Спосіб виготовлення пружин зі сталі (варіанти).патентів
Винаходи відносяться до машинобудування і можуть бути використані при виробництві сталевих пружин, що виготовляються гарячою навивкою. Виробляють нагрівання прутка, навивку пружини з прутка, загартування пружини та остаточну термообробку шляхом відпустки. Перед навивкою пружини нагрітий пруток витримують при температурі нагріву, а загартування пружини здійснюють при безперервно-послідовному осьовому переміщенні в охолодному середовищі. Можливий варіант виготовлення пружин зі сталі, що включає нагрівання прутка, навивку пружини з прутка, загартування пружини та остаточну термообробку шляхом відпустки. Перед навивкою пружини нагрітий пруток піддають витримці при температурі нагріву, потім проводять підстуджування прутка і навивку пружини при цій же температурі, а загартування пружини здійснюють при безперервно-послідовному осьовому переміщенні в середовищі, що охолоджує. Також можливий варіант, в якому здійснюють нагрівання прутка, навивку пружини з прутка, загартування пружини та остаточну термообробку шляхом відпустки. Після нагрівання прутка роблять його підстуджування, при температурі якого виробляють гомогенізуючу витримку, а загартування пружини здійснюють при безперервно-послідовному осьовому переміщенні в середовищі, що охолоджує. Підвищується якість пружин. 3 зв. та 13 з.п. ф-ли, 4 іл.
Винахід відноситься до машинобудування і може бути використане при виробництві сталевих пружин, що виготовляються гарячою навивкою.
Відомий спосіб виготовлення великогабаритних пружин (авт. свід. SU №1234018, опубл. 30.05.86), що включає високотемпературну термомеханічну обробку прутка перед навивкою поперечно-гвинтовим протягуванням і навивку пружин з подальшою остаточною термообробкою,високотемпературну термомеханічну обробку пружин у період навивки, для чого перед навивкою здійснюють швидкісний нагрівання термомеханічно зміцненого прутка до температури на 100-150°C вище точки Ас3 фазових перетворень, поперечно-гвинтове протягування здійснюють у напрямку деформації витка при стисненні пружини, а пружин застосовують відпустку.
Недоліками відомого способу є трудомісткість процесу, так як застосовують двократну термомеханічну обробку, і невисока надійність процесу зміцнення, зважаючи на те, що друге нагрівання перед навивкою може призвести до рекристалізації в обсязі прутка сталі і звести нанівець ефект зміцнення від термомеханічної обробки прутка.
Недоліком відомого способу є невисока якість пружин, так як при загартуванні не гарантується збереження зміцнення від навивочної деформації. При підвищених температурах нагріву прутка, які потрібні для гомогенізації високотемпературної фази і при яких проводиться навивка пружини, час післядеформаційної паузи, необхідної для полігонізаційної перебудови структури різко скорочується, і процес рекристалізації відбувається вже в процесі навивки, розміцнюючи метал.
Завданням винаходу є підвищення якості пружин шляхом підвищення надійності процесу за рахунок введення паузи для гомогенізації високотемпературної фази, застосування регламентованого охолодження поверхневого обсягу прутка, формування полігонізаційної структури, що ускладнює рекристалізаційні процеси.
Варіанти реалізації способу представлені на графіках, де на фіг.1 зображено спосіб виготовлення пружин з температурою нагріву та гомогенізуючою витримкою; на фіг.2 - спосіб виготовлення пружин з підстуджуваннямповерхневих обсягів дроту після гомогенізуючої витримки при температурі нагріву; на фіг.3 - спосіб виготовлення пружини з гомогенізуючою витримкою після підстуджування дроту з температури нагрівання; на фіг.4 показаний спосіб виготовлення пружин по всіх попередніх способів зі змінним режимом охолодження.
Розглянемо докладніше процеси, що відбуваються під час здійснення кожного варіанта способу виготовлення пружин зі сталі.
На фіг.1 зображено спосіб, що включає швидкісний 1 нагрівання прутка до температур, що перевищують температуру Ас3, гомогенізуючу витримку 2, навивку пружини при цій температурі 3, переміщення навиваемой пружини при контрольно-стабілізованої температурі, що забезпечує формування полігонізованої структури, утрудняє охолодження із забезпеченням сталості часу 4 до початку охолодження кожного витка, загартування пружини при її послідовному осьовому переміщенні в зоні 5 охолодження.
Нагрів прутка і витримка при температурі, що гомогенізує високотемпературну фазу, вирівнює температуру перерізу прутка і хімічний склад сталі за вмістом в ній вуглецю і легуючих елементів. Введення гомогенізуючої паузи дозволяє нагрівати пруток сталі до нижчих температур, запобігши росту зерна. Взаємопов'язані значення температур нагріву та гомогенізуючої витримки повинні виключати явище недогріву.
При гарячому навивці пружини в поверхневих обсягах матеріалу прутка відбувається пластична деформація, виникає гаряча наклеп. Величина цього наклепу та збереження зміцнення сталі значною мірою залежить від температури деформації та часу до початку охолодження. Чим вище температура, тим менше величина наклепу і менше допустимий час до початку охолодження. Цепов'язано з тим, що в сталі, що деформується, і під час деформації, і під час паузи до охолодження відбувається полігонізаційна або рекристалізована перебудова структури. При фіксуванні загартуванням полігонізованої структури міцність сталі зростає, а при фіксуванні рекристалізованої - міцність зменшується.
Для проходження полігонізаційних процесів пропонується також спосіб виготовлення пружин зі сталі, представлений на фіг.2, що включає швидкісний 1 нагрівання прутка вище Ас3, гомогенізуючу витримку 2, контрольоване охолодження прутка 3 до температури не нижче Ас3, навивку 4 пружини, переміщення навиваемой пружини стабілізованої 5 температурі, що забезпечує формування полігонізованої структури, що ускладнює рекристалізаційні процеси, в зону охолодження із забезпеченням сталості часу до початку охолодження кожного витка, загартування пружини при послідовному осьовому переміщенні в зоні 6 охолодження. Контрольованому охолодженню 3 можуть піддаватися тільки зміцнені при навивці поверхневі об'єми дроту.
Поверхневий об'єм металу, сформованого витка пружини, перед початком загартованого охолодження витримується при контрольно-стабілізованій температурі, щоб виключити підігрів, що розміцнює. Послідовний вхід через однаковий час навитих витків в охолодний пристрій в загартованій пружині забезпечує однакову полігонізовану структуру і сталість підвищених характеристик міцності по довжині пружини, що значно підвищує її експлуатаційну довговічність.
Для забезпечення процесів полігонізації пропонується третій спосіб, представлений на фіг.3, що включає швидкісний 1 нагрівання прутка до температури, що перевищує Ас3, підстуджування прутка 2 не нижче Ас3, гомогенізуючу витримку 3 при ційтемпературі, навивку 4 пружини, переміщення 5 навиваемой пружини при контрольно-стабілізованої температурі, що забезпечує формування полігонізованої структури, що утруднює рекристалізаційні процеси, в зону 6 охолодження із забезпеченням сталості часу до початку охолодження кожного витка, загартування пружини при послідовному.
Пропоновані варіанти способу виготовлення пружин можуть бути реалізовані на відомому устаткуванні для навивки пружин, оснащеному пристроями для здійснення гомогенізуючих пауз, контрольованого підстуджування поверхневих обсягів прутка, при створенні сталості часу входу сформованих витків в зону охолодження для гартування пружини.
При реалізації способу пруток-заготівлю зі сталі 60С2А для виготовлення пружини нагрівали безперервно-послідовно струмами високої частоти до температури, при якій під час витримки відбувається гомогенізація високотемпературної фази (приблизно 950-1050°C), потім підстуджували поверхневий об'єм прутка і виготовляли навивку. Пружина, що навивається, гартувалася при переміщенні в охолодному пристрої уздовж своєї осі. Час початку охолодження кожного витка був постійним. Отримана таким чином пружина надалі проходить операції відпустки, дробоструминної обробки, опади, контрольного випробування, фарбування.
Пропонований спосіб перевірений при виготовленні циліндричних пружин стиснення та розтягування із зовнішнім діаметром 70-100 мм, що виготовляються з прутків сталі марок 60С2А, 60С2ХФА діаметром 10-15 мм. Температура нагрівання прутків 950-1020°C, час гомогенізуючої витримки 10-15 с, температура підстуджування поверхневого об'єму 850-950°C, послідовний вхід витків пружини в охолодний пристрій через 5-15 с.
Проведенідослідження якості та міцності пружин показали:
1) сталість дисперсної полігонізованої структури стали на всій довжині пружини. Середній розмір осередків феритної матриці 50-70 нм, карбідів 20-30 нм;
2) високу стабільність силових характеристик пружин при стисканні, а саме, розкид величин сил при стисканні до фіксованого прогину не перевищує 10%, величина, що допускається, до 20%;
3) високу, в межах 3 мм, стабільність розмірів пружин по висоті, що допускається різновисотність в межах 15 мм;
4) залишкова деформація після контрольної опади в межах 0,1-0,3 мм, тоді як деформація, що допускається, становить 2 мм;
5) у збільшенні більш ніж у 15 разів числа циклів до руйнування при випробуванні на втому;
6) збільшення на 30-35% руйнівної напруги при базовому числі циклів.
Таким чином, пропонований спосіб виготовлення пружин зі сталі (варіанти) дозволяє збільшити характеристики міцності і довговічність пружин, забезпечити високу якість.
формула винаходу
1. Спосіб виготовлення пружин зі сталі, що включає нагрівання прутка, навивку пружини з прутка, загартування пружини і остаточну термообробку шляхом відпустки, який відрізняється тим, що перед навивкою пружини нагрітий пруток піддають витримці при температурі нагрівання, а загартування пружини здійснюють переміщенні в охолодному середовищі.
2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що час початку охолодження кожного витка пружини постійно залежить від марки сталі.
3. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що час початку охолодження кожного витка пружини постійно залежить від температури навивки.
4. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що нагрівання прутка виробляють струмами високої частоти.
6. Спосіб виготовлення пружин зі сталі, що включає нагрівання прутка, навивку пружини з прутка, загартування пружини і остаточну термообробку шляхом відпустки, який відрізняється тим, що перед навивкою пружини нагрітий пруток піддають витримці при температурі нагріву, потім виробляють підстуджування прутка і температурі, а загартування пружини здійснюють при безперервно-послідовному осьовому переміщенні в охолодному середовищі.
7. Спосіб за п. 6, який відрізняється тим, що підстуджування виробляють тільки шару прутка, що зміцнюється при навивці пружини.
8. Спосіб за п.6, який відрізняється тим, що час початку охолодження кожного витка пружини постійно залежить від марки сталі.
9. Спосіб за п.6, який відрізняється тим, що час початку охолодження кожного витка пружини постійно залежить від температури навивки.
10. Спосіб за п.6, який відрізняється тим, що нагрівання прутка виробляють струмами високої частоти.
12. Спосіб виготовлення пружин зі сталі, що включає нагрівання прутка, навивку пружини з прутка, загартування пружини і остаточну термообробку шляхом відпустки, який відрізняється тим, що після нагрівання прутка виробляють його підстуджування, при температурі якого роблять гомогенізуючу витримку, а загартування послідовному осьовому переміщенні в охолодному середовищі.
13. Спосіб за п.12, який відрізняється тим, що час початку охолодження кожного витка пружини постійно залежить від марки сталі і температури навивки.
14. Спосіб за п.12, який відрізняється тим, що час початку охолодження кожного витка пружини постійно залежить від температури навивки.
15. Спосіб за п.12, який відрізняється тим, що нагрівання прутка виробляють струмами високої частоти.