Способ изготовления винтовых пружин

 

Изобретение относится к обработке металлов пластическим деформированием, для получения из круглой заготовки винтовых спиралей с некруглым профилем поперечного сечения витка спирали, из которых изготавливают пружины, кольца и т.п. Суть способа состоит в следующем. Между вращающимися валками с профилированными канавками в виде, например, прямоугольного П-образного профиля, которые расположены под углом к подаваемой заготовке, находится оправка с навитой на нее заготовкой. Заготовка подается в рабочую зону, которая формируется между П-образным профилем валков-калибров и цилиндрической поверхностью оправки, находящейся между валками с минимально возможным зазором. Захват осуществляется заборным конусом валков, а, попадая в зону деформирования, круговая проволока принимает форму прямоугольника или ту, которую мы задаем профилем валков-калибров. Образующаяся спираль после зоны профилирования подвергается следующей стадии деформации: разводке на заданный шаг между витками спирали. Затем спираль разрезается на заготовки требуемой длины. Из полученных заготовок, проведя обработку торцов, термообработку, заневоливание и другие операции, можно изготовить пружины. Реализацию способа проводят на устройстве, узлы которого те же, что указаны в описании способа. Отличительной особенностью устройства является то, что все детали расположены сосно, а валки-калибры охватывают их. Данным способом изготавливали пружины сжатия, которые в поперечном сечении имели прямоугольный профиль. Работоспособность полученных пружин была в четыре и более раз выше, чем у пружин, изготовленных из проволоки с круглым профилем витка и не подвергшихся пластическому деформированию. 2 ил.

Изобретение относится к области обработки материалов пластическим деформированием и технологии изготовления винтовых пружин.

Известен способ поперечно-винтового накатывания резьб различного профиля, включая трапиецевидные (1), при котором оси накатных роликов расположены под углом к оси накатываемой заготовки, что позволяет использовать пластическое деформирование для зонного воздействия на материал и получать различные резьбы, но это неприменимо для изготовления пружин.

Есть несколько разновидностей указанного способа, когда варьируют направлением вращения винтовых калибров и соотношением углов подъема профилей, при этом можно использовать валок, сочетающий в себе усеченный заборный конус с цилиндром, на поверхности которых нарезаны требуемые профили (1, 2). Однако это также относится к способам профилирования резьб, а не изготовления пружин.

В технологии изготовления винтовых пружин используют сочетание различных видов деформационных воздействий, осуществляемых на протяжении нескольких этапов, чтобы обеспечить выполнение заданной цели. К таким способам относится близкий к заявляемому способу аналог, в котором достигается улучшение механических свойств и релаксационной стойкости материала пружины за счет образования однородной стабильной структуры (3).

Наиболее близким к аналогу предлагаемого изобретения является следующее техническое решение. Для навивки винтовых цилиндрических пружин, осуществляемой из круглой проволоки-заготовки, применяют схему пластического деформирования материала с использованием соосной трехвалковой компоновки рабочих органов, в составе оправки, на которую навивают пружину, профилирующего ролика и барабана для реализации шагообразования винтовой пружины. То есть в качестве прототипа выбран способ, реализованный в а.с. N 895583 (4). Согласно ему заготовку подают между вращающимися валками-калибрами и оправкой, находящейся посередине между калибрами, причем профиль калибров соответствует профилю поперечного сечения витка требуемой пружины, диаметр оправки не больше внутреннего диаметра требуемой пружины, а расстояние между профилями рабочих поверхностей калибров определяет наружный диаметр пружины.

Однако недостатком вышеуказанной схемы изготовления винтовых пружин является невозможность получения пружин, имеющих в поперечном сечении витка некруглый профиль.

Изобретение направлено на автоматизацию способа создания высокостойких пружин, имеющих некруглый профиль сечения витка и изготовленных в непрерывном цикле производства.

Для этого необходимо провести следующую последовательность выполнения разнородных деформационных воздействий над проволокой-заготовкой круглого сечения. Первый этап. Осевым деформированием проволоке придают форму винтовой спирали, по своим технологическим параметрам (наружный и внутренний диаметры, шаг витка) близким к параметрам требуемой пружины. На втором этапе каждый виток спирали, от начала до конца и последовательно один за другим, подвергают пластическому деформированию в направлении винтовой спирали, причем с увеличением степени деформирования до такой стадии, при которой происходит изменение формы профиля проволоки из круглого в прямоугольную или иного некруглого профиля. На третьем этапе осуществляют упругопластическое деформирование, приводящее к созданию шага витка спирали до т.е. разводке витков заданных технологических размеров. На четвертом этапе зонным деформированием по одному из определенных витков осуществляют отрубку, придавая пружине заданную длину. Далее проводят стандартные операции термообработки и заневоливания пружины.

Таким образом, положительный эффект технического решения предлагаемого изобретения достигается тем, что первоначально осуществляют осевое деформирование заготовки, придавая ей форму спирали, затем каждый из витков спирали подвергают пластическому деформированию прокаткой, при которой осуществляют изменение профиля поперечного сечения витка из круглого в некруглый, а затем проводят упругопластическое деформирование разводкой витков, доводя параметры пружины до заданных технологических размеров (для чего осуществляют также отрубку по одному из витков). За счет создания некруглого профиля сечения витка и особой текстуры материала, достигаемой совокупностью разновидных деформаций во всем объеме материала пружины, получают изделие с высокой циклической стойкостью. Так как производство пружин осуществляется в непрерывном цикле, то достигается высокая степень автоматизации их изготовления.

Способ осуществляют по схеме и в устройстве, показанных на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 представлена иллюстрация способа получения винтовой спирали, где: 1 - винтовой валок; 2 - заборная конусная; 3 - калибрующая цилиндрическая часть валка; 4 - оправка; 5 - заготовка; 6 - разводящий элемент; 7 - устройство отрезки спирали; t₀ - шаг винтового калибра с прямоугольным профилем поперечного сечения; t₁ - шаг разводящего элемента; O-O, O₁-O₁, O₂-O₂ и т. д. - оси вращения; n₁; n₂; n₃; n₄ - частоты вращения движущихся элементов. I - зона навивки заготовки в спираль; II - зона деформации между валками; III - зона деформации при разводке-калибровке по шагу; IV - зона отрезки (отрубки) спирали.

На фиг. 2 изображено устройство для прокатки плоских пружин, здесь: 1 - винтовой валок; 2 - заборная конусная часть; 3 - цилиндрическая калибрующая часть валка; 4 - оправка с винтовой канавкой 5; 6 - заготовка; 7 - деформированная спиральная заготовка; 8 - спираль на позиции разводки-калибровки; 9 - полученная после отрезки пружина; 10 - разводящий винт-оправка; 11, 12 - полумуфты; 13 - нагреватели; 14 - соединительный элемент привода оправки; 15 - привод оправки; 16 - привод валков; 17 - узел соединения оправки с разводящим винтом; 18 - узел отрезки (отрубки); 19 - инструмент; 20 - соединительный вал; 21 - привод разводящего винта; 22 - устройство синхронизации; 23 - подающее устройство; 24 - конус винта; 25 - направляющий лоток; d - внутренний диаметр спирали и оправки; D_н - наружный диаметр спирали, пружины; t₀ - шаг при прокатке; t₁ - шаг пружины при разводке.

Способ реализуется следующим образом. Между вращающимися валками с профилированной поверхностью, например, прямоугольной или трапециевидной формы, расположенными под углом, по центру находится оправка, которая является замыкающей, опорной поверхностью в любом месте касания профиля валка с поверхностью оправки, а между ними, т.е. валками и оправкой, находится заготовка, которая при деформации принимает форму профиль валка - цилиндрическая поверхность оправки. У нас - прямоугольную форму. Чтобы процесс был непрерывный, заготовку постоянно подают в зону деформации. Таким образом, круглую заготовку прокатывают в некруглый профиль. Для облегчения захвата заготовки и протягивании ее через зону деформации на валках имеется заборный конус, оправке придается принудительное вращение, а на ее поверхности нарезают винтовую канавку, в которую наматывают заготовку перед деформацией. Процесс деформации непрерывен и стабилен на всем протяжении рабочей зоны II (фиг. 1). По выходу из этой зоны образующаяся спираль подвергается деформации при разводке, превращаясь в винтовую спираль с заданным калиброванным шагом. Осуществляют это, например, с помощью винта, соосно соединенного с оправкой, по которой подается и деформируется заготовка. Продолжая движение вдоль оси оправки, разведенная спираль попадает в зону, где осуществляют отрубку (отрезку) спирали заданной длины.

Некоторые особенности способа. Способ универсален для изготовления спиралей (пружин) из заготовок различного диаметра, но из практики известно, что навивка в спираль проволоки свыше 8 мм требуют проводить этот процесс с нагревом заготовки. Поэтому при навивке и прокатке спиралей из проволоки размером более 6 мм можно применять систему нагрева заготовки. Способ работоспособен при подаче заготовки под некоторым углом, близким к наклону витка на заборной части валков с опорой на поверхность оправки. Более лучшие условия захвата заготовки - когда проволока прогнута в виде дуги. Наиболее идеальный вариант, если предварительно перед прокаткой в некруговой профиль заготовке придают форму спирали. Для этого ее достаточно навить на все ту же оправку. Оправку можно вращать посредством принудительного привода, можно не делать этого. Одно непременное условие: твердость оправки должна быть выше твердости заготовки.

Устройство для реализации способа. Конструктивными особенностями устройства являются следующие. Валки 1 с заборной конусной частью 2 и цилиндрической частью 3 имеют винтовые канавки требуемой формы поперечного сечения витка спирали, например, прямоугольную с шагом t₀. Они могут между собой перемещаться, охватывая оправку 4 заготовки 6, в зависимости от диаметра оправки и толщины заготовки. Привод 16 позволяет валкам иметь частоту вращения n₂, n₃. Посередине между прокатными валками 1 находится оправка 6, которая через соединительный элемент 1 и узел 17 соединена с приводом оправки и разводящим винтом-оправкой 10. Винт 10 посредством соединительного вала 20 связан с приводом 21-15, который обеспечивает ему вращение n₄. Частота вращения оправки 4 - n₁. Частоты могут совпадать или нет, но направленность их противоположная. В отдельных случаях винт 10 даже не вращается. Особенностью является то, что ось 20, оправка 4, винт 10 - все расположены соосно. Разводящий винт 10 имеет винтовую поверхность с шагом t₁, который соответствует шагу требуемой винтовой спирали или пружины.

Оправка 4 имеет винтовую канавку 5, которая позволяет облегчить навивку заготовки 6 между полумуфтами 11 и 12, если возникает в этом необходимость. В ряде случаев заготовку 6 в виде дуги можно подавать посредством устройства 23. Если требуется нагрев проволоки, включают нагреватели 13. Узел отрезки может быть как в виде дискового резака 18, так и штампом 19 (отрубка). Работу узла синхронизирует устройство 22, которое включает узел в действие в зависимости от установленной длины отсекаемой пружины.

Рассмотрим схему процесса. Включены все приводы. Заготовка 6 из круглой проволоки, навитая в спираль 7, или в виде дуги подается в заборную часть валков, где она попадает в канавки профиля. Так как здесь наименьшее сопротивление, а валки расположены под углом к заготовке, вдобавок ее подталкивает вращающаяся оправка 4, то она продвигается дальше по винтовой канавке, подвергаясь слабому деформированию. В дальнейшем, оказываясь постоянно в замкнутом объеме между профилем валков и поверхностью оправки 4, проволока деформируется, занимая свободное пространство. В результате она становится близкой по форме к профилю канавки валков, т.е. принимает в поперечном сечении прямоугольную или близкую к ней форму - это спираль 7. Важной особенностью процесса является условие, чтобы площадь сечения, например, круглой заготовки не превышала сечение профиля валков, т.е. не доводить заготовку до "выпучивания" из-под валков, т.к. это затрудняет процесс деформации. Полученная спираль, выходя из зоны деформации, имеет шаг t₀. Обычно он невелик. Для калибровки проводят разводку винтом с шагом t₁. После разводки спираль сходит с конуса 24 разводного винта 10, продвигается дальше и попадает под действие отрубного штампа 19. Получаем прокатанную в прямоугольный профиль, точно навитую по геометрии, калиброванную и отмеренную винтовую спираль или пружину 9, которая скатывается по лотку 25 в тару. Эта пружина является заготовкой, которой остается подработать торцы, термообработать, заневолить и запустить в эксплуатацию. Весь процесс необходимо проводить при интенсивной смазке.

Пример. Из проволоки ⊘ 6 мм изготавливали предлагаемым способом винтовые спирали, из которых делали пружины сжатий, как указано выше, для работы в штампах. В поперечном сечении витка получали профиль, близкий к прямоугольному с сечением 7х4,2 мм. Наружный диаметр пружины 36 мм, внутренний 22 м, шаг t₁ = 10 мм, длина пружины H₀ = 88 м. Усилие P₃ = 135 кг при работе в изделии.

Скорость прокатки при холодном деформировании проволоки в опытах составляла 2 м/мин. Использовалась специальная смазочно-охлаждающая технологическая среда в зоне деформации.

Полученные пружины сравнивали с пружинами, изготовленными из той же, но круглой проволоки ⊘ 6 мм, такой же длины H₀ = 88 мм и шагом 10 мм. При работе ход обеих испытуемых пружин составлял 28 мм. Пружины прошли одинаковые технологические процессы термообработки, заневоливания и т.п., но работоспособность их различная.

Поэтому изготовленные по предлагаемому способу на предлагаемом устройстве пружины в испытаниях выдержали 360 тыс. циклов, а пружины, сделанные традиционным методом 108 тыс. циклов, не ухудшая технологических параметров.

Таким образом, предложенный способ позволяет изготавливать винтовые спирали и пружины, работоспособность которых в 3 и более раз выше изделий, получаемых по традиционной технологии.

Используемая литература 1. Васильчиков М.В., Волков М.М. Поперечно-винтовая прокатка изделий с винтовой поверхностью. - М.: Машиностроение. 1968. - 140 с.

2. Потапов И. Н., Полухин П.И. Технология винтовой прокатки. - М.: Машиностроение. 1990. - 336 с.

3. А.С. N 639636 МКИ B 21 F 35/00. Способ изготовления винтовых пружин. 1978 г.

4. А. С. N 895583, СССР. МКИ B 21 F 35/00. Устройство для навивки винтовых цилиндрических пружин в горячем состоянии. 1982 г. (прототип).

Формула изобретения

Способ изготовления винтовых пружин путем проведения последовательно протекающих разновидных деформационных воздействий, включая этап, при котором проволоку-заготовку подают между вращающимися валками и оправкой, находящейся посередине между калибрами, причем профиль калибров соответствует профилю поперечного сечения витка требуемой пружины, диаметр оправки не более внутреннего диаметра пружины, а расстояние между профилями рабочих поверхностей определяет наружный диаметр пружины, отличающийся тем, что осевым деформированием заготовке придают форму винтовой спирали, которая по своим технологическим параметрам (наружному и внутреннему диаметрам, шагу витка) близка к параметрам требуемой пружины, затем витки спирали на всем их протяжении и последовательно друг за другом подвергают пластическому деформированию в направлении винтовой спирали, причем с увеличением степени деформирования материала до такой стадии, при которой происходит изменение формы профиля проволоки, например, из круглого в прямоугольную или некруглого профиля, на следующем этапе осуществляют упругопластическое деформирование, приводящее к разводке витков до заданных технологических размеров, затем зонным деформированием одного из витков осуществляют отрубку, придавая пружине заданную длину.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2