Совершенствование технологических процессов изготовления и пластического упрочнения малоиндексных и специальных пружин

В современной технике все большее применение находят специальные пружины: малоиндексные пружины и спирали из круглой и прямоугольной проволоки, пружины, упрочняемые пластической осадкой, тарельчатые пружины, малоиндексные пружинные шайбы (шайбы Гровера тяжелой серии) — кольцевые пружины сальников (манжетные пружины) и др.

Индекс —это отношение среднего диаметра витка Dcp к высоте сечения.

Dc Dc DHad материала h или к диаметру проволоки d = = = -). h d d.

Обычные или стандартные пружины имеют индекс с-4. 12, при котором не возникает технологических трудностей их изготовления. Малоиндексные пружины (с<4) имеют большую жесткость и несущую способность и применяются в демпферах сцепления, в гидроаппаратуре, клапанах, цилиндрах, предохранителях для создания больших усилий при сравнительно малых перемещениях. Много малоиндексных пружин из круглой и прямоугольной проволоки применяется в оборонной технике, в частности, в стрелковом и артиллерийском вооружении. Ярким примером ответственной малоиндексной пружины является пружина форсунки топливного насоса дизельного двигателя внутреннего сгорания. Например, индекс пружины форсунки дизельного двигателя КамАЗа с =2,85, танкового двигателя с =3,49. В некоторых случаях малоиндексные пружины могут заменить пакет тарельчатых пружин.

Пружинные шайбы малого индекса (тяжелая серия) применяются в карбюраторах, насосах, коробках скоростей, бытовой технике, механизмах летательных аппаратов, т. е. в тех случаях, когда корпусные детали выполнены из литых цветных сплавов. Давление от головки или гайки должно передаваться на более широкую кольцевую поверхность малопрочного материала корпуса через сравнительно большую площадь пружинной шайбы малого индекса. Кроме того, беззазорные спирали из прямоугольной проволоки могут служить негерметичными трубками, оболочками тросов, втулками, подшипниковыми вкладышами и другими деталями. Безотходная технология их изготовления также является и более Ф производительной: при навивке до 60 шт/мин, при токарной обработке 1 шт/мин.

Однако технологические вопросы изготовления и упрочнения малоиндексных и других специальных пружин решены недостаточно полно, и научные вопросы, связанные с формообразованием спиралей малого индекса также требуют дальнейшего изучения. Известно, что из двух схем навивки наиболее удобна для автоматизации процесса — безоправочная, т. е. ф схема формообразования «сжатие + изгиб». С уменьшением индекса резко возрастают усилие подачи, нагрузки на инструмент и другие параметры [1]. А при навивке на оправку малоиндексных пружин возникают проблемы, связанные с недостаточной жесткостью и прочностью оправок. В этой связи необходима более точная методика определения силовых факторов при навивке, с учетом явлений, характерных гибке на малые радиусы. Эти явления, т. е. изменения напряженно-деформированного состояния, связанного с надавливанием слоев, изучены в фундаментальных работах И. П. Ренне [2], [3], [4], посвященных одноугловой гибке листа пуансоном с малым радиусом.

Одноугловой гибке листовой заготовки на малый радиус также посвящена работа И. А. Норицина, Ю. Г. Калпина [5]. В этой работе для повышения точности расчетов упругой отдачи учтено распрямление изогнутых полок в процессе третьей стадии штамповки — калибровки.

1# Напряженно — деформированное состояние даже в основном очаге деформации при гибке на малый радиус принято линейным.

Также различным задачам гибки на прессах и ротационных машинах посвящены работы Мошнина Е. Н. [6], [7]. Напряженно — деформированное состояние принято линейным, что соответствует гибке на сравнительно большой радиус.

В теорию навивки на оправку пружин из круглой проволоки внесли значительный вклад такие видные ученые, как Малинин Н. Н., Пономарев С. Д., Блинник С. М., Феодосьев В. И., Ахмеров А. Ф., Заседателев С. М. и др. Напряженно — деформированное состояние в большинстве задач принято линейным. И только при навивке на оправку пружин с большим шагом или со значительным межвитковым давлением наряду с изгибающим моментом учтен и крутящий момент, т. е. учтены и касательные напряжения. При этом линейное напряженное состояние переходит в плоское напряженное. Но надавливание слоев при гибке на малый радиус в этих задачах не учитывалось, поэтому эти решения могут быть неприемлемы для расчета изготовления малоиндексных пружин. В работах Белкова Е. Г. и других авторов [1], [8],. [9], разработавших теорию безоправочной навивки пружин на автоматах, кроме изгибающего и крутящего моментов учтены осевая и перерезывающая силы. Напряженно — деформированное состояние остается плоско — напряженным. Но в этих работах также не учтено надавливание слоев при гибке на малый радиус, т. е., решение задачи изгиба на малый радиус круглого сечения в известной нам литературе отсутствует, что не позволяет уточнить методики расчета силовых и геометрических параметров в задачах гибки и навивки из материала круглого сечения.

Особенно следует отметить отсутствие в известной нам литературе исследований по изучению предельных технологических параметров навивки малоиндексных спиралей и пружин по схемам навивки «растяжение+изгиб» и «сжатие+изгиб». Это особенно важно для практики их применения и изготовления.

К специальным пружинам также можно отнести малоиндексные пружины, упрочняемые пластической осадкой. В процессе упрочнения в наружных волокнах витков создаются остаточные касательные напряжения отрицательного знака, что обуславливает повышение несущей способности и выносливости. Эффект упрочнения увеличивается с уменьшением индекса пружины, т.к. при упругих расчетах коэффициент увеличения напряжений на внутреннем волокне вследствие кривизны витка зависит от индекса с-а.

Расчет технологических и конструкторских параметров таких пружин посвящены работы Пономарева С. Д. [10] и Белкова Е. Г. [11], [12]. Однако, при изготовлении таких пружин, особенно крупных, горячей навивкой остается ряд проблем, связанных с точностью их изготовления. Рассеивание твердости, т. е. прочности после термообработки дает значительное изменение величины остаточной осадки пружины, т. е. изменение ее высоты, превышающее допуск по чертежу.

В машиностроении широкое применение нашел еще один вид специальных пружин — тарельчатые пружины или пружины Бельвиля. Они относятся к классу особо жестких пружин, способных выдержать большие нагрузки. Эти пружины можно также подвергать упрочнению пластической осадкой с образованием остаточных напряжений отрицательного знака, повышающих их несущую способность. Расчету таких пружин посвящены работы Феодосьева В. И. [13] и Соколова С. В. [14], а также Пономарева С. Д. и Андреевой JI.E. [26]. Кроме того, такие пружины нашли применение в строительных конструкциях, например, для виброизоляции перекрытий промышленных сооружений [15]. Но приведенные в этих работах методики трудоемки, не доведены до инженерных и поэтому трудно применимы для расчетов. А с другой стороны, в практике большинства заводов технологические трудности изготовления надежных тарельчатых пружин остаются до сих пор. Если закалить пружины до твердости HRC на нижнем пределе допуска — они не выдерживают нагрузку, появляется остаточная деформация. А если закалить на верхнем пределе — они становятся хрупкими, часто ломаются. Поэтому технологическая операция упрочнения пластической осадкой является в большинстве случаев просто необходимой. И в первую очередь здесь нужно рассчитать первоначальную высоту внутреннего конуса и величину остаточной деформации. Но приемлемой методики проектирования в известной нам литературе до сих пор нет.

Все вышеизложенное говорит об актуальности темы диссертации и позволяет сформулировать научно — техническую задачу: «Совершенствование процессов изготовления малоиндексных и специальных пружин методами навивки, штамповки и пластического упрочнения с целью повышения их технологичности, несущей способности, надежности и качества».

Экспериментальная работа проведена: для навивки малоиндексных спиралей и пружин на специально изготовленном станке с роликовой упорной головкой и силоизмерительными датчиками и на токарном станке в лаборатории кафедры МиТОМД ЮУрГУ и на ОАО «Автонормаль», г. Белебейдля крупных пружин — по всему циклу производства и контроля на ОАО ФНПЦ «Станкомаш" — для тарельчатых пружин — в лаборатории кафедры «Динамика и прочность машин» ЮУрГУ.

Материалы диссертации прошли апробацию на научно-технических конференциях: в Москве — Международный научный симпозиум, посвященный 140-летию МГТУ «МАМИ», Санкт-Петербурге «Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением», на ежегодных конференциях ЮУрГУ (2003;2005 г), а также на заседаниях технических советов на ОАО ФНПЦ «Станкомаш» (г.Челябинск), ОАО «Урал Трак» (г.Челябинск), ОАО «Автонормаль» (г.Белебей).

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Впервые изучены напряженное состояние и эволюция нейтральной поверхности при изгибе стержня круглого сечения на малый радиус с учетом надавливания слоев при плоском напряженном состоянии. Нейтральная поверхность представляет собой торообразную поверхность, смещающуюся вниз от цилиндрической поверхности по мере увеличения кривизны изгиба. Следы сечения нейтральной поверхности радиальными плоскостями являются участками гиперболы.

2. В развитие трудов Ренне И. П. для прямоугольного сечения и впервые для круглого сечения определены главные силовые факторы при навивке малоиндексных пружин и спиралей для двух схем навивки «сжатие+изгиб» и «растяжение+изгиб» с учетом одновременного действия изгибающего момента, осевой силы и надавливания слоев. С уменьшением относительного радиуса кривизны с рс = 4 до рс= 1,5 осевая сила подачи для схемы навивки «сжатие+изгиб» вызывает изменение напряжений сжатия от 0,1 до 0,3 от предела текучести материала. Несмотря на значительное смещение нейтральной поверхности и сложного распределения окружных и радиальных напряжений по сечению учет дополнительных факторов дает уточнение усилия подачи всего на 11% по сравнению с традиционным методом расчета по несущей способности на изгиб.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований определены предельные технологические возможности навивки малоиндексных пружин и спиралей из проволоки круглого сечения. Предельный индекс при навивке по схеме «сжатие+изгиб» на специально изготовленном станке с многороликовой упорной головкой составил с = 2,25. А при навивке по схеме «растяжении+изгиб», т. е. на гибкую оправку с помощью клещевого зажима и антифрикционных накладок предельный индекс составил с = 1,7.

4. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработана методика расчета технологических параметров формообразования и термообработки крупных пружин, закаливаемых после навивки и упрочняемых пластической осадкой. Методика учитывает дискретность шагов навивочного оборудования и позволяет в несколько раз повысить точность длины пружин.

5. В развитие трудов Феодосьева В. И. и Соколова С. В. разработана инженерная методика расчета тарельчатых пружин, упрочняемых пластической осадкой, с учетом влияния трения и гистерезисных явлений.

6. Разработанная технология изготовления пружины узла балочки беззазорного сцепного устройства вагонов электричек на ОАО ФНПЦ «Станкомаш» (г. Челябинск) позволила снизить постоянный брак и изготовить пружины в соответствии с требованиями чертежа. В связи с этим были своевременно выполнены новые для производства срочные заказы вагоностроителей, производящих высокоскоростные электрички типа «Спутник» и «Концепт». Корректировка конструкторских и технологических параметров тарельчатых пружин нефтяных задвижек на этом же заводе с учетом разработанной методики позволила резко снизить течь при стендовых испытаниях, что дало условный годовой экономический эффект более 500 тысяч рублей.

7. Решена важная научно-техническая задача «Совершенствование процессов изготовления малоиндексных и специальных пружин методами навивки, штамповки и пластической осадки с целью повышения их технологичности, несущей способности, надежности и качества».

8. В основном результаты исследований получены впервые. Их достоверность подтверждена лабораторными и промышленными экспериментами на испытательном оборудовании, охваченном метрологическим контролем, сравнением данных, полученных автором с результатами работ других исследователей, а также опытом использования новых техпроцессов на производстве.

Заключение

.