Präzisionsfedern
Federn allgemein (gewickelt)
Federn sind Normteile. Sie werden kalt- oder warmgeformt aus legierten oder unlegierten Federstählen mit rundem, quadratischem oder rechtwinkligem Querschnitt gewickelt resp. hergestellt. Gewickelte Federn werden normalerweise aus Federstahldraht nach EN 10270-1 gefertigt. Sowohl herkömmliche Zug- und Druckfedern als auch eingängige spanabhebend bearbeitete Federn bestehen aus einer Spirale, die einen Anfang und ein Ende haben.
Bei einer solchen (eingängigen) Feder erfolgt die Krafteinwirkung nur über einen einzigen Punkt und führt ein Kippmoment herbei – der Abstand von Federlängsachse und Mittellinie der Spirale wirkt dabei als Hebelarm. Das bedeutet: Lange Schraubendruckfedern können bei Belastung ausknicken. Dieses sogenannte Buckling ist gefährlich, da die Feder ihre Kraft nicht mehr überträgt, sondern einfach ausfällt.
Um solch eine seitliche Bewegung oder Krümmung zu vermeiden, müssen gebräuchliche eingängige Federn ab einer gewissen Länge auf einem Dorn oder in einer Hülse geführt werden, was wiederum eine unerwünschte Reibung erzeugt und Lebensdauer sowie Funktionalität beeinflusst. Zudem muss geschmiert werden – was je nach Verwendung der Feder aber nicht erwünscht ist.
Kundenspezifische u-Flex-Präzisionsfedern
Anders ist dies jedoch bei Präzisionsfedern von u-Flex – wir fertigen spanabhebende Federn aus einem Stück. Solche Federn können, wie gewickelte Federn zwar auch, mit Druck-, Zug- und Torsionskräften sowie Biegespannungen belastet werden. Der grosse Unterschied zu herkömmlichen Federn ist jedoch: Diese Federn lassen eine optimal aufeinander abgestimmte Kombination von verschiedenen Federwerten zu. Bei mehrgängigen Federn wird der Druck resp. der Zug zudem auf mehrere Punkte verteilt, dies ergibt eine gleichmässige parallele Kraftverteilung zur Mittelachse. Je mehr Gänge also eine Feder besitzt, desto präziser wird die Parallelität bei Kompression oder Ausdehnung umgesetzt.
Ein grosser Vorteil dieser Federform gegenüber herkömmlich gewickelten Federn: Es können sehr präzise und konstante Federraten bis zu ± 0.1 % bei einer Wiederholbarkeit von bis zu 1 % erreicht werden.
Herstellung
Die Produktion von Präzisionsfedern erfolgt aus Vollmaterial, z. B. aus einer Stange oder einem Rohr, in die eine wendelförmige Nut geschnitten. Dieses spanabhebende Herstellungsverfahren von Präzisionsfedern erzeugt im Gegensatz zum Umformen oder Wickeln keine innere Spannung, die zur Krafteinleitung überwunden werden müssen, sondern nur eine natürliche Materialspannung. Während der Belastung sind alle Federwindungen aktiv. Die Feder verformt sich gleichmässig und nimmt bei Entlastung ihre ursprüngliche Form wieder an. Dadurch erhält die Feder eine lineare Federkennlinie mit hoher Wiederholgenauigkeit und Dauerfestigkeit.
Unser Know-how – Ihre Vorteile
Spanabhebende Präzisionsfedern von u-Flex bieten eine grosse Vielfalt an Gestaltungsmöglichkeiten sowie maximale Genauigkeit und Funktionssicherheit, da nur ein einziges Bauteile für die Hauptfunktion, die Druckfeder, benötigt wird. Dies minimiert den Beschaffungsaufwand als auch die Lagerhaltungskosten.
Integrierte Funktionen – Reduktion von Bauteilen
Kunden, die auf unser Fachwissen und unsere Erfahrung setzen, profitieren gleich von mehreren Vorteilen. Wir bieten vielfältige Möglichkeiten bezüglich Befestigung resp. Federanschlüsse sowie die Integration von verschiedenen Funktionen. Dies erhöht sowohl Lebensdauer als auch die Sicherheit der Bauteile. Gleichzeitig lassen sich die Gesamtkosten, die sich u.a. aus Stückkosten und Beschaffung ergeben, optimieren.
Reduktion der Gesamtkosten
Hohe Sicherheit
Geringe Lager- und Administrationskosten
Verringerter Entwicklungsaufwand
Material
Herkömmliche Federn werden aus legiertem oder unlegiertem Federstahldraht hergestellt. Für die Herstellung von u-Flex-Präzisionsfedern steht unseren Kunden eine sehr breite Auswahl an Werkstoffen zur Verfügung. Entscheidend für die Auswahl des Federwerkstoffs ist das Elastizitäts- bzw. Gleitmodul. Diese Werkstoffkenngrösse beschreibt das Verhältnis zwischen Spannung und Dehnung und einen möglichst hohen Wert erreichen. Je nach Verwendungszweck sind auch folgende Werkstoffeigenschaften für Federn entscheidend:
- Geringe Relaxation – hohe zulässige Spannungen auch bei erhöhten Temperaturen ohne grössere Kraftverluste
- Hohe Dauerschwingfestigkeit (feinkörniges Gefüge, frei von Verunreinigungen)
- Möglichst gleitfähige Oberfläche z.Bsp. durch Oberflächenbeschichtung
- Korrosionsschutz
- hohe elektrisch leitende oder antimagnetische Eigenschaft
Technische Grundlagen
Vergleich Standardfeder vs. PräzisionsfederStandardfeder
- Kann nur eingängig gewickelt werden
- Kundenspezifische Befestigungen sind nur eingeschränkt und nach dem Wickelprozess möglich
- Exakte Innen- bzw. Aussendurchmesser erfordern zusätzliche Schleifprozesse
- Verschiedene Federarten (Druck, Zug, Torsion) sind nicht kombinierbar
- Wendel mit leistungsbeeinflussender Eigenspannung
- Federraten variieren in einem gewissen Masse in einem einzigen Produktionslos
- Eingeschränkte Werkstoffauswahl
- Veränderliche Parallelität und Rechtwinkligkeit während Belastung (Knicken)
- Integrierte Funktionen sind nur über verschiedene Bauteile realisierbar
- Federrate liegt im Toleranzfeld von ± 10 %
Präzisionsfeder
- Hohe Vielfalt bei Materialwahl: Stahl, Aluminium, Titan, Kunststoff usw., da das Material kein Verformungsvermögen besitzen, sondern nur eine maschinelle Zerspanung tolerieren muss. Dadurch können z. B. leichte Aluminiumfedern, elektrisch isolierende Federn aus Kunststoff oder hochfeste Titanfedern hergestellt werden
- Sowohl links- als auch rechtsgängige Wendel können hergestellt werden
- Mehrgängige und / oder gegenläufige Wendellösung zur Vermeidung der Ausknickung oder Rotation der freien Federenden
- Vielfältige Befestigungen in nahezu beliebiger Ausführung sind möglich
- Maschinelle Einstück-Fertigung garantiert präzise Einhaltung von Kundenanforderungen und Reproduzierbarkeit
- Geforderte Druck-, Zug- oder Torsionskennlinien sowie sämtliche Verlagerungswerte werden aufeinander abgestimmt – Kombination von Parametern sind möglich
- Federraten im Produktionslos sind identisch, Wiederholgenauigkeiten von bis zu 1 % sind herstellbar
- Hohe Leistung und Zuverlässigkeit durch perfekte Parallelität und Rechtwinkligkeit der Feder
- Ein einziger Hersteller für die komplette Funktion; Feder, Anbauteile und integrierte Funktionen
Federrate im Bereich von ± 5 % – kundenspezifische Raten mit Toleranz von ± 1 % oder sogar bis ± 0.1 %möglich
Die richtige Wahl der Befestigung
Herkömmlich gewickelte Spiralfedern
Diese werden normalerweise mit angelegtem Draht, geschliffenen Enden, Zapfen, Ringen oder Haken befestigt, die aus dem Federstahl selbst hergestellt wurden. Genau solch kleine Biegeradien verursachen übermässige Materialbeanspruchungen und sind häufige Ursache für das (frühzeitige) Versagen des Bauteiles.
Denn diese Befestigungspunkte sind nicht in der Lage, die Drehmomente, die innerhalb der Feder bei Druck- resp. Zug- oder Torsionsbeanspruchung entstehen, in die angrenzenden Bauteile einzuleiten und biegen sich unter Last.
- Information
Die Finite-Elemente-Methode (FEM) gibt genau Auskunft über Verschiebung und
Torsionsbelastung sowie zur Festigkeit und Lebensdauer von spezifischen
Anwendungen, wenn man sich am Rande der physikalischen Machbarkeit befindet.
Richtwerte für den Einsatz von Präzisionsfedern
Druck- und Zugfedern
- Druck- bzw. Zugkraft von 2 bis 4500 N
- Aussendurchmesser von 1.5 bis 80 mm
- Längen von 6 bis 500 mm
Torsionsfedern
- Torsionsmoment von 5 bis 225 Nm
- Verdrehwinkel von 1 bis 360°
- Aussendurchmesser von 1.5 bis 80 mm
- Längen von 6 bis 500 mm
Spanabhebend hergestellte Federn
Diese haben Verbindungen, die dagegen auf das Notwendigste reduziert sind und dort verstärkt werden, wo es erforderlich ist. Nicht abgestützte Momente verhindert man beispielsweise durch die Verwendung von Doppelzapfen, Kreuzschlitzen, Nuten, Befestigungsflanschen usw.
Solch integrierte Anschlüsse erhöhen die Lebensdauer von Federn, dazu kann der Einbauraum optimiert werden. Oftmals lassen sich so gleichzeitig die Produktions- und Montagekosten reduzieren.