Патент на изобретение №2346778

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРУЖИН СЖАТИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении пружин, работающих как при обычных, так и при высоких температурах в обычном режиме или с соударением витков. Способ включает навивку пружины из шлифованной или патентированной проволоки с шагом, превышающим шаг готовой пружины, термообработку, дробеметный наклеп и прессовку пружины путем ее осадки осевой нагрузкой величиной (10÷300)F₃, где F₃ – сила пружины при максимальной деформации. При этом перед навивкой пружины производят высокотемпературную термомеханическую обработку проволоки. Повышаются эксплуатационные свойства пружин. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технологиям изготовлению винтовых пружин сжатия, работающих в обычном режиме или с соударением витков, из патентированной или шлифованной до навивки проволоки. Может быть использовано при изготовлении пружин, работающих как при обычных, так и при высоких температурах.

Известен способ изготовления пружин сжатия по пат. RU №2275270 С1, включающий навивку пружины с шагом, превышающим шаг готовой пружины, термообработку, дробеметный наклеп, после дробеметного наклепа выполняют операцию прессовки пружины осевой нагрузкой (10÷300)F₃, где F₃ – сила пружины при максимальной деформации, и повторно прессовку нагрузкой, увеличенной пропорционально отношению требуемой осадки к осадке от приложения первой нагрузки [5]. При этом нагрузки могут быть вибрационными [6]. При достижении заданной высоты пружины повторная прессовка не обязательна. При повышенных требованиях к силовым параметрам пружины после навивки производят ее правку и шлифовку торцов со снятием на них фасок.

Но при работе пружин в условиях повышенных температур происходит их осадка и потеря эксплуатационных свойств. Поэтому перед операцией навивки пружин проволоку следует подвергать высокотемпературной (ВТМО) термомеханической обработке [1], которая основана на совмещении операций горячей обработки металлов давлением (прокатка, волочение, гибка или навивка на малые радиусы) с последующим немедленным закаливанием при регламентированных температурно-временных параметрах. После ВТМО обеспечивается рост прочности, повышается усталостная прочность (в том числе и малоцикловая), а также сопротивление разрушению, пластичность и ударная вязкость, понижается температура хладоломкости, практически устраняется обратимая отпускная хрупкость и уменьшается водородное охрупчивание. При этом материал проволоки может подвергаться однократному или двукратному электрошлаковому переплаву, что уменьшает размеры неметаллических включений и увеличивает выносливость пружин. При производстве проволоки для снятия дефектов наружной поверхности может применяться обтачивание резцовой головкой, шлифовка, полировка.

Предлагаемый технологический процесс изготовления пружин сжатия из обычной, шлифованной или патентированной проволоки, включающий навивку пружины с шагом, превышающий шаг готовой пружины, термообработку и дробеметный наклеп, прессовку пружины осевой нагрузкой, составляющей (10÷30)F₃, где F₃ – сила пружины при максимальной деформации, отличается тем, что перед навивкой пружины производят процесс высокотемпературной термомеханической обработки проволоки и при необходимости отпуск. При заневоливании к пружине вначале прилагают нагрузку, обеспечивающую минимально допустимую ее осадку при работе в изделии, а затем прилагают повторную нагрузку, увеличенную пропорционально отношению требуемой осадки к осадке от приложения первоначальной нагрузки [5]. При этом нагрузку можно прилагать вибрационно [6]. При повышенных требованиях к силовым параметрам пружины после навивки производят ее правку и шлифовку торцов со снятием на них фасок.

Определение как первоначальной нагрузки при пластическом упрочнении витков пружины, так и величины шага при навивке под упрочнение известны и достаточно освещены [3, 4] в литературе и не вызывают затруднений.

Способ осуществляют следующим образом. Шлифованную или патентированную проволоку подвергают ВТМО и при необходимости отпуску, затем проволоку подают на пружинонавивочный станок или автомат и навивают пружину с шагом, превышающим шаг готовой пружины. Производят термообработку пружины. После 100% люмконтроля и промывки осуществляют дробеметный наклеп. После производят прессовку пружины до достижения требуемой высоты пружины ее сжатием нагрузкой (10÷300)F₃. Затем производят замеры параметров пружины. Последние операции – нанесение защитного покрытия, консервация и упаковка. При изготовлении точных по силовым параметрам пружин после навивки их правят и шлифуют торцы со снятием на них фасок.

Примечание. Способы высокотемпературного термомеханического упрочнения разнообразны и представлены в следующих патентах.

1. А.с. 528989 СССР, МПК B21F 3/04. Способ изготовления пружин. / Шаврин О.И., Редькин Л.М., Крекнин Л.Т. – № 2100900/02; заявл. 31.01.75; опубл. 25.09.76. Бюл. № 35. – 2 с.

2. А.с. 882687 СССР, МПК B21F 3/04, B21F 35/00, C21D 9/02. Способ изготовления пружин. / Шаврин О.И., Редькин Л.М., Конышев В.Н., Котельников А.В., Яковлев Ю.Т., Григорьев В.К. – №2782490/25-12; заявлено 19.06.79; опубл. 23.11.81. Бюл. № 43. – 2 с.

3. А.с. 1234018 SU, МПК B21F 35/00. Способ изготовления крупногабаритных пружин. / Шаврин О.И., Редькин Л.М., Щербаков В.И., Маслов Л.Н., Конышев В.Н. – № 3781269/25-12; заявлено 13.08.84; опубл. 30.05.86. Бюл. № 20. – 2 с.

4. А.с. 1509161 SU, МПК B21F 3/04. Способ изготовления пружин. / Редькин Л.М., Конышев В.Н., Мальков А.А., Котельников А.В. – № 4341421/31-12; заявлено 10.12.87; опубл. 23.09.89. Бюл. №35. – 2 с.

В результате отработки комплексной технологии изготовления пружин разработаны отраслевые технические условия на поставку термомеханически упрочненной проволоки из стали 65С2ВА – ТУ АЕЖ 347-82 (ИНИМТ); из стали 51ХФА и 60С2А – ТУ АЕЖ В3-350-88 (ИНИМТ) и ТУ ВЗ-350-88 (ИЖСТАЛЬ) [4].

Рассмотрим подробно способ по а.с. 1509161 SU. Проволоку из легированных сталей подвергают высокотемпературной термомеханической обработке волочением на специальной установке, а после ВТМО дают средний отпуск. Далее проводят холодную пластическую деформацию волочением со степенью деформации 15…50% (для сечения около 2 мм – 50%, свыше 5 мм – 15%). Методом холодной навивки на автоматах или гибки изготавливают пружины с последующим отпуском при температуре, не превышающей температуру отпуска упрочненной проволоки.

Применение холодной пластической деформации со степенью менее 15% приводит к неравномерному упрочненному состоянию по сечению проволоки, приводя, в основном, к упрочнению поверхностных слоев металла. Последующая холодная деформация при операциях навивки, заневоливания нейтрализует эффект предварительного упрочнения. Деформация со степенью более 50% начинает создавать в термомеханически упрочненном материале проволоки очаги локальною перенапряжения, которые приводят к появлению усталостных трещин и, таким образом, к преждевременному разрушению пружин.

Способ опробован при изготовлении пружин форсунки дизеля из проволоки 51ХФА – ВТМО 2,6 мм, число рабочих витков 6,5, общее число витков 8,5, высота 26 мм, наружный диаметр 11,8 мм. В качестве материала для проведения исследования использована проволока из стали 51ХФА диаметром 3,5 мм после ВТМО волочением на специальной установке, электроотпуска на твердость HRC42-48 при температуре 350-400°С на этой же установке и холодной пластической деформации волочением на стане 1/550 до диаметра 2,6 мм. После навивки пружины были отпущены при 320±10°С в течение 1 ч.

Опытные пружины испытывают на усталостном стенде. Сравнение производится с выносливостью серийных пружин и пружин из проволоки 51ХФА-ВТМО (без дополнительного упрочнения). Исследования показали, что выносливость опытных пружин, изготавливаемых из стали 51ХФА- ВТМО с дополнительной холодной пластической деформацией проволоки выше выносливости контрольных пружин в 1,8-2,5 раза. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение работоспособности пружин.

Но не в условиях работы пружины с силовым контактом или соударением витков.

Источники информации

1. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. / М.: Металлургия, 1982.

2. Патент RU № 2275270 С1, МПК B21F 35/04, C21D 9/02, 2006.

3. Тебенко Ю.М. Проблемы производства высокоскоростных пружин и пути их решения. Монография. – Ставрополь: ООО «Мир данных», 2007, 152 с.

4. Землянушнова Н.Ю. Расчет винтовых цилиндрических пружин сжатия при контактном заневоливании. Монография. – Ставрополь: «Агрус», 2008, 136 с.

5. Авторское свидетельство СССР 554915, М.кл. B21F 35/00, 1975.

6. Авторское свидетельство СССР 580474, М.кл. G01M 13/00, B21F 35/00, 1976.

Формула изобретения

1. Способ изготовления пружин сжатия из шлифованной или патентированной проволоки, включающий навивку пружины с шагом, превышающим шаг готовой пружины, термообработку, дробеметный наклеп и прессовку пружины путем ее осадки осевой нагрузкой величиной (10÷300)F₃, где F₃ – сила пружины при максимальной деформации, отличающийся тем, что перед навивкой пружины производят высокотемпературную термомеханическую обработку проволоки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при прессовке прикладывают повторную нагрузку, увеличенную пропорционально отношению требуемой осадки к осадке от приложения первоначальной нагрузки.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что нагрузку прикладывают посредством вибрации.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после навивки производят правку пружины и шлифовку ее торцов со снятием на них фасок.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят отпуск проволоки, прошедшей высокотемпературную термомеханическую обработку.