Критическая нагрузка: Как создают лучшие пружины

Любая пружина — это устройство, которое меняет свою форму в ответ на приложенное к ней усилие, возвращаясь к своей первоначальной форме, когда усилие перестало оказываться.

Как правило, величина изменения формы напрямую взаимосвязана с величиной приложенного усилия. Но надо помнить, что если усилие превышает определённый предел, то наступают структурные изменения в материале, и пружина уже не вернётся в первоначальное состояние из-за необратимой деформации.

Существует несколько типов пружин по виду нагрузки.

1. Пружина растяжения — винтовая пружина, имеющая сомкнутые витки без нагрузки. В большинстве случаев на концах имеют кольца (часто называемые «ухо») для закрепления в применяемом механизме. Простейший пример такой пружины — пружина механизма закрывания входных дверей.
2. Пружина сжатия — винтовая пружина, имеющая разомкнутые витки без нагрузки. Т.е. при приложении к ней силы, пружина сжимается. Самый часто встречаемый и простой тип пружины. Степлеры, часовые механизмы, матрасы, шариковые ручки и т.д. — вот далеко не полный перечень того, где их можно встретить.
3. Пружина кручения — пружина, спроектированная таким образом, что приложенная сила скручивает пружину в более тугую спираль, т.е. пружина работающая на кручение. Можно увидеть, например, в бельевых прищепках, мышеловках.
4. Пружина изгиба — как правило представляет собой гибкую пластину, осуществляющую передачу упругих деформаций за счет изменения собственных геометрических размеров. Например, рессора

Процесс изготовления пружин. 

I.Навивка.

Бывает двух видов, в зависимости от диаметра проволоки и/или наличию особых требований к конечным характеристикам пружины.

1. Холодная навивка пружин. Проволоку диаметром от 0,1 мм до 18 мм можно навить в пружины без дополнительной тепловой обработки одним из трех способов:

1. Навивка на вращающуюся оправку. Эту операцию можно выполнять как на специальных обмоточных машинах, так и с помощью обычных токарных станков или бытовой дрели.
2. Навивка с помощью подающих роликов и нескольких упоров. Сейчас этот способ навивки выполняется на пружинонавивочных станках с ЧПУ. В основном таким способом производятся пружины сжатия и реже — растяжения. Процесс представляет собой подачу проволоки через набор подающих роликов в формовочную область, где проволока, проходя через упорные штифты, формирующие радиус изгиба, навивается в коническую или цилиндрическую пружину.
3. Формовка с помощью подающих роликов и формообразующих подвижных ползунов с различной оснасткой. Осуществляется на таких станках-мультиформерах с ЧПУ, которые, по своей сути, являются универсальными формовочными станками для фасонной гибки проволоки в изделия любой формы (но здесь стоить отметить, что данные станки не очень эффективны для производства простых пружин сжатия). В отличии от пружинонавивочных станков, станки-мультиформеры в зоне формования имеют от 6 до 12 подвижных ползунов, каждый из которых может оснащаться отдельным инструментом, необходимым для выполнения необходимых петель, отгибов, крючков, изгибов и т.д. на изделии.

Следует отметить, что холодную навивку можно проводить как с закалкой и отпуском, так и без проведения данных процедур.

2. Горячая навивка (проволока от 12 мм до 150 мм). Горячая навивка используется при изготовлении крупногабаритных пружин, т.к. после после нагрева изделие легче поддается пластической деформации и имеет небольшую упругость.

В большинстве случаев технология заключается в подаче и креплении нагретой заготовки (проволоки) во вращающейся оправке станка. Скорость вращения оправки регулирует шаг пружины.

Закалка и отпуск должны производиться уже после формования изделия.

Навивка осуществляется только на специальных пружинонавивочных станках горячей навивки.

II.Закалка и отпуск.

Закалка — термическая обработка металла, заключающаяся в нагревании стали до оптимальной температуры, выдерживании при этой температуре и дальнейшем быстром охлаждении ее с целью получения неравновесной структуры.

В результате повышается прочность и твердость, понижается пластичность. Основными параметрами закалки являются температура нагрева и скорость охлаждения.

Отпуск — термическая обработка металла, представляющая собой нагрев уже закаленной стали до температуры ниже критической точки*, выдержке при этой температуре и последующем постепенном охлаждении (обычно на воздухе).

В результате получается более устойчивое структурное состояние, достигается уменьшение напряжений, повышение вязкости и пластичности, а также понижение твердости и уменьшение хрупкости закаленной стали.

* Критические точки стали или точки Чернова — критические температуры, при которых происходит изменение фазового состояния и структуры стали при нагреве или охлаждении её в твёрдом виде

В случае горячей навивки Отпуск и Закалка применяются во всех случаях.

В случаях холодной навивки — применяется только отпуск. Но, необходимо понимать, что отпуск применяется только в случае изготовления пружин из проволоки диаметром свыше 7 мм, или для придания каких-то особых конечных характеристик изделиям.

III. Шлифовка торцов.

Если требования к конечному изделию подразумевают плоские торцы пружин, то их шлифуют. Пружина устанавливается в зажимное приспособление для обеспечения правильной ориентации и торец шлифуется абразивным кругом до желаемого показателя плоскостности.

В случае шлифовки на специальных торцешлифовальных станках (например, на торцешлифовальном станке SGM3), пружины устанавливаются в специальный лоток станка, и далее пружины одновременно шлифуются с двух сторон верхним и нижним абразивными кругами. Более сложные шлифовальные станки могут оснащаться ЧПУ, иметь несколько лотков, системы стружкоудаления, смазки и т.д.

IV. Покрытие.

Чтобы не допустить коррозию, на поверхность пружины защитное покрытие, это может быть краска, ПВХ, резина, цинк, хром и т.д.

В заключении

Конечно, здесь описаны далеко все этапы процесса, ведь есть еще калибровка пружин, проверка качества на испытательных стендах, дробеструйная обработка, разработка чертежа пружины, программирование ЧПУ навивочных станков, механическая наладка узлов станов, упаковка и т.д. Ответы на все эти вопросы не уместить в рамках одной статьи, поэтому в дальнейшем мы вместе со специалистами компании Кнави Групп, посвятим отдельный ряд статей более детальному разбору станков для изготовления пружин, их настройке под нужную пружину и особенностям работы с ЧПУ.

Материал публикуется на правах рекламы