Сл.15. Технология термической обработки рессор и пружин. Закалка и отпуск пружин. Изотермическая закалка. Поверхностное упрочнение рессор
Условия работы пружин и рессор. Требования к рессорнопружинным материалам. Пружины и рессоры являются упругими элементами машин и механизмов. Поэтому в процессе эксплуатации они испытывают многократные знакопеременные нагрузки, после снятия которых должны полностью восстановить свои первоначальные размеры. Следовательно, материал, применяемый для изготовления пружин и рессор, должен обладать, кроме необходимой прочности σв> 1000 МПа в условиях нагружения достаточно хорошей пластичностью δ> 5% и ψ> 20 % и иметь высокий предел упругости σу> 800 МПа. Кроме того, пружины должны обладать высокой релаксационной стойкостью, а при работе в агрессивных средах (пар, морская вода, различные растворы) быть коррозионностокими.
Разнообразие видов пружин, применяемых в технике очень велико. По характеру работы пружины делят на работающие при сжатии, растяжении, кручении, изгибе.По форме пружины подразделяются на винтовые, спиральные, тарельчатые, плоские (рис. 34). Пружины при работе могут испытывать следующие виды нагрузок: статические, динамические, циклически изменяющиеся.
Рис. 34. Различные виды пружин: а - пружина сжатия цилиндрическая; б - пружина сжатия коническая из проволоки круглого сечения; в - пружина сжатия телескопическая из заготовки прямоугольного сечения; г - пружина цилиндрическая растяжения; д - пружина кручения; е - пружина спиральная плоская; ж - пакет тарельчатых пружин; з - пружина изгиба пластинчатая; и - листовая рессора
Сл.16. Для изготовления пружин применяют углеродистые и легированные стали. Рессоры производят только из легированных сталей. Это специальная группа конструкционных сталей с характерным комплексом свойств, важнейшим из которых является сопротивление малым пластическим деформациям. Стали должны иметь малый размер зерна, однородную структуру и субструктуру, повышенную чистоту по вредным примесям и неметаллическим включениям.
Не менее важны для материалов и технологические свойства - малая склонность к росту зерна и обезуглероживанию при термической обработке, глубокая (сквозная) прокаливаемость, низкая критическая скорость закалки, малая чувствительность к отпускной хрупкости. Технологичность рессорнопружинных сталей определяет также пластичность при горячей и холодной пластической деформации (прокатка, гибка, волочение, ковка, штамповка).
По назначению рессорно-пружинные стали делятся на: стали общего назначения, изделия из которых работают в обычных атмосферных условиях воздушной среды; специальные стали, когда упругие элементы из них работают в агрессивных средах, при повышенных температурах. Пружины и рессоры упрочняют следующими способами:
- холодная пластическая деформация сталей общего назначения с последующим низкотемпературным нагревом (отпуск);
- закалка на мартенсит со среднетемпературным отпуском;
- термомеханическая обработка.
Сл.17. Термическая обработка пружин из сталей общего назначения. Основное преимущество таких пружин простота и экономичность технологического процесса их изготовления. При этом обеспечивается длительная и надежная их эксплуатационная стойкость. Отсутствие закалки позволяет получить высокую точность конфигурации и размеров пружин при практически полном отсутствии обезуглероживания и окисления поверхности при термической обработке.
Для изготовления мелких и средних витых пружин широко применяют патентированную проволоку или ленту (диаметр, толщина до 8 мм) из среднеуглеродистых сталей с содержанием марганца 0,3-0,5 % и сталей 65Г и 70Г с содержанием марганца 0,7-1,0%, а также углеродистых инструментальных. Проволока или лента поставляется по трем группам прочности: 1П, 2П, 3П, с ростом номера группы уровень прочности повышается. Заготовки под пружины в патентированном состоянии имеют структуру тонкопластинчатого перлита, что позволяет проводить навивку в холодном состоянии без расслоения и растрескивания.
После навивки в холодном состоянии пружины проходят низкий отпуск при температуре 175-250°С с выдержкой от 20мин до 1 ч для снятия напряжений, повышения предела упругости и выносливости, релаксационной стойкости и обеспечения стабильности размеров пружин. Конкретное время выдержки зависит от диаметра (толщины) проволоки или ленты. Для отпуска используют печи ванны с горячим маслом или расплавом солей. Для снижения коробления плоских пружин при отпуске необходимо применение специальных штампов.
Сл.18. Термическая обработка пружин из сталей общего назначения, упрочняемых закалкой с отпуском. Для изготовления пружин, упрочняемых закалкой с отпуском, используют углеродистые (65, 75) и легированные (60С2А, 50ХФА, 60С2Н2А) стали, для рессор - только легированные. Пружины из углеродистых сталей, имеющих низкую прокаливаемость, изготавливают из проволоки диаметром до 6 мм. Преимуществами легированных сталей по сравнению с углеродистыми сталями являются повышенная прокаливаемость и более высокие прочностные и пластические характеристики. Однако стали, легированные кремнием, склонны к образованию поверхностных дефектов при горячей обработке, обезуглероживанию и графитизации. В результате обезуглероживания наружной поверхности резко снижается сопротивление длительным нагрузкам и усталостная прочность. Поэтому нагрев пружин и рессор необходимо проводить в защитных средах или соляных ваннах.
Термическая обработка пружин зависит от способа их изготовления. Технологический процесс изготовления пружин горячей навивкой в общем случае включает следующие операции:
- отрезку заготовок, оттяжку или вальцовку концов заготовок в горячем состоянии (950-1150 °С);
- навивку или штамповку в горячем состоянии (800-1000 °С);
- обрубку концов, заточку и шлифование торцов пружин (при необходимости), термическую обработку;
- очистку от окалины гидропескоструйным способом или наклепом дробью.
- контроль качества.
Сл.19. Пружины большого диаметра производят из горячекатаных прутков. Их закаливают в масло после навивки с температуры 840-860°С и подвергают среднетемпературному отпуску 300-470 °С с выдержкой 0,3-1,5 ч. Режимы отпуска определяются диаметром (толщиной) заготовки и требуемыми свойства изделий. При указанных температурах отпуска получается наиболее высокий предел упругости сталей. Во избежание поводки и изменения размера витков ответственные пружины охлаждают при закалке на оправках (рис. 35). Коробление пружины можно устранить при отпуске. Для этого закаленную пружину надевают на оправку и зажимают клином (рис. 36). В таком состоянии проводят отпуск, при отпуске в зажатом состоянии коробление пружин устраняется.
Рис. 35. Приспособление для закалки на оправке пружин сжатия
Рис. 36. Вид пружины: а – после закалки; б– на оправке перед отпуском; в – после отпуска
Изотермическая закалка пружин и рессор позволяет получить в структуре сталей нижний бейнит при температуре изотермической выдержки 280…350 °С. Такая структура обеспечивает в изделиях более высокие значения предела упругости, вязкости, усталостной прочности по сравнению с объемной закалкой и отпуском. Кроме того, уменьшается уровень напряжений и склонность стали к хрупкому разрушению при работе. Для повышения предела упругости и релаксационной стойкости после изотермической закалки проводится отпуск при 300-350 °С.
Сл.20. Технология термической обработки рессор включает закалку с отпуском. Для изготовления рессор применяют стали 60С2(А), 50ХГ(А), 60ХГС, 50ХФА и др. Рессорные листы нарезают в холодном состоянии, затем в них пробивают отверстия, оттягивают концы и в горячем состоянии загибают ушки (см. рис. 34). Термическую обработку, например, из стали 50ХГФА, выполняют по следующему режиму. Листы загружают в печь для нагрева под закалку (температура первой зоны 600-700 °С, второй - 800- 850°С и третьей - 850-880 °С). Выдержку дают из расчета 1,2-1,5 мин на 1 мм сечения. После нагрева листы поступают в гибочно-закалочную машину, где производится гибка и закалка с охлаждением в циркулирующем масле с температурой 40-60 °С (рис. 37).
Рис. 37. Схема линии для термической обработки рессорных листов: 1 - конвейерная печь для нагрева под закалку; 2 - конвейер закалочной печи; 3 - гибозакалочный барабан; 4 - конвейер закалочного бака; 5 - отпускная печь; 6 - конвейер отпускной печи; 7 - бак с водой; 8 - бак с маслом
После закалки рессорные листы подвергаются отпуску при 550-600 °С с выдержкой 40-45 мин. Листы в отпускной печи укладывают на ребро. После отпуска охлаждение выполняется в баке с водой для устранения отпускной хрупкости второго рода. Термически обработанные рессорные листы подвергают дробеструйной обработке, что значительно повышает их предел выносливости. Остаточные напряжения сжатия наружных слоев, вызванные обдувкой дробью, уменьшают напряжения растяжения в наружных волокнах изогнутого листа, увеличивая его долговечность.
Сл.21. Контроль качества изделий сводится к наружному 100% осмотру поверхности на отсутствие рисок, волосовин, трещин. Для контроля ответственных пружин применяется магнитная дефектоскопия. Для пружин, проходящих закалку, проверяется твердость. Готовые пружины подвергают следующим видам контроля:
Определению высоты после минимальной и максимальной рабочей нагрузки. Часто используют сжатие (3-10 раз) до соприкосновения витков.
Длительному нагружению (заневоливанию), выполненному путем сжатия при напряжении на 10% выше рабочих, с выдержкой под нагрузкой в течение 10-30 ч. Для менее ответственных пружин используется кратковременное заневоливание на 2-3 мин. Крупные винтовые пружины рекомендуется заневоливать при напряжениях 0,5 σ0,2.
Испытанию на выносливость (число циклов до разрушения), на удар свободно падающим грузом на копре, на кручение с определением крутящего момента и угла закручивания.