СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ВИНТОВЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПРУЖИН
METHOD OF HELICAL SPRINGS HARDENING

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 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.
Недостатком является и то, что данный способ не упрочняет работающих с контактом витков пружин, поскольку при осуществлении данного способа упрочнения наклепом по линии контакта витков между собой не происходит.
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 наклепом по наружной и по внутренней поверхностям витков сжатой пружины и поверхностей по линии контакта витков между собой.
3
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. Наклеп наружной и внутренней поверхностей и наклеп поверхностей пружины по линии контакта витков между собой, находящейся в отверстии матрицы устройства упрочнения сжатой пружины, производят штамповкой, причем наклеп наружной и внутренней поверхностей производят путем распирания ее витков к поверхности отверстия матрицы входящим в пружину пуансоном, причем диаметр отверстия матрицы равен диаметру сжатой пружины, а зазор между отверстием матрицы и поверхностью пуансона выбирают меньше диаметра витка пружины на 0,2…2 мм в зависимости от диаметра витка. Наклеп поверхностей по линии контакта витков между собой производят сжатием пружины усилием 5…300F. При этом наклеп внутренней и наружной поверхностей пружины и наклеп поверхностей пружины по линии контакта витков между собой осуществляют за одну операцию или раздельно.
Осуществление изобретения
3
Способ упрочнения винтовых цилиндрических пружин осуществляется следующим образом. 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. Наклеп наружной и внутренней поверхностей пружины и наклеп поверхностей пружины по линии контакта витков между собой производят штамповкой посредством устройства упрочнения при нахождении сжатой до соприкосновения витков пружины в отверстии матрицы, при этом наклеп наружной и внутренней поверхностей пружины производят путем распирания витков пружины к поверхности отверстия матрицы входящим в нее пуансоном, причем диаметр отверстия матрицы равен диаметру сжатой пружины, а зазор между отверстием матрицы и поверхностью пуансона выбирают меньше диаметра витка пружины. Наклеп поверхностей пружины по линии контакта витков между собой производят сжатием пружины осевым усилием 5…300F.
При этом наклеп внутренней и наружной поверхностей сжатой пружины и наклеп поверхностей по линии контакта витков между собой осуществляют за одну операцию или раздельно.
Для наклепа штамповкой внутренней и наружной поверхностей пружины и поверхностей в линии контакта витков между собой за одну операцию предлагается использовать устройство, изображенное на фиг. 1 (Патент РФ №2403465 С1, МПК F16F 1/06, B21F 35/00. Устройство для контактного заневоливания пружин. Тебенко Ю.М., Землянушнова Н.Ю., Землянушнов Н.А. - №2009139101/11; заявл. 22.10.2009; опубл. 10.11.2010. Бюл. 31. - 7 с.). При опускании верхней плиты 1 втулка 7 сжимает находящуюся в расточке матрицы 9 упрочняемую пружину 8 до соприкосновения витков, а оправка 5 входит в сжатую пружину 8 и распирает ее к поверхности расточки матрицы. Поскольку зазор между поверхностью расточки матрицы 9 и поверхностью оправки 5 меньше диаметра витка пружины 8, происходит радиальное сжатие витков пружины, от чего возникает наклеп на внутренней и наружной поверхностях сжатой пружины. После того как пуансон 5 войдет в пружину 8, втулка 7 упрется в торец пуансона 5, передавая от пресса осевое усилие 5…300F3 виткам пружины 8, от чего в линии соприкосновения ее витков между собой возникает наклеп.
3
Для наклепа штамповкой внутренней и наружной поверхностей сжатой пружины предлагается использовать устройство, изображенное на фиг. 2 (а.с. 825253 СССР, М. Кл. B21F 35/00, F16F 01/00. Устройство для заневоливания пружин / Тебенко Ю.М. - №2822172/25-12; заявл. 06.08.79; опубл. 30.04.81, Бюл. №16 за 1981 г. - 3 с.). Наклеп производят следующим образом. Движением пресса опускают верхнюю плиту 2. Заходная часть оправки, а затем и расправляющая часть входят в заневоливаемую пружину 5, после чего в пружину упирается подвижная втулка 9, сжимая ее до соприкосновения витков. Далее рабочая часть оправки входит вовнутрь пружины 5, распирая ее витки и прижимая их к поверхности расточки стакана 6. Благодаря тому, что зазор между поверхностями расточки стакана и рабочей части оправки меньше диаметра витка пружины, происходит наклеп внутренней и наружной поверхностей сжатой пружины. После выдержки верхнюю плиту 2 с пуансоном 1 поднимают. Подвижная втулка 9, скользя по оправке под действием пружин 10, сталкивает пружину 5 с оправки 4, оставляя пружину 5 в расточке стакана 6, откуда ее удаляют механически или вручную.
3
Для наклепа штамповкой поверхностей пружины по линии контакта витков между собой предлагается использовать устройство, изображенное на фиг. 3 (патент RU 2429932 С1, МПК B21F 35/00, F16F 1/02. Устройство для контактного заневоливания пружин. Тебенко Ю.М., Землянушнова Н.Ю., Землянушнов Н.А. - №2010131731/02, заявл. 28.07.2010, опуб. 27.09.2011. Бюл. 27. - 4 с.). Наклеп производят следующим образом. Пуансон 1 посредством движения пресса опускают, отчего пружина 4, сжимаясь, увеличивает свой наружный диаметр, пока все ее витки не придут в непрерывный контакте с внутренней поверхностью стакана 2. После выдержки под нагрузкой величиной 5…300F, обеспечивающей наклеп по линии контакта витков, пуансон поднимают, пружину вынимают из устройства.
С помощью представленных устройств возможно создать за одну операцию или раздельно на внутренней и наружной поверхностях сжатой до соприкосновения витков пружины и на поверхностях в линии контакта витков между собой пластические деформации (наклеп), ускоряющие осадку и повышающие ресурс пружины, работающей, в том числе, с силовым или ударным контактом витков в условиях длительного циклического нагружения.
Представленные операции упрочнения пружин в сжатом состоянии позволяют создать на внутренней и наружной поверхностях витков пружин и на поверхностях в линии контакта витков между собой сжимающие остаточные напряжения, которые складываются с растягивающими напряжениями, возникающими при работе пружины, и уменьшают их.
Пружина, прошедшая термообработку (закалку и отпуск для пружин из закаливаемой проволоки и отпуск для пружин из предварительно упрочненной проволоки), шлифовку торцов, дробеметную обработку, подвергается дополнительной обработке внутренней и наружной поверхностей витков и поверхностей в линии контакта витков между собой.
Представленные операции упрочнения внутренней и наружной поверхностей сжатой пружины и поверхностей в линии контакта витков между собой штамповкой более производительны, чем известная операция упрочнения внутренней поверхности токарной обработкой, поскольку происходят на быстроходном штамповочном прессе, и может быть механизирована с помощью применяемых при штамповке устройств для установки в устройство и удаления деталей из него. Время установки пружины в устройство упрочнения и выемки пружины 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 операции упрочнения по предлагаемому способу.
3
Предполагается увеличение долговечности (ресурса) 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: ОО «Мир данных», 2007. - 152 с.) увеличением долговечности (ресурса) пружин при использовании пластического упрочнения витков нагрузками 10…300F.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- упрочнение внутренней и наружной поверхностей пружины и поверхностей в линии контакта витков между собой производят в сжатом состоянии за одну операцию или раздельно;
- наибольшая стабильность упругих свойств пружин;
- высокая производительность упрочнения пружин.