СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ВИНТОВЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПРУЖИН Российский патент 2016 года по МПК C21D9/02 B21F35/00 C21D7/06 F16F1/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу упрочнения винтовых цилиндрических пружин сжатия.

Уровень техники

Известен способ упрочнения пружин - дробеметная обработка, который является наиболее распространенным в производстве пружин. Сущность процесса обработки дробью заключается в том, что детали после окончательной механической или термической обработки подвергают ударному воздействию потока стальной или чугунной дроби. Дробеметную обработку пружин производят на механических или пневматических дробеметных машинах стальной или чугунной дробью диаметром от 0,4 до 1,8 мм (Остроумов В.П. Производство винтовых цилиндрических пружин / В.П. Остроумов. - М.: Машиностроение, 1970. - 135 с., с. 74…75).

При дробеметной обработке на поверхности витков создаются двухсторонние остаточные напряжения сжатия, препятствующие раскрытию усталостных трещин и повышающие предел выносливости на 40-80% (Лавриненко, Ю.А. Упрочнение пружин / Ю.А. Лавриненко, Е.Г. Белков, В.В. Фадеев. - Уфа: Издательский дом «Бизнес-Партнер», 2002. - 124 с. 16).

Недостатком способа является то, что дробеметная обработка не устраняет неравномерность распределения напряжений по сечению витка пружины. Витки цилиндрической пружины обычно имеют значительную кривизну. Это приводит к значительному повышению напряжений, достигающему 40% на внутреннем волокне витков, по сравнению с напряжениями, возникающими на наружном волокне витков. (Пономарев С.Д. Расчет упругих элементов машин и приборов / С.Д. Пономарев, Л.Е. Андреева. - М.: Машиностроение, 1980. - 326 с., с. 88). В процессе работы пружины на внутренней стороне сечения витков развиваются усталостные трещины.

Известно, что наибольшую стабильность упругих свойств в зависимости от вида обработки пружины показывают после обработки в напряженном состоянии (Остроумов В.П. Производство винтовых цилиндрических пружин / В.П. Остроумов. - М.: Машиностроение, 1970. - 135 с., с. 93…96). По аналогии с этим дробеметная обработка пружин должна производиться в сжатом до соприкосновения витков (напряженном) состоянии. При дробеметной обработке сжатой пружины поток дроби достигнет только наружной стороны витков, а внутренняя сторона витков останется неупрочненной, что является недостатком.

Известен способ упрочнения цилиндрических винтовых пружин, включающий навивку, закалку, отпуск, дробеструйную обработку и заневоливание, причем на заключительной стадии производят наклеп внутренней поверхности пружин. Наклеп осуществляют с помощью протягивания дорна либо ударным воздействием на внутреннюю поверхность витка пружины. Предлагаемые устройства реализации способа - дорн либо упрочняющую головку с роликами - устанавливают на токарном станке, в зажимном приспособлении которого закрепляется пружина (Патент RU 2462519, МПК C21D 9/02, C21D 7/06, B21F 35/00. Способ упрочнения цилиндрических винтовых пружин / Шаврин О.И., 2011115786/02; Заявлено 20.04.2011; опубликовано 27.09.2012. Бюл. №27).

Недостатком этого способа, принятого в качестве прототипа, является сложность крепления пружины в зажимном приспособлении токарного станка и возможность повреждения ее витков при неравномерном распределении сил зажима и сил от протягивания дорна или от ударного воздействия роликов головки неназванной модели (марки).

Недостатками также являются длительность процессов: установки пружины в устройство и удаления из него, приведения во вращение пружины и рабочего инструмента (дорна или головки с роликами), подвода и отвода рабочего инструмента. Не решен вопрос снятия пружины с рабочего инструмента, что также является недостатком.

В этом способе под понятием «заневоливание» указано 3-х или 5-и кратное сжатие пружины до соприкосновения витков, что на самом деле не является заневоливанием, а считается предварительной осадкой, применяемой с целью обнаружения грубых отклонений от технологического процесса. Основная осадка пружин, в том числе циклических, производится операцией заневоливания, которая происходит за первые 20-30 часов и затем увеличивается незначительно (Остроумов В.П. Производство винтовых цилиндрических пружин / В.П. Остроумов. - М.: Машиностроение, 1970. - 135 с., с. 65…68).

Известно, что наибольшую стабильность упругих свойств в зависимости от вида обработки пружины показывают после обработки в напряженном состоянии (Остроумов В.П. Производство винтовых цилиндрических пружин / В.П. Остроумов. - М.: Машиностроение, 1970. - 135 с., с. 93…96). По аналогии с этим наклеп внутренней поверхности пружины в представленном изобретении должен производиться в сжатом состоянии, что не выполнено. Это также является недостатком принятого за прототип способа.

Недостатком является и то, что данный способ не упрочняет работающих с контактом витков пружин, поскольку при осуществлении данного способа упрочнения наклепом по линии контакта витков между собой не происходит.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является увеличение стабильности упругих свойств пружины и сокращение времени установки и выемки пружины из устройства и времени упрочнения пружин в сжатом состоянии. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании пластических деформаций наклепом по наружной и по внутренней поверхности витков сжатой пружины и по линии контакта витков между собой.

Технический результат достигается тем, что способ упрочнения винтовых цилиндрических пружин включает навивку пружины из предварительно упрочненной или из закаливаемой проволоки с шагом, превышающим шаг готовой пружины на величину припуска под заневоливание и штамповку (6…14% от высоты готовой пружины), термообработку - отпуск для пружин из предварительно упрочненной проволоки или закалку и отпуск для пружин из закаливаемой проволоки, люмоконтроль, шлифовку торцов, дробеметную обработку, заневоливание на 20…30 часов сжатием пружины максимальной нагрузкой F₃ до соприкосновения витков. Затем производят наклеп штамповкой наружной и внутренней поверхностей пружины путем распирания входящим в пружину пуансоном к поверхности отверстия матрицы находящейся в отверстии матрицы пружины, причем диаметр отверстия матрицы равен диаметру сжатой пружины, а величина кольцевого зазора между отверстием матрицы и рабочей частью пуансона меньше диаметра витка сжатой пружины примерно на 0,2-2 мм в зависимости от диаметра витка, и производят наклеп пуансоном поверхностей в линии контакта витков между собой усилием 5…300 F₃ (контактное заневоливание) за одну операцию. Время наклепа 1…2 секунды. С целью уменьшения времени производственного цикла время заневоливания можно сократить до 6 часов.

Осуществление изобретения

Способ упрочнения винтовых цилиндрических пружин осуществляется следующим образом. Пружину навивают с шагом, превышающим шаг готовой пружины на величину припуска под заневоливание и штамповку (6-14% от высоты готовой пружины), термообрабатывают, осуществляют люмоконтроль, шлифуют торцы, производят дробеметную обработку, заневоливают на 20…30 часов. Затем производят наклеп штамповкой наружной и внутренней поверхности находящейся в отверстии матрицы сжатой пружины путем ее распирания входящим в пружину пуансоном устройства к поверхности отверстия матрицы, причем зазор между отверстием матрицы и поверхностью пуансона меньше диаметра витка пружины на 0,2-2 мм, после чего производят наклеп поверхности в линии контакта витков между собой сжатием пружины осевым усилием 5…300F₃ (контактное заневоливание) за одну операцию. С целью уменьшения времени производственного цикла время заневоливания можно сократить до 6 часов. Для установки пружины в устройство и выемки из него применяют известные в штамповке способы и устройства.

Краткое описание чертежей

Для наклепа штамповкой внутренней и наружной поверхностей пружины и поверхностей в линии контакта витков между собой предлагается использовать устройство, изображенное на фиг. 1 (Патент РФ №2403465 C1 МПК F16F 1/06, B21F 35/00. Устройство для контактного заневоливания пружин. Тебенко Ю.М., Землянушнова Н.Ю., Землянушнов Н.А. - №2009139101/11; заявл. 22.10.2009; опубл. 10.11.2010. Бюл. 31. - 7 с. ).

Устройство устанавливают на пресс. При раскрытом прессе верхняя плита 1 устройства и пуансон 5 находятся в верхнем крайнем положении, обеспечивающем свободное введение пружины 8 в расточку матрицы 9. При этом пружина 8 торцом опирается на кольцевой вкладыш 11, а направляющая втулка 7 находится по отношению к рабочей части 12 оправки 5 в крайнем нижнем положении, слегка выступая за нее, что достигается подбором длины цилиндрической части винтов 14, поскольку пружины 13, находясь в поджатом положении и упираясь в пуансонодержатель 4, постоянно воздействуют на направляющую втулку 7 через подвижную плиту 6. В этом положении головки винтов 14 опираются на пуансонодержатель 4. Движением пресса опускают верхнюю плиту 1. Заходная часть оправки 5 начинает входить в пружину 8, а направляющая втулка 7 упирается в пружину 8, сжимая ее до соприкосновения витков. Затем рабочая часть 12 пуансона 5 входит вовнутрь сжатой пружины 8, распирая поочередно ее витки и прижимая их к поверхности расточки матрицы 9. Благодаря тому, что зазор между поверхностью расточки матрицы 9 и поверхностью рабочей части 12 оправки 5 меньше диаметра витка пружины, происходит радиальное сжатие витков пружины 8. При этом возникают пластические деформации на внутренней и наружной поверхности сжатой пружины. Упрочнение внутренней и наружной поверхностей витков происходит за счет того, что разница диаметров внутренней поверхности отверстия матрицы и рабочей поверхности пуансона меньше диаметра витка пружины примерно на 0,2-2 мм. На внутренней и наружной поверхностях витков пружины образуются зоны упрочненного металла, отчего возрастает предел текучести, создаются внутренние сжимающие напряжения, увеличивающие усталостную прочность и долговечность пружины. Поскольку при этом происходит перераспределение напряжений на наиболее напряженной внутренней поверхности витков пружины, то повышается циклическая стойкость пружины, работающей при длительном циклическом нагружении.

После того как рабочая часть 12 пуансона 5 полностью войдет во все витки пружины 8, направляющая втулка 7 своим торцом упрется в ответный торец опускающегося ступенчатого пуансона 5, передавая тем самым от пресса через верхнюю плиту 1, промежуточную плиту 2, пуансон 5 требуемое усилие 5…300F₃ (контактное заневоливание) виткам сжатой пружине 8. При этом благодаря осевому сжатию витков возникают пластические деформации поверхностей в линии контакта витков между собой, образуются зоны упрочненного металла, повышающие ресурс пружины, работающей с силовым или ударным контактом витков.

После определенной выдержки (1…2 сек.) верхнюю плиту 1 с пуансоном 5 поднимают. Направляющая втулка 7, скользя по пуансону 5 под действием пружин 13, сталкивает пружину 8 с пуансона, оставляя пружину 8 в расточке матрицы 9, откуда ее удаляют механически при помощи известных и применяемых в штамповке устройств, механизирующих операции установки и удаления штампуемых деталей.

С помощью представленного устройства можно создать за одну операцию на внутренней и наружной поверхностях сжатой до соприкосновения витков пружины и поверхностей в линии контакта витков между собой пластические деформации, ускоряющие осадку и повышающие ресурс пружины, работающей с силовым или ударным контактом витков в условиях длительного циклического нагружения.

Представленная операция упрочнения пружин в сжатом состоянии позволяет создать на внутренней и наружной поверхностях витков пружин и на поверхностях в линии контакта витков между собой сжимающие остаточные напряжения, которые складываются с растягивающими напряжениями, возникающими при работе пружины и уменьшают их.

Представленная операция упрочнения внутренней и наружной поверхностей сжатой пружины и поверхностей в линии контакта витков между собой штамповкой более производительна, чем известная операция упрочнения внутренней поверхности токарной обработкой, поскольку происходит на быстроходном штамповочном прессе и может быть механизирована с помощью применяемых при штамповке устройств для установки в устройство и удаления деталей из него. Время установки пружины в матрицу и выемки пружины не превышает 1…2 с, в то время как длительность установки пружины в зажимное приспособление токарного станка, время вращения и проталкивания дорна или обкатки роликами внутренней поверхности пружины и время изъятия пружины из зажимного приспособления токарного станка значительно превышает время операции упрочнения по предлагаемому способу.

Пружина, прошедшая термообработку (закалку и отпуск для пружин из закаливаемой проволоки и отпуск для пружин из предварительно упрочненной проволоки), дробеметную обработку, заневоливание, подвергается дополнительной обработке внутренней и наружной поверхности витков и поверхностей в линии контакта витков между собой.

Предлагается увеличение долговечности упрочненных таким образом пружин в 1,4…2 раза относительно долговечности пружин, упрочненных известными способами, что согласуется с показанным в работе (Тебенко Ю.М. Проблемы производства высокоскоростных пружин и пути их решения. Монография / Ю.М. Тебенко. - Ставрополь: OO «Мир данных», 2007. - 152 с. ) увеличением долговечности пружин при использовании пластического упрочнения витков.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- упрочнение внутренней и наружной поверхностей пружины и в линии контакта витков между собой производят в сжатом состоянии за одну операцию;

- наибольшая стабильность упругих свойств пружин;

- высокая производительность упрочнения пружин.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при упрочнении винтовых цилиндрических пружин сжатия. Для увеличения стабильности упругих свойств пружины и сокращения времени производственного цикла способ упрочнения цилиндрических пружин включает навивку пружины с шагом, превышающим шаг готовой пружины, термообработку, люмоконтроль, шлифовку торцов, дробеметную обработку, заневоливание и наклеп штамповкой наружной и внутренней поверхности пружины и по линии контакта витков между собой за одну операцию или раздельно. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ упрочнения винтовых цилиндрических пружин, включающий навивку пружины с шагом, превышающим шаг готовой пружины, термообработку, люмоконтроль, шлифовку торцов, дробеметную обработку, заневоливание пружины и наклеп, отличающийся тем, что заневоливание пружины осуществляют сжатием с максимальной нагрузкой до соприкосновения витков F₃ на 20-30 часов, а наклеп пружины проводят на заключительной стадии штамповкой наружной и внутренней поверхностей сжатой пружины путем распирания входящим в пружину пуансоном и прижатия витков пружины к поверхности отверстия матрицы, причем зазор между отверстием матрицы и поверхностью пуансона меньше диаметра витка пружины на 0,2-2 мм, а наклеп проводят по линии контакта витков между собой сжатием пружины усилием 5-300F₃.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наклеп внутренней и наружной поверхностей сжатой пружины и наклеп поверхности пружины по линии контакта витков между собой осуществляют за одну операцию.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наклеп внутренней и наружной поверхностей сжатой пружины производят раздельно от наклепа по линии контакта витков между собой.