УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ПРУЖИН

Полезная модель относится к устройствам для изготовления и испытания деталей машин, а именно к устройствам для упрочнения цилиндрических пружин сжатия с одновременным автоматическим измерением и контролем силы и крутящего момента, прикладываемых к упрочняемой пружине.
Из уровня техники известно устройство для контактного заневоливания пружин (SU 43684 1, МПК F16F 1/04, опубл. 25.01.1979], которое содержит неподвижную плиту, подвижную плиту с направляющими для установки пружины, шаровую опору, соединяющую плиты, и втулку, при этом направляющие выполнены в виде пластин с прорезями, в. которых располагается пружина, а на торцовой поверхности подвижной плиты выполнены пазы для перемещения направляющих, имеющие глубину, превышающую высоту перемычек направляющих.
Недостатком известного устройства является отсутствие в его конструкции чувствительных элементов, позволяющих измерять усилие, прилагаемое к упрочняемой пружине.
Наиболее близким к заявленной полезной модели техническим решением, выбранным в качестве прототипа, признано устройство для контактного заневоливания пружин (RU 296968 2, МПК G01M 13/00, B21F 35/00, опубл. 10.04.2007). Приспособление содержит нижнюю неподвижную плиту и нижнюю подвижную плиту, на которой установлены направляющие опоры для пружины, при этом направляющие опоры установлены на нижней подвижной плите с возможностью переустановки по наружному диаметру пружины, которая размещается между нижним и верхним вкладышами, на торцевых поверхностях которых выполнены винтовые поверхности, повторяющие профиль крайних витков пружины и имеющие упоры, причем нижний вкладыш расположен на нижней подвижной плите между переустанавливаемыми направляющими опорами.
Недостатком прототипа является его низкая технологичность, обусловленная излишней сложностью конструкции приспособления.
Кроме того, устройство так же, как и описанный выше аналог, не содержит в своей конструкции элементов автоматики, которые позволили бы измерять усилие, прилагаемое к упрочняемой пружине.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является возможность проведения управляемых экспериментов по оптимизации технологических режимов упрочнения цилиндрических пружин сжатия.
Указанная задача решена тем, что устройство для упрочнения цилиндрических пружин сжатия содержит пуансон с приводом, нижнюю плиту с закрепленной на ней матрицей со сквозным центральным отверстием, на нижнем торце которой выполнен цилиндрический закрытый паз с уступом, в котором с возможностью свободного вращения установлена опорная шайба. При этом на верхнем торце матрицы посредством болтов закреплена крышка с центрирующим отверстием, предназначенным для введения через него пуансона в упрочняемую пружину, устанавливаемую в матрице с упором ее нижнего торца в упомянутую опорную шайбу. Отличает устройство от известных аналогов то, что на нижнем торце опорной шайбы закреплен чувствительный элемент, выполненный в виде совмещенного датчика измерения силы и крутящего момента с возможностью подключения его выхода к измерительному входу блока управления, выполненному на основе микроконтроллера, при этом привод пуансона выполнен с возможностью его подключения к силовому выходу блока управления.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков устройства, является возможность измерения прилагаемых к упрочняемой пружине динамических усилий с возможностью фиксации полученных данных и их дальнейшей статистической обработки с помощью чувствительного элемента и блока управления.
Конструкция устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано устройство упрочнения в разрезе, а на фиг. 2 - структурная схема блока управления.
Устройство имеет следующую конструкцию.
Его основной является нижняя плита 1, с закрепленной на ней матрицей 2 со сквозным центральным отверстием 3, на нижнем торце которой выполнен цилиндрический закрытый паз с уступом 4, в котором установлена опорная шайба 5 с возможностью свободного вращения. Сверху матрица 2 закрыта крышкой 6, снабженной центрирующим отверстием 7, и закрепленной на верхнем торце матрицы болтами. Через отверстие 7 крышки 6 в матрицу вводят пуансон 8 с надетой на него упрочняемой цилиндрической пружиной 9, нижний торец которой при этом опирается на опорную шайбу 5. На нижнем торце опорной шайбы 5 закреплен чувствительный элемент 10, выполненный в виде совмещенного датчика измерения силы и крутящего момента. Выход упомянутого датчика подключен к измерительному входу 11 блока управления, выполненному на основе микроконтроллера, а силовой выход 12 блока управления подключен к приводу пуансона (на фигурах условно не показан). Матрица 2 может быть закреплена на плите 1 посредством резьбового соединения, а привод пуансона 8 может быть выполнен гидравлическим или электромеханическим.
1
2
3
В качестве чувствительного элемента может быть применен датчик измерения силы и крутящего момента MCS10. В качестве привода пуансона может использоваться любой известный, например гидравлический привод с зубчатой передачей модели RH, обеспечивающий выходной момент до 3.0 Н-м, или электромеханический привод модели ЕМА-750.
4
Блок управления может быть выполнен на основе микроконтроллера, основанного на архитектуре STM8, содержащего микропроцессорное ядро 13, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 14, SRAM-памятью данных 15, двенадцатиразрядным аналого-цифровым преобразователем 16, энергонезависимой электрически перепрограммируемой памятью EEPROM 17, универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода и универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком USART 18. При этом к входу аналого-цифрового преобразователя 16 подключен измерительный вход 10, выполненный на основе операционных усилителей, первый универсальный
восьмиразрядный порт ввода-вывода 19 подключен к силовому выходу, выполненному на основе транзисторных ключей, ко второму порту ввода-вывода 20 подключена кнопочная клавиатура 21, а к третьему порту ввода-вывода 22 подключен текстовый LCD-индикатор 23.
Устройство для упрочнения цилиндрических пружин сжатия работает следующим образом.
Первоначально устройство готовят к работе, закрепив на плите 1 матрицу 2, предварительно установив в пазе 4 опорную шайбу 5. После чего в матрицу 2 устанавливают упрочняемую пружину 9 и закрепляют на верхнем торце матрицы 2 крышку 6. После чего подключают чувствительный элемент 10 к измерительному входу 11 блока управления, силовой выход 12 к приводу пуансона 8, а универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик 18 микроконтроллера блока управления подключают к персональному компьютеру посредством двунаправленного последовательного канала связи интерфейса обмена данными RS-232. Затем, используя кнопочную клавиатуру 21, подают управляющие команды микроконтроллеру. В соответствии с управляющей программой, хранящейся во FLASH-памяти программ 14 микроконтроллера, микропроцессорное ядро 13 формирует последовательность импульсов, подает их на порт ввода-вывода 19 и далее на силовой выход 12, обеспечивая отвод пуансона 8 в крайнее верхнее положение. Затем, подавая команды блоку управления с помощью клавиатуры 21 и управляя приводом пуансона, вводят его через отверстие 7 крышки 6 и центральное отверстие 3 матрицы 2 в упрочняемую пружину 9, после чего начинают проведение эксперимента по упрочнению пружины.
Используя численные параметры алгоритмов, хранящиеся в электрически перепрограммируемой памяти EEPROM 17 микроконтроллера, с помощью клавиатуры задают закон вертикального движения привода пуансона 9, после чего микропроцессорное ядро 13 на основе управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти 14 микроконтроллера, формирует последовательность управляющих импульсов, перемещая вертикальный привод и динамически нагружая упрочняемую пружину 9.
Рабочая часть пуансона 8 входит внутрь сжатой пружины 9, распирая поочередно ее витки и прижимая их к внутренней поверхности центрального отверстия 3 матрицы 2. Благодаря тому, что зазор между поверхностью отверстия матрицы 2 и поверхностью рабочей части пуансона 9 меньше диаметра проволоки/прутка, происходит радиальное сжатие витков пружины. При этом возникают пластические деформации в зонах по наружной и внутренней поверхностям сжатой пружины, что приводит к перераспределению напряжений на наиболее напряженной внутренней поверхности витков и повышению стойкости пружины к циклическим нагрузкам. Благодаря осевому сжатию витков возникают пластические деформации в зонах контакта витков между собой, что повышает ресурс пружины, работающей с силовым или ударным контактом витков. После достижения пуансоном 8 нижнего положения (после прохождения его рабочей части через всю упрочненную пружину) с помощью клавиатуры 21 подают команду микроконтроллеру и с помощью привода выводят пуансон 8 из матрицы 2. При этом пружина 9 опирается своим верхним торцом о крышку 6, в результате чего происходит ее выпрессовка с пуансона 8. Затем снимают с верхнего торца матрицы 2 крышку 6, открутив предварительно болты, и извлекают упрочненную пружину 9.
Во все время проведения эксперимента микропроцессорное ядро 13 на основе управляющей программы производит циклический опрос аналого-цифрового преобразователя 16, обеспечивая измерение с его помощью величины силы и крутящего момента, прилагаемых к пружине 9, выводя текущие значения величин на LCD-индикатор 23 и сохраняя их во временном буфере, расположенном в SRAM-памяти данных 15, отбрасывая при этом дублирующие значения. После окончания испытаний полученный массив данных передается на персональный компьютер с помощью универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART 18 посредством двунаправленного последовательного канала связи интерфейса обмена данными RS-232 для дальнейшей обработки.