CC BY
62
УДК 621.778.27
Направления совершенствования технологий изготовления пружин ответственного назначения
Г. А. Данилин, Е. Ю. Ремшев, Е. С. Воронина, М. Ю. Силаев
Изложены проблемы нынешнего состояния производства пружин ответственного назначения и перспективные направления по совершенствованию структуры технологии и контроля полуфабрикатов на всех этапах их обработки. Показана эффективность применения титановых сплавов для изготовления пружин и обоснована возможность создания новых наукоемких технологий с применением комбинированных термомеханических средств воздействия на готовые изделия в целях повышения их качества.
Ключевые слова: пружины, акустическая эмиссия, аэротермоакустическая обработка, закалка, старение, титановые сплавы, остаточные напряжения.
Введение
Пружины как упругие элементы широко применяются в машино- и приборостроении, где выполняют роль амортизаторов, аккумуляторов энергии и приводов. Классификация пружин, показанная на рис. 1, позволяет прогнозировать применения тех или иных конструкций в разрабатываемых узлах машин.
В зависимости от условий работы к пружинам ответственного назначения предъявляют следующие требования:
• компактность и точность размерных параметров;
• высокие упругие свойства и обеспечение необходимого силового режима работы;
• надежность срабатывания и релаксационная стойкость;
• прочность (особенно элементов крепления);
• циклическая выносливость.
Для изготовления пружин различного назначения традиционно применяют как сред-неуглеродистые, так и легированные стали аустенитного класса с содержанием углерода 0,6-0,8 %. Особенностью этих сталей является то, что при нагреве до закалочной темпе-
ратуры образуется мелкозернистая структура мартенсит, обладающая высокой прочностью и минимальной пластичностью. Последующее быстрое охлаждение в воде или в масле фиксирует мартенсит в структуре аустенита, в результате чего повышаются прочностные и упругие свойства. Последующий отпуск упорядочивает и стабилизирует структуру, а также частично устраняет остаточные напряжения. Недостатками стальных пружин являются высокая удельная масса, склонность к коррозии, сравнительно невысокие упругие свойства и низкая релаксационная стойкость.
Проблемы технологической обработки конструкций пружин
В некоторых ответственных механизмах применяют пружины из бронзы БрБ2, БрКМц3-1 и др. Эти сплавы на основе меди обладают высокими упругими свойствами (модуль Юнга Е = 1.105 МПа, что в 2 раза меньше, чем у стали) и хорошей коррозионной стойкостью. К недостаткам бронзовых пружин следует отнести сравнительно большую удельную массу и высокую стоимость исходного материала.
Рис. 1. Классификация пружин
В последнее время для изготовления пружин в механизмах специального назначения применяют титановые сплавы ВТ16, ВТ23, ТС6, которые обладают более высокими прочностными и упругими характеристиками по сравнению с другими материалами. В закаленном и состаренном состояниях характеристики упругости титановых сплавов значительно выше, чем у сталей (табл. 1).
Титановые сплавы легкие, их плотность почти в 2 раза меньше, чем у стали и бронзы, обладают высокой коррозионной и термической стойкостью, что позволяет применять их для изготовления ответственных деталей, работающих в сложной химической и температурной средах. К недостаткам, кроме очевидной высокой стоимости, следует отнести
низкую технологичность, т. е. в некоторых случаях непригодность к традиционным способам штамповки и сложность подбора режимов термомеханической обработки для формирования заданных эксплуатационных характеристик пружин.
Возможная нестабильность и своеобразие поведения титановых сплавов в условиях эксплуатации в определенной степени объясняются непростыми закономерностями фазовых превращений в соответствии с диаграммой состояния Т1 — А1 [1] (рис. 2).
Фазовый переход из а-структуры в в- или (а + в)-структуры, обладающие высокими прочностными характеристиками, регламентированы узкими температурными границами в зависимости от процентного соотношения Т1
Таблица 1
Механические характеристики пружинных материалов после закалки и отпуска (старения)
Материал Режим термообработки ав, МПа а02, МПа Е.10-5, МПа 5, % V, %
Сталь 60С2А Закалка при 870 °С + + отпуск при 420 °С 1570 1375 2,1 6 20
Сталь 70С3А Закалка при 850 °С + + отпуск при 470 °С 1670 1470 2,1 6 25
Бронза БрБ2: мягкий сплав твердый сплав Закалка + старение Закалка + старение + + деформация 30-40 % 390-590 590-880 - 1,0 20 -
Сплав ВТ16 Закалка при 800 °С + + старение при 520 °С >1050 >950 1,1 >10 >30
Сплав ВТ23 Закалка при 800 °С + + старение при 500 °С >1300 - - 10-13 -
Сплав ТС6 ВТМО + + старение при 475 °С >1270 - - >4 >10
и А1. Небольшие колебания температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения изделия могут сказаться на количественном соотношении а, в и других модификаций фазового состояния, что не позволит достичь требуемых прочностных и упругих свойств [2]. Особенностью термообработки титановых сплавов является применение после закалки отпуска, который проводится в режиме старения и позволяет получать прочностные характеристики сплава, как правило превышающие их только после закалки.
Существенное влияние на работоспособность пружин оказывают остаточные напряжения. Как известно, остаточные напряжения являются результатом неоднородной пластической деформации или интенсивного теплового воздействия и быстрого охлаждения изделия
г, °с
1600
1400
1200
1000
800
600
400
Т1 20
40
60
80 А1
Т1
20
40
60
80
А1
(рис. 3). При производстве различных профилей прокаткой или волочением на наружной поверхности образуются растягивающие остаточные напряжения, поэтому изготовление пружин или других деталей путем холодной пластической деформации из проката в состоянии поставки (без предварительного отжига) нередко приводит к искажению формы, а в наиболее деформированных зонах — к образованию микротрещин. Наличие растягивающих остаточных напряжений 1-го и 2-го рода может со временем дестабилизировать микроструктуру материала, а в совокупности с внешним физико-химическим воздействием привести к коррозионному растрескиванию.
Выполнение комплекса требований, предъявляемых к пружинам специального назначения из титановых сплавов, вызывает необходимость более тщательного подхода к построению процессов контроля качества как исходного материала, так и готовой продукции. Например, недостаточно только визуального контроля на наличие трещин, царапин,
а) 30
, к10
§ 0
гё-ю
й
и
В*-30
б)
в)
Г'
Рис.2. Диаграмма состояния Т1 — А1
м 600 200 0 200 600 600 200 0 200 600 600 200 0 200 600
Площадь сечения образцов, мм2
Рис. 3. Распределение остаточных напряжений в тянутых латунных прутках [4]: а — осевые; б — тангенциальные; в — радиальные
закатов и других дефектов. Целесообразно применение неразрушающих методов контроля: ультразвукового сканирования с возможностью обнаружения не только наружных, но и внутренних дефектов; акустической эмиссии, позволяющей установить наличие и развитие микродефектов как в заготовках, так и в готовых деталях, находящихся под действием внешних нагрузок.
Традиционные механические испытания на растяжение должны включать испытания образцов в состоянии поставки, после отжига и после закалки и старения с регистрацией не только стандартных характеристик ав, а0,2, 5, V, но и истинных характеристик упругих свойств: предела пропорциональности апп, предела упругости Ступр и соответствующих деформаций. Акустико-эмиссионное сопровождение этих испытаний позволит опосредованно определить состояние материала и степень стабильности его микроструктуры. Наличие истинных упругих характеристик создает предпосылки для более объективного подхода к построению силовой диаграммы и других параметров, определяющих работоспособность пружин.
Как следует из приведенной классификации, большинство витых пружин в процессе эксплуатации испытывают деформацию сдвига, которая вызвана действием закручивающего момента. Поэтому на этапе входного контроля и оценки качества термомеханической обработки следует вводить испытание матери-
а)
М,
М2/Л
М1
«1
«2
а3
ала на кручение с установлением зависимостей хгф = /(угф) в упругой и пластической областях с проверкой адекватности соотношений т2ф = 2/л/3 . Применение акустико-эмиссион-ного сопровождения позволит установить уровень высвобождения внутренней энергии связи структуры сплавов и ее возможное изменение в условиях упруго-пластического сдвига.
Плоские спиральные пружины (рис. 4) предназначены для аккумулирования энергии и синхронного привода различных механизмов, которые в процессе работы испытывают действие изгибающего момента. При этом деформации изгиба витков пружин весьма незначительны. Однако в подобных конструкциях, так же как в некоторых витых пружинах кручения и растяжения, предусмотрены элементы крепления в виде зацепов. Форма зацепа зависит от способа и места крепления и, как правило, имеет участок, загнутый по образующей с малым относительным радиусом. Элементы такой кривизны предполагают наличие остаточных напряжений в зоне гиба. При изготовлении пружин из нагартован-ных заготовок (т. е. в состоянии поставки) эти напряжения достигают значительных значений, что может привести к искажению формы зацепов и прилегающих к ним частей пружины. Следовательно, эти элементы конструкции пружин являются наиболее уязвимыми с точки зрения технологии изготовления и последующей эксплуатации. В процессе работы зона зацепов служит концентратором напряжений, что в совокупности с другими негативными факторами
б) р„*
Рис. 4. Пружины кручения: а — спиральные; б — витые
является причинои снижения прочности и циклической стойкости всей конструкции.
Обоснование надежности функционирования конструкции пружин требует разработки специальной методики расчета основных параметров их работоспособности, тщательного построения последовательности и режимов проведения механических и термических операций, введения системы контроля полуфабрикатов на основны1х этапах обработки, в том числе и цикла испытаний готовых изделий с применением неразрушающих методов контроля.
Высокие прочностные и упругие характеристики пружин, да и других несущих конструкций, достигаются путем применения соответствующих материалов и цикла термомеханической обработки. При создании новых наукоемких технологий особое внимание уделяется исследованию возможностей комбинированных средств воздействия на металл: многоциклической обработки, переменных температурных и силовых полей, лазерного воздействия и др. Особый интерес представляет аэротермоакустическая обработка (АТАО) металлов и сплавов для повышения прочностных, упругих и пластических характеристик. Основными операциями в этих технологиях являются нагрев заготовок или изделий до определенных температур и последующее охлаждение в потоке газа с наложением мощного акустического поля звукового диапазона с уровнем звукового давления 150170 дБ [4, 5]. Заготовки охлаждают в резонаторе газоструйного генератора. Скорость охлаждения регулируется скоростью потока газа, его составом, температурой и другими параметрами.
Установлено, что АТАО повышает прокали-ваемость сталей, уменьшает или даже полностью снимает растягивающие остаточные напряжения, значительно увеличивает характеристики прочности по сравнению, например, с прочностью после закалки. В табл. 2 приведены механические характеристики некоторых материалов после стандартной термической обработки (СТО) и после АТАО [2, 4].
Результаты, приведенные в табл. 2, свидетельствуют о том, что АТАО повышает ав и сто,2 по сравнению со СТО на 15-20 % без снижения пластичности.
Выводы
1. Конструкции пружин, технические условия на их изготовление и сертификационные требования к исходному материалу определяют структуру технологических процессов и построение системы контроля качества готовых изделий.
2. При изготовлении пружин ответственного назначения, например пружин кручения, сжатия, растяжения, работающих как аккумуляторы энергии и синхронные приводы, на этапе входного контроля целесообразно применение неразрушающих методов оценки качества, которые позволяют выявлять не только наружные, но и внутренние дефекты исходного материала.
3. Обеспечение высокого качества пружин определяется обоснованной последовательностью проведения операций термомеханической обработки и системой контроля механических, технологических и эксплуатационных испытаний. Применение на всех этапах
Влияние АТАО на механические характеристики материалов
Таблица 2
Материал Режим термообработки Твердость ИКСэ после закалки Режим обработки Твердость ИИСэ ав, МПа а02, МПа 5, % V, % КСи, Дж/м2
Сталь 40Х СТО 56 Отпуск 550 °С 0,5 ч 33-35 1180 1120 12 52 70
Отпуск 550 °С 1,5 ч 30-32 1170 1080 13 56 80
Отпуск 600 °С 1,5 ч 20-23 1020 930 14 58 115
АТАО 56-58 Отпуск 550 °С 0,5 ч 35 1290 1215 13 56 80
Отпуск 550 °С 1,5 ч 32-34 1200 1140 13 56 120
Отпуск 600 °С 1,5 ч - 1060 1060 13 60 120
Сплав ВТ14 СТО - Отжиг 750-800 °С - 980 870 10 - -
АТАО - Отжиг 750-800 °С - 1160 1040 14 - -
контроля метода акустической эмиссии позволяет качественно оценить стабильность микроструктуры, выявить наличие предрасположенных к развитию микродефектов, прогнозировать релаксационную устойчивость готовых изделий.
4. Проведение механических испытаний материалов (на растяжение, кручение, изгиб) после основных этапов термомеханической обработки должно сопровождаться определением не только прочностных и пластических характеристик, но и степени нелинейности упругого участка диаграммы а^ - с регистрацией истинных характеристик упругости апш аупр, Е
5. Для проектирования конструкций пружин ответственного назначения и построения рациональной технологии их изготовления необходима разработка методик расчета основных параметров пружин с учетом реальных прочностных и упругих свойств, которыми обладает материал после цикла термомеханической обработки, с обязательной оценкой статической и циклической прочности элементов крепления (зацепов).
6. Для изготовления пружин ответственного назначения представляется перспективным применять аэротермоакустическую обработку изделий, что позволит стабилизовать микроструктуру материала, существенно повысить прочностные свойства и ликвидировать остаточные напряжения в изделии.
Литература
1. Колачев Б. А., Елагин В. И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСИС, 2001. 416 с.
2. Воробьева Г. А., Усков В. И. Аэротермоакустиче-ская обработка сталей и сплавов. СПб.: Изд-во БГТУ, 2012. 132 с.
3. Шалин В. Н. Остаточные напряжения в изделиях из нагартованных материалов. Научно-техническая информация. 1968. 98 с.
4. Ерофеев В. К., Воробьева Г. А., Генкин П. Г. Аэро-термоакустическая обработка металлов и сплавов / / Металлообработка. 2001. № 6. С. 18-22.
5. Влияние АТАО на свойства деформированных титановых сплавов / В. Н. Усков, Г. А. Данилин [и др.] // Металлообработка. 2013. № 1. С. 50-54.
