Как изготавливаются пружины растяжения
Как известно, существуют различные виды пружин, которые отличаются не только по конструкции, но еще и по способу взаимодействия с остальными механизмами в узлах. Так, например, пружины сжатия работают на сжатие, пружины растяжения — на растяжение, ну а пружины кручения, соответственно, на изгиб и скручивание. При этом данные виды пружин имеют витую форму, в отличии от той же тарельчатой пружины или от любого типа пружин-рессор. Само собой, технология изготовления пружин витого типа будет отличаться от того как происходит производство пружин с другой конструкцией.
В целом, технология изготовления пружин подразумевает под собой совокупность последовательного использования специальных технологических инструментов, например, станочного оборудования и каких-либо сырьевых материалов. При этом, само производство пружин может происходить за разное число этапов и с использованием различных способов, которые выбирает непосредственно сам завод-производитель, в зависимости от назначения конкретной пружины. Соответственно, технология меняется исходя из всех характеристик и конструкционных параметров у этого металлического изделия.
Пожалуй, наиболее распространенными в промышленности и быту считаются как раз таки витые виды пружин, а именно, кручения, сжатия, растяжения. По этой причине нами сегодня будет рассмотрено, что представляет технология изготовления пружин из данной классификации. Вообще, наличие специальной навивки в конструкции позволяет подобным пружинам многократно воспринимать повторяющиеся нагрузки, проявляя высокую степень устойчивости к разным механическим воздействиям без потери своих характеристик, в числе которых имеются следующие физико-химические свойства:
- Коэффициент упругости
- Предел воспринимаемой нагрузки
- Усталостная прочность
Именно эти параметры влияют на продолжительность, а главное, на качество работы пружин. Собственно, для того, чтобы обеспечить данным изделиям максимально возможную долгосрочность эксплуатации, производство пружин должно осуществляться из надежного сырьевого материала, посредством поэтапного применения разных технически процессов на специальном оборудовании. Как правило, навивка осуществляется оператором из стальной проволоки на токарных станках либо вручную, либо через автомат одним из двух основных способов: горячим методом или же холодным методом.
Холодная технология изготовления пружин
Производство пружин холодным способом в Российской Федерации выполняют чуть чаще, нежели горячим, ввиду наиболее низкой себестоимости производства. Для таких работ не требуются дополнительные дорогостоящие станки, кроме навивочного. Собственно, такой метод предполагает использование оборудования, оснащенного двумя основными валиками, через которые и происходит навивка. Верхний из валиков позволяет регулировать натяжение, а также задавать направление завивки, используя для этого специально установленный винт. Сам процесс изготовления выполняется примерно так:
- Подготавливается специальная сталь для изготовления пружин (стальная проволока).
- Проволока просовывается через планку в суппорте.
- Ее конец прочно закрепляется на оправке при помощи зажима.
- Через верхний валик устанавливается необходимое натяжение.
- В зависимости от диаметра проволоки выбирается скорость вращения.
- Запускается в работу валик, наматывающий пружину.
- По мере достижения необходимого числа витков, проволока обрезается.
- В завершении деталь обрабатывается механически и термически.
Несмотря на то, что форма изготавливаемого изделия может быть как бочкообразной, так и цилиндрической, или даже конической, холодная технология изготовления пружин не позволяет использовать для изготовления пружин сталь диаметром более 16 миллиметров. Механическая обработка проводится для устранения зазубрин, сколов или же любых других дефектов на поверхности метиза, полученных в результате предыдущего проката проволоки, либо во время непосредственного процесса навивки с целью обеспечения наиболее лучшего качества изделия и повышения срока его эксплуатации.
Кроме того, немаловажным этапом является последующая термическая обработка, за счет проведения которой заготовка сможет избавиться от всех полученных во время навивки внутренних напряжений. При этом сам метод обработки выбираю исходя из того, какая была использована сталь для изготовления пружин. В некоторых случаях используют и отпуск и закалку, в некоторых, например, в бронзе, только лишь низкотемпературный отпуск. Так или иначе, каждый из данных процессов позволяет изделию достичь основных своих критериев, в числе которых состоит их великолепная упругость.
Горячая технология изготовления пружин
В отличии от холодного способа, горячее производство пружин подразумевает лишь изготовление изделий с диаметром от 10 миллиметров. То есть метизы меньших габаритов не получится сделать таким способом априори. Горячая технология изготовления пружин для создания заготовок требует проводить процедуру равномерного нагрева. При этом сам нагрев производится очень быстро на специальном станке. После чего разогретый до красна пруток необходимо просунуть через фиксирующую планку в навивочный станок и закрепить концы заготовки в зажимах и выполнять следующие этапы:
- Задать необходимое натяжение через верхний валик.
- Выбрать скорость вращения, в зависимости от диаметра.
- Включить станок, начав процесс навивки проволоки.
- По окончании работ снять цельную заготовку.
- Отправить изделие на термическую обработку.
- Максимально охладить спираль в масле.
- Провести механическую обработку поверхности.
- Нанести защитный антикоррозийный слой.
Обратите внимание, что горячая технология изготовления пружин для экономичного расходования сырьевых материалов не предусматривает разрезание пружины по мере того, как будет достигнут необходимый размер изделия. Это значит, что навивка происходит сразу на всю длину заготовки, а уже потом от нее отрезают куски необходимой длины. Повторная термическая обработка изделия необходима для снятия внутреннего напряжения. Охлаждать заготовку в масле, а не в воде рекомендуется по причине того, что во время долгой закалки в воде горячая сталь может попросту пустить трещину.
Тем не менее, если технология изготовления пружин требует проводить закалку как раз в воде, то необходимо соблюдать временной диапазон от 1 до 3 секунд, после чего так же опустить заготовку в масло. После этого пружину вынимают и очищают от масла. Далее уже идет аналогичный холодному методу навивки этап механической обработки изделия: заточка, шлифовка и другие технологические операции. Кроме того, для улучшения износостойкости изготовленных обеими способами пружин довольно часто производители применяют так же антикоррозионную обработку поверхностей изделия.
Сталь для изготовления пружин
Поскольку пружины зачастую используются для гашения каких-либо типов нагрузок, сталь для изготовления пружин должна иметь очень высокие технические характеристики. В зависимости от предназначения итоговых изделий, для их создания могут использоваться самые различные марки стали. Однако, наиболее часто, производство пружин выполняется из углеродистой и высоколегированной стали. Как правило, заводы-изготовители используют такие марки, как 50ХФА, 50ХГФА, 55ХГР, 55С2, 60С2, 60С2А, 60С2Н2А, 65Г, 70СЗА, У12А, 70Г, а также ещё множество других стальных сплавов.
Среднеуглеродистые и высокоуглеродистые марки стали, а также низколегированные стальные сплавы, которые задействует любое производство пружин, называются рессорно-пружинными. Зачастую, сталь для изготовления пружин обозначается еще как пружинная сталь. Стандартом для ее производства считают ГОСТ 14959-79, который предписывает все допуски и требования к техническим характеристикам. По госстандарту, пружинная сталь должна иметь очень качественную поверхность без наличия каких-либо дефектов, способных привести к частичному или же полному разрушению.
Дело в том, что при наличии, например, трещин на поверхности изделий, в процессе их эксплуатации при тяжелых различных тяжелых условиях, все усталостные явления будут концентрироваться как раз в наименее устойчивых дефектных местах. Именно поэтому вся пружинная сталь до того, как началось непосредственное производство пружин, должна пройти процедуру проверки на соответствие установленным требованиям ГОСТ 14959-79. Кроме того, сталь для изготовления пружин должна иметь хорошую упругость и проявлять высокую устойчивость к агрессивным воздействиям.
Достичь этого помогает, во-первых, химический состав того или иного сплава, так как под конкретные рабочие условия подбирается конкретная сталь для изготовления пружин. Во-вторых, противостоять напряжению и разрушению позволяют процесс закалки и отпуска изделий. Проведение данных технологических процессов подразумевает любая технология изготовления пружин, однако для каждой марки стали есть свои нюансы. В частности, этим нюансом является среда закаливания, в роли которой выступают масло или вода, а также еще и сама температура, при которой идет закаливание.
Собственно, температура при которой закаливается сталь для изготовления пружин, варьируется в пределах от +800°С до +900°, в зависимости от конкретного сплава. А отпуск проводится уже при диапазоне от +300°С до +480°С. Это обусловлено тем, что именно при подобных температурах возможно достичь одного из самых важных параметров пружинной стали — наибольшего предела упругости стали. Твердость получаемой продукции равняется 35 — 45 единицам твердости по Шору, что равнозначно значению от 1300 до 1600 килограмм на один квадратный миллиметр поверхности.
Характеристики стали для изготовления пружин
Марка сплава | Термический режим | Характеристики | |||||
σ т | σ в | δ5 | φ | ||||
Температура закалки | Среда закалки | Температура отпуска | |||||
Не менее | |||||||
65 | 840°С | Масло | 480°С | 80кгс/мм2 | 100кгс/мм2 | 10% | 35% |
70 | 830°С | 85кгс/мм2 | 105кгс/мм2 | 9% | 30% | ||
75 | 820°С | 90кгс/мм2 | 110кгс/мм2 | ||||
85 | 100кгс/мм2 | 115кгс/мм2 | 8% | ||||
60Г | 840°С | 80кгс/мм2 | 100кгс/мм2 | ||||
65Г | 830°С | 80кгс/мм2 | 100кгс/мм2 | ||||
70Г | 85кгс/мм2 | 105кгс/мм2 | 7% | 25% | |||
55ГС | 820°С | 80кгс/мм2 | 100кгс/мм2 | 8% | 30% | ||
50С2 | 870°С | Масло или вода | 460°С | 110кгс/мм2 | 120кгс/мм2 | 6% | 30% |
55С2 | 120кгс/мм2 | 130кгс/мм2 | |||||
55С2А | |||||||
60С2 | Масло | 25% | |||||
60С2А | 420°С | 140кгс/мм2 | 160кгс/мм2 | 20% | |||
70С3А | 860°С | 460°С | 160кгс/мм2 | 180кгс/мм2 | 25% | ||
50ХГ | 840°С | 440°С | 110кгс/мм2 | 130кгс/мм2 | 7% | 35% | |
50ХГА | 120кгс/мм2 | ||||||
55ХГР | 830°С | 450°С | 125кгс/мм2 | 140кгс/мм2 | 5% | 30% | |
50ХФА | 850°С | 520°С | 110кгс/мм2 | 130кгс/мм2 | 8% | 35% | |
50ХГФА | 120кгс/мм2 | 6% | |||||
60С2ХФА | 410°С | 170кгс/мм2 | 190кгс/мм2 | 5% | 20% | ||
50ХСА | 520°С | 120кгс/мм2 | 135кгс/мм2 | 6% | 30% | ||
65С2ВА | 420°С | 170кгс/мм2 | 190кгс/мм2 | 5% | 20% | ||
60С2Н2А | 880°С | 160кгс/мм2 | 175кгс/мм2 | 6% | |||
60С2ХА | 870°С | 180кгс/мм2 | 5% | ||||
60СГА | 860°С | 460°С | 140кгс/мм2 | 160кгс/мм2 | 6% | 25% | |
Условные обозначения:
σ т — предел текучести
σ в — предел кратковременной прочности
δ5 — относительное удлинение при разрыве
φ — относительное сужение
Источник
Прежде чем давать ответ на вопрос, как делают пружины растяжения или сжатия, необходимо прояснить их назначение, характеристики и их зависимость от геометрических размеров, свойств материалов и других влияющих факторов.
Определение
Пружина – это свёрнутая в спираль металлическая проволока. Её назначение – восстановление своих первоначальных размеров после деформации, вызванной растяжением или сжатием, а также упругое сопротивление такой деформации.
Геометрические особенности
В зависимости от назначения витки могут прилегать один к другому или иметь между собой некоторое расстояние. Также они бывают постоянного (цилиндрические) или переменного (конические) диаметров.
Крайние витки у пружин растяжения, как правило, отгибаются перпендикулярно остальным, чтобы за них можно было зацепиться. У пружин сжатия в некоторых случаях их шлифуют для получения плоской опорной поверхности.
Требования к материалам. Механические характеристики и термообработка
Процесс растяжения или сжатия – это деформация. Чтобы она могла происходить многократно, возникающие при изменении размеров напряжения не должны превышать предел упругости, т. е. некую величину, после которой возможно полное восстановление размеров.
Механические характеристики металлов, из которых изготавливают пружины, зависят от термообработки. В частности, у большинства углеродистых и легированных сталей упругость повышается после закалки. Чтобы избежать хрупкости металла или сплава, повысить его выносливость – способность воспринимать многократные деформации – его дополнительно подвергают отпуску.
У других пружинных материалов, не являющихся сталями – например, сплава 36НХТЮ, бериллиевая бронза и др. – улучшение механических параметров происходит после старения (нагрева и выдержки при высокой температуре).
В процессе изготовления – навивке – металл должен хорошо деформироваться. Его предел текучести – напряжение, при котором пластическая (неупругая) деформация происходит без увеличения нагрузки – должен быть как можно более низким. Для этого материал будущего изделия перед началом технологического процесса отжигают.
Один из центральных процессов изготовления – получение проволочной спирали. Он производится навивкой проволоки или прутка на оправку. Она может иметь цилиндрическую коническую или другую форму.
В зависимости от назначения изделия витки навиваются вплотную один к другому или с определённым шагом.
Плотная навивка обычно применяется для пружин растяжения, с шагом – для сжатия.
Холодный и горячий способы
Навивка пружинной проволоки на оправку может производиться с предварительным нагревом и без него.
При изготовлении изделий из тонкой проволоки нагрузка на оборудование невелика. Поэтому процесс можно вести холодным способом, без предварительного нагрева материала. Выбирая радиус оправки, следует учесть, что у до начала пластической деформации материалы сохраняют определённый запас упругости. После окончания навивки диаметр витков увеличивается.
Если проволока изготовлена из стали, обладающей в состоянии поставки высоким пределом текучести, перед началом процесса, её отжигают – нагревают и медленно охлаждают вместе с печью.
При изготовлении пружин и прутка большого диаметра (обычно более 16 мм) навивка ведётся горячим способом. Пруток нагревают до температуры, при которой текучесть снижается до минимума (около 600 С) и навивают на оправку, не охлаждая.
После окончания навивки у будущих пружин растяжения отгибают крайние витки, придают им требуемую форму. У пружин сжатия они могут шлифоваться, если последующая эксплуатация потребует плоских опорных поверхностей.
Термообработка после навивки
Как уже отмечалось ранее, механические свойства материалов пружин могут значительно меняться в зависимости от состояния материала.
Стальные — после завершения техпроцессов, связанных с пластической деформацией подвергают закалке и отпуску. Конкретный набор термических процессов определяется свойствами сталей и требованиями к готовым изделиям.
Пружины из других сплавов упрочняют другими способами, например, старением.
Нанесение покрытий
Поверхность готовой продукции для придания ей коррозионной стойкости подвергается химической обработке: оксидирование, анодирование, покрытие цинком и т.д.
Выбор конкретного вида обработки определяется материалом пружины и предполагаемыми условиями эксплуатации.
Источник
Технология изготовления пружин и требования к ним
Технология изготовления пружин играет важную роль и имеет большое значение для их беспроблемной долгосрочной эксплуатации. Упругие элементы – это высокотехнологичные изделия, требующие наличия квалификации и опыта от инженеров-конструкторов и технологов, а также хорошего парка оборудования на предприятии-производителе.
От того, насколько правильными были расчеты пружины, подбор материала с учетом требуемых характеристик и особенностей ее применения, а также используемые технологии и точность изготовления, зависит работа целого агрегата, где эта деталь будет комплектующей.
Витые пружины сжатия: особенности конструкции и эксплуатации
Данный тип пружин в процессе эксплуатации воспринимает нагрузки, прилагаемые в продольно-осевом направлении. Пружины сжатия изначально имеют просветы между витками, приложение внешней силы приводит к деформации, характеризующейся уменьшением длины изделия, и ограничивается тем моментом, когда витки соприкасаются. При отмене воздействия пружина должна восстановить свою форму и геометрические размеры, какими они были до приложения нагрузки.
Основными размерами, определяющими вид отдельной детали, являются:
- — Диаметр проволоки (прутков).
- — Количество витков.
- — Шаг навивки.
- — Диаметр изделия.
Наиболее распространенными являются цилиндрические винтовые пружины сжатия, у которых диаметр изделия одинаков по всей длине. Эти детали широко используются в разных отраслях промышленности: приборо- и машиностроении, горношахтной отрасли, газонефтедобыче, других.
Вообще же пружины сжатия могут иметь не только цилиндрическую форму, но и конусную, бочкообразную, более сложную. Шаг витков может быть постоянный и переменный, а навивка – по или против направления движения часовой стрелки.
Это вносит особенности в общепринятую технологию их изготовления.
Требования к пружинам
Чтобы выполнять свою работу эффективно и правильно, эти элементы должны обладать хорошей прочностью, пластичностью, упругостью, выносливостью и релаксационной стойкостью.
Достижение этих качеств возможно при соблюдении многих факторов, в том числе:
- — Правильном выборе материала.
- — Грамотно проведенных расчетах.
- — Соблюдении технологии изготовления.
Качественные пружины должны соответствовать требованиям ГОСТ и техническому заданию конкретного заказчика.
Согласно стандарту предусмотрены три группы точности по контролируемым деформациям:
- — С допускаемым отклонениями до 5% (+/-).
- — До 10%.
- — До 20%.
В соответствии с этим определены три группы точности по геометрическим параметрам.
Важное требование к этим деталям – чистота поверхности, здесь не допускаются царапины и другие дефекты, так как они приводят к снижению прочности и надежности.
Требования к материалу
Пружины для работы в определенных условиях выбираются по типоразмерам с учетом характера и величины нагрузок, характерных для условий эксплуатации. Надежность работы этих деталей определяется многими факторами, в том числе – качеством и структурным состоянием металла/сплава после термической обработки, наличием остаточных внутренних напряжений. Кроме того, важно металлургическое качество стали/ сплава. Так что долговечная беспроблемная эксплуатация начинается с выбора материала с определенным комплексом свойств.
Винтовые пружины сжатия в зависимости от размеров, выполняемой работы и других факторов изготавливаются из различных сталей/сплавов, в том числе из конструкционных рессорно-пружинных, нержавеющих, других.
Наиболее широко используемыми материалами можно назвать сталь 60С2А ГОСТ 14959-79, а также 50ХФА, 51ХФА, 60С2ХФА и аналогичные сплавы. Из нержавеющих самое широкое применение находит сталь 12Х18Н10Т.
Особенности технологии
В зависимости от предусмотренного назначения таких деталей и их спецификации уместно говорить об особенностях технологии их производства. Изготовление изделий из материалов, имеющих круглое сечение, может быть выполнено путем холодной или горячей навивки. Первым способом обычно изготавливают мелкие/средние пружины (из проволоки до 8 мм в диаметре), а вторым – крупные.
Кроме того, различие обуславливается применение различных видов термической обработки, что связано с необходимостью придать изделиям определенные характеристики.
Технология холодной навивки пружин без закалки
Навивка заготовок выполняется из проволоки, которая производителем заранее была подвергнута патентированию. Этот процесс представляет собой нагрев до температуры, превышающей интервал превращений, что отлично подготавливает материал для последующей холодной пластической деформации.
В сформированных навивкой заготовках обеспечиваются соответствие таких обязательных параметров, как:
- Диаметр (этот параметр может быть внутренним, средним или наружным).
- Количество предусмотренных витков (рабочих и общих).
- Шаг и размер по высоте изготавливаемой детали (учитываются изменения, возможные в результате последующей обработки).
- Правильность выполнения поджатия крайних витков.
Следующий этап – механическая отделка (торцевание), в процессе которой концевые витки (нерабочие) обрабатываются до образования поверхности, перпендикулярной оси. После этого производится термическая обработка – в данном случае – только низкотемпературный отпуск. Это придает постоянные упругие свойства и нивелирует созданные при навивке напряжения. Важный технологический момент – правильно определить температуру и время воздействия, ориентируясь на диаметр выбранного материала и требования стандартов. Термообработанные пружины подвергаются контролю и испытаниям на соответствие параметров требованиям чертежей.
Если по требованиям эксплуатации предусмотрено антикоррозионное покрытие, его нанесение становится последним этапом производства таких деталей. Только в том случае, если применялась гальваника, детали прогреваются для обезводороживания.
Технология холодной навивки пружин с закалкой и отпуском
Отличие данной технологии от описанной ранее начинается только на этапе термической обработки. Предыдущие действия: навивка и необходимая механическая обработка, выполняются точно так же.
Первым этапом термической обработки выполняется закалка: нагрев до определенной температуры (в зависимости от используемого материала), выдержка детали в течении указанного времени и принудительное (быстрое) охлаждение специальной среде, в основном в масле (иногда в воде, солевом растворе, других). Важно: для нагрева пружин под закалку их располагают горизонтально во избежание просадки под собственным весом.
Завершается термообработка отпуском – прогревом до сравнительно небольшой температуры и выдержкой строго определенное время для придания необходимых качеств.
После этого производится контроль таких параметров, как твердость, правильность сжатия/восстановления. Если предусмотрено технологией изготовления конкретной детали – применяется очистка пескоструем, упрочнение дробью, нанесение предотвращающего коррозию защитного покрытия.
Технология горячей навивки пружин с закалкой и отпуском
Горячая навивка подразумевает предварительный прогрев материала в электрической или газовой печи (возможный вариант – применение токов высокой частоты).
Подготовленная таким образом заготовка подвергается навивке согласно требованиям техзадания, разводке, а также торцовке и доводке геометрических значений с помощью инструментов. После этого деталь подается на закалку, параметры которой определяются используемым материалом, а потом – на отпуск.
По окончании термообработки производится контроль параметров и, если это необходимо, обжатие, заневоливание, другие дополнительные операции и обработка поверхности. Завершается процесс производства окрашиванием и сушкой.
Используемое оборудование и оснастка
Для изготовления пружин требуется различное оборудование, которое лучше всего соответствует требованиям каждого шага технологического процесса.
Навивка осуществляется или на специальных пружинонавивочных станках, или на переоборудованном для этих целей токарном оборудовании. Возможно также использование ручной оснастки или специализированных полуавтоматов. Дальнейшая обработка – механическая – осуществляется торцешлифовальными станками, а термическая – в закалочных и отпускных печах. Важно: для предотвращения коробления при термообработке используются специальные оправки. Для деталей небольшого размера они применяются при отпуске, а большие проходят закалку на оправке.
Контроль качества также проводится на специальном, предназначенном именно для этого процесса оборудовании.
Источник