СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ВИНТОВЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПРУЖИН

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 ненадежность крепления пружины в неназванном зажимном приспособлении (трехкулачковый патрон?) 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).

Недостатком также является 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 наклепом по наружной и по внутренней поверхностям витков сжатой до соприкосновения витков пружины операцией штамповки на прессе за одну операцию.

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 6…48 часа, после чего производят наклеп наружной и внутренней поверхностей находящейся в отверстии матрицы упрочняющего устройства сжатой пружины штамповкой на прессе за одну операцию 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…5 мм в зависимости от диаметра витка.

Осуществление изобретения

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, заневоливание. Наклеп наружной и внутренней поверхностей пружины производят штамповкой на прессе посредством устройства упрочнения (штампа) при нахождении сжатой до соприкосновения витков пружины в отверстии матрицы устройства за одну операцию, 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 на 0,2…5 мм.

Для наклепа штамповкой внутренней и наружной поверхностей сжатой пружины предлагается использовать устройство, изображенное на фиг. 1 (а.с. 825253 СССР, М., кл.³ 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 (пуансона), 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 (матрицы) 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 оправкой 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.

С помощью представленного устройства возможно создать за одну операцию на внутренней и наружной поверхностях сжатой до соприкосновения витков пружины пластические деформации (наклеп), ускоряющие осадку и повышающие ресурс пружины, работающей в условиях длительного циклического нагружения.

Представленная операция упрочнения пружин в сжатом состоянии позволяет создать на внутренней и наружной поверхностях витков пружин 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 торцев, дробеметную обработку, заневоливание, подвергается дополнительной обработке внутренней и наружной поверхностей витков.

Представленная операция упрочнения внутренней и наружной поверхностей сжатой пружины штамповкой на прессе более производительна, 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 и зажима 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.

Предполагается увеличение долговечности (ресурса) упрочненных таким образом пружин в 1,4…2 раза относительно долговечности пружин, упрочненных известными способами, что согласуется с показанным в работах (Технический отчет №7036 / ЦНИИМ. - Санкт-Петербург, 1977, и 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 так называемым контактным заневоливанием.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- упрочнение внутренней и наружной поверхностей пружины производят в сжатом состоянии на быстродействующем прессе за одну операцию;

- наибольшая стабильность упругих свойств пружин;

- высокая производительность упрочнения пружин.