СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРУЖИН С ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТЬЮ

Изобретение относится к области изготовления стальных винтовых пружин сжатия с повышенной конструкционной прочностью, работающих в агрессивной сероводородсодержащей среде.

Из существующего уровня техники известны различные способы, которые позволяют изготовить пружины или со стабильными упругими характеристиками, или особо выносливые пружины, но с низкими упругими характеристиками во времени. Все способы трудоемки, энергозатратны и склонны к рассеиванию геометрических параметров и силовой характеристики пружин.

Специально разработанный процесс, в производстве изготовления пружин, - наклеп при дробеметной обработке, также как и термическая обработка, позволяет значительно улучшить механические свойства изготавливаемой пружины. Этот процесс создает остаточное напряжение сжатия на обрабатываемой поверхности для повышения сопротивляемости пружины против усталости, коррозии под нагрузкой и износа.

Как известно, в процессе приложения осевой нагрузки, возникающие в материале витка пружины напряжения распределены по длине и поперечному сечению неравномерно. Наиболее напряженными оказываются слои металла на наружной и внутренней поверхностях витка пружины. При этом напряжения на внутренней поверхности витка пружины больше, чем на наружной в 1,4÷1,6 раза [1].

Величина этого неравенства зависит от конструктивных параметров пружины, в том числе величины кривизны витка пружины. Повышенный уровень напряжений на внутренней поверхности витка пружины приводит к тому, что усталостная трещина зарождается на внутренней поверхности витка пружины. Поэтому, с целью эффективного упрочнения пружин при дробеметной обработке, внутренние слои пружины обрабатываются наиболее интенсивно. Это удается выполнить только у пружин, имеющих относительно небольшие диаметры пружины и прутка, из которого она навивается, и большой межвитковый зазор (более чем в 2÷3 раза превышающий диаметр прутка). При таких конструктивных параметрах поток дроби достигает внутренней поверхности витков пружины и производит их наклеп.

В пружинах, имеющих большие диаметры и малый межвитковый зазор (меньший или равный диаметру прутка), поток дроби практически не достигает внутренней поверхности витков и не производит их упрочнения. У таких пружин эффективность дробеметной обработки незначительна, так как она нейтрализует только имеющиеся дефекты на наружной поверхности витка, а разрушение развивается с его внутренней поверхности.

Известен способ упрочнения цилиндрических винтовых пружин сжатия (патент РФ №2595175 «Способ упрочнения цилиндрических винтовых пружин сжатия», B21F 35/00, C21D 7/06, опубликовано 20.08.2016), включающий операции навивки, закалки, отпуска, дробеструйной обработки и заневоливания пружины, после чего производят наклеп внутренней поверхности пружин с использованием устройства упрочнения. Последнее содержит три деформирующих ролика, расположенных друг относительно друга под углом 120°. Усилие наклепа внутренней поверхности пружины создают за счет разворота каждого из деформирующих роликов на угол, величина которого зависит от заданного радиального усилия. Наклеп осуществляют при вращении пружины со скоростью не более 10 об/мин. Повышаются усталостная прочность и долговечность винтовых цилиндрических пружин, снижаются шум, вибрации и усилия протягивания при обработке, повышается период стойкости устройства упрочнения.

К существенным недостаткам известного способа, выбранного в качестве ближайшего аналога-прототипа заявляемого технического решения, следует отнести следующее:

- отсутствие возможности создания определенного по величине и постоянного во времени усилия, необходимого для проведения операции наклепа внутренней поверхности пружины, которое создается за счет разворота каждого из деформирующих роликов на некоторый угол, образуемый за счет наличия некоторого эксцентриситета е между осью каждого из роликов и осью их вращения;

- при развороте каждого из деформирующих роликов на некоторый угол, за счет наличия некоторого эксцентриситета е между осью каждого из роликов и осью их вращения, обеспечивается в большей мере наклеп не внутренней, а боковой - межвитковой поверхности пружины;

- отсутствие элементов крепления пружины в зажимном приспособлении, приводит как к провороту пружины вокруг своей оси, так и к ее сжатию внутри зажимного приспособления при проведении операции наклепа.

Технической задачей, решаемой изобретением, является разработка способа изготовления пружин с повышенной прочностью за счет создания остаточного напряжения сжатия как на внутренней, так и на внешней поверхности витка пружины с целью повышения сопротивляемости изготавливаемой пружины против усталости, коррозии под нагрузкой и износа.

Для решения поставленной задачи предлагается способ изготовления пружин с повышенной прочностью, включающий в себя операции навивки, закалки, отпуска, наклепа при дробеметной обработке и заневоливания, отличающийся тем, что навивку пружины из прутка производят на оправке, содержащей на рабочей поверхности канавку в форме спирали в направлении и с шагом витка соответствующим направлению и шагу навивки изготавливаемой пружины, в поперечном сечении канавка представляет часть окружности с радиусом R_окр равным радиусу прутка и длиной L_окр равной 1/3÷1/2 длины окружности прутка, а процесс наклепа внутренней и внешней поверхности пружины производят обкаткой устройством упрочнения, содержащим два и более кратное двум деформирующих роликов, расположенных друг относительно друга под углом 180°, ось вращения которых образует угол 90° с осью навиваемого на оправку прутка пружины, а на цилиндрической поверхности деформирующих роликов содержится канавка, геометрические размеры которой в поперечном сечении соответствуют геометрическим размерам канавки оправки, при этом, усилие, необходимое для проведения операции наклепа внутренней и внешней поверхности пружины, создается за счет резьбовой фиксации подвижных направляющих деформирующих роликов на боковой поверхности устройства упрочнения, а процесс обкатки пружины устройством упрочнения производят дважды - по завершению процесса навивки и после термической обработки пружины.

Указанная в предлагаемом изобретении совокупность признаков, а именно:

- наличие резьбовой фиксации подвижных направляющих деформирующих роликов на боковой поверхности устройства упрочнения позволяет обеспечить заданное по величине и постоянное во времени усилие в процессе проведения операции наклепа внутренней и внешней поверхности пружины;

- наличие канавки на поверхности оправки и на цилиндрической поверхности ролика со схожими геометрическими размерами, а также наличие угла 90° между осью вращения деформирующих роликов и осью навиваемого на оправку прутка пружины увеличивают эффективность процесса наклепа, обеспечивая после его завершения наличие остаточного напряжения сжатия как на внутренней, так и на внешней поверхности витка пружины для повышения ее сопротивляемости против усталости, коррозии под нагрузкой и износа;

- наличие на рабочей поверхности оправки канавки в форме спирали позволяет обеспечить продольную фиксацию пружины при проведении операции наклепа;

- обкатка пружины устройством упрочнения по завершению процесса навивки позволяет нивелировать созданные при навивке напряжения, а обкатка пружины после термической обработки - создать остаточное напряжение сжатия на внутренней и внешней поверхности витка пружины.

Достигаемым техническим результатом, обеспечиваемым указанной совокупностью признаков, является повышение усталостной прочности и как следствие эксплуатационного ресурса стальных винтовых пружин сжатия, работающих в коррозионных средах.

Сущность изобретения, а также осуществление способа изготовления пружин с повышенной прочностью поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оправка и навитая на оправку пружина, на фиг. 2 - показана навитая на оправку пружина в устройстве упрочнения, на фиг. 3 - устройство упрочнения, вид сбоку. Устройство упрочнения представлено с наименьшим, кратным двум, количеством деформирующих роликов.

Способ осуществляют следующим образом.

После выполнения операции навивки пружины 1 из прутка на оправку 2, последняя крепится на суппорте токарного станка. Устройство упрочнения 3, содержащее два деформирующих ролика 4, устанавливается в патроне токарного станка. Перемещением подвижных направляющих 5 деформирующих роликов 4 задают угол 90° между осью вращения деформирующих роликов 4 и осью навитого на оправку первого прутка пружины 1, а за счет резьбовой фиксации на боковой поверхности устройства упрочнения 3 подвижных направляющих 5 на заданном расстоянии относительно продольной оси устройства упрочнения 3 создают требуемое усилие, необходимое для проведения операции наклепа внутренней и внешней поверхности пружины. Процесс упрочнения пружины 1 осуществляют путем вращения устройства упрочнения 3 с числом оборотов не более 5 об/мин с последовательным движением каждого из деформирующих роликов 4 по внешней поверхности пружины 1.

В процессе упрочнения, предлагаемым в данном изобретении способом, на внутренней и внешней поверхности витка пружины создается упрочненный слой с повышенными механическими свойствами и остаточным напряжением сжатия, который при эксплуатационных нагрузках пружины нейтрализует концентраторы напряжений, имеющих глубину, соизмеримую с глубиной распространения остаточных сжимающих напряжений. Все это оказывает упрочняющее воздействие - увеличивая уровень допустимых рабочих напряжений и срок службы пружины.

После этого производится термическая обработка пружины, обеспечивая тем самым постоянство созданных упругих свойств готового изделия - пружины.

По окончании термообработки производится повторная обкатка пружины устройством упрочнения, далее контроль параметров и, если это необходимо, обжатие, заневоливание и другие дополнительные механические операции: отделка и обработка поверхности. Завершается процесс производства пружины окрашиванием и сушкой.

При осуществлении изобретения получен технический результат, заключающийся в изготовлении стальных винтовых пружин сжатия с повышенной конструкционной прочностью, работающих в агрессивной сероводород содержащей среде.

Из патентной литературы не известны способы изготовлении стальных винтовых пружин сжатия с повышенной конструкционной прочностью с идентичными существенными признаками заявляемому техническому решению, что говорит о его новизне и соответствию этому критерию для изобретения.

Совокупность изложенных выше существенных признаков необходима и достаточна для реализации задачи заявляемого решения. При этом между совокупностью существенных признаков и задачей, поставленной и решаемой изобретением, существует причинно-следственная связь, при которой сама совокупность признаков является причиной, а решаемая ими задача является следствием. Исходя из этих доводов, правомерен вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует установленному критерию - изобретательский уровень (неочевидность).

Заявляемое техническое решение может быть неоднократно реализовано с получением указанного выше технического результата.

Решение, таким образом, соответствует критерию «промышленная применимость».

Предлагаемое решение в качестве изобретения применяется в промышленных масштабах для собственных нужд в Газопромысловом управлении ООО «Газпром добыча Астрахань» при производстве ремонтных работ по восстановлению работоспособности клапана-отсекателя модели «BAAOFVHE» комплекта подземного оборудования производства фирмы «Baker Hughes Inc.» (США), связанных с заменой разрушенной исполнительной пружины на пружину с повышенной конструкционной прочностью, изготовленную в соответствии с предлагаемым изобретением из материала MP35N согласно разработанной спецификации.

Технико-экономическое преимущество заявляемого изобретения заключается в изготовлении пружин, не уступающих по своим технико-эксплуатационным свойствам оригинальным импортным аналогам, при значительно меньших производственных затратах.

Источники информации:

1. Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. - М.: Машиностроение, 1980; ГОСТ Р 54326-2011. Пружины рессорного подвешивания железнодорожного подвижного состава. Методы испытания на циклическую долговечность.