wire 1.2 torsional residual stresses are embossed into a helical compression spring even before the later winding of the spring steel wire 1.2 , the desired swirl direction and the actual torsion and thus the desired torsional residual stress being produced by a defined setting of rollers and guide rollers ( 2.1 , 2.2 , 2.4 and 2.5 ) is determined. The twisting takes place in the roller gap, that is, in the plastic state of the martensitic spring steel wire 1.2 , whereby any damage to the surface and in the structure of the spring steel wire 1.2 are avoided.
In Fig. 3a ist als Teil der Produktionslinie eine erste Anordnung zur egalisierenden Randschichtumformung des Feder stahldrahtes 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 Linearge schwindigkeit des kaltgewalzten martensitischen Federstahl drahtes 1.2 wird die gewollte, durch den Kaltwalzprozeß vorgegebene Torsion dem Einsatzzweck des Federstahldrahtes entsprechend eingestellt, wobei sich eine weitere Rand schichtverbesserung durch die ebenfalls geschwindigkeits abhängig einstellbare Oszillationsbewegung der Druckdüse 3.1 ergibt.In Fig. 3a is shown as part of the production line a first arrangement for leveling the outer layer of the spring steel wire 1.2 . For this purpose, a cold-rolling end stand 3.3 of the production line is immediately followed by a rotatably mounted pressure or forming nozzle 3.1 , which can be operated clockwise or counter-clockwise. In addition, an oscillating movement of the pressure nozzle 3.1 is also possible. Through the rotation of the pressure nozzle 3.1 , regardless of the linear speed of the cold-rolled martensitic spring steel wire 1.2 , the desired torsion specified by the cold rolling process is set in accordance with the intended use of the spring steel wire, with a further improvement in the layer layer due to the oscillation movement of the pressure nozzle 3.1, which is also dependent on the speed results.
Wie in Fig. 3b dargestellt, kann anstelle der Druckdüse 3.1 die gewünschte Randschichtverbesserung und Torsion des Feder stahldrahtes 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 Geschwin digkeit des Federstahldrahtes 1.2 einstellbar ist. As shown in Fig. 3b, instead of the pressure nozzle 3.1, the desired improvement in the outer layer and torsion of the spring steel wire can also be brought about by an inclined roller apparatus 3.2 rotating around the spring steel wire 1.2 , the angle of which to the spring steel wire 1.2 is adjustable. Depending on the setting angle of the cross roll apparatus 3.2 in the direction of the arrow and its speed, the torsion predetermined by the cold rolling process is set accordingly. The cross roll 3.2 is positioned around or parallel to the axis of the wire 1.2 oscillating or fixed, while the rotation of the rollers depending on the speed of the spring steel wire 1.2 is adjustable.
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.The degree of cold rolling described, based on the initial cross section of the spring steel wire 1.2, is between 6% and 80% depending on the intended use and the properties of the starting material.
In Fig. 4 ist eine Anordnung einer Durchlauf-Niedertempera tur-Erwärmungseinrichtung in Form einer vor einer Haspelvor richtung 4.3 angeordneten Erwärmungsstation 4.2 gezeigt, in der eine gezielte Erwärmung des Federstahldrahtes 1.2 im Alpha-Gebiet des Werkstoffes unmittelbar nach dem Kaltwalz prozeß 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 Temperaturbe reichen gefahren werden kann. Selbstverständlich kann diese Wärmebehandlung wiederholt werden.In Fig. 4, an arrangement of a continuous low-temperature heating device in the form of a 4.3 arranged in front of a Haspelvor heating station 4.2 is shown, in which a targeted heating of the spring steel wire 1.2 in the alpha region of the material immediately after the cold rolling process using the already existing forming heat is reached. In this way, an improvement in the edge shear strength of the spring steel wire 1 . 2 scored. The heating station 4.2 works depending on the speed and volume, so that rich can be driven with very narrow Temperaturbe. Of course, this heat treatment can be repeated.
In Fig. 5 ist eine hydrodynamisch arbeitende Längszerspa nungseinrichtung dargestellt. Hiermit werden, um Material trennungen im Endprodukt, hervorgerufen durch Oberflächen fehler 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 Ober flächenbearbeitung ohne Querriefen bzw. ohne umlaufende Riefen erzielt, so daß sich für mit solchen Federstahldrähten erzeugten Schraubendruck- und ähnlichen Federn eine wesent liche Qualitätsverbesserung bei gleichzeitiger erheblicher Marterialeinsparung und Erhöhung der Wirtschaftlichkeit ergibt. Bei einem üblichen Schälvorgang entsteht bekanntlich bis zu 10% Materialverlust durch Zerspanung.In Fig. 5, a hydrodynamically operating longitudinal cutting device is shown. In order to avoid material separations in the end product caused by surface defects or fine cracks, the martensitic spring steel wires 1.2 are mechanically processed in a downstream countercurrent grinding device 5.1 after the solid device operation according to FIG. 1. This device comprises a tube provided with an inner spiral, through which a hard material abrasive is pressed against the wire running direction 1.5 at high pressure. As a result, a continuous upper surface processing without transverse grooves or without circumferential grooves is achieved, so that there is a significant improvement in quality with such spring steel wires produced helical compression springs and at the same time considerable material savings and increase in economy. As is well known, a normal peeling process results in material loss of up to 10% through machining.
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1992
- 1992-10-05 DE DE19924233462 patent/DE4233462C2/en not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: BUEHLER & CO GMBH, 75181 PFORZHEIM, DE SORAYA, SOR |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |