Содержание к диссертации
Введение
І. Состояние вопроса. Обзор литературных источников. Постановка задач исследования 17
1.1 .Пружинные материалы и их свойства 17
1.2.Способы упрочнения и повышения выносливости пружин 22
1.3. Обзор теоретических и экспериментальных работ по литературным источникам 27
1.4,Особенности изготовления клапанных пружин. Вопросы качества...33
1,5.Выводы и постановка задач исследования 46
2. Исследование параметров упрочнения при термоосадке и дробеструйном наклепе 50
2.1 .Сравнительный анализ чертежей 50
2.2.Упрочнение термоосадкой 57
2.3 .Упрочнение дробеметной обработкой 61
2.4. Определение глубины остаточных напряжений методом травления ..64 2.5.Экспериментальное исследование остаточных напряжений от дробеметной обработки рентгеновским методом 68
2.6.Изготовление опытно-промышленных партий 71
2.7.Выводы 80
З. Исследование влияния технологических параметров изготовления, упрочнения и контроля на качество клапанных пружин 82
3.1.Изменение и рассеивание длины пружины при навивке и по переходам технологического процесса 82
3.2.Изучение зависимости качества наклепа от объема загрузки пружин в дробеметную камеру 86
З.З.Корректровка технологии изготовления пружины 2108-1007020 94
3.4. Время прогрева пружин и производительность печей для термоосадки 94
3.5.Влияние отпуска после навивки на упругие свойства пружин 98
3.6.Разупрочнение пружинной проволоки и пружин при
повышенных температурах отпуска после навивки 102
3.7.Влияние температуры отпуска после дробеметного наклепа на выносливость пружин 105
3.8.Влияние температуры и времени выдержки под нагрузкой на величину остаточной деформации при термоосадке 106
3.9.Выводы... 109
4. Испытание на выносливость. Построение усталостной кривой. Разработка метода ускоренных испытаний 110
4.1 .Результаты совместных испытаний опытных и опытно- промышленных партий пружин 110
4.2.Приведение всех испытаний к отнулевому циклу 117
4.3.Уравнение регрессии 121
4.4.Возможности ускоренных испытаний 123
4.5. Интерпретация результатов испытаний на поверхности предельного нагружения 126
4.6.Выводы 129
5. Разработка новой энергосберегающей технологии изготовления пружины клапана 2112-1007020 и для всех пружин клапана 130
5.1 .Построение диаграммы упрочнения материала по испытаниям на пластическую осадку образцов пружин 130
5.2.Расчет остаточных напряжений и глубины пластической зоны при термоосадке для трех вариантов технологии 134
5.3.Новый технологический процесс и его преимущества 140
5.4.Модернизация оборудования 142
5.5.Выводы 144
Заключение 145
Приложения 150
Список использованных источников
- Обзор теоретических и экспериментальных работ по литературным источникам
- Определение глубины остаточных напряжений методом травления
- Время прогрева пружин и производительность печей для термоосадки
- Интерпретация результатов испытаний на поверхности предельного нагружения
Введение к работе
Современное производство многоцикловых пружинных механизмов в отечественном и зарубежном машиностроении характеризуется всё более частым применением высоконагруженных компактных пружин, экономящих монтажное пространство и вес узлов. Особо выражены эти тенденции в многосерийном и массовом производстве, например в автомобилестроении, сельскохозяйственном и тракторном машиностроении, производстве приборов.
Для производства компактных пружин необходимы более прочные и выносливые пружинные материалы. И это направление, хотя и медленно, но развивается. Например, в последнее время нашла применение пружинная проволока с термомеханическим упрочнением, в процессе которого повышаются прочностные и пластические свойства материала. Пружинная проволока для клапанов двигателей внутреннего сгорания изготавливается из металла, подвергнутого однократному или двукратному электрошлаковому переплаву, что уменьшает размеры неметаллических включений и увеличивает выносливость пружин. Зарубежные фирмы при производстве такой проволоки часто применяют для снятия поверхностных дефектов скальпирование вместо обтачивания в резцовой головке. Первые опыты по скальпированию проводятся и в России. Совершенствуется технология и оборудование контроля дефектов в проволоке. При этом магнитные метки, оставленные на дефектных участках проволоки, позволяют автоматически отбраковать некондиционные пружины при навивке.
Второе чрезвычайно важное направление, связанное с применением высоконагруженных пружин - совершенствование технологии упрочнения самих пружин в процессе производства. Это направление развивается наиболее интенсивно, т.е. всё больше применяется пружин, упрочнённых дробе-мётной обработкой, холодной осадкой, термоосадкой и др. Проводятся ис- следования и совершенствуются технологии упрочнения. Изучается влияние технологических параметров на качественные показатели пружин (выносливость и релаксационная стойкость). В области испытаний пружин на выносливость на производстве начали применять методы ускоренных форсированных испытаний пружин, хотя публикаций по этому вопросу в известной нам литературе нет (применительно к пружинам).
Наиболее яркими представителями высоконагруженных, компактных и надежных пружин являются наружная и внутренняя пружины клапана двигателей автомобилей семейства ВАЗ 2101...2109. Эти пружины спроектированы на пределе технологических возможностей для экономии монтажного пространства, габаритов и веса двигателя. Поэтому малейшие нарушения режимов упрочняющей обработки или неудовлетворительное качество металла сразу же сказываются на их эксплуатационных свойствах. Пружины разрушаются на испытательных стендах, в двигателях или не выдерживают испытаний на крип (релаксационную стойкость). В связи с этим пружины клапана при изготовлении проходят 18 технологических операций. Из них три упрочняющие: термоосадка, дробемётный наклёп и холодная осадка. При подготовке производства нового двигателя ВАЗ 2112 выяснилось, что в литературных источниках отсутствуют рекомендации и методики проектирования технологии с оптимальными параметрами упрочнения пружин. После упрочняющих операций в наружных и прилегающих к ним волокнах витка пружины создается сложное напряжённо-деформированное состояние с остаточными напряжениями, повышающими усталостную прочность. Методик по расчету оптимального соотношения параметров упрочнения в настоящее время нет. Поэтому первые опытные партии новых по конструкции пружин, изготовленных для двигателей автомобиля ВАЗ 2112 по экспериментальной технологии, оказались неудовлетворительного качества, часть пружин не выдержала форсированных испытаний на выносливость. Требования абсолютной надёжности этих пружин обусловлены тем, что в двигателе ВАЗ 2112 четырехклапанные цилиндры, а на каждом клапане установлено по одной пружине. Поломка пружины ведет к аварийному выходу из строя всего двигателя с поломкой других деталей.
Несмотря на значительное количество публикаций за последние годы и в предыдущий период по проектированию, изготовлению и упрочнению пружин только в трех работах затронуты вопросы касающиеся непосредственно пружин клапана. Значительное количество литературы посвящено качеству пружинных материалов от которого в большей степени зависит итоговое качество пружин. Этот комплекс вопросов, связанный с подготовкой металла от плавки до завершающих операций изготовления проволоки, является самостоятельной проблемой и в диссертации не рассматривается.
Значительное количество публикаций приведено в области проектирования испытания и эксплуатации пружин, но среди них практически нет исследований с учетом массового производства высоконагруженных ответственных пружин, что характерно производствам АвтоВАЗа и его смежникам. В области технологии изготовления и упрочнения много публикаций прошлых и последних лет, в том числе посвященных таким способам упрочнения, как холодная осадка, дробеметная обработка. Но эти исследования неприменимы для массового производства ответственных высоконагруженных клапанных пружин из специального высокопрочного материала, т.к. они проведены, как правило, для мелкосерийного производства менее ответственных пружин, изготовленных из другого материала и сортамента.
Кроме того в литературе отсутствуют рекомендации по расчету или выбору рациональных и оптимальных технологических параметров и режимов изготовления и упрочнения, что в условиях массового производства затрудняет поиск причин, приводящих к снижению динамической прочности пружин. Существующий технологический процесс является энергозатратным, с повышенной трудоемкостью и со значительным технологическим отсевом.
Все вышеизложенное говорит об актуальности темы диссертации и позволяет сформулировать научно-техническую задачу. «Повышение надёжности и качества пружин клапана путём исследований и совершенствования технологического процесса изготовления, упрочнения и испытаний, с учётом массового характера производства».
Эта задача решается на основе экспериментального и теоретического исследования напряжённо-деформированного состояния проволоки в процессе формообразования и упрочнения пружин, на основе изучения механизма действия сил при навивке, установления рациональных режимов и технологических параметров, обеспечивающих наибольшую надёжность и качество, на основе разработки нового энергосберегающего технологического процесса для наиболее ответственной пружины клапана нового двигателя ВАЗ 2112 и для всех пружин клапана автомобилей ВАЗа, на основе изучения напряжённо-деформированного состояния витков после упрочняющих операций и исследования причин, снижающих выносливость пружин.
В работе используются в основном экспериментальные и теоретические механико-математические методы исследования (экспериментальная проверка рентгеновским методом и методом травления).
Для обработки результатов эксперимента использованы методы математической статистики.
Реологические свойства материала учтены по-разному в зависимости от необходимой точности решения и сложности задачи: от упруго-пластического тела без упрочнения до более точной кривой деформирования с учетом температурного изменения напряжений и модуля упругости.
Экспериментальная работа по измерению силовых, геометрических, теплофизических и функциональных параметров проводилась в цехах и лабораториях ОАО «Автонормаль» и АвтоВАЗа с использованием 35 единиц оборудования и приборов, изготовлением и испытанием 40 опытных и опытно-промышленных партий пружин. Используемые цеховые лабораторные измерительные средства были охвачены метрологическим контролем и обслуживанием и обеспечили необходимую точность.
Целью работы является комплексное исследование технологии изготовления, упрочнения и испытаний клапанных пружин, что обеспечит повышение эффективности массового производства и их высокой надежности.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Определено напряженно-деформированное состояние пружин для двух упрочняющих операций с пластическим деформированием. При этом учтены изменения реологических свойств материала при повышенной темпе ратуре.
Порезультатам многократных длительных испытаний построена кривая усталости. Установлено, что пружины, изготовленные без специальных нарушений технологии, обладают динамической прочностью, обеспечивающей требования чертежа. Выявлено пять видов технологических нарушений, в наибольшей степени снижающих динамическую прочность.
Изучено влияние многих геометрических, силовых и теплофизиче-ских параметров технологии изготовления и упрочнения на итоговое качество пружин.
Практическая значимость работы состоит в том, что на основании результатов расчетов в пластической области и с учетом экспериментальных исследований геометрических, силовых и теплофизических параметров разработан и внедрен в производство новый, более эффективный технологический процесс для всех клапанных пружин, основанный на изменении последовательности технологических упрочняющих операций. Это позволило снизить трудозатраты, энергоемкость технологического процесса, т.е. снизить себестоимость изготовления при одновременном повышении надежности и - в качестве соруководителя принимал участие кандидат технических наук Закиров Д.М. качества, снижении технологического отсева пружин при их сортировке по нагрузке.
Результаты исследований позволяют научно-обоснованно решать вопросы по проектированию технологических процессов изготовления пружин клапанов двигателей внутреннего сгорания всех автомобилей России. Кроме того, они могут быть полезны конструкторам автомобильной промышленности при проектировании более экономичных, компактных и более мощных двигателей.
На защиту выносятся:
Результаты исследований напряженно-деформированного состояния пружин после упрочняющих операций, полученные расчетами в упруго-пластической области и в процессе экспериментальных исследований рентгеновским методом и методом травления пружин и контрольных пластин.
Результаты исследования влияния геометрических, силовых и теп-лофизических параметров на итоговое качество пружин.
Исследования усталостных свойств материалов для пружин и разработка методики ускоренных форсированных испытаний материала и оценка технологии с помощью образцов высоких пружин - свидетелей.
Внедрение.
Годовой экономический эффект от внедрения нового технологического процесса в Белебеевском ОАО «Автонормаль» составил 2732000 руб. Монография [83] разослана и используется практически на всех предприятиях России, занятых массовым производством ответственных пружин. Часть положений диссертации используется в учебном процессе при чтении специальных дисциплин в Южно-уральском государственном университете и в Белебеевском машиностроительном техникуме.
Апробация работы.
Материалы диссертации опубликованы в 8 работах, в том числе в одной монографии и докладывались на 3 конференциях и выставках (г.Белорецк, 2000 г.; г.Челябинск, 2003 г.; г.Белебей, 2001 г.), а также на заседаниях технических советов КБ заводов и кафедр в г.г. Санкт-Петербург (ЦНИИМ), Тольятти (АвтоВАЗ), Челябинск (ЧТЗ, ЮрГУ), Ижевск (ИГТУ), Магнитогорск (МГТУ), Коломна (ВНИИЖТ), Нижний Новгород (ЭТНА) и др...
Работа выполнялась в Белебеевском ОАО «Автонормаль» в соответствии с планами АвтоВАЗа по освоению принципиально новых двигателей и моделей автомобилей на основании хоздоговорных научно-исследовательских работ № 169 от 1996 г., (№ гос.регистрации 01 2001 08424) и № 015 от 1999 г. (№ гос.регистрации 01 2001 08425).
Автор выражает глубокую признательность всем сотрудникам и руководству ОАО «Автонормаль», АвтоВАЗа и ученым Южно-уральского государственного университета (г.Челябинск) за помощь и поддержку при выполнении данной работы, а также за создание благоприятных условий для её завершения.
Обзор теоретических и экспериментальных работ по литературным источникам
Вопросам проектирования, изготовления и службы пружин посвящено много работ различных авторов. В 1946 году Пономарёв С.Д. [8] провёл подробный анализ и классификацию литературы в этой области (379 наименований статей и монографий). В настоящее время литература в этой области значительно пополнилась. Следует отметить, что в период с 1946 по 1956г.г. в области проектирования и изготовления пружин появилось много публикаций, особенно по конструкции и расчётам пружин. Это связано с развитием научной школы Пономарёва С.Д., когда он работал в Ижевске во время войны над проблемами надёжности пружин стрелкового и артиллерийского оружия. Научные школы «пружинщиков», созданные Пономарёвым С.Д. в Ижевске и в Москве являлись в послевоенное время самыми крупными в России. Фундаментальные исследования проводили крупные учёные: Мали-нин Н.Н.[9], Заседателев С.М.[10], Блинник С.И.[11], Чернышев Н.А.[12], Быков В.А.[13], Андреева Л.Е.[14], Берман М.Э.[15], Попов Е.Щ16], Штода А.В.[17], Карпунин В.А.[18], Коновалов А.А.[19], Остроумов В.П.[7] и др.. В это же время вышли монографии: Фролов Г.Н.[20], Хвингия М.В. [21], Ша-лин В.Щ2], Ушаков Н.Щ22].
В последующий период публикации в этой области резко сократились и возобновились только в 70-е годы в связи с бурным развитием машиностроения и особенно автомобилестроения. Продолжались исследования в области производства упругих элементов в Ижевской научной школе: Полищук Д.Ф.[23], Шаврин О.И.[24], Добровольский В.И.[25], Бармин Д.Щ26], Редь-кин Л.М.[1,27], Щербаков Е.И.[28], Кирсанов Ю.А.[29] и др.
Большой вклад в решение научных и практических вопросов пружинного производства внесли учёные Казанского авиационного института: Ахме-ров А.Ф.[30], Махмудов A.M.[31], Давлетшин Э.3.[32]. Особо следует отметить основополагающие работы Навроцкого Г.А.[33] и Белкова Е.Г.[34,35,36] в области теории и практики технологии изготовления и упрочнения пружин массового производства, а также в области проектирования оборудования и навивочной оснастки. Последние работы выполнены на базе освоения пружин для автомобилей ВАЗ и КамАЗ.
Также значительное количество исследований и публикаций выполнено другими учёными в России и за рубежом. В более узких областях - области пружинных материалов и проблем качества - также имеется ряд публикаций вышеуказанных и других авторов. Остановимся на некоторых из них подробнее.
В процессе изготовления пружин при гибке, навивке, пластической осадке, создании межвиткового давления, разводе витков, отгиба зацепов и других операций происходят упруго-пластические деформации изгиба, кручения, растяжения-сжатия и сдвига или совместные их комбинации. Точная зависимость между напряжениями и относительной деформацией пружинной проволоки, как правило, неизвестна. В связи с выше изложенным, определение силовых параметров, а также изменения геометрии в процессе формообразования и пружинение после снятия нагрузки представляют из себя сложную задачу. Создание методов расчета технологических параметров операций и процессов пластического формообразования пружин связано с работами Малинина Н.Н., Пономарёва С.Д., Блинника СМ., Феодосьева В.И., Ах-мерова А.Ф., Заседателева СМ., Белкова Е.Г. и других учёных. Рассмотрим литературу, посвященную этому вопросу.
Наиболее простой идеализацией процесса гибки, навивки было представление его по схеме чистого изгиба. Хронологический приоритет принадлежит Малинину Н.Н. [9]. В работе получены аналитические формулы для определения величин изменения диаметра, шага и числа витков после разгрузки, т.е. после снятия пружины с навивочной оправки. Диаграмма упрочнения аппроксимирована двумя прямыми линиями. Величина упрочнения определяется перерасчётом по данным испытаний проволоки на растяжение. При этом необходимо замерять не только максимальное усилие, но и уменьшение усилия в момент разрыва, что неосуществимо на универсальных испытательных машинах. Поэтому предложенная методика не получила широкого распространения.
В справочнике [4,т.2] в главе IX, написанной Малининым Н.Н., подробно рассмотрены вопросы расчёта стержней за пределом упругости, в частности, напряжённо-деформированное состояние при изгибе колец на оправке и при кручении стержня круглого сечения, заневоливание цилиндрических пружин кручения и сжатия. Приведена графо-аналитическая методика расчёта пружин, упрочняемых пластической осадкой по заданной диаграмме т-у материала.
В последующем многими авторами в качестве рабочей гипотезы принималось комбинированное нагружение по схеме "изгиб+кручение" (ИК) в предположении простого нагружения. Основополагающей работой этого направления является статья Пономарёва С.Д. [40], в которой он показывает, что для упруго-пластических расчётов при навивке пружин вследствие значительных деформаций можно пользоваться упрощенной зависимостью между напряжениями и деформациями (упруго-пластическое тело с линейным упрочнением). Причём, вследствие того, что модуль упрочнения для "патентированной " проволоки мал, условный предел текучести принимается равным пределу прочности материала. Для упрощенных расчётов он предлагает пренебречь модулем упрочнения. В этой же работе, применяя условие пластичности Мизеса, он теоретически определяет силовые факторы при навивке пружин на оправку, причём учитывает угол подъёма спирали и связанное с ним кручение проволоки. Формулы для определения силовых факторов и упругой отдачи сложны и выражены через эллиптические интегралы 1 -го и 2-го рода.
Определение глубины остаточных напряжений методом травления
Аналогичной обработке в горячей кислоте подверглись и контрольные пластинки (свидетели уровня наклёпа). При этом были изучены не только глубина наклёпа Sh но и влияние твёрдости пластинки HRC на глубину наклёпа и её прогиб h (см. рис.2.8). Для ускорения травления кислота также нагревалась до температуры 100С. При этой температуре остаточные напряжения практически не релаксируют. График изменения прогиба h пла стинки в зависимости от изменения её толщины S приведён на рис.2.9 и в табл.2.3.
Рассматривая результаты эксперимента, можно сделать вывод о том, что изменение твёрдости пластинки значительного влияния на её прогиб не оказывает. И этому есть простое объяснение. Уже отмечалось, что чем прочнее материал, тем меньше глубина наклёпа, но выше напряжения двустороннего сжатия. Например, на нетермообработанных сталях глубина наклёпа может быть до 0,8 мм, а остаточные напряжения сг;«02=390...440 МПа. С увеличением параметров прочности и твердости материала до соответствующих параметров пружинной проволоки, глубина наклёпа бн уменьшается, а напряжения увеличиваются 0) 0 980 МПа. Из рис.2.9 видно, что пластинки полностью выпрямятся при уменьшении толщины с 1,32 до 0,95...0,85 мм, что соответствует глубине наклёпа 4 =0,24...0,18 мм. Следует отметить, что попытка рассчитать условные параметры наклёпа тн и бн по формулам, приведённым в [7], не привела к успеху, несмотря на проведённый эксперимент с двумя пластинками разной толщины S. Одновременно вместе с пружинами в дробемётную камеру были помещены две контрольные пластинки разной толщины. И они получили разный прогиб h: 5/=1,32, hi=0,25; 52=0,95; h2=0,5. При расчёте получаются разные и нереальные результаты в зависимости от того, какую пластинку считать первой.
Из партии пружин 2108-1007020, изготовленных из одной бухты проволоки 70ХГФА с диаметром проволоки 3,6 мм, были отобраны образцы после дробеметной обработки. Прогиб контрольной пластинки при наклёпе составил =0,41 мм (по требованиям чертежа =0,41 мм). Время наклёпа - 16 минут, дробь стальная литая, диаметром 0,5 мм, скорость дроби 65 м/с.
Практика показала, что перенаклёп пружин не является браковочным признаком, динамическая прочность при этом не уменьшается. Образцы пружин были разделены на три группы с разной последующей термообработкой: 1 группа - без термообработки. 2 группа - отпуск при 220С в течении 30 минут (по технологическому процессу). 3 группа - отпуск при 350С в течение 15 минут в шахтной печи, что является перегревом, при котором возможна релаксация остаточных напряжений.
Пружины были отправлены на фирму "Sonats" (Франция) для определения величины и глубины распространения остаточных напряжений при помощи рентгеновских дифрактомеров XSTRESS 3000. Вышеуказанное оборудование позволяет определить остаточные напряжения на поверхности металла, в том числе и при поверхностном пластическом деформировании (ППД - обработке) с целью упрочнения. Метод определения напряжений дифракцией рентгеновских лучей позволяет получать информацию только на поверхности, т.е. на глубине нескольких шагов кристаллической решётки атомов. Замер напряжений на глубине осуществлялся пошаговым снятием материала химическим травлением. Снятие части материала с напряжениями вызывает некоторое изменение эпюры напряжений, т.к. она снова становится равновесной по сечению. Для уточнения исходных напряжений произво дился расчёт по математическим моделям, изложенным в нормали SaeJ784a. Итоговая погрешность результатов измерений напряжений составила ±40 МПа, или 5% от максимального уровня.
Результаты исследований приведены на рис 2.10 а и б. Эпюры напряжений приведены по направлению вдоль оси проволоки. В поперечном направлении сечения эпюры напряжений отличаются незначительно, поэтому они не приводятся. Анализируя результаты эксперимента, можно сделать следующие выводы:
1. Максимальные напряжения двухстороннего сжатия после дробемётной обработки составляют 400...700 МПа, что соответствует 24...35% от предела текучести материала.
2. Остаточные напряжения на внутреннем волокне практически такие же, как на внешнем. Это говорит о том, что и внутренние волокна витка пружин также наклёпаны до насыщения.
3. Глубина остаточных напряжений составляет «=0,18...0,25 мм, что соответствует результатам экспериментов и расчётов, приведённых в разделе 2.4 ( «0,21 мм).
4. Последующая термообработка при 220С в течение 30 минут не приводит к существенному изменению остаточных напряжений ни по их величине, ни по глубине их распространения.
5. Последующая даже кратковременная термообработка при завышенных температурах (350С, время обработки - 15 минут) приводит к значительному уменьшению остаточных напряжений (примерно в 5 раз), что повышает возможность роста усталостных трещин и уменьшает динамическую прочность пружин. При повышении температуры отпуска в значительной степени снимается упрочняющий эффект, полученный при дробемётной обработке.69
Время прогрева пружин и производительность печей для термоосадки
На графике (рис.3.6) пунктирной линией показана зависимость времени обработки (до уровня наклёпа 25 следов дробинок на 2,5 мм2) от объёма загрузки пружин в камеру. Загрузка ПО кг пружин 2108-1007020 являются предельным для объёма загрузочного ковша, но сама камера может вместить и несколько больший объём. А какой же уровень наклёпа может быть минимально допустимым? Многолетний опыт производства показал, что 16-ти минутная обработка партий пружин клапана массой до 45-ти кг обеспечивает необходимую выносливость. Неоднократные попытки уменьшить время обработки приводили к недопустимому снижению динамической прочности. Если в первом приближении считать, что кривые на рис.3.6, обеспечивающие определённый уровень наклёпа, идентичны, то можно сместить пунктирную линию вверх, на уровень наклёпа при 16-ти минутной обработке 45 кг пружин. Таким образом, сплошная линия на рис.3.6. показывает зависимость времени обработки от объёма загрузки для пружины 2108-1007020. Все три партии пружин получили итоговый уровень наклёпа, отмеченный на рис.3.6. кружочками. Проведённые форсированные усталостные испытания этих пружин показали, что при числе циклов Л =6х106 (требования чертежа) ни одна пружина их трёх партий по 12 штук не разрушилась.
Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Анализ качества дробемётной обработки пружин по прогибу контрольной пластинки Альмена необъективен, т.к. пластинка определяет только возможность струи дроби создать определённый наклёп до уровня насыщения. При этом сама пластинка получает опережающе быстрый наклёп, особенно по сравнению с внутренними волокнами витков пружин.
2. При достижении определённого достаточного уровня наклёпа зависимость времени наклёпа пружин от объёма загрузки нелинейна. Для более полного использования энергии дробемётной струи можно увеличить объём загрузки. При этом время обработки увеличивается не прямо пропорционально увеличению объёма, а в меньшей степени и возрастает призводитель-ность и коэффициент использования дробемётных установок. З.З.Корректировка технологии изготовления пружины 2108-1007020
В 1998 году качество пружинной проволоки, поставляемой на ОАО «Автонормаль» резко ухудшилось. Это сразу же сказалось на количестве рекламаций по поломкам клапанных пружин. Анализ поломок показал, что в большинстве случаев ломается пружина 2108-1007020, технология которой разработана в начале 80-х годов. Проверка технологических параметров упрочнения этой пружины с расчётами на ЭВМ по программе «Пружина-96» показала, что величина деформации пружины при термоосадке не является оптимальной. Пружина в процессе термоосадки сжимается со значительной величиной недоосадки до соприкосновения витков. Были рассчитаны более оптимальные конструкторские и технологические параметры. По расчётным параметрам была изготовлена и испытана опытная партия, и скорректирован основной технологический процесс. Результаты изменения количества поломок после корректировки техпроцесса представлены на рис.3.7.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что с ухудшением качества проволоки в первую очередь теряют необходимый уровень качества те пружины, технологические параметры упрочнения которых не являются оптимальными. У остальных пружин клапана в этот период надежность так же ухудшилась, но в значительно меньшей степени.
В связи с дефицитом производственных мощностей по термоосадке в Белебеевском ОАО «Автонормаль» вновь возникла проблема повышения производительности печей для термоосадки фирмы «FIAT». Пружины прерывисто перемещаются вдоль пятиметровой печи по направляющим с помощью конвейерной цепи с толкателями и через 6...8 минут выпадают по лотку в гнездо револьверного диска для осадки с помощью пневмоцилиндра. Пружина клапана наружная 2108- 1007020
Вмешиваясь в электронную программу печи, можно изменить время нахождения пружин в печи до 4 минут и этим увеличить производительность. Но успеют ли пружины при этом достаточно прогреться, точнее до какой температуры они прогреются за 4 минуты? Диаметр проволоки пружин 3,6 мм, на всех четырёх участках печи трубчатыми электронагревателями поддерживается температура 380С±10, контролируемая четырьмя термопарами.
Ни оптические пирометры, ни контактные термопары по ряду причин непригодны для измерения температуры пружины, выходящей из печи. В основном непригодны из-за низкой точности показаний и малого диаметра проволоки. По этим же причинам непригоден калориметрический способ. Но, учитывая, что диапазон измеряемых температур находится в диапазоне цветов побежалости, можно сравнительно точно и без специальных приборов определить температуру пружин, выходящих из печи, по их цвету.
Двенадцать пружин были помещены в разогретую до 380С муфельную лабораторную печь. С интервалом времени 0,3...2 минуты пружины по одной вынимались из печи и остывали на воздухе. Из-за частого открывания дверцы температура в муфельной печи за время эксперимента снизилась с 380С до 360С, а в конце эксперимента вновь повысилась, т.к. дверцу долго не открывали. Результаты эксперимента представлены в табл.3.1. и на рис.3.8.
Интерпретация результатов испытаний на поверхности предельного нагружения
Для ускоренного испытания пружин сжатия на выносливость иногда применяют метод, увеличивающий размах напряжений (деформаций), т.е. увеличивающий коэффициент асимметрии цикла r=Pj/P2 не только до нуля (отнулевой цикл), но и делающий его отрицательным. Для этого по торцам пружин сжатия ввинчивают полиуретановые винтовые пробки, позволяющие не только сжимать пружину до нагрузки Р2, но и растягивать её с небольшой нагрузкой. При этом число циклов до разрушения резко снижается, что позволяет оперативно провести сравнительные испытания и дать заключение по динамической прочности.
Однако, такой метод малоприменим на практике из-за высокой трудоемкости, низкой точности и недолговечности полиуретановых пробок. Витки, непосредственно примыкающие к торцовым и стеснённые винтовой пробкой, работают при этом способе в других условиях, чем пружина в двигателе или на стенде при простом сжатии. При этом способе жёсткость пружины увеличивается, т.к. часть рабочих и полурабочих витков стеснены резьбовыми пробками и трудно подобрать корректировку амплитуды и размаха колебаний, чтобы максимальные напряжения не превышали рабочих напряжений z в двигателе. Кроме указанных недостатков можно отметить ещё один: раскрошившиеся части винтовых полиуретановых пробок засоряют систему смазки и выводят из строя испытательный стенд.
Таким образом, готовую партию пружин можно корректно испытать только при отнулевом цикле с коэффициентом асимметрии г = О. Такие испытания, как мы уже отметили, трудоёмки, длительны и энергозатратны. Поэтому в настоящей работе проведены эксперименты по изучению возможности определять уровень динамической прочности по специальным пружинам (образцам-свидетелям), изготовленным по той же технологии и из того же материала. Образцы-свидетели отличаются от серийных пружин только увеличенными высотой пружины и шагом t. Особенностью изготовления таких образцов пружин является необходимость отделять их от серийной партии, закладывать на термообработку и в дробемётную камеру на связке проволокой. Небольшой подрегулировке при их изготовлении подвергаются только навивочный и шлифовальный станки. Инструмент при этом не меняется. Были изготовлены и испытаны две партии пружин-свидетелей из разной проволоки 03,6 мм (Oteva 60 и Oteva 70) шведской фирмы Garphyttan. При этом отличие этих пружин по технологическим и конструкторским параметрам от серийных клапанных пружин для двигателя ВАЗ-2112 состояло только по высоте в свободном состоянии. Это позволило значительно увеличить касательные напряжения при отнулевом цикле и пружины начали разрушаться в малоцикловой зоне кривой усталости. Было испытано по 12 пружин с размахом нагружения 20 мм, и частотой 1800 колебаний в минуту на испытательном стенде резонансного типа. С началом массовых поломок в каждой партии стенд останавливали, и остальные пружины заменяли новыми, при этом две трети пружин каждой партии остались неразрушенными.
Равновероятностные кривые усталостной прочности по данным фирмы изготовителя проволоки приведены на рис.4.6 и в публикации [80]. Скальпированная проволока Oteva 70 имеет на 5 % выше усталостные свойства, чем скальпированная проволока Oteva 60. Результаты испытаний приведены на рис. 4.7.
Сплошной линией показана усталостная кривая регрессии, построенная по результатам многочисленных вышеприведенных испытаний пружин из проволоки Oteva 60 и 70ХГФА (аналог Oteva 60). Пунктирной линией параллельно сплошной линии проведена возможная кривая регрессии для нового материала по данным его испытаний. Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о том, что кривая усталости в малоцикловой зоне для материала Oteva 70 проходит на 5...6 % выше, т.е. проволока Oteva 70 обладает на 5...6 % большей выносливостью, чем Oteva 60. Это говорит о хорошем совпадении уровня выносливости с данными фирмы Garphyttan. Поэтому метод оценки выносливости клапанных пружин - по результатам испытаний высоких образцов (пружин-свидетелей) обладает достаточной для практики точностью и может быть рекомендован для внедрения. В качестве критерия начала разрушения можно принять число циклов по кривым на рис.4.7, уточнив их по мере накопления опыта.
