Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПРУЖИН ИЗ СТАЛИ

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении крупногабаритных пружин из стали методом горячей навивки.

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°C (патент РФ №2208056, опубл. 10.07.2003).

Недостатком этого способа является ограниченная область его использования, обусловленная изготовлением пружин только методом холодной навивки.

Известен способ изготовления пружин, использующий эффект термомеханического упрочнения, заключающийся в нагреве заготовки до температуры аустенизации, подстуживании заготовки на 50-100°C, но не ниже температуры закалки, гибкие заготовки в направлении, противоположном направлению навивки, навивке ее на оправку и последующем охлаждении, причем суммарная степень деформации при гибке и навивке составляет от 15% до 40% (авт. св. СССР №28989, опубл. 25.09.1976).

Однако использование в указанном способе нерегулируемого процесса охлаждения делает непостоянными по длине пружины упрочняющий эффект и снижает качественные характеристики пружины.

Также известен 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 (патент РФ №1234018, опубл. 30.05.1986).

Недостатком этого способа также является нерегулируемый процесс охлаждения, что снижает, а то и сводит на нет эффект упрочнения от дополнительной высокотемпературной термомеханической обработки пружины, снижает прочностные характеристики.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления крупногабаритных пружин из стали, включающий нагрев прутка, навивку пружины из прутка при температуре его нагрева, закалку пружины и окончательную термообработку путем отпуска (патент РФ №2377091, опубл. 27.12.2009).

Нагрев прутка по этому способу осуществляют до температуры, обеспечивающей гомогенизацию высокотемпературной фазы стали, и проводят 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.

Недостатком этого способа является невысокое качество получаемых изделий ввиду неполной закалки внутренней поверхности витка пружины. В момент начала закалки в закалочном устройстве на внутренней поверхности витка пружины, контактирующей с оправкой, образуется паровая рубашка, препятствующая проводить закалку со скоростью охлаждения выше критической в интервале температур А₁-М_н для подавления распада переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений. Это приводит к тому, что на внутренней поверхности витка пружины формируется зона неполной закалки и образуется неравномерная микроструктура металла по всему поперечному сечению витка. Глубина зоны с неполной закалкой достигает нескольких миллиметров, ширина соответствует ширине контакта витка с оправкой. Вследствие неполной закалки внутренней поверхности витка пружины признаются негодными к эксплуатации и бракуются.

Техническим результатом заявляемого способа изготовления крупногабаритных пружин из стали является повышение качества производимых пружин за счет исключения зон неполной закалки на внутренней поверхности витков пружины, получение равномерной микроструктуры металла по всему поперечному сечению витка.

Указанный технический результат обеспечивается предлагаемым способом изготовления крупногабаритных пружин из стали, включающим нагрев прутка, навивку пружины из прутка при температуре его нагрева, закалку пружины и окончательную термообработку путем отпуска, повитковая закалка проводится с разными скоростями охлаждения, при этом пружина последовательно проходит через спрейерное устройство, где происходит принудительное удаление паровой рубашки с внутренней поверхности витка пружины, контактирующей с оправкой, в результате чего охлаждение пружины в интервале температур A₁-M_н происходит со скоростью выше критической, затем по мере погружения пружины в бак каждый виток пружины последовательно выходит из зоны воздействия спрейерного устройства и охлаждение пружины в интервале температур мартенситного превращения М_н-М_к происходит с медленной скоростью, во время которого и происходит окончательная закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ изготовления крупногабаритных пружин из стали отличается от прототипа тем, что повитковая закалка проводится с разными скоростями охлаждения, при этом пружина последовательно проходит через спрейерное устройство, где происходит принудительное удаление паровой рубашки с внутренней поверхности витка пружины, контактирующей с оправкой, в результате чего охлаждение пружины в интервале температур А₁-М_н происходит со скоростью выше критической, затем по мере погружения пружины в бак каждый виток пружины последовательно выходит из зоны воздействия спрейерного устройства, и охлаждение пружины в интервале температур мартенситного превращения М_н-М_к происходит с медленной скоростью, во время которого и происходит окончательная закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит. Такое отличие от прототипа дает основание утверждать о соответствии предлагаемого технического решения критерию изобретения «новизна». Сравнение предлагаемого устройства не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, не позволило выявить в них признаки, аналогичные отличительным признакам предлагаемого технического решения, что позволяет сделать вывод о соответствии условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Предлагаемый способ изготовления крупногабаритных пружин из стали осуществляют следующим образом.

Пруток-заготовку из стали для изготовления пружины нагревают непрерывно последовательно токами высокой частоты по всему сечению до температуры гомогенизации высокотемпературной фазы (примерно 1000-1050°C) и подают в зону навивки. После этого пруток-заготовку навивают на оправку. Каждый виток вместе с оправкой выдерживают в течение определенного для каждого состава стали периода времени, так называемая посленавивочная выдержка, например, в течение 15 с, затем подают в зону закалки, разделенную на зону ускоренного охлаждения в области высоких температур и замедленного охлаждения в области мартенситного превращения. Регулировку скоростей охлаждения осуществляют путем изменения зоны действия закалочного устройства, изменением скорости потока жидкости, проходящего через спрейер, изменением температуры закалочной жидкости. Затем последовательно проводят операции отпуска, дробеструйной обработки, многократного обжатия, контрольного испытания, покраски.

Заявляемый способ был проверен при изготовлении цилиндрических винтовых пружин сжатия с наружным диаметром 90-350 мм, изготавливаемых из прутков стали марок 60С2А, 60С2Г, 60С2ХФА и др. диаметром 10-70 мм. Пружины навивались на пружинно-навивочном оборудовании вертикальной компоновки, подвижный механизм спрейерного устройства располагался ниже уровня закалочной жидкости в баке. Температура нагрева прутков 1000-1050°С, посленавивочная выдержка - 10-15 с.

Проведенные исследования качества и прочностных характеристик пружин показали:

- повышение производительности навивочно-закалочных агрегатов за счет снижения времени охлаждения при закалке;

- повышение экологичности пружинного производства;

- 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 были подтверждены эксплуатационными.

Таким образом, за счет исключения зон неполной закалки на внутренней поверхности витков пружины, получения равномерной микроструктуры металла по всему поперечному сечению витка, заявляемый способ изготовления крупногабаритных пружин из стали существенно повышает качество производимых пружин, а также обеспечивает высокую производительность, повышенную экологическую и пожарную безопасность производства.