СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРУЖИН
METHOD OF SPRING RECOVERY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к способам восстановления упругих свойств пружин из холоднодеформированной предварительно термически обработанной, обычно патентированной проволоки, и может быть применено на предприятиях по ремонту сельхозмашин, транспорта, вооружения, грузоподъемной или иной техники.
Уровень техники
Известен 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 [1]. Способ осуществляют следующим образом. Растяжение витков пружины механизма газораспределения двигателя ЯМЗ-238НБ осуществляют с помощью конусных роликов, обеспечивающих растяжение каждого витка силой , где P - 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 Р=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 A, 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% [1].
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 [2]. 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°C, что не выполнено. А для равномерного закаливания пружин рекомендуется [3] использовать установки для электроконтактного нагрева или установки индукционного нагрева токами высокой частоты с ламповым или с машинным (1500…15000 пер/сек) 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.
Известен электроконтактный способ восстановления пружин [4], принятый за прототип: «Очень эффективным способом восстановления пружин является электроконтактный способ, основанный на сочетании пластической деформации и нагрева детали пружин электрической энергией, в структурном отношении находящейся в аустенитном состоянии с последующей ее закалкой. Технология восстановления пружин основана на низкотермомеханической обработке, где пружину деформируют в температурной зоне существования переохлажденного аустенита в области его относительной устойчивости 400…600°C. Температура деформации выше температуры начала мартенситного образования, но ниже температуры рекристаллизации. Степень деформации составляет 70…90%. Закалку осуществляют сразу после деформации. Формирование структуры закаленной стали при обработке происходит в условиях повышенной плотности дислокации, обусловленных наклепом. Такая комплексная обработка позволяет получить высокую прочность. Высокие механические свойства после термической обработки объясняются большой плотностью дислокации в мартенсите, дроблением его кристаллов на отдельные фрагменты величиной доли микрона. После деформации аустенита закалка приводит к образованию плотных дислокаций, сочетающих фрагменты мартенсита.
Восстанавливаемая пружина закрепляется в приспособлении и растягивается до первоначальной длины в соответствии с техническими условиями. Витки пружины смачиваются отработанным моторным маслом и через пружину пропускают электрический ток напряжением 18-36 вольт, сила тока 180-200 ампер (от сварочного трансформатора ВДУ-500). В результате пружина нагревается до обгорания масла, что соответствует температуре 350-400°C, после чего электрический ток отключается и пружина остывает в растянутом состоянии. Упругость пружины проверяют на приборе МИП-100-2» [4].
Недостатками являются: отсутствие необходимой защиты поверхности пружины от обезуглероживания при нагреве и закалке; отсутствие обязательных для обеспечения долговечности пружины операций отпуска пружины после закалки и дробеструйной обработки для ликвидации возникающих после закалки концентраторов напряжений; отсутствие обязательного для пружин заневоливания.
Указанные способы в основном относятся к восстановлению пружин из закаливаемой проволоки и не предназначены для пружин из холоднодеформированной предварительно термически обработанной, обычно патентированной проволоки, что является недостатком.
Раскрытие изобретения
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в разработке технологического процесса восстановления пружин, позволяющего расширить технологические возможности способа и повысить качество пружин из холоднодеформированной предварительно термически обработанной, обычно патентированной проволоки.
3
3
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, отличается тем, что пружину нагревают до температуры отпуска и в нагретом состоянии растягивают с шагом витков, превышающим шаг витков готовой пружины, производят отпуск в растянутом состоянии неостывшей пружины и выдерживают в растянутом состоянии до остывания. Затем производят дробеметный наклеп и прессовку пружины осевой нагрузкой, составляющей 10…300 F, где F - сила пружины при максимальной деформации, в том числе с предварительным обычным заневоливанием, и повторно прессовку нагрузкой, 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 необходимости перед термообработкой пружины правят.
Применяемые при этом операции растяжения нагретой пружины, отпуск и ее охлаждение в растянутом состоянии относятся к методам термомеханической обработки, приводящим к образованию особой структуры и субструктуры мартенсита и бейнита, в результате чего сталь приобретает высокие механические свойства [9, с.200]. А благодаря операции прессовки происходит пластическое упрочнение пружины: создается благоприятное напряженное состояние на поверхности и внутри витков, противодействующее возникновению осадки при работе пружины. Использование метода пропорционального приложения нагрузки [5] обеспечивает точность изготовления пружин по высоте и нагрузке. Время приложения нагрузки - секунды. Для более равномерного распределения нагрузки по сечению витков пружины ее прилагают вибрационно [6]. Определение нагрузки и припуска на осадку пружины известны (ориентировочно 1,5…2 припуска под обычное заневоливание) и уточняются испытаниями пружин [7, 8].
Предполагается увеличение ресурса восстановленных таким образом пружин в 1,4…2 раза относительно ресурса пружин, восстановленных известными способами, что согласуется с показанным в работах [7, 8] увеличением ресурса пружин при использовании контактного заневоливания, в том числе с предварительным обычным заневоливанием.
3
Способ осуществляют следующим образом. Нагретую пружину до температуры отпуска (~200…600 C°) посредством электроконтактной или т.в.ч. - установки, или нагретую в печи в среде защитного газа растягивают с шагом, превышающим шаг готовой пружины, и производят отпуск в растянутом состоянии неостывшей пружины, выдерживают в растянутом состоянии до остывания. Затем производят дробеметный наклеп, выполняют прессовку пружины осевой нагрузкой в пределах 10…300 F, в том числе с предварительным обычным заневоливанием, и повторно нагрузкой, увеличенной пропорционально отношению требуемой осадки к осадке от приложения первой нагрузки. Далее производят нанесение защитного покрытия и замеры параметров пружины, консервацию и упаковку или установку в изделие. При восстановлении особенно точных по силовым параметрам пружин после растяжения их правят.
Примечание. Способ восстановления пружин основан на низкотемпературной термомеханической обработке [9]. Отпуск производят в соответствии с режимами, принятыми для определенной марки пружинных сталей [9, 10].
Источники информации
1. А.с. SU №1055574 A, B21F 35/00. Бюл. 43, 1983.
2. Лузгин Н.П. Изготовление пружин. - М.: Высш. школа, 1980. - 144 с.
3. Остроумов В.П. Производство винтовых цилиндрических пружин. - М.; «Машиностроение», 1970. - 136 с.
4. Информация приведена на сайте «Промышленная Сибирь» под названием: «Электроконтактный способ восстановления пружин», код ГРНТИ 688583 от 27.11.2003, с адресом поставщика информации: Россия, г.Омск, 644046, ул. Учебная, 199-Б, к. 410; тел. (3812) 31-17-14, контактное лицо Иванова Анастасия; E-mail: adm@sibindustry.ru
5. А.с. СССР 554915, М.кл. B21F 35/00, 10.07.75.
6. А.с. СССР 580474, М.кл. G01M 13/00, B21F 35/00, 1976.
7. Тебенко Ю.М. Проблемы производства высокоскоростных пружин и пути их решения. Монография. - Ставрополь: ООО «Мир данных», 2007. - 152 с.
8. Землянушнова Н.Ю. Расчет винтовых цилиндрических пружин сжатия при контактном заневоливании. Монография. - Ставрополь: АГРУС, 2008. - 136 с.
9. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1982. - 400 с.
10. Журавлева В.М., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник. Изд. 3-е, перераб. и доп. - Машиностроение, 1981. - 391 с., ил.