СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРУЖИН Российский патент 2011 года по МПК C21D9/02 B21F35/00 B23P6/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к способам восстановления упругих свойств пружин путем повышения механических свойств пружинной стали применением высокотемпературной (ВТМО) и низкотемпературной (НТМО) термомеханической обработки, и может быть применено на предприятиях по ремонту пружин вооружения, сельхозмашин, транспорта, грузоподъемной или иной техники.

Уровень техники

Известен способ восстановления упругости пружин, заключающийся в принудительном растяжении и нагреве пружин до необходимой температуры. В ремонтной практике этот способ широкого распространения не получил из-за невысокой производительности и несоответствия требований технологического процесса условиям ремонтных предприятий [1]. А возникающие после растяжения силы сопротивления растяжению уменьшают силы (F₁, F₂, F₃) восстановленных таким способом пружин, что не позволяет считать восстановленную пружину равноценной первоначально изготовленной.

Известен способ восстановления пружин, заключающийся в растяжении пружины, нагреве и охлаждении с помощью специального устройства [2]. Однако он не обеспечивает восстановление упругости всех пружин, попадающих на ремонтное предприятие: невозможно восстановить пружины, потерявшие упругость и имеющие неперпендикулярность торцов к образующей пружины или различный шаг между витками. Так как здесь растяжение пружины осуществляется за крайние витки, то и после восстановления пружины имеют неперпендикулярность торцов или разный шаг между витками. Во время эксплуатации это приводит к неравномерному распределению нагрузки между витками и вызывает в наиболее нагруженных витках напряжения и деформации, превышающие допустимые, что приводит к выходу пружины из строя. Нет защиты поверхности пружины от обезуглероживания при закалке, отсутствуют обязательные для обеспечения долговечности пружины операции отпуска пружины после закалки и дробеметной обработки для ликвидации возникающих после закалки концентраторов напряжений. Отсутствует обязательное для пружин заневоливание. Все это является недостатком способа.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ восстановления пружин, заключающийся в растяжении пружины, нагреве и охлаждении, отличающийся тем, что растяжение осуществляют последовательно по ее виткам, при этом одновременно с растяжением каждый виток нагревают и обжимают [3].

Способ осуществляют следующим образом. Растяжение витков пружины механизма газораспределения двигателя ЯМЗ-238НБ осуществляют с помощью конусных роликов, обеспечивающих растяжение каждого витка силой

,

где Р - упругость пружины; n - количество витков пружины. Обжатие витков по сечению осуществляют с помощью двух роликов, один из которых установлен внутри пружины, а другой - снаружи. Внешний ролик прижат к пружине с силой P=60 кг и установлен точно напротив внутреннего ролика. Нагрев витков пружины обеспечивают электрическим током, который через трансформатор подается на обжимающие ролики. Параметры тока I=600…1000 А, U=2…4 В. Восстановление упругости происходит в следующей последовательности. Пружина надевается крайним витком на внутренний обжимающий ролик. Подводятся разжимающие ролики и разжимают крайний виток пружины. Подводится внешний обжимающий ролик и прижимается к пружине с силой Р=60 кг точно напротив внутреннего обжимающего ролика. Придается вращение внутреннему ролику и одновременно на внешний ролик подается электрический ток, нагревающий сечение витка, зажатое между обжимающими роликами. Под действием силы трения пружина постепенно втягивается между обжимающими роликами, подвергаясь одновременно растяжению (между растягивающими роликами), обжатию и нагреву (между обжимающими роликами). При первоначальной упругости новой пружины в 23 кг приращение упругости составляет от 0,7 до 1,1 кг, что соответствует от 3 до 4,78% [3].

Недостатком этого способа является длительность технологического процесса, зависящая от необходимости последовательной обработки каждого витка; невозможность исправления неперпендикулярности торцов. Недостатком является и то, что в указанном способе не учтены следующие обстоятельства. Легированные пружинные стали обладают низкой теплопроводностью [10]. В связи с этим местный неравномерный нагрев пружины при закаливании может привести к образованию внутренних напряжений и закалочных трещин. В данном случае следует провести предварительный нагрев пружины до температуры 400…500°С, что не выполнено. А для равномерного закаливания пружин рекомендуется [11] использовать установки для электроконтактного нагрева или установки индукционного нагрева токами высокой частоты с ламповым или с машинным (1500…15000 пер/с) генератором, применяемым для получения закаленного слоя глубиной более 2 мм, что не выполнено. Не решен вопрос необходимой защиты поверхности пружины от обезуглероживания при закалке, отсутствуют обязательные для обеспечения долговечности пружины операции отпуска пружины после закалки и дробеструйной обработки для ликвидации возникающих после закалки концентраторов напряжений. Отсутствует обязательное для пружин заневоливание, что также является недостатком. А изготовление специального [4] устройства из-за сложности его конструкции, в том числе токоподающих контактов, трансформатора, нагревающего и охлаждающего устройства и соответствующих токоподводящих проводов и трубопроводов не представляется возможным большинству ремонтных предприятий, что также является недостатком. К тому же, если усилия устройства в 60 кг достаточно для упрочнения пружин механизма газораспределения двигателя ЯМЗ-238НБ (аналогичная пружина двигателя автомобиля ВАЗ имеет диаметр витка 2,7 мм), то для упрочнения пружин с большим диаметром усилия 60 кг будет явно недостаточно: например, для упрочнения пружины с диаметром проволоки 12 мм требуется усилие 130…160 т [9]. Тем более, что для каждого типоразмера пружин требуется такое же количество типоразмеров устройств, что также является недостатком. В условиях единичного, в лучшем случае мелкосерийного производства ремонтных предприятий из-за большой стоимости специальных устройств и связанной с этим большой стоимостью восстанавливаемых пружин использование способа представляется экономически нецелесообразным.

В представленных способах отсутствуют необходимые для обеспечения долговечности пружин отпуск после закалки и дробеструйная обработка для ликвидации возникающих после закалки концентраторов напряжений, не предусмотрена защита поверхности пружин от обезуглероживания (глубины и степени) при термообработке, не применяется заневоливание, что является недостатком.

Раскрытие изобретения

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в разработке технологического процесса, позволяющего расширить технологические возможности способа и повысить качество пружин.

Технический результат достигается за счет наличия новых операций технологического процесса и новой их последовательности, а именно: сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления пружин, включающий в себя растяжение, нагрев и охлаждение пружины, отличается тем, что перед растяжением пружину нагревают до температуры закалки и в нагретом состоянии растягивают с шагом, превышающим шаг готовой пружины, непосредственно сразу производят термообработку неостывшей пружины, совмещая операции нагрева для растяжения и термообработки, производят дробеметный наклеп остывшей пружины, затем пластическое упрочнение ее витков путем сжатия пружины осевой нагрузкой, составляющей (10…300)F₃, где F₃ - сила пружины при максимальной деформации, в том числе с предварительным обычным заневоливанием силой F₃ (6…48 ч). Пластическое упрочнение витков пружины осуществляют путем приложения к ней первоначальной нагрузки, обеспечивающей минимально допустимую осадку, и последующего приложения повторной нагрузки, увеличенной пропорционально отношению требуемой осадки к осадке от приложения первой нагрузки. При этом нагрузки могут быть вибрационными. При достижении заданной высоты пружины повторная прессовка не обязательна. При повышенных требованиях к силовым параметрам производят правку пружины.

При данной последовательности операций производят осадку пружины, по величине, превосходящей осадку пружины в изделии, от чего образуются благоприятные напряженные состояния на поверхности и внутри витков пружины, противодействующие возникновению осадки при работе пружины. Используют метод двукратного приложения нагрузки [5], что уменьшает рассеивание силовых параметров пружин. Прилагают нагрузку вибрационно, что обеспечивает ее равномерное распределения по сечению витков пружины [6]. Этим обеспечивается повышение стойкости пружин при работе в изделии и точность ее изготовления по длине и нагрузке, снижается брак при сортировке пружин, уменьшается величина релаксации нагрузки при испытаниях заневоливанием на 48 ч при температуре 130°С до 2,5%, а длительность операции контактного заневоливания составляет 1…5 с.

Совмещение операций нагрева одновременно и для закалки и для растяжения пружин является эффективным и в экономическом и в техническом отношении: при уменьшении числа нагревов уменьшается величина обезуглероживания и, кроме того, образующийся при закалке мартенсит «наследует» субструктуру, полученную в аустените в процессе деформации. Совмещение в одной операции деформации и закалки можно рассматривать как высокотемпературную термомеханическую обработку [7, с.137], повышающую предел упругости, выносливости и малоцикловой усталости [7, с.218].

Известно, что использование низкотемпературной термомеханической обработки к пружинной стали, вариантом которой является контактное заневоливания, повышает ее прочностные характеристики в условиях статического или циклического нагружения [7, с.205]; проведенные дополнительно исследования [8, 9] показали эффективность контактного заневоливания при работе пружины в условиях силового или ударного контакта витков.

Предполагается увеличение качества восстановленных таким образом пружин в 1,4 раза, что согласуется с показанным в работе [8] увеличением качества при использовании контактного заневоливания, и предполагается увеличение качества в 1,5…2 раза с использованием предварительно статического заневоливания, что согласуется с показанным в работе [9] увеличением качества.

Определение припуска на осадку пружины и нагрузки известны: припуск должен быть больше суммы припуска под осадку в применяемых технологических процессах и осадки при работе пружины в изделии - ориентировочно 1,5…2 припуска под обычное заневоливание, и уточняться испытаниями пружин [8, 9].

Способ осуществляют следующим образом. Производят нагрев пружины до температуры закалки (~900…950°С), в нагретом состоянии ее растягивают с шагом, превышающим шаг готовой пружины, и непосредственно сразу производят закалку (пружина может остыть до ~900…840°С) и отпуск пружины (~200…400°С). После 100% люмконтроля и промывки осуществляют дробеметный наклеп остывшей пружины. Затем производят пластическое упрочнение витков до достижения требуемой высоты пружины ее сжатием нагрузкой 10÷300 F₃, в том числе с предварительным обычным заневоливанием. Затем производят замеры параметров пружины. Последние операции - нанесение защитного покрытия, установка в изделие или консервация и упаковка. При восстановлении точных по силовым параметрам пружин после растяжения их правят.

Примечание. Под термообработкой пружины подразумевается ее закалка, в том числе изотермическая, с последующим отпуском в соответствии с режимами, принятыми для определенной марки пружинных сталей [7]. Термообработку производят в защитной среде.

Источники информации

1. Стенд для восстановления пружин электроконтактным способом. Информационный листок, № 47-75, 1975.

2. А.с. СССР № 740842, Кл. С21D 9/02. Установка для восстановления упругости пружин / Кагнер Ю.А., Долматов В.Н., Хохряков В.Н., Величко В.Г., Четверкин В.И. - 2549204/22-12; заявлено 28.11.77; опубл. 15.06.80. Бюл. № 22 за 1980 г. - 4 с.

3. А.с. SU № 1055574 А, В21F 35/00. Способ восстановления упругости пружины / Элькин С.Ю., Шашкин А.Л. - 3380595/25-12; заявлено 14.01.82; опубл. 23.11.83. Бюл. № 43 за 1983 г. - 4 с.

4. Пат. SU № 1038030 А, МПК В21F 35/00. Устройство для восстановления упругости пружин / Вадивасов Д.Г., Элькин С.Ю., Шашкин А.Л., Хохлов Б.С. - 3427428/25-12; заявлено 19.04.82; опубл. 30.08.83. Бюл. № 32 за 1982 г. - 8 с.

5. А.с. 554915 СССР: М.Кл. G01М 13/00, В21F 35/00. Способ заневоливания пружин / Тебенко Ю.М. - № 2160326/12; заявл. 17.07.1975; опубл. 25.04.1977. Бюл. № 15 за 1977 г. - 2 с.

6. А.с. 580474 СССР: М.Кл. G01М 13/00. Способ заневоливания пружин / Тебенко Ю М. - № 2412954/12; заявл. 19.07.1976; опубл. 15.14.1977. Бюл. № 42 за 1977 г. - 2 с.

7. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1982, - 400 с.

8. Землянушнова Н.Ю. Расчет винтовых цилиндрических пружин сжатия при контактном заневоливании. Монография. - Ставрополь: АГРУС, 2008. - 136 с.

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

10. Лузгин Н.П. Изготовление пружин. - М.: Высш. школа, 1980. - 144 с.

11. Остроумов В.П. Производство винтовых цилиндрических пружин. - М.: Машиностроение, 1970 - 136 с.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности восстановлению упругих свойств пружин. Для повышения качества и долговечности пружин при восстановлении упругих свойств пружины ее нагревают до температуры закалки и растягивают в нагретом состоянии с шагом, превышающим шаг готовой пружины, и производят термообработку неостывшей пружины, дробеметный наклеп остывшей пружины, после чего производят пластическое упрочнение ее витков путем сжатия пружины осевой нагрузкой, составляющей (10…300)F₃, где F₃ - сила пружины при максимальной деформации, в том числе с предварительным обычным заневоливанием, и последующее приложение повторной нагрузки, увеличенной пропорционально отношению требуемой осадки к осадке от приложения первоначальной нагрузки. При этом нагрузки могут быть вибрационными. При повышенных требованиях к силовым параметрам производят правку пружины. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ восстановления пружин сжатия, включающий растяжение, нагрев и охлаждение пружины, отличающийся тем, что перед растяжением пружину нагревают до температуры закалки и растягивают в нагретом состоянии с шагом, превышающим шаг готовой пружины и непосредственно сразу производят закалку неостывшей пружины и отпуск, после чего производят дробеметный наклеп остывшей пружины, пластическое упрочнение ее витков путем сжатия пружины осевой нагрузкой, составляющей (10÷300)F₃, где F₃ - сила пружины при максимальной деформации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пластическое упрочнение витков пружины осуществляют путем приложения к ней первоначальной нагрузки, обеспечивающей минимально допустимую осадку, и последующего приложения повторной нагрузки, увеличенной пропорционально отношению требуемой осадки к осадке от приложения первоначальной нагрузки.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после дробеметного наклепа производят обычное заневоливание.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что нагрузку для сжатия пружины при ее пластическом упрочнении прикладывают вибрационно.