СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПРУЖИН ИЗ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ Российский патент 2007 года по МПК C21D9/02 C21D6/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для изготовления цилиндрических пружин из аустенитных сталей.

Известен способ изготовления цилиндрических пружин из легированных сталей, преимущественно с остаточным или метастабильным аустенитом, включающий навивку проволоки из аустенитной стали с прогибом, превышающим прогиб готовой пружины, ее закалку, отпуск, заневоливание пружины с изотермической выдержкой (см. SU 1014936 A, C 21 D 9/02, 30.04.1983).

Известен способ изготовления цилиндрических пружин из дисперсионно-твердеющих аустенитных сталей, включающий калибровку катанки, закалку, навивку проволоки на оправку, отпуск в напряженном состоянии с последующим заневоливанием (см. SU 1494995 A1, B 21 F 35/00, 23.07.1989).

Наиболее близким аналогом к заявленному способу является известный способ изготовления цилиндрических пружин из дисперсионно-твердеющих элинварных сплавов, включающий навивку проволоки на цилиндрическую оправку, фиксацию формы в напряженном состоянии, изотермическую выдержку и освобождение пружины от фиксации (см. SU 997932 A1, B 21 F 35/00, 25.02.1982).

Однако, ни один из перечисленных способов не позволяет запомнить форму, полученную при деформации наклепанной проволоки, обладающей малой пластичностью, т.е. изготовить пружину с заданными геометрическими параметрами, сохранив при этом механические свойства проволоки, полученные при наклепе.

Техническим результатом изобретения является использование наклепанной проволоки из аустенитной стали для получения пружины, запоминание формы пружины с заданными геометрическими размерами и сохранение механических свойств наклепанной проволоки.

Для достижения технического результата в известном способе изготовления пружины из аустенитной стали, включающем деформацию проволоки при комнатной температуре путем навивки на цилиндрическую оправку, фиксацию формы в напряженном состоянии, изотермическую выдержку и освобождение пружины от фиксации при комнатной температуре, используют наклепанную проволоку, навивку проволоки осуществляют с напряжениями ниже предела текучести стали на оправку, имеющую диаметр меньший, чем необходимый внутренний диаметр пружины для компенсации упругих деформаций, возникающих после освобождения пружины от фиксации, диаметр оправки определяют из соотношения:

(D-d)/d·100=ad+b, где:

D - необходимый внутренний диаметр пружины, мм;

d - диаметр оправки, мм;

а [мм^-1] и b (безразмерная величина) - параметры, зависящие от температуры и времени изотермической выдержки, напряжений при навивке проволоки на оправку, диаметра проволоки;

после фиксации формы осуществляют нагрев до температуры ниже температуры возврата и проводят изотермическую выдержку при этой температуре для сохранения механических свойств наклепанной проволоки и получения необходимого внутреннего диаметра пружины после освобождения от фиксации.

Использование для изготовления изделия коррозионностойкой аустенитной стали определяется условиями эксплуатации. Структура этой стали является однофазной - аустенит. Упрочнение стали за счет термической обработки невозможно, т.к. структура не меняется при изменении температуры. Высокие значения предела прочности, предела текучести и твердости проволоки из аустенитной стали достигаются только за счет наклепа - обжатия с большими степенями деформации, т.е. в процессе металлургического производства, при этом проволока обладает низкой пластичностью. Это не позволяет использовать традиционные технологии изготовления цилиндрических пружин.

Так, изготовление пружин навивкой проволоки, находящейся в разупрочненном состоянии, и последующей термической обработкой для получения заданных механических свойств невозможно из-за того, что аустенитная сталь термической обработкой не упрочняется.

Для сталей с малым запасом пластичности невозможно также реализовать навивку с напряжениями, большими предела текучести (σ_т), но меньшими предела прочности (σ_в). Такая технология без последующей термической обработки используется для сталей, обладающих необходимыми механическими свойствами и удовлетворительной пластичностью.

Во-первых, для сталей с малым запасом пластичности технически чрезвычайно сложно осуществить навивку проволоки на оправку при напряжениях, отвечающих указанному условию из-за узкого диапазона напряжений (значения пределов прочности и текучести таких сталей очень близки).

Во-вторых, даже решив эту задачу, т.е. выполнив навивку с указанными напряжениями, невозможно зафиксировать (запомнить) полученную форму без нагрева и изотермической выдержки, т.к. остаточная пластическая деформация (ε_пл) весьма мала из-за близких значений σ_в и σ_т. Это подтверждено практикой - холодная навивка не позволяет запомнить форму. Навивка проволоки на цилиндрическую оправку, ее фиксация при комнатной температуре не обеспечивают после освобождения от фиксации необходимой формы - вместо цилиндрической пружины получается бесформенный, спутанный моток.

Получение необходимой формы и(или) размера заготовки из сталей с малой пластичностью с сохранением механических свойств стали может быть осуществлено за счет использования эффекта релаксации напряжений. Этот эффект заключается в самопроизвольном уменьшении напряжений в материале за счет перехода части упругой деформации напряженного материала (заготовки, образца) в пластическую.

Механизм релаксации напряжений связан с пластическим течением за счет постепенного перемещения дислокаций. Интенсивность релаксации напряжений, так же как пластического течения определяется температурой и приложенным напряжением: чем выше температура и больше напряжения, тем интенсивнее протекает процесс. При комнатной температуре релаксации напряжений в металлах практически не происходит.

Релаксация напряжений происходит в условиях, когда изменение размеров заготовки (образца) невозможно (например, растянутый и зафиксированный в таком виде образец), т.е. величина деформации, полученная в результате предварительного приложения нагрузки, остается неизменной в процессе изотермической выдержки при повышенных температурах.

При приложении к материалу (образцу) напряжения σ₀<σ_т величина деформации составит ε₀. Если не осуществлять нагрев, релаксации напряжений не произойдет, их величина не изменится, она останется равной σ₀. После снятия напряжений размеры образца останутся такими, какими были до приложения нагрузки, пластическая деформация отсутствует (ε_пл=0).

В том случае, если будет осуществлен нагрев и изотермическая выдержка напряженного и жестко закрепленного образца (например, растянутого и зафиксированного в таком виде), произойдет релаксация напряжений. Их величина через некоторое время уменьшится до значения σ_i. Если после этого охладить образец до комнатной температуры и устранить фиксацию образца (разневолить его), то величина упругой деформации (ε_упр) составит σ_i/Е, где Е - модуль упругости. При этом сохраняется пластическая деформация (ε_пл), величина которой - это разница между первоначальной деформацией (ε₀) и упругой деформацией, которая проявляется после снятия фиксации (ε_упр), т.е. ε_пл=ε₀-ε_упр.

Таким образом, часть упругой деформации превращается в пластическую.

Чем больше величина пластической деформации (и, таким образом, меньше величина упругого последействия, т.е. упругих деформаций после освобождения от фиксации), тем эффективнее «запоминание» размеров и формы, полученных в результате деформации, осуществленной с напряжением, равным σ₀.

Величина пластической деформации определяется в первую очередь температурой изотермической выдержки, чем она выше, тем интенсивнее проходит релаксация напряжений. Ограничением температуры изотермической выдержки является температура возврата, при которой начинается разупрочнение наклепанного металла. Ее значение для стали конкретного состава должно быть определено экспериментально.

Интенсивность релаксации напряжений при постоянной температуре определяется величиной приложенных напряжений: чем больше напряжения, тем интенсивнее протекает процесс.

Анализ уравнения упругой линии изогнутого стержня в области упругих деформаций показывает, что увеличение диаметра оправки, на которую наматывают проволоку, приводит к снижению напряжений. Поскольку: 1/ρ=М_изг/EI, где М_изг - изгибающий момент; Е - модуль упругости; I - момент инерции сечения; к - коэффициент, зависящий от вида нагружения, ρ - радиус кривизны упругой линии, ρ≅d/2 (d - диаметр оправки), т.к. d≫c, где с - диаметр проволоки.

Сделав соответствующие преобразования и разделив обе части уравнения на момент сопротивления сечения - W, получим: EI/ρW=кМ_изг/W. Поскольку M_изг/W=σ, ρ=d/2 и для круглого сечения I=0,05c⁴, W=0,1 c³, окончательно имеем: Ecd=кσ.деформацией (ε₀) и упругой деформацией, которая проявляется после снятия фиксации (ε_упр), т.е. ε_пл=ε₀-ε_упр.

Таким образом, для проволоки одного сечения величина напряжений, возникающих при намотке на цилиндрическую оправку, обратно пропорциональна диаметру оправки.

Экспериментально установлена линейная зависимость между диаметром оправки d и величиной относительной упругой деформации (упругого последействия), т.е. (D-d)/d, возникающей после освобождения от фиксации пружины:

(D-d)/d·100=ad+b.

Это означает, что величина упругого последействия обратно пропорциональна напряжениям, возникающим при намотке проволоки на оправку.

Для экспериментального определения коэффициентов «а» и «b» для проволоки определенного диаметра необходимо: навить проволоку с определенным усилием на две оправки, имеющие разные диаметры, и подвергнуть их изотермической выдержке определенной продолжительности при определенной температуре. После разневоливания проволоки необходимо измерить микрометром внутренний диаметр пружины - «D».

Значения коэффициентов получаем решением системы двух уравнений.

Покажем определение коэффициентов «а» и «b» для проволоки из стали 18ХНАГС диаметром 1,2 мм. Усилие навивки - 36 кгс, температура изотермической выдержки - 540°С, время - 4 часа.

Намотку проволоки осуществляли на оправки диаметром:

d₁=30 мм и d₂=20 мм.

Измеренные, соответствующие значения внутреннего диаметра пружины после разневоливания проволоки составили, соответственно:

D₁=36,03 мм и D₂=22,76 мм.

Для определения коэффициентов «а» и «b» необходимо решить следующую систему уравнений:

(36,03-30)100/30=30a+b;

(22,76-20)100/20=20a+b.

После элементарных преобразований получаем:

20,1=30а+b;

13,8=20а+b.

Откуда: а=0,63 [мм^-1]; b=1,2.

Полученные значения коэффициентов будем теперь использовать для расчета значений диаметров оправок для получения пружин с необходимым внутренним диаметром.

Пример осуществления способа.

Изготавливают цилиндрическую пружину с необходимым внутренним диаметром 30,6_-0,5 мм из наклепанной проволоки диаметром 1,2 мм. Материал проволоки - аустенитная сталь 18ХНАГС, содержащая следующие компоненты, мас.%: 0,14-0,21 углерода, 1,7-2,3 кремния, 2,3-3,5 марганца, 17,0-19,0 хрома, 8,5-9,5 никеля, 0,16-0,26 азота, железо и неизбежные примеси - остальное. Предел прочности проволоки σ_в - 1670 МПа, пластичность δ - 0,8%.

Температура изотермической выдержки - 540°С. Такой нагрев сохраняет исходную прочность проволоки, т.е. эта температура ниже температуры возврата стали 18ХНАГС. Повышение температуры нагрева до 560°С вызвало снижение предела прочности.

Проволоку навивают на оправку с шагом, равным диаметру проволоки, и усилием натяжения 36 кгс и фиксируют в напряженном состоянии. Нагревают оправку с навитой проволокой до температуры 540°С и подвергают изотермической выдержке в течение 4 часов.

Значения параметров а и b определяются экспериментально. Для указанных условий (диаметр проволоки, температура и продолжительность изотермической выдержки, усилие натяжения при намотке) их значения следующие: а=0,63 [мм^-1]; b=1,2.

Для получения цилиндрической пружины с необходимыми геометрическими размерами диаметр оправки рассчитывают, воспользовавшись уравнением:

(D-d)/d·100=0,63·d+1,2.

Для значения D=30,6_-0,5 мм задача сводится к решению квадратного уравнения: 0,63d²+101,2d-3060=0.

Вычисленное значение d соответствует 26,02 мм.

Диаметр оправки назначают - 26,0^+0.02 мм. После навивки проволоки и ее фиксации на оправке в напряженном состоянии, термической обработки и освобождения от фиксации при комнатной температуре производились замеры внутреннего диаметра цилиндрической пружины. Значения диаметров на концах и середине пружины составили: 30,4, 30,3, 30.3 мм, они укладываются в поле допуска: 30,1-30,6 мм.

Цилиндрические пружины могут быть использованы в качестве заготовок для изготовления атравматических хирургических игл.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления цилиндрических пружин из аустенитных сталей. Техническим результатом изобретения является получение пружины с заданными геометрическими размерами и механическими свойствами. Для достижения технического результата цилиндрическую пружину изготавливают из наклепанной проволоки из аустенитной стали, например 18ХНАГС с заданным диаметром, пределом прочности и пластичности. Проволоку навивают на оправку с шагом, равным диаметру проволоки с определенным усилием натяжения, фиксируют в напряженном состоянии, после фиксации формы осуществляют нагрев до температуры ниже температуры возврата стали, подвергают изотермической выдержке и освобождают пружину от фиксации при комнатной температуре. Диаметр оправки определяют из соотношения: (D-d)/d·100=ad+b, где D - необходимый внутренний диаметр пружины, мм; d - диаметр оправки, мм; а (мм^-1) и b - параметры, зависящие от температуры, времени изотермической выдержки, напряжений при навивке проволоки на оправку, диаметра проволоки. Получение необходимой формы и размера пружины из сталей с малой пластичностью с сохранением механических свойств проволоки осуществляют за счет использования эффекта релаксации напряжений. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления цилиндрической пружины из аустенитной стали, включающий деформацию проволоки при комнатной температуре путем навивки на цилиндрическую оправку, фиксацию формы в напряженном состоянии, нагрев, изотермическую выдержку и освобождение пружины от фиксации при комнатной температуре, отличающийся тем, что для компенсации упругих деформаций, возникающих после освобождения пружины от фиксации, осуществляют навивку наклепанной проволоки с напряжениями ниже предела текучести стали на оправку диаметром, меньшим необходимого внутреннего диаметра пружины, нагрев после фиксации формы осуществляют до температуры ниже температуры возврата стали, проводят изотермическую выдержку при этой температуре с сохранением механических свойств наклепанной проволоки, после освобождения от фиксации получают пружину с необходимым внутренним диаметром.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диаметр оправки определяют из соотношения (D-d)/d·100=ad+b,

где D - необходимый внутренний диаметр пружины, мм;

d - диаметр оправки, мм;

а (мм^-1) и b (безразмерная величина) - параметры, определяемые экспериментальным путем в зависимости от температуры и времени изотермической выдержки, напряжений при навивке проволоки на оправку, диаметра проволоки.