СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ВИНТОВЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПРУЖИН
HARDENING OF HELICAL COIL SPRINGS

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 1 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- или 5-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.
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 одновременно на наружной и внутренней поверхности витков сжатой пружины и в повышении производительности упрочнения.
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 заключительной стадии производят наклеп штамповкой наружной и внутренней поверхности пружины путем проталкивания плотно одетой на пуансон сжатой пружины через отверстие матрицы устройства, диаметр которого меньше диаметра находящейся на пуансоне пружины на 0,2-2 мм в зависимости от диаметра витка. При этом наклеп наружной и внутренней поверхностей пружины происходит за счет деформации витков на 0,2-2 мм между пуансоном и матрицей. Время наклепа 1-2 секунды.
Краткое описание чертежей
На фиг. изображено устройство для упрочнения винтовых цилиндрических пружин.
Осуществление изобретения
Способ упрочнения винтовых цилиндрических пружин осуществляется следующим образом. Например, 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 или производят 3-5-кратное сжатие до соприкосновения витков. На заключительной стадии производят наклеп штамповкой наружной и внутренней поверхности пружины путем проталкивания плотно одетой на пуансон сжатой пружины через отверстие матрицы устройства, диаметр которого меньше диаметра находящейся на пуансоне пружины на 0,2-2 мм в зависимости от диаметра витка. Время наклепа 1-2 секунды.
Для наклепа штамповкой внутренней и наружной поверхностей пружины 1 предлагается использовать устройство, содержащие матрицу 2, пуансон 3 с буртиком 4, упор 5. Матрицу 2 следует закрепить на столе штамповочного пресса (на фиг. не показан), а пуансон 3 - к верхней плите штамповочного пресса. Пружину 1 устанавливают с зазором в верхнюю расточку матрицы 2, где она опирается на коническую расточку или упор 5. Затем движением пресса опускают пуансон 3 вниз. При этом пуансон 3 плотно входит в пружину 1 до ее упора в буртик 4 пуансона и заходит, продолжая движение вниз и сжимая пружину, во вторую расточку, диаметр которой меньше наружного диаметра сжатой и находящейся на пуансоне 3 пружины 1. Выйдя из матрицы 2, пружина 1 несколько увеличит свой диаметр, после чего обратным ходом верхней плиты пресса снимают пружину 1 с пуансона 3, так как пружина 1 упрется в торец матрицы 2 и в нее не зайдет.
Пружина 1, прошедшая термообработку (закалку и отпуск для пружин из закаливаемой проволоки и отпуск для пружин из предварительно упрочненной проволоки), дробеметную обработку, заневоливание или 3-5-кратное сжатие до соприкосновения витков, подвергается дополнительной обработке внутренней и наружной поверхностей витков. Упрочнение внутренней и наружной поверхностей витков происходит за счет того, что разница диаметров внутренней поверхности матрицы 2 и пуансона 3 меньше диаметра витка пружины 1 на 0,2-2 мм. На внутренней и наружной поверхностях витка пружины 1 образуются зоны упрочненного металла, отчего возрастает предел текучести, создаются внутренние сжимающие напряжения, увеличивающие усталостную прочность и долговечность пружины 1.
Представленная операция упрочнения внутренней и наружной поверхностей пружин 1 штамповкой более производительна, чем известный способ упрочнения внутренней поверхности токарной обработкой, поскольку происходит на быстроходном штамповочном прессе и может быть механизирована с помощью применяемых при штамповке устройств для установки в штамп и удаления деталей из штампа. Время установки пружины 1 в матрицу 2, проталкивания пружины сквозь матрицу 2 и снятия пружины 1 с нее 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 упрочнения по предлагаемому способу.
Таким образом, применение предложенного способа упрочнения пружин 1 в сжатом состоянии позволяет создать на внутренней и наружной поверхностях витков пружин 1 сжимающие остаточные напряжения, которые складываются с растягивающими напряжениями, возникающими при работе пружины 1 и уменьшают их. Предполагается 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 пружин производят в сжатом состоянии;
- наибольшая стабильность упругих свойств пружин;
- высокая производительность упрочнения пружин.