Die Entwicklung und Produktion von Spezialfedern erfordert ein hohes Maß an technischem Know-how, um die Endprodukte mit all den Eigenschaften auszustatten, welche im späteren Einsatz gebraucht werden.
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An Maschinen, Vorrichtungen und Einrichtungen oder ganz allgemein auf Fertigungsstraßen gibt es immer wieder Einsatzfälle, bei denen gewisse Bauteile notwendig sind, welche federnde Wirkungen haben müssen. Oft sind es Anwendungsfälle, bei denen Bauteile mit einer ganz bestimmten Kraft gehalten werden, jedoch nicht in der Weise, dass sie in einer bestimmten Position völlig fixiert werden, sondern ein Lösen dieser Bauteile soll durch Überwindung der Haltekraft immer noch möglich sein.
Bei solchen Anwendungsfällen können derartige Herausforderungen durch speziell angefertigte Federn erfolgreich gelöst werden.
Zum besseren Verständnis der Eigenschaften von Stählen im Allgemeinen und von Federn im Besonderen gelten folgende begriffliche Festlegungen:
Wenn ein Bauteil auf Zug belastet wird, vergrößert sich seine Ursprungslänge. Die Dehnung eines Bauteiles ist definiert als das Verhältnis Längenänderung/Ursprungslänge.
Die Dehnung ist damit eine relative Längenänderung ohne Dimension und wird oft auch in % angegeben.
Die Streckgrenze (auch Elastizitätsgrenze genannt) bei Stählen ist allgemein die mechanische Spannungsgrenze, bis zu welcher ein Bauteil belastet werden kann, um nach Entlastung ohne bleibende Verformungen in seine Ursprungsform wieder zurückzukehren.
Die Streckgrenze wird in MPa angegeben.
Verformungen von Bauteilen bei ansteigenden Belastungen werden üblicherweise in Spannungs-Dehnungs-Diagrammen aufgezeichnet.
Auf der Abszisse wird die Dehnung in %, auf der Ordinate die Spannung in MPa aufgetragen.
Die Zugfestigkeit eines Werkstoffes ist die maximal mögliche Spannung in der aufgezeichneten Spannungs-Dehnungs-Kurve im Spannungs-Dehnungs-Diagramm.
Die Zugfestigkeit eines Werkstoffes wird in MPa angegeben.
Das Streckgrenzenverhältnis eines Werkstoffes ist das Verhältnis seiner Streckgrenze/Zugfestigkeit.
Das Streckgrenzenverhältnis ist damit eine dimensionslose Kenngröße eines Werkstoffes und wird oft auch in % angegeben.
Federstähle erreichen Streckgrenzenverhältnisse von >85 %, während bei gewöhnlichen Baustählen diese Werte wesentlich niedriger liegen.
Eine der wichtigsten Eigenschaften von Federn jeglicher Art ist ihre Federkennlinie. Diese Kennlinie ist definiert als Verhältnis Kraft/Weg. Die Federkennlinie hat damit die Dimension N/mm.
Man unterscheidet bei Federn im Wesentlichen folgende Kennlinien:
Bei Federn mit linearer Kennlinie ist das Verhältnis Kraft/Weg eine konstante Größe.
Bei einer Feder mit progressiver Kennlinie verläuft die Kurve im Kraft-Weg-Diagramm mit konvexem Anstieg. Mit steigendem Weg ergibt sich eine dazugehörige überproportionale Kraft. Das Verhältnis Kraft/Weg wird mit ansteigendem Weg größer.
Eine Feder mit degressiver Kennlinie hat einen konkaven Anstieg der Kurve im Kraft-Weg-Diagramm. Ein steigender Wert für den Weg ergibt eine dazugehörige unterproportionale Kraft. Bei ansteigendem Weg wird das Verhältnis Kraft/Weg kleiner.
Manchmal ist es technisch gewünscht, dass eine Feder bis zu einer bestimmten Belastung zunächst eine lineare Kennlinie haben soll. Ab einem bestimmten Wert für den Weg soll jedoch diese Kennlinie zwar weiter linear, aber mit größerem Kraftanstieg verlaufen.
Zu erreichen sind solche geknickten Kennlinien beispielsweise mit Abstützungen, welche erst bei Überschreiten nach gewissen Anfangswegen wirksam werden.
Die Gestaltung der Querschnitte von Spezialfedern hat einen wesentlichen Einfluss auf deren Federeigenschaften, insbesondere auf die daraus resultierenden Federkennlinien.
Dies gilt besonders bei der Konstruktion und Dimensionierung von Stanzbiegeteilen aus Federstahl und eben Blatt-, Flach-, Form-, Kontaktfedern und Federklammern. Speziell angefertigte Federn dieser Bauarten müssen in der Regel an die besonderen Verhältnisse vor Ort im späteren Betrieb angepasst werden. Hierbei spielt auch die Empfindlichkeit der mit solchen Spezialfedern in Berührung kommenden Produktionsteilen eine wesentliche Rolle.
Dies ist beispielsweise besonders bei Produktionsstraßen im medizinischen Bereich der Fall.
Die nachfolgende Tabelle gewährt einen Überblick über die wichtigsten Federstahltypen und ihre Normungen und Eigenschaften:
| Werkstoff-Nr. | Federstahltyp | Güteklasse | Zugfestigkeit (RM in MPa) |
|---|---|---|---|
| 1.1248 | C75S+LC (ungehärtet) | DIN EN 10132-4 | 490-640 |
| 1.1248 | C75S+QT (gehärtet) | DIN EN 10132-4 | 1100-2200 |
| 1.4310 | X10CrNi18-8 | DIN EN 10151 | 1100-2200 |
| 1.4401 | X5CrNiMo17-12-2 | DIN EN 10151 | 1100-1700 |
| 1.4568 | X7CrNiAl17-7 | DIN EN 10151 | 1100-1900 |
| 2.1020 (CM4S2K) | CuSn6 | DIN EN 12166 | bis 350-720 |
| 2.1247 (CW101C) | CuBe2 | EN 12166 | bis 410-1500 |
| 2.4632 (Nimonic 90) | NiCr20Co18Ti | ---- | bis 800-1800 |
| 2.4668 (Inconel 718) | NiCr19NbMo | ---- | bis 800-1950 |
| 2.4669 (Inconel X-750) | NiCr15Fe7TiAl | ---- | bis 800-1750 |
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