Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПРУЖИН ИЗ СТАЛИ

Изобретение относится к технологии машиностроения и может быть использовано в производстве крупногабаритных пружин из стали, получаемых горячей навивкой.

Известен способ изготовления высоконагруженных пружин сжатия, заключающийся в применении предварительно упрочненной проволоки и включающий навивку пружины, термообработку, шлифовку торцов, термоосадку и дробеметный наклеп, в котором термоосадку производят после дробеметного наклепа при температуре 200-250°С (см. патент РФ №2208056, кл. C21D 9/02, заявлено 2001.02.08, опубликовано 2003.07.10).

Недостатком этого способа является то, что он применим только для пружин холодной навивки.

Известен способ изготовления пружин, использующий эффект термомеханического упрочнения, заключающийся в нагреве заготовки до температуры аустенизации, подстуживании заготовки на 50-100°С, но не ниже температуры закалки, гибке заготовки в направлении, противоположном направлению навивки, навивке ее на оправку и последующем охлаждении, причем суммарная степень деформации при гибке и навивке составляет 15-40% (см. авт. св. СССР №528989, кл В21F 3/04, заявлено 31.01.75, опубликовано 25.09.76).

Применение в известном способе нерегламентированного охлаждения снижает и делает непостоянными по длине пружины упрочняющий эффект и прочностные характеристики.

Наиболее близким к заявляемому, выбранному за прототип, является способ изготовления крупногабаритных пружин, включающий высокотемпературную термомеханическую обработку прутка перед навивкой поперечно-винтовым протягиванием и навивку пружины с последующей окончательной термообработкой, включающий дополнительную высокотемпературную термомеханическую обработку пружины в период навивки, для чего перед навивкой осуществляют скоростной нагрев термомеханически упрочненного прутка до температуры на 100-150°С выше точки Ас₃ фазовых превращений, поперечно-винтовое протягивание осуществляют в направлении деформации витка при сжатии пружины, а в качестве окончательной термической обработки пружин применяют отпуск (см. патент РФ №1234018, кл. B21F 35/00, заявлено 13.08.84, опубликовано 30.05.86).

Недостатком прототипа также является то, что применение в нем нерегламентированного охлаждения снижает, а то и сводит на нет эффект упрочнения от дополнительной высокотемпературной термомеханической обработки пружины и снижает прочностные характеристики.

Предложен способ изготовления крупногабаритных пружин из стали, включающий нагрев прутка, навивку пружины из прутка при температуре его нагрева, закалку пружины и окончательную термообработку путем отпуска, при этом нагрев прутка осуществляют до температуры, обеспечивающей гомогенизацию высокотемпературной фазы стали, и производят повитковую закалку пружины, причем закалку каждого витка осуществляют после его навивки и посленавивочной выдержки в течение времени, обеспечивающего процессы полигонизации стали для затруднения рекристаллизационной перестройки ее структуры.

При изготовлении крупногабаритных пружин из стали предлагаемым способом происходит следующее.

Нагрев прутка до температуры, обеспечивающей гомогенизацию высокотемпературной фазы, выравнивает химический состав стали по содержанию в ней углерода и легирующих элементов. Перегрев приводит к росту зерна в стали, а следствием недогрева будет неравномерный в объеме химический состав и, как результат - в последствии неполная закалка. И в том, и в другом случае произойдет снижение прочности материала пружины.

При высокотемпературной навивке пружины по диаметру прутка происходит пластическая деформация, возникает термомеханическое упрочнение всей пружины. Охлаждение каждого витка пружины производят спустя определенное время (посленавивочная выдержка), постоянное для всех витков и определяемое химическим составом материала заготовки (прутка). Во время этой посленавивочной выдержки в деформированной при навивке пружинной стали происходят процессы полигонизации, затрудняющие рекристаллизационную перестройку структуры материала и оптимизирующие величину упрочнения, фиксируемую последующей повитковой закалкой. Повитковая закалка обеспечивает постоянство динамической прочности по длине пружины, что позволяет значительно повысить ее эксплуатационную долговечность. В известных же способах горячей навивки пружина после навивки, длящейся некоторое время, подвергается закалке целиком, спустя случайное время, определяемое конструктивными возможностями технологического оборудования. За это время в материале пружины происходит перестройка структуры горячего наклепа, образовавшейся при навивке, в структуру рекристаллизации, что и приводит к неравномерности величины упрочнения от витка к витку или полному снятию упрочнения.

Заявляемый способ может быть реализован на известном оборудовании для навивки пружин, например на устройстве по пат. SU №1348040, кл. B21F 3/04, опубл. 27.01.93, дополнительно оснащенном устройством обеспечения регулировки времени начала повитковой закалки пружины, например дополнительной, с регулируемым положением охлаждающей ванной.

Для реализации способа пруток-заготовку из стали для изготовления пружины нагревают непрерывно последовательно токами высокой частоты по всему сечению до температуры гомогенизации высокотемпературной фазы (примерно 1000-1050°С) и подают в зону навивки. После этого пруток-заготовку навивают на оправку. Каждый виток вместе с оправкой через определенный для каждого состава стали промежуток времени (посленавивочная выдержка), например 15 с, подают в устройство охлаждения, где происходит закалка. Полученная таким образом пружина в дальнейшем проходит операции отпуска, дробеструйной обработки, осадки (заневоливания), контрольного испытания, покраски.

Заявляемый способ был проверен при изготовлении цилиндрических винтовых пружин сжатия с наружным диаметром 90-135 мм, изготавливаемых из прутков стали марок 60С2А, 60С2Г, 60С2ХФА и др. диаметром 10-19 мм. Пружины навивались на пружинно-навивочном оборудовании вертикальной компоновки. Температура нагрева прутков 1000-1050°С, посленавивочная выдержка - 10-15 с.

Проведенные исследования качества и прочностных характеристик пружин показали:

- шаг витков пружины после операции осадки при общем уменьшении длины (высоты) пружины постоянен, что свидетельствует о постоянстве свойств материала пружины в каждом витке;

- исследование структуры стали в каждом витке показало, что закалкой зафиксирована мелкозернистая полигонизованная структура, постоянная по всей длине пружины;

- стендовые испытания на усталостную долговечность показали, что долговечность испытуемых пружин в 3-5 раз превышает долговечность пружин, изготовленных по известной технологии. Результаты стендовых испытаний подтверждены эксплуатационными.

Таким образом, заявляемый способ изготовления крупногабаритных пружин в сравнении с прототипом позволяет обеспечить повышенный и постоянный по длине пружины уровень качества и динамической прочности, что значительно увеличивает эксплуатационную долговечность винтовых пружин.