Способ восстановления цилиндрической пружины и устройство для его осуществления Российский патент 2020 года по МПК C21D9/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ремонтному производству, в частности к восстановлению винтовых цилиндрических пружин, работающих на сжатие.

Уровень техники

Известен способ восстановления упругости пружин, заключающийся в нагреве витков пропусканием через них электрического тока заданной величины и обжатии роликами с определенным усилием с последующей изотермической закалкой (А.с. СССР №1547929). Однако для осуществления этого способа требуется дополнительные энергозатраты и дорогостоящее оборудование: радиально-сверлильный станок и мощный трансформатор.

Известен способ контактного заневоливания винтовых пружин сжатия (А.с. №122920). Состоящее из цилиндрического сердечника на который надевается подлежащая заневоливанию пружина. Затем, посредством обоймы (матрицы) в осевом направлении к пружине прикладывается сила, вызывающая сжатие соприкасающихся витков до появления заданных остаточных деформаций.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому способу является способ упрочнения винтовых цилиндрических пружин (см. Патент на изобретение RU 2548876, МПК B21F 35/00; C21D 9/02) состоящее из обоймы цилиндрической формы и сердечника. Пружина плотно одетая на сердечник проталкивается сквозь отверстие обоймы, диаметр которого, меньше чем диаметр пружины находящейся на сердечнике. Происходит пластическое деформирование витков пружины, вдоль четырех линий контакта - двух между витками и по одной с поверхностями сердечника и обоймы.

Известно устройство (см. Патент на изобретение RU 2393042, МПК B21F 35/00; F16F 1/02), предназначенное для пластического упрочнения пружин с зашлифованными крайними витками вплоть до начала рабочих витков, для которых основным критерием является совмещение силы пружины с ее осью. Это - пружины двигателей, работающие с безударным силовым контактом витков пружины гидравлических систем, пружины вооружения. Недостатком устройства является неравномерное точечное воздействие витков пружины друг на друга и невысокая производительность и несоответствие требований технологического процесса условиям ремонтных предприятий.

Известно устройство для контактного заневоливания пружин (см. Патент на изобретение RU 2390667 С1, МПК F16F 1/06, B21F 35/00) включающее обойму (матрицу) для установки в него пружины и сердечник (пуансон) для передачи давления на заневоливаемую пружину. При этом витки заневоливаемой пружины контактируют не только между собой, но и внешней стороной контактируют с внутренней поверхностью стакана, что позволяет не допустить искривление оси пружины в результате заневоливания.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретеию является устройство для заневоливания цилиндрической пружины (см. Патент на изобретение RU 2 634 468 С1, МПК B21F 35/00) включающее обойму с цилиндрической полостью и соосно размещенный в ней сердечник цилиндрической формы. Пружины размещены в полости между обоймой и сердечником с возможностью обжатия пружины сердечником путем его ограниченного продольного перемещения при силовом воздействии. Обойма снабжена двумя крышками с осевым отверстием с возможностью их временного закрепления на обойме. Сердечник снабжен временно размещаемыми в отверстиях крышек с каждой стороны стержнями круглого поперечного сечения с головками «под ключ», жестко соединенными с сердечником. Цилиндрические поверхности полости обоймы и сердечника выполнены с резьбовыми канавками с возможностью размещения в них витков сжатой пружины. В устройстве пружина может изменить сечение в эллипс, если возникнет перетяжка.

Раскрытие изобретения

Известно (см., например, соответствующие разделы курса Сопротивление материалов, Н. М. Беляева), что основными напряжениями, возникающими при работе пружины являются касательные напряжения, многократно меняющие свою величину от нулевого до некоторого конечного значения. При этом происходит как развитие пластических деформаций, так и возникновение микротрещин в теле пружины. Пружина «садится», то есть уменьшается шаг ее витков, уменьшается ее жесткость и пружина перестает удовлетворять заданным техническим требованиям. Подчеркнем при этом, что пружины изготовляются из металла, являющегося изотропным упругим материалом. Это означает, что если пружина, работающая на сжатие, меняет направление работы и растягивается, то в ней возникают тоже касательные напряжения, только другого знака, то есть направленные в противоположную сторону. Таким образом, если пружина, работающая на сжатие, растягивается настолько, что превзойден предел упругости и появились остаточные деформации, то это означает, что в противоположном направлении, при сжатии, будет отображена обратно симметричная картина. Это, своего рода осуществление, так называемого, «наклепа» для пружины: возрастание предела прочности пружины за счет уменьшения ее пластических свойств. Отмеченное обстоятельство является главным обоснованием возможности восстановления пружины сжатия.

При этом вначале необходимо выяснить степень разрушения тела восстанавливаемой пружины, то есть оценить объем появившихся микротрещин, и определиться с целесообразностью восстановления пружины. С этой целью можно воспользоваться интегральным электрическим способом неразрушающего контроля состояния винтовой цилиндрической пружиной (Патент РФ 2680659). Смысл этого способа состоит в том, что при отсутствии микротрещин электрическое сопротивление пружины в нагруженном и ненагруженном состоянии не меняется.

Завершающим компонентом в процессе восстановлении пружины является возможность придания ей устойчивой первоначальной геометрии. Такой результат может быть достигнут путем силового воздействия на поверхность ее витков - упрочнение поверхностного слоя путем объемного обжатия витков с изменением прочностных характеристик материала, что обеспечивает фиксацию заданной геометрии пружины.

Таким образом, можно сформулировать заявляемый способ следующим образом: способ восстановления цилиндрической пружины, включающий оценку ее состояния путем измерения электрического сопротивления пружины под нагрузкой и без нее с заключением о целесообразности ее восстановления, растяжение пружины до появления остаточных деформаций (при развитии напряжений, превышающих предел упругости) и достижением шага витков, не менее требуемых при восстановлении (заводских), затем пружина размещается в устройстве, где жестко фиксируется требуемая (заводская) геометрия пружины и поверхность витков пружины для восстановления исходной геометрии подвергается упрочнению, путем объемного обжатия.

Что касается устройства для реализации предложенного способа, то основой такового может стать известное устройство для заневоливания цилиндрической пружины (патент РФ 2635594) с тем отличием, что расстояние между спиральными канавками выполнено с требуемым (заводским) шагом пружины. Таким образом, устройство для восстановления цилиндрической пружины включает разборную обойму из двух половин с цилиндрической полостью, выполненных с возможностью их соединения и разделения посредством расположенных на сопрягаемых поверхностях шпонок и шпоночных пазов, с двумя съемными крышками с осевым отверстием, причем сердечник цилиндрической формы, соосно размещенный в обойме, жестко соединен с окончаниями из стержней круглого поперечного сечения, расположенных в отверстиях крышек, с головками «под ключ», а полость между обоймой и сердечником выполнена с возможностью размещения в ней пружины, при чем цилиндрические поверхности полости обоймы и сердечника выполнены со спиральными канавками для размещения в них витков пружины с требуемым (заводским) шагом пружины и с возможностью обжатия пружины сердечником путем его ограниченного продольного перемещения при силовом воздействии.

Пружина, подлежащая восстановлению, размещается в спиральных канавках цилиндрической полости обоймы и сердечника. Форма канавок соответствует форме поперечного сечения пружины с заводским шагом изготовления. После размещения восстанавливаемой пружины в разборном устройстве и само устройство с пружиной собирается в единую систему. Обойма неподвижно закрепляется, например, в полой цилиндрической опоре. Силовое воздействие осуществляется на сердечник, сначала на один из стержней, затем на другой, либо осевой силой сжатия, например, прессом, либо закручиванием, например, тарировочным ключом. При таких воздействиях сердечник перемещается относительно обоймы вдоль ее продольной оси, спиральные канавки сердечника и обоймы воздействуют на витки пружины с возникновением в них поперечной пластической деформации. При таком объемом обжатии витков возникает упрочненный поверхностный слой пружины, который после извлечения пружины из устройства, приводит к сохранению требуемой геометрии пружины и повышает ее прочностные характеристики.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показаны схемы заводской, подлежащей восстановлению и растянутой пружин.

На фиг. 2 показана схема сердечника.

На фиг. 3 показана схема обоймы.

На фиг. 4 показана схема устройства с пружиной.

Осуществление изобретения

Способ восстановления цилиндрической пружины, включает следующие операции.

Осуществляется осмотр пружины, определяется изменение ее размеров - шага витков и длины пружины относительно заводских характеристик.

Определяется возможность восстановления пружины, путем определения ее электрического сопротивления в ненагруженном состоянии, при растяжении и при сжатии. По результатам измерений делается вывод о возможности восстановления пружины.

Производится растяжение пружины до появления остаточных деформаций при общей длине деформированной пружины после снятия нагрузки не менее заводской.

Производится размещение пружины в устройстве, обеспечивающим формирование заводской геометрии пружины, сопровождающееся ее сжатием и закрепление заводской геометрии пружины путем силового воздействия на поверхность (объемного обжатия) ее витков.

Устройство для восстановления цилиндрической пружины включает разборную обойму 1, состоящую из двух половин 2 и 3 с цилиндрической полостью, выполненных с возможностью их соединения и разделения посредством расположенных на сопрягаемых поверхностях шпонок 4 и шпоночных пазов 5 и двух съемных крышек 6 и 7 с резьбовым соединением с обоймой и с осевым отверстием, причем сердечник цилиндрической формы 8, соосно размещенный в обойме, жестко соединен с окончаниями из стержней круглого поперечного сечения 9 и 10 расположенных в отверстиях крышек, с головами «под ключ» 11, а полость между обоймой 1 и сердечником 2 выполнена с возможностью размещения в ней пружины 12, причем цилиндрические поверхности полости обоймы 1 и сердечника 2 выполнены со спиральными канавками 13 (обойма) и 14 (сердечник) с заводским шагом пружины.

Процесс снаряжения устройства пружиной для ее восстановления происходит следующим образом. Растянутая до появления остаточных деформаций пружина 15, имеющая меньший диаметр в сравнении с исходным, навертывается на спиральные канавки 14 сердечника 8 и сопровождается небольшим сжатием, как вдоль оси пружины, так и поперек оси пружины. Поскольку диаметр пружины при этой операции возрастает, она силой упругости удерживается на сердечнике 8. Затем вокруг сердечника 8 смыкаются две половины обоймы 2 и 3 и обойма соединяется закручивающимися крышками 6 и 7.

Снаряженное устройство готово к процедуре обжатия витков размещенной в нем пружины.

Обойма неподвижно закрепляется, например, в полой цилиндрической опоре. Силовое воздействие осуществляется на сердечник, сначала на один из стержней, затем на другой, либо осевой силой сжатия, например, прессом, либо закручиванием, например, тарировочным ключом. При таких воздействиях сердечник перемещается относительно обоймы вдоль ее продольной оси, спиральные канавки сердечника и обоймы воздействуют на витки пружины с возникновением в них поперечной пластической деформации. При таком объемном обжатии витков возникает упрочненный поверхностный слой пружины что, после извлечения пружины из устройства, приводит к сохранению требуемой геометрии пружины и повышает ее прочностные характеристики.

Предлагаемое изобретение позволяет

- осуществить восстановление пружины без применения энергоемких технологических операций в условиях ремонтных предприятий;

- увеличить ресурс работы пружины.

Изобретение относится к ремонтному производству и может быть использовано при восстановлении упругости и первоначальной геометрии винтовых цилиндрических пружин, работающих на сжатие. Способ восстановления цилиндрической пружины включает оценку ее состояния, растяжение пружины до появления остаточных деформаций с достижением шага витков не менее шага изготовления заводской пружины, фиксацию ее первоначальной заводской геометрии и упрочнение витков пружины объемным обжатием. Устройство для восстановления цилиндрической пружины включает сборно-разборную обойму и сердечник со спиральными канавками, выполненными с шагом, равным шагу изготовления заводской пружины. При силовом воздействии на сердечник сжимают витки пружины, упрочняя поверхностный слой пружины и восстанавливая ее первоначальную геометрию. Обеспечивается восстановление упругости пружины. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ восстановления первоначальной геометрии винтовой цилиндрической пружины, работающей на сжатие, включающий растяжение пружины, её последующее сжатие и силовое воздействие на пружину, отличающийся тем, что растяжение пружины осуществляют до появления остаточных деформаций с обеспечением шага витков пружины не менее шага изготовления заводской пружины, при этом последующее сжатие и силовое воздействие на пружину осуществляют путем жесткой фиксации пружины с шагом, равным шагу изготовления заводской пружины, и упрочнения путем объемного обжатия пружины до возникновения упрочненного поверхностного слоя с сохранением первоначальной геометрии заводской пружины.

2. Устройство для восстановления первоначальной геометрии винтовой цилиндрической пружины, содержащее разборную обойму из двух половин с цилиндрической полостью, выполненных с возможностью их соединения и разделения посредством расположенных на сопрягаемых поверхностях шпонок и шпоночных пазов и двух съемных крышек с осевым отверстием, сердечник цилиндрической формы, соосно размещенный в обойме и жестко связанный с окончаниями из стержней круглого поперечного сечения, расположенных в отверстиях указанных крышек, при этом полость между обоймой и сердечником выполнена с возможностью размещения в ней восстанавливаемой пружины, а цилиндрические поверхности полости обоймы и сердечника выполнены со спиральными канавками для размещения в них витков пружины и с возможностью обжатия пружины сердечником за счет его ограниченного продольного перемещения при силовом воздействии, отличающееся тем, что спиральные канавки сердечника и обоймы выполнены из условия размещения и жесткой фиксации в полости между ними восстанавливаемой пружины с шагом, равным шагу изготовления заводской пружины, с сохранением ее первоначальной геометрии.