Технология и оборудование термомеханической обработки деталей машин

Шаврин О.И.

Машиностроение, 1983 г.

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПРУЖИН

Ввиду большого разнообразия конструкций пружин невозможен какой-либо универсальный технологический прием повышения их работоспособности. С целью использования упрочняющего воздействия ТМО разработаны два варианта технологии применительно к пружинам, имеющим показатель жесткости больше или меньше четырех.

Первый вариант основан на повышении прочности исходного пружинного материала с высокой устойчивостью упрочняющего эффекта, способного сохраниться в процессе производства и термической обработки пружины. Второй вариант заключается в термомеханической обработке самой пружины, когда упрочняющей является деформация навивки (или гибки — для плоских пружин). Второй вариант нельзя считать универсальным способом ввиду того, что у большинства пружин степени деформации, получающиеся при навивке, недостаточны. Необходимые деформации могут быть получены только при изготовлении жестких пружин.

При производстве пружин из закаливаемых сталей основные технологические операции — навивка (холодная или горячая) и закалка с отпуском. Технологический процесс должен быть комплексным, учитывающим как технологию получения проволоки, так и технологию получения пружин. На основании результатов исследований, приведенных выше, можно наметить схему комплексного процесса производства высокопрочных винтовых пружин: ВТМО проволоки — термическая обработка проволоки — навивка — окончательная термическая обработка — окончательная отделка.

Результаты исследований позволяют сформулировать требования к каждому из этапов процесса. Способ осуществления ВТМО должен учитывать условия нагружения пружины в эксплуатации. С этой точки зрения применяемая в схеме ВТМО проволоки деформация волочением должна предопределять назначение пружин—такие пружины будут иметь повышенные эксплуатационные характеристики только в условиях периодического нагружения. Это предположение, сделанное на основании анализа результатов испытаний образцов и проволоки в условиях статического (растяжение, кручение) и периодического нагружений, было подтверждено и результатами испытания пружин. Пружины испытывали также при статическом и периодическом приложении нагрузки. При статическом нагружений изучались кривые деформирования и остаточная деформация (осадка) после сжатия до соприкосновения витков пружин, навитых из обычной и термомеханически упрочненной при деформации волочением проволоки. Результаты испытаний показали, что кривые нагрузка—деформация и для обычных пружин и пружин из проволоки в ВТМО практически совпадают. Осадка одинакова в обоих случаях (2,5—3%) и также не выявляет преимущества пружин из проволоки с ВТМО. Эти данные подтверждены многочисленными контрольными испытаниями в процессе отладки производства пружин из термомеханически упрочненной проволоки и объясняются выявленной при испытании на растяжение и кручение анизотропией упрочнения проволоки при ВТМО с однонаправленной деформацией волочением. Для повышения характеристик пружин, работающих в статических условиях нагружения, необходимо изменять схему деформации при ВТМО.

Термическая обработка проволоки перед навивкой пружин имеет две цели — подготовить проволоку (снизить твердость) к операции навивки и стабилизировать субструктуру. Как показано выше, последнее обеспечивается низким отпуском при температурах 220—300°С. Для определенной номенклатуры пружин (с малой жесткостью) стабилизирующий низкий отпуск может обеспечить и снижение твердости до значений, удовлетворяющих условию навивки. Для снижения твердости должен проводиться промежуточный отпуск при температурах, предотвращающих, с одной стороны, развитие рекристаллизации и значительное изменение дислокационной субструктуры, а с другой стороны — достаточно понижающих твердость.

Окончательная термическая обработка зависит от термической обработки проволоки перед навивкой. При навивке пружин из низкоотпущенной проволоки окончательной термической обработкой может быть отпуск при температуре 220—300°С, необходимый для снятия возникших при навивке остаточных напряжений и для дополнительной стабилизации субструктуры.

Окончательная термическая обработка пружин из высокоотпущенной термомеханически упрочненной проволоки из стали 50ХФА помимо операции скоростной закалки и отпуска должна включать дополнительный стабилизирующий отпуск после навивки. Необходимость в этом отпуске связана с тем, что при холодной навивке пластическая деформация материала может разрушить дислокационную субструктуру и этим исключить или уменьшить эффект упрочнения пружин.

В работе [15] при исследовании свойств стали 55ХГР после ВТМО с деформацией прокаткой показано отрицательное влияние холодной деформации на механические свойства стали после ВТМО, низкого и высокого отпуска. Показано также, что отрицательное воздействие холодной деформации может быть компенсировано дополнительным стабилизирующим отпуском перед закалкой. Эти результаты делают необходимым исследование влияния отпуска после навивки на сопротивление усталости пружин из стали 50ХФА, обладающей меньшей термической и механической устойчивостью структуры, чем сталь 55ХГР.

Окончательная отделка пружин заключается в поверхностном упрочнении дробеструйной или гидроабразивной обработками.