Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние производства специальных пружин. Обзор литературы. Постановка задач исследования
1.1. Пружинные материалы и их свойства 13
1.2. Технология изготовления обычных и малоиндексных пружин 18
1.3. Способы упрочнения пружин 23
1.4. Особенности изготовления и упрочнения тарельчатых пружин 24
1.5. Обзор теоретических и экспериментальных работ по литературным источникам 26
1.6. Выводы и постановка задач исследования 35
2. Исследование силовых и геометрических параметров навивки малоиндексных спиралей из проволоки прямоугольного сечения
2.1. Критический угол и главные силовые факторы при навивке 38
2.2. Влияние индекса спирали на геометрические, силовые функциональные параметры по известным решениям 42
2.3. Постановка задачи и решение уравнения равновесия при линейном напряженном состоянии 50
2.4. Решение уравнения равновесия при плоском напряженном состоянии 53
2.5. Определение силовых параметров навивки 56
2.6. Выводы 61
3. Исследование силовых и геометрических параметров навивки малоиндексных спиралей и пружин из проволоки круглого сечения
3.1, Эволюция нейтральной поверхности при изгибе стержня круглого сечения на малый радиус 63
3.2. Определение силовых параметров без учета и с учетом различных условий формообразования 71
4. Предельные технологические возможности навивки малоиндексных спиралей и пружин 4.1. Навивка круглой проволоки на оправку 78
4.2. Безоправочная навивка на специальном станке с роликовой головкой.83
5. Упрочнение специальных пружин
5.1. Упрочнение пластической осадкой крупных пружин, закаливаемых после навивки 89
5.2. Упрочнение осадкой тарельчатых пружин
5.2.1. Особенности нагружения, нелинейность задачи и гистерезисные явления 98
5.2.2. Экспериментальная работа по осадке тарельчатых пружин 99
5.2.3. Расчет силовой характеристики с учетом сил трения 110
5.2.4. Методика проектирования технологического процесса 114
Заключение 120
Список литературных источников 123
Приложение 128
- Технология изготовления обычных и малоиндексных пружин
- Влияние индекса спирали на геометрические, силовые функциональные параметры по известным решениям
- Определение силовых параметров без учета и с учетом различных условий формообразования
- Упрочнение осадкой тарельчатых пружин
Введение к работе
В современной технике все большее применение находят специальные пружины: малоиндексные пружины.и спирали из круглой и прямоугольной проволоки, пружины, упрочняемые пластической осадкой, тарельчатые пружины, малоиндексные пружинные шайбы (шайбы Гровера тяжелой серии); кольцевые пружины сальников (манжетные пружины) и др.
Индекс - это отношение среднего диаметра витка Dcp к высоте сечения
Д. Dc DHa -d
материала h или к диаметру проволоки d (с = ——;с-——;с = —— ).
h d d
Обычные или стандартные пружины имеют индекс с =4... 12, при котором не
возникает технологических трудностей их изготовления. Малоиндексные
пружины (с<4) имеют большую жесткость и несущую способность и
применяются в демпферах сцепления, в гидроаппаратуре, клапанах,,
цилиндрах, предохранителях для создания больших усилий при
сравнительно малых перемещениях. Много малоиндексных пружин из
круглой и прямоугольной проволоки применяется в оборонной технике, в
частности, в стрелковом и артиллерийском вооружении. Ярким примером
ответственной малоиндексной пружины является пружина форсунки
топливного насоса дизельного двигателя внутреннего сгорания. Например,
индекс пружины форсунки дизельного двигателя КамАЗа с =2,85, танкового
двигателя с=3,49. В некоторых случаях малоиндексные пружины могут
заменить пакет тарельчатых пружин.
Пружинные шайбы малого индекса (тяжелая серия) применяются в
карбюраторах, насосах, коробках скоростей, бытовой технике, механизмах
летательных аппаратов, т.е. в тех случаях, когда корпусные детали
выполнены из литых цветных сплавов. Давление от головки или гайки
должно передаваться на более широкую кольцевую поверхность
малопрочного материала корпуса через сравнительно большую площадь
пружинной шайбы малого индекса. Кроме того, беззазорные спирали из
прямоугольной проволоки могут служить негерметичными трубками,
оболочками тросов, втулками, подшипниковыми вкладышами и другими деталями. Безотходная технология их изготовления также является и более производительной: при навивке до 60 шт/мин, при токарной обработке 1 шт/мин.
Однако технологические вопросы изготовления и упрочнения малоиндексных и других специальных пружин решены недостаточно полно, и научные вопросы, связанные с формообразованием спиралей малого индекса также требуют дальнейшего изучения. Известно, что из двух схем навивки наиболее удобна для автоматизации процесса - безоправочная, т.е. схема формообразования «сжатие + изгиб». С уменьшением индекса резко возрастают усилие подачи, нагрузки на инструмент и. другие параметры [1]. А при навивке на оправку малоиндексных пружин возникают проблемы, связанные с недостаточной жесткостью и прочностью оправок. В этой связи необходима более точная методика определения силовых факторов при навивке, с учетом явлений, характерных гибке на малые радиусы. Эти явления, т.е. изменения напряженно-деформированного состояния, связанного с надавливанием слоев, изучены в фундаментальных работах И. П. Рейне [2], [3], [4], посвященных одноугловой гибке листа пуансоном с малым радиусом.
Одноугловой гибке листовой заготовки на малый радиус также посвящена работа И. А. Норицина, Ю. Г. Калпина [5] . В этой работе для повышения точности расчетов упругой отдачи учтено распрямление изогнутых полок в процессе третьей стадии, штамповки - калибровки. Напряженно — деформированное состояние даже в основном очаге деформации при гибке на малый радиус принято линейным.
Также различным задачам гибки на прессах и ротационных машинах посвящены работы Мошнина Е. Н. [6], [7]. Напряженно - деформированное состояние принято линейным, что соответствует гибке на сравнительно большой радиус.
В теорию навивки на оправку пружин из круглой проволоки внесли значительный вклад такие видные ученые, как Малинин Н.Н., Пономарев С.Д., Блинник СМ., Феодосьев В.И., Ахмеров А.Ф., Заседателев СМ. и др. Напряженно - деформированное состояние в большинстве задач принято линейным. И только при навивке на оправку пружин с большим шагом или со значительным межвитковым давлением наряду с изгибающим моментом учтен и крутящий момент, т.е. учтены и касательные напряжения. При этом линейное напряженное состояние переходит в плоское напряженное. Но надавливание слоев при гибке на малый радиус в этих задачах не учитывалось, поэтому эти решения могут быть неприемлемы для расчета изготовления малоиндексных пружин. В работах Белкова Е.Г. и других авторов [1], [8], [9], разработавших теорию безоправочной навивки пружин на автоматах, кроме изгибающего и крутящего моментов учтены осевая и перерезывающая силы. Напряженно - деформированное состояние остается плоско - напряженным. Но в этих работах также не учтено надавливание слоев при гибке на малый радиус, т. е., решение задачи изгиба на малый радиус круглого сечения в известной нам литературе отсутствует, что не позволяет уточнить методики расчета силовых и геометрических параметров в задачах гибки и навивки из материала круглого сечения.
Особенно следует отметить отсутствие в известной нам литературе исследований по изучению предельных технологических параметров навивки малоиндексных спиралей и пружин по схемам навивки «растяжение+изгиб» и «сжатие+изгиб». Это особенно важно для практики их применения и изготовления.
К специальным пружинам также можно отнести малоиндексные пружины, упрочняемые пластической осадкой. В процессе упрочнения в наружных волокнах витков создаются остаточные касательные напряжения отрицательного знака, что обуславливает повышение несущей способности и выносливости. Эффект упрочнения увеличивается с уменьшением индекса пружины, т.к. при упругих расчетах коэффициент увеличения напряжений на
внутреннем волокне вследствие кривизны витка зависит от индекса с = ——
Расчет технологических и конструкторских параметров таких пружин
посвящены работы Пономарева С.Д. [10] и Белкова Е.Г. [11], [12]. Однако,
при изготовлении таких пружин, особенно крупных, горячей, навивкой
остается ряд проблем, связанных с точностью их изготовления. Рассеивание
твердости, т.е. прочности после термообработки дает значительное
изменение величины остаточной осадки пружины, т.е. изменение ее высоты,
превышающее допуск по чертежу.
В машиностроении широкое применение нашел еще один вид
специальных пружин - тарельчатые пружины или пружины Бельвиля. Они
относятся к классу особо жестких пружин, способных выдержать большие
нагрузки. Эти пружины можно также подвергать упрочнению пластической
осадкой с образованием остаточных напряжений отрицательного знака,
повышающих их несущую способность. Расчету таких пружин посвящены
работы Феодосьева В.И. [13] и Соколова СВ. [14], а также Пономарева С.Д.
и Андреевой Л.Е. [26]. Кроме того, такие пружины нашли применение в
строительных конструкциях, например, для виброизоляции перекрытий
промышленных сооружений [15]. Но приведенные в этих работах методики
трудоемки, не доведены до инженерных и поэтому трудно применимы для
расчетов. А с другой стороны, в практике большинства заводов
технологические трудности изготовления надежных тарельчатых пружин
остаются до сих пор. Если закалить пружины до твердости HRC на нижнем
пределе допуска - они не выдерживают нагрузку, появляется остаточная
деформация. А если закалить на верхнем пределе - они становятся хрупкими,
часто ломаются. Поэтому технологическая операция упрочнения
пластической осадкой является в большинстве случаев просто необходимой.
И в первую очередь здесь нужно рассчитать первоначальную высоту
внутреннего конуса и величину остаточной деформации. Но приемлемой
методики проектирования в известной нам литературе до сих пор нет.
Все вышеизложенное говорит об актуальности темы диссертации и позволяет сформулировать научно - техническую задачу: «Совершенствование процессов изготовления малоиндексных и специальных пружин методами навивки, штамповки и пластического упрочнения с целью повышения их технологичности, несущей способности, надежности и качества».
Экспериментальная работа проведена: для навивки малоиндексных
спиралей и пружин на специально изготовленном станке с роликовой
упорной головкой и силоизмерительными датчиками и на токарпом станке в
лаборатории кафедры МиТОМД ЮУрГУ и на ОАО «Автонормаль», г.
Белебей; для крупных пружин - по всему циклу производства и контроля на ОАО ФНПЦ «Станкомаш»; для тарельчатых пружин - в лаборатории кафедры «Динамика и прочность машин» ЮУрГУ.
Материалы диссертации прошли апробацию на научно-технических конференциях: в Москве - Международный научный симпозиум, посвященный 140-летию МГТУ «МАМИ», Санкт-Петербурге «Прогрессивные методы и технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением», на ежегодных конференциях ЮУрГУ (2003-2005 г), а также на заседаниях технических советов на ОАО ФНПЦ «Станкомаш» (г.Челябинск), ОАО «УралТрак» (г.Челябинск), ОАО «Автонормаль» (г.Белебей).
Технология изготовления обычных и малоиндексных пружин
Многообразие современных пружинных механизмов требует применения самых разнообразных обычных и специальных пружин: винтовые цилиндрические пружины сжатия и растяжения из круглой и прямоугольной проволоки или прутка, конические, бочкообразные, фасонные, малоиндексные винтовые пружины, гнутые пространственные, фигурные пружины из проволоки или ленты, плоские спиральные (часовые) пружины, тарельчатые и мембранные пружины, пружинные шайбы, оболочки тросов и др. Поэтому в отечественной и зарубежной патентной литературе зарегистрировано несколько тысяч патентов и изобретений по конструкции, технологии их изготовления в единичном, серийном и массовом производстве, а также конструкции навивочных автоматов, приспособлений и оснастки для токарного, фрезерного, универсально-гибочного, прессового оборудования и др.
Такое многообразие конструкций и схем предусматривает и многообразие технологических схем формообразования пружин. Главные из них - навивка на оправку, безоправочная навивка по схеме «сжатие+изгиб», гибка в плоскости или в пространстве, вырубка - штамповка и др. При этом только применяемых схем навивки около десяти видов (рис.1.3).
Навивка на вращающуюся оправку - наиболее простой способ. Его применяют в единичном и мелкосерийном производстве (рисЛ .4а). В серийном или массовом производстве применяют специальные автоматы с вращающейся оправкой, для изготовления пружин растяжения с длинными ушками (зацепами). Развод витков осуществляется или смещением вращающейся оправки вдоль оси или соответствующим смещением направляющей втулки. Недостаток такого способа состоит в отсутствии регулировки диаметра пружины без смены оправки. От этого недостатка свободны схемы безоправочной навивки «сжатие+изгиб» с одним или двумя упорными штифтами, позволяющими регулировать диаметр пружины смещением упорных штифтов. Поэтому такие автоматы получили наибольшее распространение. Для подачи проволоки с усилием сжатия можно использовать подающие ролики или клещевой зажим.
В последнем случае подача может быть только прерывистой. На рис. 1.46 приведена одноштифтовая (одноупорная) схема навивки. Проволока, проходя через канавку направляющей планки I, отклоняется от воздействия упорного штифта 2 и, перегибаясь через неподвижную оправку 3, изгибается в форме винтовой спирали. Вместо упорного штифта с канавкой может быть установлен упорный ролик с канавкой. Оправка одновременно является внутренним резцом. При перемещении вдоль оси пружины шаговой лапки 4 образуется пружина сжатия с определенным шагом. Шаг также может образовываться с помощью шагового клина 5, который разводит витки при радиальном смещении. Пружина отрезается наружным ножом 6 в момент прекращения подачи проволоки.
При смещении упорного штифта вдоль оси пружины из плоскости навивки можно также получить пружину с некоторым шагом или межвитковым давлением (предварительной нагрузкой). Если увеличивать углы установки штифта (р, то при некотором критическом угле проволока начнет выпучиваться под штифт, и не будет касаться оправки. Если при этом установить второй упорный штифт, то одноштифтовая схема переходит в двухштифтовуго или двухупорную (рис.1.4в). Оправка в такой схеме нужна только как внутренний нож. Эта схема навивки получила наибольшее распространение.
Особо следует отметить некоторые способы навивки малоиндексньтх пружин и оболочек тросов, изготавливаемых и при навивке на оправку и по безоправочной схеме. В случае навивки на оправку (рис. 1.5а) оправка 2 во избежание хрупкого излома может быть гибкой и воспринимать только крутящий момент, т.е. оправка изготавливается из упрочненной пружинной проволоки другого диаметра. В этом случае необходим клещевой зажим 3 с антифрикционными накладками 4. На рис. 1.5а также обозначено 1 -подаваемая проволока; 5 - навиваемая спираль.
ГОСТ 9224-74 на основные параметры и типоразмеры пружинонавивочных автоматов, работающих по схеме «сжатие+изгиб» предусматривает изготовление пружин с минимальным индексом с =4,5 и более. Существующие зарубежные автоматы такого же класса гарантируют минимальный индекс навивки с =4. Такое ограничение связано с резким увеличением усилия подачи при уменьшении индекса пружины. Возможно, проскальзывание проволоки в подающих роликах или смятие (плющения) ее. Для уменьшения усилия подачи можно применить другую навивочную оснастку. Вместо упорных штифтов устанавливают упорные роликовые головки (рис. 1.5), в которых полностью снимается трение скольжения. Этимвопросам посвящены экспериментальные работы Веретенникова A.M. [17], [39], [40].
Для упрочнения пружин и повышения их несущей способности и выносливости нашли применение несколько способов [18]: заневоливание, холодная пластическая осадка, термоосадка, термозаневоливание, дробеметный или дробеструйный наклеп, гидроабразивная или пескоструйная обработка. Все эти методы связаны с созданием небольшихили значительных остаточных напряжений по сечению или на поверхностивитков, поэтому после упрочнения пружины не должны подвергатьсявоздействию высоких температур, снимающих эти напряжения иразупрочняющих пружины.
Заневоливание. Пружины сжимают до соприкосновения витков и выдерживают 24...48 часов. Напряжения на поверхности витков близки к пределу текучести, поэтому они частично релаксируют, пружина несколько уменьшает свою длину, но в дальнейшем при эксплуатации уже не изменяет свою силовую характеристику.
Пластическая холодная осадка. Пружины навиваются с шагом большим, чем по ГОСТ и при сжатии до соприкосновения витков заходят в пластическую область. Наружные волокна получают деформацию сдвига, превышающую упругую деформацию на 50...100%. Осадка кратковременна. После разгрузки на поверхности витков возникают остаточные касательныенапряжения обратного знака, которые, складываясь с положительнымирабочими напряжениями, уменьшают последние. Благодаря этомуповышается нагрузочная способность пружин в эксплуатации.
Термоосадка и термозаневоливание. Благодаря повышенной температуре быстрее происходят релаксационные процессы, увеличивается остаточная деформация. Температура выбирается в диапазоне 220...380"С, за исключением интервала температур, соответствующих цветам побежалости (255...340С), где наблюдается зона охрупчивания и синеломкости стали
Дробеметный и дробеструйный наклеп. Из всех методов упрочнения пружин дробеметный наклеп наиболее распространен, т.к. повышает предел выносливости пружин на 40...80% (по разным данным). При дробеметной обработке на поверхности витков создаются двусторонние остаточные напряжения сжатия, препятствующие раскрытию усталостных трещин.
Гидроабразивная и пескоструйная обработка. Эти технологические операции не только повышают чистоту поверхности, но и создают поверхностный наклеп на небольшую глубину. При этом повышаются усталостная и коррозионная стойкость пружин. Но пескоструйная обработка создает проблемы пылеулавливания.
Влияние индекса спирали на геометрические, силовые функциональные параметры по известным решениям
Малоиндексные цилиндрические пружины-и спирали, изготавливаемые из круглой и прямоугольной проволоки, являются особым классом, как с точки зрения конструкции, так и в технологическом плане. Большая кривизна витка изменят картину распределения напряжений по сечению и в процессе навивки и во время эксплуатации, и это необходимо учитывать при конструкторских и технологических расчетах.
На рис. 2.6 представлены кривые изменения самых разных параметров с уменьшением индекса по известным в литературе решениям. Рассмотрим их подробнее.
Коэффициент концентрации напряжения К на внутреннем волокне пружины из проволоки круглого сечения. Известно, что касательные напряжения на внутреннем волокне витка больше, чем на наружном. Такое явление возникает потому, что все винтовые волокна (наружных и внутренних слоев) имеют разные углы подъема, но одинаковый шаг (подробнее см. [33]). Поэтому при повороте сечения витка с учетом гипотезы прямых радиусов и плоских сечений срединное волокно, где г = 0, и центркруглого сечения не совпадают. Существуют приближенные и более точные решения для расчета этого коэффициента: - по работе [33]:
Последняя формула наиболее точна и получена методами теории упругости Н.А. Чернышевым. Кривая 1 на рис 2.6 построена по последней формуле при -а-=0.Анализируя ее можно сделать вывод, что при упругом расчете пружины наименьшего стандартного индекса (с 4) ошибка в определении напряжений без учета коэффициента концентрации напряжений составит более 3 6%.
Относительные напряжения сжатия aN,% от действия усилияподачи Г" при навивке пружин из круглой проволоки по схеме, показанной на рис.1.4в. В работе [1] приведена методика определения силовых и геометрических параметров процесса безоправочной навивки для пружин стандартного индекса. Если принять равными нулю силы, перпендикулярные плоскости навивки, то формула усилия подачи Т" для навивки пружин без значительного шага или межвиткового давления при коэффициенте трения скольжения / = ОДздесь Тт =—-Ф4 - составляющая усилия подачи, связанная с работой пластического деформирования; пластических деформаций.
Построим график изменения усилия подачи Т" и усредненных по о/,_.сечению относительных напряжений сжатия aN,%проволоки I класса ГОСТ 9389-85, с/=2мм, сг 2100 МПа, Я = 0,01. Расчетсведем в таблицу 2.1. На рис. 2.6 эта зависимость приведена кривой 2. Анализируя результаты, можно сделать вывод, что в районе; особо малых индексов 4 с 2 относительные напряжения сжатия увеличиваются с 13 до 25% по отношению к пределу прочности.
Таблица 2.1. Графически эта зависимость показана на рис. 2.6 кривой 3. Анализируя ее можно сделать вывод о значительных деформациях изгиба в районе малых индексов 2 с 4, єи =0,5...0.18.
Упругая часть сечения при изгибе. Обозначая ширину упругой частисечения через h], можно записать, что относительная величина hx = —= —,где ss - деформация, соответствующая началу пластических деформаций. Тогда с учетом (2.5), зная, что JS ав, можно записать:
Эта зависимость обозначена на рис. 2.5 прямой линией 4, показывающей, что в районе малых индексов 2 с 4 ширина упругой части сечения составляет 5...6% от диаметра проволоки, т.е. упругая часть сечения пренебрежимо мала.
Смещение нейтрального слоя (а = рн - гв) по отношению квнутреннему радиусу гв. В работах Рене И.П. [2] и других авторов показано, что с увеличением кривизны изгиба широкого листа или прямоугольного сечения радиус нейтральной поверхности напряжений рн уменьшается,становится меньше радиуса срединной поверхности рс, появляются значительные радиальные напряжения ар. График смещения нейтральногослоя, приведенный в работе [3] показан на рис. 2.6 кривой;5. Для нашегог случая он смещен по оси абсцисс, т.к. — = с + 1, где s - толщина листа. Врайоне индекса с 2 смещение нейтрального слоя составляет а — рн - гв & 0,25 » 25%.
Радиальные напряжения тр также значительно зависят от радиуса изгиба или индекса навивки. По работам [2], [3] без учета упрочнения:
Определение силовых параметров без учета и с учетом различных условий формообразования
Также как и в случае навивки проволоки прямоугольного сечения, рассмотрим несколько случаев, по мере их усложнения: чистый изгиб при линейно-напряженном состоянии; чистый изгиб Мн при плоском напряженном состоянии, т.е. с учетом надавливания слоев; совместное действие изгибающего момента Мсин и осевой силы Ncu" при плоском напряженном состоянии. Здесь также аббревиатура означает «с»-сжатие или растяжение; «и»-изгиб; «н»-надавливание слоев. Чистый изгиб при линейно-напряжеином состоянии: Чистый изгиб при плоском напряженном состоянии, т.е. приучете надавливания слоев. Некоторую сложность представляет определение коэффициента перед интегралами при переводе из обычных параметров в относительные. Поэтому сначала запишем изгибающий момент в обычных параметрах и координатах. где Fp и FCM - площади зон растяжения и сжатия; Раскрывая (ЗЛО) с учетом формул (3.7) и (3.8), можно записать Ун =4Р1 -г2 + х2 рс - нейтральная поверхность. Приведем правую и левую часть уравнения (3.11) к относительным параметрам с учетом того, что предельный изгибающий момент М = rs. 1 f Рс + Таким образом, коэффициент перед обоими интегралами составит 3/2 при интегрировании половины сечения вследствие симметрии и окончательно формула для изгибающего момента в относительном виде при плоском напряженном состоянии запишется в виде: ті г 1 + ln -, l-i2 (3.11 ) Знак перед вторым интегралом «-», т.к. координата у в зоне сжатия отрицательна. Результаты интегрирования на ПЭВМ в системе MathCAD 2000 по стандартной программе представлены на рис.3.6. и в табл.3.1. Несмотря на значительное смещение нейтрального слоя при малой кривизне, изменения изгибающего момента с уменьшением рс не происходит. К такому же выводу можно прийти, анализируя эпюры распределения окружных напряжений по сечению (3.4.). Ысин - изгиб+сжатие или растяжение с учетом надавливания слоев; N - усилие подачи при Ми = I, т.е. при традиционном методе расчета по формуле (3.14) для схемы «сжатие+изгиб». ак Усилие подачи с учетом надавливания слоев; Nраст " усилие растяжения с учетом надавливания слоев Совместное действие изгибающего момента Мсин и осевой силы NCUH с учетом надавливания слоев. Если повторить вывод уравнений распределения напряжений, полагая окрулшые напряжения суммарными от изгиба и от сжатия или растяжения Е" э =С7л -"л то можно прийти ктем же формулам (3.5 )...(3.8/), полагая и о U в них &0 = Zo# . Поэтому будет правомерно полагать, что при наложении осевой силы сжатия - нейтральная поверхность остается торообразной и смещается вверх на величину yN, при этом увеличивается площадь зоны сжатия. И, наоборот, при наложении растягивающей силы нейтральная поверхность смещается вниз, увеличивая площадь зоны растяжения. Исходя из этой гипотезы, можно построить, зависимости Ncm -yN и McttH yN. Здесь yN - относительная величина смещения нейтральной поверхности. В этом случае в формуле (3.11 ) изменяются предел ы интегрирования от нейтральной линии. И в первом и во втором интеграле вместо у т]рс+х2 V-pc следует записать у = л]р2 +х2 -1 -рс ±yN. Здесь у"м=1.5; 2; 3; 4 - расчетные точки. Для определения зависимости Ncu" -yN запишем осевое усилие Распишем подробнее 2. По формуле (3.13), методом подбора y N, определим смещение нейтрального слоя, соответствующее осевой силе N . 3 Для конкретного y N рассчитаем соответствующий этому смещению изгибающий момент Мсин по формуле 3.13, и подставим его в 3.14. 4. Уточняем jV", уточняем у , Мсин и так несколько раз, пока значения параметров не стабилизируется. Результаты такого решения на ПЭВМ в системе MathCAD 2000 представлены в таблицах 3.1 и 3.2, а также на рис. 3.6. Таблица 3.1 Расчет силовых факторов для схемы «растяжение+изгиб» Рс 1,5 2 3 4 Ум -0,2 -0,154 -0,106 -0,081 Щин 0,812 0,889 0,948 0,97 дТСМН 0,223 0,188 0,132 ОД 20 Таблица 3.2 Расчет силовых факторов для схемы «сжатие+изгиб» Рс 1,5 2 3 4 Ум +0,225 +0,166 +0,107 +0,083 И" 1,094 1,048 1,02 1,011 jjcirn -0,310 -0,22 -0,14 -0,106 Анализируя их, можно сделать следующие выводы: 1. С уменьшением относительного радиуса кривизны до /?с=1,5, осевая сила подачи для схемы «сжатие+изгиб» вызывает напряжения сжатия до —30% от предела текучести. При навивке обычных пружин до индекса с = рс 4, напряжения сжатия составляют 0,1сг5, как это ранее отмечали другие авторы [1]. Ранее было отмечено, что при навивке малоиндексных спиралей возникают технологические трудности. Практика показала, что наиболее простой и технологичной схемой навивки длинной спирали является навивка на оправку при помощи клещевого зажима с антифрикционными накладками (рис.4.1). При этом оправка изготовлена из упрочненной пружинной проволоки, например, I кл. ГОСТ 9389, и воспринимает только крутящий момент. Сила Q теоретически действует левее точки А и точка ее приложения зависит от минимально необходимого усилия зажима клещей. Но мы рассмотрим крайний, наиболее нагруженный случай. В этом смысле схема навивки названа упрощенной. Такое упрощение идет в запас прочности оправки. Также принимаем реологические свойства материала как для жестко-пластического тела без упрочнения, что в большей степени справедливо при навивке из упрочненной проволоки ив меньшей степени для отожженной. Крутящий момент на оправке не должен превышать момента, вызывающего начало пластических деформаций М о_х о а (4Л) к 16 S Ібл/3 При этом остается запас прочности оправки по сравнению с ее несущей способностью при кручении Ми = Г- . к п S Т.е. коэффициент запаса прочности оправки при расчете по несущей способности равен 1,33. Сила Q создает в точке «В» момент в навиваемой проволоке, близкий к предельному моменту при изгибе
Упрочнение осадкой тарельчатых пружин
Учитывая все вышеизложенное за окончательный вариант технологии можно принять следующие технологические переходы:1. Вырубка кольцевой заготовки.2. Горячая формовка конуса а & 18 (вместо 15 по чертежу).3. Закаливание и отпуск на твердость HRC 46...50 (вместо 46...52).4. Черновая механическая обработка с оставлением минимально необходимых припусков. Высота внутреннего конуса составит /-3,05 мм.5. Осадка в плоскость. Остаточная деформация составит 0,2...0,3 мм., в зависимости от реализованной твердости. Угол подъема конусаизменится с 19 до 1630 .6. Чистовая токарная обработка.7. Шлифовка по высоте с образованием опорных фасок.
Вывод: при новой технологии за счет увеличения угла конуса повышается жесткость и нагрузочная способность. А за счет пластической осадки у пружины стабилизируется силовая характеристика и она не ослабевает в процессе монтажа и эксплуатации.
Основные результаты работы сводятся к следующему:1. Впервые изучены напряженное состояние и эволюция нейтральной поверхности при изгибе стержня круглого сечения на малый радиус с учетом надавливания слоев при плоском напряженном состоянии. Нейтральная поверхность представляет собой торообразную поверхность, смещающуюся вниз от цилиндрической поверхности по мере увеличения кривизны изгиба. Следы сечения нейтральной поверхности радиальными плоскостями являются участками гиперболы.2. В развитие трудов Ренне И.П. для прямоугольного сечения и впервые для круглого сечения определены главные силовые факторы при навивке малоиндексных пружин и спиралей для двух схем навивки «сжатие+изгиб» и «растяжение+изгиб» с учетом одновременного действия изгибающего момента, осевой силы и надавливания слоев. С уменьшением относительного радиуса кривизны с рс=4 до Д. =1,5 осевая сила подачи для схемы навивки «сжатие+изгиб» вызывает изменение напряжений сжатия от 0,1 до 0,3 от предела текучести материала. Несмотря на значительное смещение нейтральной поверхности и сложного распределения окружных и радиальных напряжений по сечению учет дополнительных факторов дает уточнение усилия подачи всего на 11 % по сравнению с традиционным методом расчета по несущей способности на изгиб.3. На основе теоретических и экспериментальных исследований определены предельные технологические возможности навивки малоиндексных пружин и спиралей из проволоки круглого сечения. Предельный индекс при навивке по схеме «сжатие+изгиб» на специально изготовленном станке с многороликовой упорной головкой составил с = 2,25. А при навивке по схеме «растяжении+изгиб», т.е. на гибкую оправку с помощью клещевого зажима и антифрикционных накладок предельный индекс составил с = 1,7.4. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработана методика расчета технологических параметров формообразования и термообработки крупных пружин, закаливаемых после навивки и упрочняемых пластической осадкой. Методика учитывает дискретность шагов навивочного оборудования и позволяет в несколько раз повысить точность длины пружин.5; В развитие трудов Феодосьева В.И. и Соколова СВ. разработана инженерная методика расчета тарельчатых пружин, упрочняемых пластической осадкой, с учетом влияния тения и гистерезисных явлений.6. Разработанная технология изготовления пружины узла балочки беззазорного сцепного устройства вагонов электричек на ОАО ФНПЦ «Станкомаш» (г. Челябинск) позволила снизить постоянный брак и изготовить пружины в соответствии с требованиями чертежа. В связи с этим были своевременно выполнены новые для производства срочные заказы вагоностроителей, производящих высокоскоростные электрички типа «Спутник» и «Концепт». Корректировка конструкторских и технологических параметров тарельчатых пружин нефтяных задвижек на этом же заводе с учетом разработанной методики позволила резко снизить течь при стендовых испытаниях, что дало условный годовой экономический эффект более 500 тысяч рублей.1, Решена важная научно-техническая задача «Совершенствование процессов изготовления малоиндексных и специальных пружин методами навивки, штамповки и пластической осадки с целью повышения их технологичности, несущей способности, надежности и качества».8. В основном результаты исследований получены впервые. Их достоверность подтверждена лабораторными и промышленнымиэкспериментами на испытательном оборудовании, охваченном метрологическим контролем, сравнением данных, полученных автором с результатами работ других исследователей, а также опытом использования новых техпроцессов на производстве.
