Разработка методики проектирования технологических процессов изготовления высоконагруженных пружин сжатия

УДК 621.73

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ПРУЖИН СЖАТИЯ

Ю.А. Лавриненко

Приведена разработанная методика проектирования технологических процессов изготовления высоконагруженных пружин сжатия, включающая определение всех конструкторских и технологических параметров пружин, в том числе величины пластической осадки, от которой зависит высота пружины при навивке и размеры по всем переходам технологического процесса. Кроме этого, предложенный расчет распределения остаточных касательных напряжений в сечении витка пружины позволяет прогнозировать сопротивление усталости при эксплуатации пружины.

Ключевые слова: пружина клапана; дробеструйная обработка; термоосадка; математическая модель упрочнения.

В последние годы в технике передовых стран всё чаще применяются винтовые пружины рациональной конструкции, имеющие неограниченную выносливость, экономящие монтажное пространство. К ним относятся высоконагруженные пружины сжатия, упрочнённые дробеметной обработкой, пластической осадкой в нагретом и в холодном состояниях. В отечественном машиностроении такие способы упрочнения раньше практически не применялись из-за отсутствия стандартов, РТМ и методик их проектирования. В последние годы после проведения исследований имеются отдельные примеры успешного применения таких пружин в автомобильной, тракторной промышленности, в станкостроении, в горной технике и др.

Трудности применения таких пружин связаны в основном с их проектированием, поскольку технологическая операция осадки не требует специализированного оборудования и может быть выполнена на любом универсальном прессе. А эффективность упрочнения пружин значительна, т.к. по сравнению с пружинами по ГОСТ нагрузочная способность упрочнённых пружин на 25...30% выше. А если уменьшить диаметр проволоки или прутка на 10%, то, сохраняя ту же силовую характеристику и выносливость, какие были у неупрочнённой пружины, можно уменьшить габариты и вес пружины на 35. 50%.

Параметры витка (О; ф; Р3) для обычных пружин регламентированы ГОСТ 13766-86.13775-86. В зависимости от допускаемых напряжений различают три класса пружин. Для I класса напряжения небольшие (Тз=0,3ов), поэтому они обеспечивают неограниченную выносливость даже при малых инерционных зазорах.

У пружин II класса т3=0,5ов, поэтому они меньше по габаритам, но выносливость их может быть ограниченной. Для гарантии значительной выносливости инерционный зазор не должен быть слишком малым, а пружины в ряде случаев необходимо упрочнять дробеструйным наклёпом.

Пружины III класса имеют ещё большие напряжения при соприкосновении витков, а поэтому большой шаг и высокую скорость прохождения динамической волны вдоль пружины. Они применяются при импульсных нагрузках, которые в обычных пружинах I и II классов могут вызвать соударение витков и быстрое разрушение. В зависимости от применяемого материала пружины подразделяются также на разряды.

Для пружин неограниченной выносливости и значительной асимметрии цикла г=Р1/Р2 нужен инерционный зазор ö =0,427 (т.е. Р2 <R/1,75). Все остальные пружины могут быть нагружены в пределах зазора d=0,1...0,427. Следует отметить, что при d=0,5P2=0,5P3, т.е. используется только половина полученной упругой характеристики. Для пружин с малой асимметрией цикла, но с большим числом нагружений можно рекомендовать назначать d»0,30. К таким пружинам можно отнести пружины натяжения ремней, цепей, тросов передач. Нажимные пружины валков, тормозов и других устройств, хотя имеют несколько больший рабочий ход, но количество циклов нагружения у них меньше, поэтому для них также можно рекомендовать d» 0,3. Пружины штампов, как правило, имеют и большой рабочий ход, т.е. большую асимметрию цикла г и значительное число циклов нагружения, поэтому для них рекомендуется d=0,3 .0,427.

Номинальные коэффициенты относительных механических свойств получены без учёта влияния кривизны витка, т.е. индексаС=(D-d)/d.

В табл.1 приведены значения коэффициентов механических свойств Км, а варианты расчёта параметров пружины представлены в табл.2. Здесь представлены два крайних варианта: 1-й - когда задана силовая характеристика; 2-й - когда заданы геометрические параметры пружины. На практике могут встретиться промежуточные расчётные случаи, когда из пяти заданных параметров некоторые - силовые, а остальные - геометрические. Например, НЗР2Н2С или НЗР2Н0.

Таблица 1

Коэффициенты механических свойств Км

№ Материал (проволока) P* i ном. К1ном. Км

1 Высоконагартованная ов> 185 1,49 0,451 0,5

2 Средненагартованнаяов<185 1,433 0,466 0,2

3 Закалённая до навивки 1,392 0,524

4 Закалённая после навивки 1,35 0,515

Практика показала, что чертежи на многих заводах выполнены не по ГОСТ. Это в большей степени относится к уровню нагруженияКЦ= т3/&в.

С увеличением Кц возможности упрочнения уменьшаются, т.к. существующая пружина уже была перегружена. Для обеспечения значительной выносливости (И циклов) нельзя нагружать упрочнённую пружину до нагрузки Р3.

Таблица 2

Варианты расчёта параметров пружины_

Номер варианта Заданные параметры Варьируем Определяем

I Силовая характеристика, индекс навивки С С; Р Диаметр проволоки, геометрические параметры

И 3 Р2 Р С

2 Диаметр проволоки, габариты пружины й; D; Н з Силовую характеристику

И 3 Нз' D d

Примечание^ - рабочий ход пружины, мм;ё - диаметр проволоки, мм;Б - наружный диаметр пружины, мм; 5 - относительный инерционный зазор;Р2 - вторая рабочая на-

грузка;Н2 - высота пружиныпри второй нагрузке; Р - конструктивная относительная жесткость; С - индекс пружины;И'3 - высота пружины при сжатии до соприкосновения

витков;Км - коэффициент, соответствующий группе материалов; Р* ном. - относительный коэффициент, характеризующий диаграмму упрочнения;^ - т8/ов - относительный коэффициент, характеризующий упругое совершенство проволоки;К1ном. - то же, что и К1, но без учета кривизны витка;Кц- коэффициент, характеризующий уровень нагру-жения и количество циклов до разрушения (т3 = Кцов);Кс - коэффициент концентрации напряжений на внутреннем волокне вследствие кривизны витка

Но если при этом на чертеже анализируемой пружины был значительный инерционный зазор 8, то возможности упрочнения увеличиваются. Чтобы определить промежуточные, нестандартные значения этого коэффициента, необходимо производить расчёты.

Приведём пример алгоритма такого расчёта, реализованного в данной методике:

НАЗНАЧИМ: й; D; Н0; P2; а или HRC

ВЫЧИСЛИМ: С(10);

2(12);

«15);

1; Рз; Кс; Кц; 3.

В этом алгоритме введены новые формулы в дополнение к табл.2

[1]: 1з= Н0 - Нз, Рз= кц = 8РзСКс, 3=(Рз-Р2)/Рз.

р й ав

Выбор материалов для навивки пружин (упрочненная проволока) представлен в работах [1 и 2].

При проектировании можно прогнозировать возможность релаксации в зависимости от технологии осадки и инерционного зазора 3:

1) Осадка в процессе сборки для статических пружин (например, пружина шарнира наружного зеркала) - нагрузка уменьшится со временем при эксплуатации на ~ 7 %.

2) Осадка технологическая, однократная без выдержки по времени:

а) если при работе инерционный зазор 5>0,1, то заметной релаксации не ожидается;

б) если пружина статическая типа предохранительной, с малым числом циклов, малым инерционным зазором 5 = 0.0,03, то возможна релаксация до 7 %.

3) Осадка с выдержкой 10.20 с, или 5.8 кратная осадка до нагрузки Р3:

а) если при работе 5=0, то ожидается релаксация » 4 %;

б) если 5>0,1, то заметной релаксации не ожидается.

4) Осадка технологическая с заневоливанием на 48 ч - релаксация при эксплуатации не ожидается даже при50.

Расчёт пружин в упругой области (неупрочнённых) не вызывает особых затруднений, хотя принцип расчёта отличается от стандартной методики. Единственно, что следует отметить: точность расчёта по силовой характеристике зависит от плотности типоряда диаметров проволоки d¡, а если расчёт заканчивается выбором последнего диаметра, то он может быть недостоверным. Т.е. после примерного расчёта по силовой характеристике следует повторить его по геометрическим параметрам. При этом достигается более высокая точность. Расчёт пружин в пластической области (упрочнённых осадкой) удобнее проводить, задавая геометрические параметры монтажного пространства подкладными шайбами или втулками.

При изменении инерционного зазора 5 и рабочего хода h конструкция рассчитанной пружины не изменяется. Изменяются только условия эксплуатации пружины, т.е. рабочие нагрузки и соответствующие им длины.

Если пружина сравнительно длинная H/D>2, то в пункте I технических условий записывается уточнение: упрочнить пластической осадкой на оправке или в гильзе. Если H0/D>2,6, то пружина может потерять устойчивость даже в упругой области.

Расчет напряженно-деформированного состояния при термоосадке. Точность расчетов силовых и геометрических параметров пружин в пластической области в первую очередь зависит от точности построения исходной диаграммы сдвига х-у. Диаграмма деформирования при сдвиге, необходима для дальнейших расчетов [3]. Она позволяет учесть влияние температуры на изменение реологических свойств материала пружин. Особенностью расчета при термоосадке напряжённо-деформированного состояния (НДС) витка пружины малого индекса с<8, является необходимость учета кривизны стержня, работающего на кручение [4].

Введем следующие обозначения: dj - угол поворота сечения; R- ра-диусвитка пружины; p,a - полярные координаты расчётной точки; dz0 -длинаэлемента стержня, 0 = dj/dz0- относительный угол поворота. Вы-ражениедля деформации сдвига в расчётной точке {p, a}

424

q

7 = R---Р

R + р- cos« • к 4

Напряжение при упругой работе материала (t = Gg) определяется соотношением

GRe

t = ---Р.

R + р  cos а

Крутящий момент в сечении

T = \tpdS = GROW *.

Относительный угол поворота

= T

= gW •

Касательные напряжения в сечении распределены по закону

Tp

В формулах (3), (4) и (5) обозначено

t =

r 2p

pidp da

W * = íí-

00 R + p-cosa • w

Величина W* является геометрической характеристикой сечения и по размерности соответствует полярному моменту сопротивления круга. Геометрический фактор жёсткости для стержня большой кривизны

I* = RW*.

Осадка пружины при крутящем моменте T = PR

Л 2pR 2T fo\

где n- число витков пружины.

Или, заменив Тпо формуле (3), получим связь Ли 0:

Л = 2pR 2n0.

Определение поля остаточных касательных напряжений. В

процессе термоосадки при заданной температуре нагрева пружина сжимается до соприкосновения витков.

Связь между осадкой Л и относительным углом 0 закручивания устанавливается выражением (8), а деформации сдвига при известном0 определяются по формуле (1). Касательные напряжения t определяются при нагружении по заданной диаграмме сдвига t =F(g) при заданной температуре нагрева и для Т=20 0С при разгрузке.

425

Крутящий момент при термоосадке найден из выражения (3).

Считая разгрузку упругой, находим размах напряжений при снятии нагрузки по формуле (5). Наибольшее отрицательное остаточное напряжение после термоосадки ^ттах определяют суммированием напряжений при нагружении и при разгрузке;1- величина осадки в момент соприкосновения витков;1ст - уменьшение высоты пружины после термоосадки.

Расчет напряженно-деформированного состояния при дробе-мётной обработке. Расчет процесса деформирования при дробемётной обработке ведут последовательными шагами, учитывая изменение НДС в предыдущем расчёте. Такой метод расчёта принято называть расчётом кинетики напряжённо-деформированного состояния.

В качестве исходных данных для расчёта используют поле остаточных деформаций сдвига и поле остаточных пластических деформаций сдвига, полученных при расчёте процесса термоосадки. Кроме того, для расчета требуется поле внедренной пластической деформации от дробемё-та, которое определяют при травлении образца-свидетеля - тонкой контрольной пластинки, которая помещается в дробемётную камеру вместе с партией пружин.

В результате расчета получено распределение остаточных касательных напряжений после дробемётной обработки и величина остаточной осадки 1ост. дроб..

Расчет кинетики деформирования при трехкратной кратной холодной осадке. Трехкратная холодная осадка проводится сжатием пружины до соприкосновения витков при комнатной температуре. Расчет кинетики деформирования ведут последовательными шагами.

В качестве исходных данных для расчета используют поля нормальных и сдвиговых остаточных деформаций (полных и пластических), полученных после расчета процесса дробеметной обработки.

Можно рассчитать X, Хпл, е2 , р2, еф,рф, ег, рг после последнего шага для всех элементов разбиения. После упругой разгрузки по полям пластических деформаций можно определить поля полных деформаций, а по ним и остаточные напряжения.

В результате расчета получают распределение остаточных касательных напряжений после трехкратной холодной осадки и величину остаточной осадки Хост.. В результате трехкратная холодной осадки пружина уменьшает длину на ёХ.

В табл.3 представлен общий порядок (алгоритм) проектирования технологии изготовления высоконагруженных пружин сжатия.

426

Таблица 3

Алгоритм проектирования технологии изготовления еысоконагруженных пружин сжатия

1. Задание исходных параметров пружины: d. D. Н;,. Р;. и. nL.. с. рабочий ХОД ll, G

2. Расчет параметров пружины в упругой н пластической областях: C=(D-d) d: Z=1000dC3n: H3=d(ir^L5): л, =H:, -Н3: Р3=2>^:

К= = SP; СKi/JudW о=(Р?-Р;) Рз: г-: т;: т3: г: п,

3. Анализ результатов расчетов, выбор или подтверждение марки пружинной стали. Определение необходимости упрочнения пружины дробеструйной обработкой, термоосадкой. холодной осадкой

4. Построение лнаграммы деформирования т — у по результатам испытания пружины на осадку

5 Расчет напряженно-деформнрованного состояния пружины прн термоосадке, включая величину осадки в момент соприкосновения виге об а: уменьшение высоты пружины после термоосадки Я«: наибольшее отрицательное остаточное касательное напряжение т„„

б. Экспериментальное определение внедренной пластической деформации от дробеметной обработки при травлении образца свидетеля, а также расчет поля пластических деформаций

Расчет распределеинл остаточных поверхностных касательных напряжении при дробеметной обработке -р^ н их глубины остаточной осадкк пружины зр». с учетом поля остаточных пластических деформации сдвига на предыдущей операции тервкгас^жи

5. Расчет кинетики деф ормировання прн трехкратной холодной осадке с учетом полей нормальных и сдвиговых остаточных деформаций прн предыдущей операции упрочнения. Определение остаточных касательных напряжении н остаточной осадки

9. Расчет высоты пружинь: прн навивке, после шлифовки, после термоос&зки. после дробеметной обработки, после трехкратной холодной осадки

10. Проектирование оснастки

11. Оформление технологической документации

12. Опытная проверка технологии изготовления

13 Испытания на крип и сопротивление усталости

14 Запуск в производство

Заключение.

1. Разработанная методика позволяет рассчитать все конструкторские и технологические параметры пружины, в том числе величину пластической осадки. От этого параметра зависит высота пружины при навивке и размеры по всем технологическим переходам технологического процесса.

2. Определенное расчетным путем распределение остаточных касательных напряжений в сечении витка позволяет прогнозировать сопротивление усталости при работе пружины.

Список литературы

1. Лавриненко Ю.А., Белков Е.Г., Фадеев В.В. Упрочнение пружин// Издательский дом «Бизнес-Партнёр», 2002. 124 с.

2. Лавриненко Ю.А. Требования к материалам и способы упрочнения пружин клапана двигателей внутреннего сгорания // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2017. №3 (323). С.117-124.

427

3. Лавриненко Ю.А. Построение диаграммы деформирования проволоки 70ХГФА-Ш по испытаниям пружины на сжатие в пластической области // Кузнеч.-штамповоч. пр-во. Обработка металлов давлением. 2010. №7. С. 11-15.

4. Лавриненко Ю.А. Математическая модель процесса упрочнения пружин клапана двигателей автомобилей // Заготовительные производства в машиностроении. 2017. Т. 15. № 7. С. 302-310.

5. Белков Е.Г. Холодная навивка пружин. Иркутск: Изд-во Иркутского ун-та, 1987, 96 с.

Лавриненко Юрий Андреевич, канд. техн. наук, доц., mpf-tiilaaramhler.ru, Россия, Москва, ФГУП «НАМИ»

METHOD OF DEVELOPING OF TECHNOLOGICAL PROCESSES OF MANUFACTURING OF HIGH-LOADING SPRINGS

Yu.A. Lavrinenko

New method of developing of technological processes of manufacturing of high-loading springs, included calculation of all design and technological parameters of spring and value of thermo upsetting which is influenced to height of spring after coiling is presented. Moreover presented calculation of residual stresses in section of spring is allowed to forecast offatigue strength during performance of spring.

Key words: valve spring, cloud hurst hardening, thermal upsetting, mathematical model of hardening.

Lavrinenko Yuriy Andreevich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tiila aramhler. ru, Russia, Moscow, Federal State Unitary Enterprise NAMI

УДК 621.7; 004.942

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ СЕЛЕКТИВНОЙ СБОРКИ С ПОМОЩЬЮ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

О.В. Филипович, Г.В. Невар

Построена имитационная модель процесса однопараметрической селективной сборки двух деталей, учитывающая влияние погрешностей измерения на сортировку по селективным группам при одновариантном комплектовании. Приведены результаты моделирования, произведена оценка влияния погрешности измерения на показатели сборочного процесса.

Ключевые слова: селективная сборка, имитационная модель, погрешность измерения, ошибка сортировки.

Сортировка деталей на размерные группы является одним из основных этапов селективной сборки изделий. В поточном производстве рассматриваемый процесс обеспечивается контрольно-сортировочными

428