Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ижевский государственный технический университет

Кафедра «Производство машин и механизмов»

Реферат

Производство пружин

Выполнил:

Аспирант Т.В. Ломаева

Проверил: О.В. Степанова

Ижевск 2007г.

Производство пружин

Пружина – это устройство, которое изменяет свою форму в ответ на внешнюю силу, а возвращается в оригинальную форму, когда сила убрана. Энергия, потраченная на деформирование пружины, аккумулирована в ней и может быть получена обратно, когда пружина возвращается в первоначальную форму. Вообще величина изменения формы прямо связана с величиной прилагаемой силы. Однако если приложена слишком большая сила, то пружина будет деформирована и никогда не вернется в первоначальное состояние.

Исходные данные

Существует несколько типов пружин. Один из наиболее распространенных состоит из проволоки намотанной в цилиндрическую или коническую форму. Пружина растяжения – это намотанная пружина, витки которой обычно касаются друг друга, сила, приложенная для растягивания пружины, разделяет витки. Напротив, пружина сжатия – это винтовая пружина с пространством между последовательными витками; когда приложенная сила уменьшает пружину, витки поджаты друг к другу. Третий тип винтовых пружин, названые пружинами кручения, разработаны так, что приложенная сила скручивает виток в тугую спираль. Общие примеры пружин кручения использованы в клипбордах и заколках-бабочках.

Кроме того, другая разновидность навитых пружин – это часовые пружины, которые навиты в плоскую спираль, а не цилиндр или конус. Один конец пружины находится в центре спирали, а другой на ее внешнем краю.

Некоторые пружины созданы без витков. Самый общий пример – это листовая рессора, которая сформирована как мелкая арка, она обычно используется для автомобильных систем подвески. Другой тип – это тарельчатая пружина, устройство типа шайбы, которое сделано в виде срезанного конуса. Незамкнутые цилиндры из прочного, эластичного материала также могут действовать как пружины.

История

Простые, не винтовые пружины использовались всюду в истории. Даже эластичная ветвь дерева может быть использована в качестве пружины. Наиболее усовершенствованные пружинные механизмы датированы бронзовым веком, когда пинцеты для бровей были распространены в нескольких культурах. Во время третьего века до н.э. греческий инженер Стесибиус Александрийский разрабатывал метод изготовления «эластичной бронзы», с помощью увеличения пропорции олова в медном сплаве, расчета детали и упрочнения ее ударами молотка. Он пытался использовать сочетание пластинчатых пружин, чтобы управлять военными катапультами, но они не были достаточно мощны. В течении второго столетия до н.э. Фило из Византии, другой строитель катапульт, создал похожее устройство, предположительно с некоторым успехом. Висячие замки широко использовались в древней Римской империи и, по крайней мере, одна из моделей использовала согнутые металлические пластинки, чтобы сохранить устройство закрытым до тех пор, пока пластины не были разжаты с помощью ключей.

Следующее существенное развитие в истории пружин произошло в средние века. Отрезной станок, разработанный Вилардом де Хонекуртом около 1250г, использовал рабочее колесо гидротурбины для толкания ленточной пилы в одном направлении, и одновременно сгибания стойки, когда стойка возвращалась в распрямленное состояние, она толкала ленточную пилу противоположное состояние.

Винтовые пружины были разработаны в начале пятнадцатого века. Заменяя систему весов, которую обычно включали измерительные приборы, механизмом с намотанной пружиной, часовщики были в состоянии создать надежные, портативные хронометражные устройства. Этот процесс сделал возможной точную астронавигацию для океанских судов.

В 18 веке Индустриальная революция стимулировала развитие массового производства для того, чтобы делать пружины. В течение 1780-х годов Британский слесарь Джосеф Брамах использовал пружинно-навивочную машину в своей фабрике. По-видимому, переделка токарного станка заключалась в том, что на станок поставили бабину с проволокой на место резцовой головки. Проволока из бабины наматывалась вокруг стержня, закрепленного на токарном станке. Скорость ведущего винта, который передавал вращение соответственно на вращающийся стержень, могла быть отрегулирована для изменения шага – витков пружины.

Общие примеры современного использования пружин распространяются от крошечных колец основания кнопок в сенсорных панелях сотовых телефонов до огромных катушек, которые поддерживают цельность зданий и защищают их от вибрации во время землятресения.

Сырье

Стальные сплавы – это, как правило, наиболее используемые пружинные материалы. Наиболее популярные сплавы, включающие в себя высокоуглеродистые (такие как музыкальная проволока, используемая для гитарных струн), закаливаемые в масле низкоуглеродистые, хром-кремний, хром-ванадий и коррозионностойкие стали.

Другие металлы, которые иногда используются для изготовления пружин - это сплав меди и бериллия, фосфористая бронза и титан. Каучук или уретан могут быть использован для цилиндрических не винтовых пружин. Керамические материалы были разработаны для винтовых пружин, работающих в очень высокотемпературных окружающих средах. Однонаправленный стекловолокнистый материал композиционный материал проверяется на возможное использование в пружинах.

Проектирование

Различные математические уравнения были разработаны, чтобы описать свойства пружин, они основаны на таких факторах как состав и размеры прутка, диаметр витка пружины, количества витков и величины ожидаемой внешней силы. Эти уравнения были включены в программное обеспечение для упрощения процесса проектирования.

Процесс производства

Следующее описание сосредоточено на производстве стальных навитых пружин.

Навивка

• Холодная навивка. Пруток диаметром от 0,75 до 18 мм может быть навит при комнатной температуре с использованием одного из двух методов. Один состоит из навивки прутка вокруг оси, названной оправкой или сердечником. Это может быть сделано на специализированном пружинно-навивочном станке, токарном станке, с помощью электрической ручной дрели, с оправкой закрепленной в зажимном патроне или на навивочном станке, который управляет ручной поворот. Направляющий механизм типа ведущего винта на токарном станке должен быть использован для направления проволоки в желаемое состояние (расстояние между следующим один за другим витками), когда они оборачиваются вокруг оправки.

Альтернативно проволока может быть навита без оправки. Это, как правило, делается на станке с ЧПУ.

Проволока, подается вперед через направляющий блок к гофрированной головке, которая загибает проволоку в необходимое состояние. Головка и направляющий блок могут быть перемещены относительно друг друга в пяти направлениях для контроля диаметра и шага получаемой пружины.

Для пружин растяжения и кручения концы отгибаются в необходимые петли, крюки, или прямые секции после того как навивочная операция завершена.

• Горячая навивка. Толстая проволока или прутковая заготовка могут быть навиты в пружины, если металл нагрет для того, чтобы сделать его гибким. Стандартные промышленные навивочные станки могут справляться со стальными прутками диаметром до 75 мм, а пружины на заказ были сделаны из прутков толщиной 150 мм. Сталь навивается на оправку пока она раскалена до красна, потом она неедленно снимается с навивочной машины и погружается в масло для быстрого охлаждения и закаливания ее. На этой стадии, сталь слишком хрупка, чтобы функционировать как пружина и она должна быть впоследствии отпущена.

Упрочнение

Температурная обработка. Была ли сталь намотана горячая или холодная, процесс создал напряжение в материале. Чтобы уменьшить это напряжение и сделать возможным стали сохранять ее параметры упругости, пружина должна быть отпущена при термической обработке. Пружина нагревается в печи, выдерживается при соответствующей температуре в течении определенного времени, а затем дается возможность медленно охладиться. Например, пружина изготовленная из музыкальной проволоки нагревается при температуре = 500 F в течении одного часа.

Отделочная обработка

Шлифование. Если проект требует плоские концы у пружин, то торцы шлифуются на этой стадии производственного процесса. Пружина устанавливается в приспособлении, чтобы гарантировать правильную ориентацию в течении шлифования, поджимается о вращающийся абразивный круг, пока желаемая степень плоскостности не будет получена.

Когда используется высокоавтоматизированное оборудование, пружина держится во втулке, пока оба конца шлифуются одновременно, сначала грубыми кругами, а потом мелкозернистыми кругами. Соответствующая жидкость (вода или вещество на основе масла) может быть использована для охлаждения пружины, смазывания шлифовального круга и для того чтобы уносить частицы во время шлифования.

Дробеструйная обработка. Этот процесс упрочняет сталь, чтобы сопротивляться металлической усталости и поломке пружины в течении срока службы от повторяющихся изгибаний. Вся поверхность пружины подвергается действию крохотных стальных шариков, которые куют, сглаживают и сжимают сталь ниже поверхности.

Стабилизация. Чтобы зафиксировать постоянно желаемую длину и шаг пружины, ее полностью сжимают так, чтобы все витки коснулись друг друга. Некоторые производители повторяют этот процесс несколько раз.

Покрытия. Чтобы предотвратить коррозию всю поверхность пружины защищают покраской, погружением в жидкую резину или нанесением гальванического покрытия других металлов например цинка или хрома. Один процесс, названный механической металлизацией включает в себя обработку пружины в поворотном барабане с металлической пудрой, водой, химическими катализаторами и крошечными стальными шариками, которые трамбуют металлический порошок на поверхность пружины.

Альтернативно, в гальванопокрытии пружина погружена в электрически проводящую жидкость, которая разъедает наносимый металл, но не пружину.

К пружине прикладывается отрицательный заряд. Также в жидкость погружается металл, обеспечивающий гальваническое покрытие, на него подается положительный заряд. Т.к. металл для гальванического покрытия распадается в жидкости, то высвобождаются положительно заряженные молекулы, которые привлекаются к отрицательно заряженной пружине, где они химически сцепляются. Гальванопокрытие делает пружины из углеродистой стали хрупкими, таким образом после покрытия (меньше чем через 4 часа) они должны быть отожжены при температуре 325-375º F в течении 4 часов, чтобы противостоять хрупкости.

Упаковывание

Желаемое количество пружин просто могут быть упакованы оптом в коробки или пластиковые (полиэтиленовые) пакеты. Однако, другие формы упаковывания могут быть разработаны для минимизирования повреждений или спутывания пружин. Например, они могут быть индивидуально сложены в мешок, натянуты на проволоки или стержни, закрыты в футлярах или приклеены к липкой бумаге.

Контроль качества

Различные испытательные устройства используются, чтобы проверить законченные пружины для соответствия спецификациям. Испытательные устройства измеряют такие свойства как твердость металла и величину деформации пружины после известной нагрузки. От пружин, которые не удовлетворяют спецификации, отказываются. Статистические анализы результатов тестов могут помочь производителям идентифицировать проблемы производства и улучшить процессы, таким образом, производя меньше дефектных пружин.

Приблизительно одна треть дефектных пружин это результат проблем производства. Другие две третьих вызваны недостатками в проволоке, используемой для формирования пружин. В 1998 г. Исследователи сообщили о разработке теста проволоки, который мог показать на экране неадекватную проволоку еще до производства пружин.

Управляемые компьютером пружинно-навивочные станки улучшают качество двумя способами. Первый, они контролируют диаметр и шаг пружины более точно, чем могут ручные операции. Второй, с помощью пьезоэлектрических материалов, чей размер изменяется электрическим входом, навивочные головки с ЧПУ могут точнее приспосабливаться в реальном времени к размерным характеристикам пружин. В результате эти интеллектуальные машины изготавливают меньше пружин, которые должны быть отклонены из-за несоответствия спецификации.

Будущее

Требования быстрорастущих отраслей компьютерной и сотовой промышленностей толкают производителей пружин развивать надежные, рентабельные методы производства очень маленьких пружин. Пружина-поддержка, которая включает сенсорную клавиатуру и обычную клавиатуру важны, но также есть менее очевидные применения. Например, производитель испытательного оборудования, используемого в производстве полупроводника, разработал технологию микропружинного контакта. Тысячи крошечных пружин, только 0,040 дюйма высотой, привязаны к индивидуальным точкам контакта в полупроводниковой пластине. Когда эта пластина нажата тестовым инструментом, устанавливаются очень надежные подключения к электросети.

Медицинские устройства также используют очень маленькие пружины. Навитая пружина была разработана для использования в конце вставки катетера или эндоскопа. Сделана из проволоки 0,03мм в диаметре, пружина толщиной как человеческий волос 0,092 мм. Японская компания разработавшая эту пружину пытается сделать ее еще меньше.

Окончательная миниатюризация пока была достигнута в 1997г. австрийским химиком Бернардом Краутлером. Он создал молекулярную пружину, натягивая 12 атомов углерода вместе и прилагая молекулу витамина В12 к каждому концу цепи посредством атома кобальта. В расслабленном состоянии цепь имеет зигзагообразную форму, однако, когда она смочена водой, ее нити сильно приближены. Добавление циклодекстрина заставляет цепь возвращаться в свободное состояние. Никакое практическое применение этой пружине все же не было найдено, но исследования продолжаются.