CC BY
118
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 669
Н.Ю. Храмыцких, Е.Г. Белков, М.Г. Соломатов
УПРОЧНЕНИЕ КРУПНЫХ ПРУЖИН, ЗАКАЛИВАЕМЫХ ПОСЛЕ НАВИВКИ
Известно [1], что в холодном состоянии можно навивать пружины из прутка или проволоки до диаметра й?=14-16 мм. Горячей навивкой в России навивают пружины из прутка диаметром до 60 мм, а в мировой практике (Япония) - до 70 мм. Такие пружины имеют большие размеры и поэто-му узлы пружинных механизмов получаются громоздкими, большого веса и габаритов. В последние годы во многих отраслях машиностроения начали применять пружины, упрочняемые пластической осадкой после термообработки. Во многом этому способствовала разработанная методика проектирования таких пружин на ПЭВМ [2, 3]. Пружина проектируется и изготавливается с шагом большим, чем по ГОСТ, и поэтому при сжатии до соприкосновения витков она входит в пластическую зону нагружения с дополнительным набором нагрузки и упрочняется. После упругой разгрузки появляется остаточная де -формация Д/ и уменьшается шаг вигков.
Трудности применения таких пружин связа-ны в основном с их проектированием, так как сама технологическая операция осадки не требует специального оборудования и может быть выполнена на любом, даже испытательшм стенде или прессе. А эффективность от применения таких пружин значительна, так как по сравнению с пружинами по ГОСТ нагрузочная способ -ность упрочненных пружин на 25-35% выше. А если уменьшить диаметр прутка или проволоки на 10%, то, сохраняя ту же силовую характеристику и выносливость, какие были у неупроч -ненной пружины, можно уменьшить габариты и вес пружины на 35-50%.
Но в технологии изготовления таких пружин, закаливаемых после навивки, имеются дополнительные трудности. Они связаны с рассеиванием твердости после термообработки и соответствующим рассеиванием предела текучести и предела прочности в зависимости от реализации твердости по чертежу. По ГОСТ 1452-86 [4] НЯС=46-52,
тогда рассеивание предела прочности составит ств=146-205 кгс/мм 2« 1460-2050 МПа.
В новой конструкции спрпного устройства ва-гонов скоростных электричек типа «Спутник» и «Концепт» с целью уменьшения габаритов, повышения надежности и облегчения конструкции применена пружина, упрочненная пластической осадкой Чертеж пружины представлен на рис. 1.
При освоении узла сцепления на ОАО ФНЦП «Станкомаш» (г. Челябинск) возникли
серьезные технологические трудности. Рассеивание остаточной деформации после осадки (т.е. изменение длины пружины) в зависимости от крайних реализаций твердости может составить Д/ >16мм, а допуск на длину по чертежу состав -ляет ±2мм. Даже если уменьшить рассеивание твердости с НЯС=46-52 до 46-50, что применимо для технологии обычной термообработки, это не решит проблему. Следует отметить, что диапазон твердости по ГОСТ 14963-75 НЯС=46-52 завышен, и на практике большинства заводов пружины термообрабатывают на твердость НЯС=43-48 во избежании случаев хрупкого раз -рушения пружин.
Используя методику расчета на ПЭВМ пружин, упрочняемых пластической осадкой, «Пруж-96» [1], построим график зависимости
остаточной осадки Д/ и шага витков при навивке їн от реализованной твердости. В табл. 1 и на рис. 2 показаны необходимые варианты технологических параметров при конкретной реализации твердости, обеспечивающие необходимый размер длины пружины после пластической осадки до соприкосновения вигков. Здесь ї - шаг
вигков после осадки; X - относительная глубина пластической деформации. Например, при
Я =1,55 общая деформация превышает упругую деформацию на 55%. Пример расчета и эскиз пружины показаны на рис. 3 ив табл. 2.
Н50 'кгс
1. Направление наВиВки - любое.
2. Число рабочих битой п-8,5.
— 3. Число ВиткоВ полное П,шЮ.
4. Высота набибки 316±3 мм
5. Горбатое/ль пружины не более 5мм.
6. Неравномерность шага <3мм
7. Термически обработанная пружина подбергается занеболибанию путем десятикратного обжатия да бысоты 133мм.
8. Проверку на отсутствие деформации производить обжатием до Высоты 133мм.
9. Остальные технические требования по ГОСТ Н52-86
— 10. "Размеры и параметры для справок
.. „ г, Н-ВГОСТ 71191-78
11. Материал Круг Г0СТ к Я9_п.
Рис. 1. Чертеж пружины узла бапочки беззазорного сцепного устройства вагонов электрички БСУ-4
Краткая маршрутная технология:
1. Холодная навивка на оправку из мерного прутка 014 мм с помощью токарного станка.
2. Отрезка лишних участков витков на торцах с помощью вулканигового круга. Опорные витки имеют припуск для дальнейшего шлифования.
3. Термообработка. Закаливание в масло после 15-17-минутного прогрева в соляной ванне при 850°С. Отпуск в электрической камерной печи при температуре 400-500°С.
4. Холодная десятикратная осадка на прессе до соприкосновения витков. Появляется остаточная деформация.
5. Шлифовка торце в.
Анализ зависимостей на рис. 2 показывает, что
Рис. 2. Расчетная зависимость остаточной осадки и необходимого шага навивки & от твердости после термообработки
диапазон твердости нужно резко уменьшить. Поэтому предложен метод термообработки с контролем твердости при отпуске по образцам -свидетелям, проходящим тот же цикл закаливания и отпуска вместе с пружинами. Образцы-сввдете-ли - это отрезанные вулканиговым кругом лишние участки концевых витков. Пружины закаливаются и отпускаются небольшими партиями в корзинах по 4-8 шт. В каждую корзину поме -щаются 2-3 образца. Это позволяет периодически заранее вынимать их, охлаждать и измерять твердость в течение 8-15 мин. Пружины в это время продолжают находится в отпускной печи. Важными параметрами в этом случае являются температура и время выдержки образцов до первого замера. Если производить отпуск при высокой температуре, то снижение твердости происходит быстро. Пока измеряется твердость образцов, пружины могут получить заниженную твердость. Слишком низкая температура отпуска уменьшает производительность отпускной печи и повышает энергозатраты. Чтобы выбрать рациональные параметры, была проведена экспериментальная работа и построены графики зависимости твердости
Таблица 1
Расчетная зависимость остаточной осадки и необхо-димого шага навивки от твердости после термообработки
ИЯЄ 43 44 45 46 47 48
ы 18,5 13,5 8,06 5,42 2,84 1,83
и 30,2 29,6 28,9 28,7 28,3 28,1
ї 28 28 28 28 28 28
I 1,55 1,45 1,35 1,26 1,18 1,14
после проектирования на ПЭВМ
НРС
4
57
43 ——1—1———————————------------------>
1 2 £, ^
Рис. 4. Влияниевремени отпуска и температуры на снижение твердости стали 60С2А: х - по литературным источникам; • -экспериментальные точки; А1 - время контроля твердости по образцам-свидетепям
от времени отпуска и от температуры (рис. 4). На графиках точками отмечены эксперименты, проведенные авторами в условиях производства. Крестиками отмечены данные других экспериментов , приведенные в литературе [5], [6]. В из -вестной нам литературе нет непосредственных графиков «твердость-время» для стали 60С2, а имеются графики «твердость-температура» за
0,5; 1; 1,5 ч отпуска, или снижение предела проч-ности в зависимости от температуры. В последнем
Таблица 2
Рассчитывается: пружина сжатия, упрочненая пластической осадкой.
Конструкторский вариант расчета: по заданным геометрическим параметрам определяем силовую характеристику.
Исходные данные:
Глубина пластической осадки 1_т = 1.26
Рабочий ход, мм И = 85.00
Инерционный зазор М = 0.058
Длина пружины
при соприкосновении витков, мм Н3' = 133.00
Величина недоосадки, мм М = 0
Наружныйдиаметр пружины, мм й = 86.00
Диаметрпроволоки, мм ДО = 14.00
Твердость материала пружины НРС = 46.00
Проволока Закаленная
после навивки
Число опорных витков N0 = 1.50
Число шлифованных витков 1\1ш = 1.50
Результаты расчета:
Наружныйдиаметр пружины, мм й = 86.00
Диаметрпроволоки, мм ДО = 14.00
Число рабочих витков п = 8.50
Инерционный зазор М = 0.058
Индекс пружины с = 5.14
Остаточная деформация пружины, мм ^ = 5.42
Шаг пружины в свободном состоянии, мм 1 = 28.06
Деформация пружины, соотв.
нагрузке Ре, мм 1_Б = 99.15
Недоосадка до соприкосновения
витков, мм М = 0.00
Длина развертки пружины, мм 1_ = 2304.00
Вес пружины, кг 0 = 2.72
Шаг навивки пружины доосадки, мм Тп = 28.70
Длина пружины в своб. положении, мм Н0 = 252.50
Длина пружины при нагрузке Р1, мм Н1 = 224.93
Длина пружины при нагрузке Р2, мм Н2 = 139.93
Длина пружины при нагрузке Р3, мм Н3 = 133.00
Первая рабочая нагрузка, кг Р1 = 333,86
Вторая рабочая нагрузка, кг Р2 = 1363,09
Нагрузка, соответствующая длине Н3, кг Р 3 = 1447,02
Нагрузка начала пластической
деформации, кг Р Б = 1200,54
случае снижение твердости определялось пересчетом по формуле Шалина В.Н. [2]. Следует от -метить, что замеры твердости осуществлялись для одной партии прутков из одной плавки, т.е. при конкретной реализации химического состава стали. Для других партий и плавок кривые (СМ. рис. 4) могут несколько отличаться.
И еще одна технологическая трудность. На токарном станке нет плавной регулировки шага подачи. Шаг подачи изменяется дискретно: /=24; 26;
28; 30; 32. Поэтому из всех возможных вариантов пружины на рис. 2 нужно выбрать вариант с такой твердостью, чтобы ему соответствовал конкрет-ный шаг токарного станка. Известно, что при сня-тии с оправки за счет упругой отдачи увеличива-ется диаметр пружины и шаг витков, а число вит -ков и угол подъема витка уменьшаются. Все эти параметры несложно уточнить регулировкой при навивке и подбором и или расчетом диаметра оправки. Все, кроме шага витка, т.к. он измениться после упругой отдачи. В работе [5] приведены формулы для расчета изменения шага после разгрузки, т.е. после снятия с оправки
At = t,,
П + (1 -
2G
где ?„=28 - шаг навивки на токарном станке; П = П/Е =0,02 - относительный модуль упроч -нения [2]; с = Оср1 й =5,14 - индекс навивки; ст,«600 МПа - условный предел
текучести;
С=0,807 • 105 МПа - модуль сдвига; £=2,1 • 105 МПа -модуль упругости; ^=0,18 - коэффициент, опреде-ляемый по графику (рис. 5).
Изменение шага составит:
At = 28
0.02(1 -0.02)-0.18 •
б00
2 • 0.807 -105
= 0.7б.
Шаг пружины после снятия с оправки составит 28+0,76=28,76 мм. В соответствии с графиком на рис. 2 пружину необходимо закаливать и отпускать на твердость НЯС=46.
При этом температура отпуска 430 С соот-ветствует снижению твердости на одну еденипу за время Дґ430«12 мин. За это время можно успеть извлечь из печи образцы-свидетели, охладить их, замерить твердость и принять ре -шение, сколько времени еще должны находиться в печи сами пружины.
Ц 0,9 O.B O , 7 O,6 O.5 O,4 O,3 O,2
0,1
O
/
O 2 4 6 В 1O 12
16
Рис. 5. Зависимость коэффициента ^отугла подъема витка пружины по работе [7]
Проведенная экспериментальная работа и изготовление промышленных партий показали, что рассчитанные технологические параметры оказались наиболее рациональными. Пружины, из -готовленные по этим параметрам получают остаточную осадку при сжатии до соприкосновения витков Д/=6±1 мм, и припуск на оконча-тельную шлифовку опорных витков становится сравнительно небольшим.
Выводы
1. Для изготовления крупных пружин, упрочняемых пластической осадкой, во избежании рассеивания их длины после осадки наибо-лее приемлема технология их термообработки со стабильной температурой закаливания (например, нагрев в соляной ванне) и печью для отпуска камерного типа. Последнее позволяет применить метод опережающего замера твердости по образвдм-сввдетелям, что уменьшает рассеивание твердости в несколько раз.
2. При использовании конвейерных печей за -каливания и отпуска такой метод применить сложно и необходимо разрабатывать другие ме -тоды повышения точности термообработки.
Библиографический список
1. Навроцкий Г.А. Кузнечно-штамповочные автоматы. М.: Машиностроение, 1965. 424 с.
2. Лавриненко Ю.А., Белков Е.Г., Фадеев В.В. Упрочнение пружин. Уфа: Издательскийдом «Бизнес-партнер», 2002. 124 с.
3. Белков Е.Г. Холодная навивка пружин. Иркутск: Изд-во Иркутск. ун-та, 1987. 115 с.
4. Анурьев В.Н. Справочник конструкторамашиностроителя: В 3 т. М.: Машиностроение, 1980. Т. 3. 559 с.
5. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. 3-е изд., перераб. и доп. М.: М еталлургия, 1982. 400 с.
6. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник. 4-е изд., переаб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 480 с.
7. Пономарев С.Д. Упругопластические расчеты в связи с холодной навивкой цилиндрических пружин // Тр. МАИ. 1952. Вып. 17. С. 10-15.
