автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка научных основ управления качеством производства пружин с применением ВТМО

- л ( 1

На правах рукописи Дли служебного пользования Экз. Лг 6

РЕДЬКИН ЛЕВ МИХАЙЛОВИЧ

УДК 621.789

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПРОИЗВОДСТВА ПРУЖИН С ПРИМЕНЕНИЕМ ВТМО

Специальность 05.02.08 "Технология машиностроения"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ижевск 1999

Работа выполнена в Ижевском государственном техническом университете.

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники РФ, академик АТН РФ, доктор технических наук, профессор О.И. Шаврин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Е.Г. Белков

доктор технических наук, профессор В.Р. Бараз доктор физико-математических наук,

профессор Д.Б. Титоров

Ведущая организация: АО "ИЖМАШ", г. Ижевск

Защита состоится "_15 " марта 2000 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 064.35.02 ИжГТУ по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ.

Автореферат разослан " 10 " января 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Л.Т. КРЕКНИН

RSS7

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Повьшение качества машин, включающего надежность и долговечность деталей и узлов, является одной из важнейших народнохозяйственных проблем, приобретающих особую актуальность в связи с увеличением мощности, быстроходности, с ужесточением температурно-силовых режимов эксплуатации современной техники, в том числе и с развитием оборонной техники.

Увеличение ресурса работы машин эквивалентно увеличению количества изготавливаемых машин без роста производственных мощностей, сокращению потребности в запасных частях, повышению производительности труда, снижению стоимости выполняемых работ, чем достигается большая экономия средств и материальных ресурсов.

Развитие техники на современном этапе неразрывно связано с единством конструкторско-технологических решений. Обеспечение качества закладывается при совершенствовании технологических процессов, предусматривающих влияние металлургических, технологических, конструктивных и эксплуатационных факторов на прочностные свойства материалов.

Работоспособность, стабильность эксплуатационных характеристик большинства машин лимитируются ресурсом работы пружин, наиболее характерно это проявляется в изделиях стрелково-артиллерийского оружия, топливной аппаратуры и двигателей внутреннего сгорания, подвесках автомобилей, в оборудовании нефтедобывающей отрасли, а также другой техники.

Поэтому одним из основных путей решения проблемы повышения надежности и долговечности является применение таких технологических методов обработки, которые обеспечивают высокие эксплуатационные свойства пружин в конкретных условиях работы машин.

Русскими и зарубежными учеными разработаны методы повышения комплекса свойств металлов для увеличения работоспособности деталей машин. Эта проблема извечна.. Благодаря работам, выполненным научными коллективами под руководством В.Д. Садовского, M.JI. Бернштейна, Д.А. Прокошкина, А.Г. Рахштадта, А.П. Гуляева, Л.К. Гордиенко, B.C. Ивановой, Л.И. Тушинского, М.А. Смирнова, О.И. Шаврина и др., достигнуты значительные успехи в раскрытии физических причин упрочнения при термомеханической обработке; определены оптимальные сочетания процессов, химического состава марок сталей; показано, что в сталях после термомеханической обработки повышаются такие показатели прочности, как работа распространения трещины, характеристики вязкости разрушения, сопротивление усталостному разрушению, пределы прочности и текучести при статических нагрузках.

Из большого количества вариантов термомехапической обработки -ВТМО, НТМО, ПТМО, ВТМизо и т. п., наиболее перспективным направлением оказалась высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО), как по своим технологическим возможностям, так и по влиянию на комплекс прочностных характеристик. Однако в большинстве исследований рассматривалось влияние ВТМО на свойства металла, либо на повышение долговечности дета-

лей машин при применении одного или двух сопутствующих методов упрочнения, - таких как поверхностно-пластическое деформирование и покрытия. Такой подход затрагивал небольшую область пространства качества и не давал реализовать потенциальные возможности технологического воздействия на долговечность пружин.

11оэтому для полного использования упрочняющего эффекта ВТМО с целью повышения эксплуатационных характеристик пружин необходимо было решить комплекс теоретических и технологических задач, вскрыть взаимосвязь структурно-прочностных эффектов технологии изготовления пружин, начиная от первых переделов металлургического производства до эксплуатации детали в машине. :

Пространство качества в общем виде безгранично. Пространства качества в производстве пружин имеет свои границы - пределы, отделяющие систему от внешней среды, но не исключающие их взаимосвязь.

В связи с изложенным к числу таких задач относится построение-физической модели управления процессом повышения качества пружин;.исследование процессов формирования структуры металла при изготовлении пружин и использовании их свойств при эксплуатации машин; формирование системы интеллектуальной поддержки производства пружин, позволяющей сформулировать принципы проектирования технологического оборудования и технологических процессов с применением термомеханического упрочнения различных пружин, во взаимосвязи с их конструктивным и эксплуатационным назначением.

Диссертационная рабо та включает в себя результаты анализа отечественного и зарубежного опыта по исследованию методов упрочнения деталей машин с точки зрения применения их в производстве пружин, а также результаты исследований автора, выполненных в 1972-1999 годы, по теоретическому обоснованию, экспериментальному исследованию и промышленной реализации методов управления пространством качества в производстве пружин с применением термсмеханического упрочнения.

Работа выполнялась в соответствии с координационным планом НИР вузов в области машиностроения (Университеты России), отраслевыми научно-техническими программами.

Цель работы: обеспечение заданного качества при высокой экономической эффективности производства; разработка научно-мегодических основ управления пространством качества в производстве пружин с применением термомеханического упрочнения; анализ и выбор методов упрочнения; исследование их как фактора управления пространством качества в производстве пружин; выявление общих закономерностей процессов упрочнения во взаимосвязи с конструктивными, технологическими и производственными условиями; разработка технологических способов термомеханического упрочнения пружин; разработка системы интеллектуальной поддержки выбора оптимальной технологии изготовления пружин; разработка и реализация в промышленности

оборудования, комплексных технологических процессов термомеханического упрочнения пружин различного класса машин.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Выявление параметров, влияющих на показатели качества пружин.

2. Исследование возможностей технологических методов для достижения долговечности и релаксационной стойкости.

3. Исследование возможности применения ВТМО при изготовлении винтовых цилиндрических пружин во взаимосвязи с конструктивными, технологическими и производственными условиями.

4. Исследование структурного состояния материала пружин, упрочненных ВТМО.

5. Исследование влияния технологических параметров ВТМО на изменение эксплуатационных характеристик пружин в условиях статического и циклического нагружепйя. ^

6. Исследование характера и величины остаточных напряжений I и II рода и тонкой структуры пружинных сталей после ВТМО.

7. Разработка промышленной технологии и оборудования для термомеханического упрочнения пружин тта основе результатов проведенных исследований

. и их применение.

8. Разработка методики и проведение стендовых и натурных испытаний упрочненных пружин.

9. Исследование стабильности процесса изготовления пружин с применением ВТМО.

• 10.Разработка системы интеллектуальной поддержки проектирования и производства пружин с применением термомеханического упрочнения. Автор защищает: гипотезу повышения эксплуатационной надежности пружин разного класса машин за счет управления пространством качества в их производстве с применением термомеханического упрочнения на основе единства конструкгорско-технологических решений; выявленные в результате теоретических и экспериментальных исследований общие закономерности процессов упрочнения во взаимосвязи с конструктивными, технологическими и производственными условиями; результаты экспериментального исследования влияния технологических факторов упрочнения на качество пружин, особенностей структурного состояния и их влияния на показатели качества - долговечность и релаксационную стойкость пружин, на параметры точности силовых и геометрических характеристик; экспериментальные зависимости в виде уравнений регрессии для прогнозирования ограниченной долговечности и коэффициента упрочнения пружин; концептуальную, физическую модель, алгоритм и программное обеспечение системы интеллектуальной поддержки производства пружин, конструкции оборудования и разработанные технологические процессы с применением термомеханичсского упрочнения на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна состоит в разработке гипотезы научно-методических основ • управления пространством качества в производстве пружин с применением термомеханического упрочнения на основе единства конструкторско-техпологических решений, представленной в виде целевой функции, определяющей влияние фиксированных состояний пространства качества, в виде технологических операций, на основные показатели эксплуатационной надежности конкретного класса пружип. В результате экспериментальных исследований установлены закономерности изменения в структуре материала пружин от первых металлургических переделов до эксплуатации в изделии и их влияние на показатели надежности пружин.

Получены уравнения регрессии для прогнозирования долговечности пружин как результат влияния технологических параметров на определенных переделах производства на эксплуатационные показатели. Исследована тонкая структура и остаточные напряжения в материале пружин в результате воздействия ВТМО при различных технологических схемах и влияние их на качество пружин.

Разработана система интеллектуальной поддержки проектирования оптимальной технологии изготовления пружин.

Методы исследования. Работа представляет собой экспериментальное исследование влияния различных комплексных технологических процессов с применением ВТМО на эксплуатационные свойства пружин. Методы испытаний и исследования выбирались с учетом необходимости получения достоверной информации об изменении в структуре металла и влиянии ее на долговечность и релаксационную стойкость пружин. Использовались металлографический и рентгенострукгурный анализы, электронно-микроскопический метод, современные испытательные машины, регистрирующая аппаратура. Релаксационные и усталостные свойства пружин исследовались на специальных стендах. Экспериментальные зависимости получены с использованием математической статистики, система интеллектуальной поддержки реализована на персональных ЭВМ.

Практическая ценность и реализация работы. Разработанная система интеллектуальной поддержки производства пружин позволяет на стадии проектирования машин ориентироваться на достижения в области повышения эксплуатационных свойств за счет технологических методов упрочнения. Целенаправленное применение термомеханического упрочнения обеспечивает гарантированное увеличение долговечности и релаксационной стойкости в 2-3 раза. На базе проведенных исследований разработана гамма технологических процессов и оборудования для изготовления высококачественных пружин. Результаты исследований и разработок использованы при организации производства: пружин из термомеханически упрочненной проволоки для клапанов двигателей внутреннего сгорания и топливной аппаратуры дизельных двигателей (ЯЗДА г. Ярославль; ВАЗ; Харьковский машиностроительный завод им. Малышева; Сардизельаппарат, г. Маркс; Белзан, г. Белсбей и др.); пружин под-

вески мотоциклов («Ижмаш» г. Ижевск; Машзавод г. Ковров; Машзавод г. Вятские Поляны); клапанных пружин двигателей спортивных автомобилей и мотоциклов.

Применение ВТМО в процессе навивки позволило: снизить трудоемкость изготовления пружин автоматического оружия до 8 раз с обеспечением повышения живучести в 3-4 раза (пружины амортизаторов зенитной артиллерии и авиационных пушек); создать специализированное предприятие по выпуску пружин подвески легковых автомобилей и клапанных пружин нефтедобывающей и перерабатывающей отраслей (ООО «Союз-ТМО» г. Ижевск), обеспечивающее пружинами конвейерную сборку. На АО «Ижмаш» г. Ижевск и АО «Туламаш» г. Тула были созданы участки по изготовлению пружин малого индекса.

В результате исследований разработана и изготовлена гамма пружинона-вивочного, контрольного и испытательного оборудования.

Экономический эффект от реализации работы превысил 1 млн руб. в ценах 1991 г.

Материалы научных исследований включены в разделы лекционных курсов «Технология специального производства», « Ресурсосберегающие и экологически чистые технологические процессы», АСТПП, а также использованы при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и совещаниях:

2 семинара в МДНТП (1986, 1989 гг.); всесоюзные НТК в городах Москве, ( ЦНИИинформация, 1978,1982,1984 г.г., МВТУ им. Баумана 1987 г., ВНИИ-сталь 1978 г.); Белорецке (1978 г.), Златоусте (1975 г.), Пензе (ПВАИУ 19811985 г.), Владимире ( 1981 г.), Тольятти (1983 г.), Свердловске (1983 г.), Челябинске (1985 г.), Ленинграде (ЦНИИМ 1990г.), Ижевске (1974,1984,1989 гг.); заседание Экспертного совета по машиностроению, Ижевск, ИжГТУ 1992 г.; международный конгресс «Термическая обработка и технология», Москва, 1990 г.; I и III международные НТК « Влияние технологии на состояние поверхностного слоя», Польша, г.Гожув ВЖП, ПС- 93,1993 г., ПС- 96, 1996 г.; I международный конгресс «Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности энергетики будущего», Тюмень, 1996 г.; международная НТК «МОТА11ТО-97», Болгария, г. Руссе 1997 г.; «МОТОАиТО-98», Болгария, г. София 1998 г.; XIV «уральская школа металловедов-термистоп и фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов» Ижевск, 1998 г.; международная научно-практическая конференция «Проблемы системного обеспечения качества продукции промышленности», Ижевск, 1998 г.; международная НТК « Наука- производству», Киев, Украина, 1999 г.; юбилейная НТК, посвященная 150-летию Мосина С.И., Тула, 1999 г.; международная НТК, посвященная памяти академика Н.Д. Кузнецова, Самара, 1999 г.

На ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ИжГТУ 1972-1998 гг.

Экспонаты по работе демонстрировались: на ВДНХ СССР 1979, 1983, 1989 гг; в Тольятти 1986 г. и Ижевске «Удмуртия -75», Москве, Экспо-центр «Красная Пресня» -1997 г.; на Всероссийском форуме « Россия на рубеже веков» Н. Новгород, 1999 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 76 печатных работах, в том числе в 31 статье в центральных и зарубежных изданиях, в 25 тезисах всесоюзных и отраслевых научно-технических конференциях, в описании к 9 авторским свидетельствам на изобретения и патентам РФ, и в 11 отчетах НИР.

На результаты работы имеются ссылки в 6 монографиях, в том числе в 2-х зарубежных.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5 глав, основных выводов, библиографического списка и приложения, включающего акты внедрения и испытаний, авторские свидетельства и патенты.

Диссертация изложена на 293 страницах машинописного текста, содержит 169 рисунков, 45 таблиц, 278 наименований библиографического списка. Общий объем работы 445 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе проблемы, ее научная новизна и практическая ценность. Сформулирована задача исследования. Решение проблемы строится на результатах анализа исследований, проведенных отечественными и зарубежными учеными в области применения термомеханической обработки конструкционных сталей и сплавов, показавших, что термомеханическое упрочнение является наиболее перспективным направлением для повышения эксплуатационной надежности деталей машин. До последнего времени использование ВТМО при изготовлении пружин не находило применения в связи с нестабильностью эксплуатационной надежности ответственных пружин, в то же время с высокой эффективностью лабораторных исследований.

Поэтому актуальность выполненной диссертации определяется необходимостью реализации процессов высокотемпературной термомеханической обработки для изготовления пружин различного класса машин с учетом их конструктивного и эксплуатационного назначения, условий производства заготовки и детали на основе единства конструкторско-технологическмх решений.

В первой главе проведен анализ работы пружин в различных классах машин, в том числе в изделиях стрелково-артиллерийского оружия. Рассмотрены многочисленные случаи отказов изделий из-за поломок или потери стабильности силовых характеристик пружин.

На практике в основу расчетных формул заложены напряжения, учитывающие деформации кручения, Х5 и сдвига Тср

Т=Т8+Тср , (1)

при этом в поперечном сечении витка внутренние волокна материала, ближние к оси пружины, при нагружении испытывают большие напряжения. Так в пружинах малого индекса, С 2 4, применяемых в автоматическом оружии в качестве буферов и амортизаторов, на внутренних «волокнах» напряжения больше расчетных на 30-50%. Анализ изломов пружин, работающих в условиях циклического нагружения, показывает, что в основном очаг зарождения усталостной трещины находится на крайних внутренних «волокнах». Причиной зарождения трещины могут явиться действия касательных или нормальных напряжений. Направление начального разрушения зависит от уровня максимального рабочего напряжения. При напряжениях, близких к пределу упругости (в таких условиях работают большинство пружин автоматического оружия), зарождение усталостной трещины начинается от нормальных напряжений под углом 90° к оси пружины. Развитие трещины с течением времени может протекать со сменой приоритетности действия нормальных и касательных напряжений.

Результаты циклических испытаний пружин, проведенные автором, показали на нетрадиционную картину излома ггрулепн с прямоугольным сечением витка. Очаг зарождения усталостной трещины находился не на середине наиболее напряженной внутренней стороны сечения, параллельной оси пружины, а на середине перпендикулярной стороны. Анализ работы пружины в изделиях сгрелково-артиллерийского оружия [I характер их разрушения указывают на сложнонапряженное состоя1ше материала пружин при эксплуатации.

При проектировании изделий устанавливаются жесткие ограничения на их вес и габаритные размеры. Немаловажным фактором является также требование максимального быстродействия при увеличении срока службы. При разработке пружинных механизмов приходится учитывать инерционное соударение витков вследствие ударного высокоскоростного нагружения. Особенностью ударного нагружения с инерционным соударением витков является одновременное протекание как волнового процесса, так и контактного соударения витков. Расчет на прочность в данном случае целесообразно проводить в двух «опаегшх точках» на внутреннем волокне витка и в точке контакта и учитывать эти явления при изготовлении. Экспериментальные результаты при исследовании долговечности клапанных пружин, работающих с инерционным соударением, проведенные автором, подтверждают теоретические выводы синтезированной системы проектирования пружинных механизмов Д.Ф. Полищука. Большинство изломов начиналось сточки контакта.

Анализ работы дизельных двигателей автомобиля «КАМАЗ» показал, что большое количество отказов при эксплуатации происходит из-за поломок пружин толкателя топливного насоса высокого давлении и клапанных; пружин. Причиной поломок пружин являются дефекты проволоки металлургического характера, остаточные напряжения, внесенные гальваническими покрытиями, некачественное проведение термообработки и т.п. Другой причиной отказа является потеря стабильности силовых характеристик пружин топливной аппаратуры и клапанов, и следствие этого - повышенный расход топлива.

Все это требует создания высокопрочных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками, совершенствования технологии изго-

Рис.1. Схема взаимодействия конструкторских и технологических решений: N - долговечность пружины; lio -свободная высота; ДНо - изменение свободной высоты при эксплуатации; С - индекс пружины; х -максимальные рабочие напряжения; Т - технологические параметры

говления пружин из этих материалов. Однако, недостаток информации о влиянии той или иной технологии на повышение прочности пружинных материалов íc позволяет конструктору обеспечивать надежность ответственных пружин

без больших запасов прочности, а технологу - выбирать рациональный путь обеспечения закладываемых технических требований.

На рациональном подходе в проектировании технологического процесса отражаются не только многообразие целевого назначения пружин, но и характер производства и предыстория металла.

Ряд эффектов являются взаимосвязанными. Особенно это касается случая, когда рассматривается вопрос упрочнения материала и его производства, изготовления пружин, условий эксплуатации - влияния внешней среды и взаимодействия деталей в механизме.

Все вышесказанное указывает на то, что повышение эксплуатационной надежности пружины возможно только на единстве консгрукторско-технологических решений, на системном подходе в использовании процессов упрочнения и разупрочнения. Схема взаимодействия конструкторских и технологических решений представлена на рис. 1.

Д.Ф. Полищуком создана обобщенная теория цилиндрических пружин, объединяющая вопросы статики, динамики, удара, в том числе и соударения витков, в которых для выбора основного направления в проектировании пружинного механизма используется «поле экспериментальных результатов конструкторских решений и опыта эксплуатации пружин и пружинных механизмов».

Для повышения эффективности и исключения ошибок'при разработке технологии изготовления пружин в диссертационной работе представлено «поле экспериментальных результатов процессов упрочнения пружин», основанное на богатом опыте исследований, проведенных в вузовских лабораториях, или на эффектах, выявленных в заводской практике.

Проектирование пружины и технологического процесса ее изготовления - сложная и постоянно развивающаяся система. Процесс решения состоит из множества проектных решений {Рг}, причем процесс этот является многоуровневым и на каждом уровне имеет взаимосвязанные решения в различных вариантах:

Р аРЛР^П-.ЛР . (2)

г г\ 1 ' г2' 1 ' гп 47

Имея множество исходных данных о пружине {йп}, вступаем в ситуацию {5г} взаимодействия объектов производства и условий изготовления: набор тружшшых статей и сплавов {Л/,}; множество методов обработки {д}; типо-эазмеры оборудования {с,}; набор оснастки {О,}; множество конкретных ис-толнителей^}. С учетом типа производства процесс преобразования технических решений на ьм уровне будет выглядеть:

при / = 1 -г т.

Таким образом, гипотеза о единстве конструкторско-технологических решений создания пружины с повышенными эксплуатационными показателя-

(3)

ми переходит в создание концептуштьной модели и механизма ее осуществления:

1. Создание информационно-поисковой системы по методам упрочнения пружин.

2. Анализ чертежа пружины. Осуществление связи конструкторской разработки с информационно-поисковой системой.

3. Разработка альтернативных, технологий упрочнения пружин на основе диалога с информационно-поисковой системой

4. Формирование технологического процесса, обеспечивающего повышение работоспособности пружины в конкретных заданных условиях эксплуатации.

Во второй главе проанализированы общие подходы к технологии производства пружин с целью снижения трудоемкости их изготовления и повышения эксплуатационной надежности.

Каждый этап технологического процесса (металлургические переделы заготовки, проволоки, технологические операции механической обработки, покрытия и испытания и т. п.) в пространстве качества {я} представляют собой определенные фиксированные состояния качества Я;, Н2, ... Я,- и т. д., причем в последовательности, характеризующей превращения от технического задания до эксплуатации готовой пружины в машине:

я Пя П...ПЯ.П...ПЯ . (4)

12 I п

Построение оптимального технологического процесса состоит не только в определении множества характеризующих функций описания каждого конкретного состояния, но и в нахождении параметров, которые позволили бы определить последовательность этих функций:

Я = где (5)

77 - целевая функция (например, долговечность или минимальная себестоимость изготовления);

Г, - функция описания состояния изготавливаемой пружины и средств изготовления на ¿-м уровне обработки. В качестве аналога функции состояния качества будем рассматривать технологическую операцию.

Последовательность , ,..., ,..., ) определена из упорядоченных значений пространства качества, элементов, взаимодействующих в каждой точке пространства.

Взаимосвязь средств обработки с обрабатываемой пружиной выразим через отношение, заданное декартовыми произведениями для каждого значения качества:

К =81. X И ., при этом (6)

хЯ^ф^х!^ )п.. .фугф. - х2)и]. (7)

Поскольку процесс создания пружины носит сложный многоуровневый иерархический характер, с большим разветвлением на каждом уровне, то необходимо производить оптимизацию каждого множества |рг.|. На промежуточных

этапах технологического процесса это могут быть эвристические параметры оптимизации <9, например, на стадии первых металлургических переделов -отсутствие волосовин, закатов и т. н. в конце процесса получения заготовки -высокий комплекс механических свойств, отсутствие обезуглероженного слоя, требования по фазовому составу структуры металла и т. п.

Для каждого конкретного вида пружин необходим параметр, который бы определял процесс решения,представленный в виде целевой функции:

), (8)

где

N - годовая программа выпуска;.

.т, и >', -управляемые и неуправляемые факторы;

<р, -ограничения.

Основанием для целевой функции является физическая модель создания высококачественной пружины, представленная на рис. 2.

Рассмотрим ключевые моменты физической модели.

В соответствии с видом и величиной действующей нагрузки (нагружение циклическое, статическое, циклическое с соударением витков) выбирается конструкция пружины. Далее формируется пружинный механизм и следует расчет пружины в зависимости от вида нагруження.

Пружины рассчитываются по максимальной нагрузке, воспринимаемой пружиной, исходя из установленных опытом допускаемых напряжений. Среди материалов, применяемых для изготовления пружин, наиболее представительными являются: нелегированная и легированная стальная пружинная проволока; проволока, изготовленная методом ВТМО. Далее следует процесс изготовле1ШЯ пружины. Существуют три основных способа навивки пружины: холодная навивка на цружинонавивочных автоматах и различного рода станках; горячая навивка при на1реве до температур 800-1200 °С; навивка методом высокотемпературной термомеханической обработки.

Для повышения несущей способности и сохранения постоянства упругих свойств во времени применяется дополнительная упрочняющая обработка: дробеструйная, гпдроабразивная, комбинированные методы, заневоливание, электрохимическое полирование и т.д.

После испытания опытных пружин дорабатывают чертеж пружины для реализации его в производстве с разработкой окончательного технологического процесса изготовления пружины.

. Построена структура математической модели информационно-поисковой системы методов упрочнения, которые являются заключительным, и во многом

ВИНТОВЫЕ ИИЛИНЛРИЧЕСКИЕ ПРУЖИНЫ СЖАТИЯ

I

ВИД НАТР УЖЕНИЯ

Циклическое №>5Е+06 циклов Циклическое и статическое 1У>1Е+05 циклов Циклическое (возможно соударение витков) №>2Е-Ю3 циклов

КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРУЖИННОГО МЕХАНИЗМА

КИНЕМАТИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ УДАРНОЕ НАГРУЖЕНИЕ

СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ С соударением витков / без соударения

ВЫБОР МАТЕРИАЛА (Т(о), У(о), св,т,8Д', й, в)

Делегированная стальная проволока, кл. Легированная стальная проволока Проволока сВТМО Другие материалы и сплавы

1 2 2а 3 65Г, 51ХФА, 60С2А 51ХФА, 65С2ВА, 60С2А

РЕЖИМ НАВИВКИ

ХН Ш ВТМО

РЕЖИМ ТЕРМООБРАБОТКИ

МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ ПРУЖИН ПОСЛЕ НАВИВКИ

Дробеструйная обработка Гидрообра- знвная обработка Комбинированные методы Новые методы (ЭХП) Заневоливаиие

статическое циклическое ударное (контакт)

РАЗРАБОТКА ЧЕРТЕЖА ПРУЖИНЫ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Рис: 2. Блочная структура физической модели проектирования техноло гии пружин

определяющим этапом в создании пружины (система интеллектуальной поддержки производства пружин).

Практика показывает, что во многих случаях пружины, изготовленные по традиционной технологии и из качественной стати, а также выдержавшие испытания, в условиях' эксплуатации преждевременно теряют упругие свойства или быстро разрушаются, особенно пружины, работающие в динамических, условиях. Поэтому в зависимости от матер нага заготовки и назначения пружины для повышения их надежности используются различные методы упрочнения: поверхностно-пластическое; термическое; химико-термическое и термомсхани-ческое.

Поверхностно-пластическое упрочнение применяется для пружин, изготавливаемых как из патентированой проволоки, так и из закаливаемых марок сталей.

Качество поверхности и величина обезуглероженного слоя оказывает существенное влияние на усталостные свойства пружин.

Решение проблемы основывается на знании физических процессов, протекающих при каждом воздействии на металл, на результатах, полученных при этом воздействии, и наследовании их эффектов в последующих этапах изготовления пружины. Наиболее эффективным способом повышения комплекса свойств материала пружинных сталей является ВТМО.

Для стали 51ХФА наиболее высокий комплекс свойств после ВТМО достигается при предварительной термической обработке - нормализации с нагревом в соляной ванне, а также при патентировании с последующим отпуском.

При производстве легированной пружинной проволоки, с применением ВТМО, для аустенизации заготовок используют скоростной индукционный нагрев. В связи с этим для получения высоких и стабильных механических характеристик после ВТМО структура исходной заготовки должна быть однородной по сечению и длине бунта. Кроме того, необходимо, чтобы карбидные частицы в структуре имели такую дисперсность, которая обеспечивала бы при нагреве со скоростью до 120 град/с получение микронеоднородного аустенита, наиболее благоприятного для создания условий наследования его дислокационной структуры, возникшей при ВТМО.

Интересен механизм формирования структуры металла термомеханиче-ски упрочненной проволоки. Рассмотрим это на примере стали 51ХФА в последовательности операций: патентировакие, отпуск, волочение и ВТМО.

Проведение патентирования приводит к образованию феррнтно-перлитной структуры с дисперсным пластинчатым цементитом. Величина микротвердости достигает 350 - 430 НУ с незначительным изменением по сеченшо проволоки. Величина обезуглероженного слоя составляет ~ 0.06 мм. Механические свойства соответствуют; ств=1030-1330 МПа, 1|/=26-41% . В стали сохраняются участки остаточного аустенита размером 0,2-2 мкм. Ферритные участки имеют достаточно высокую плотность дислокаций. Цементитные пластины фрагментированы ( шириной 0,003-0,02 мкм и длиной 0,03-0,15 мкм).

Отпуск после патентарования приводит к формированию в стали 51ХФЛ сор-битно-трооститной структуры. Проведение отпуска способствует превращению остаточного аустенита, перераспределению дислокаций, фрагментации цемен-титных пластин и их частичной сфероизации, уменьшению напряженного состояния металла. Встречаются карбидные частицы размером 0,05-0,1 мкм. Величина микротвердости изменяется до 290-310 НУ .Предел прочности уменьшается до 930-1120 МПа в зависимости от диаметра, а относительное сужение увеличивается до 38-59%. Обезуглерожснный слой не изменяется, 0,06 мм.

Волочение проволоки с деформацией 13-46% перед ВТМО сопровождается диспергированием структурных составляющих и их фрагментацией. Увеличение плотности дислокаций приводит к упрочнению проволоки, а образование ячеистой субструктуры с незначительной разориентировкой субзерен способствует повышению ее пластических свойств. Величина микротвердости увеличивается до 350-370 НУ. Предел прочности достигает величины 1200-1400 МПа, относительное сужение - 45-57%.

Последующее проведите ВТМО создает структуру отпущенного мартенсита, однородную по сечению проволоки. Электронно-микроскопические исследования свидетельствуют о высокой дисперсности и фрагментации мартен-ситных игл. Размеры фрагментов составляют 0,3-0,2 мкм, карбидные частицы высокой дисперсности распределены равномерно и имеют размер 0,02-0,08 мкм, встречаются и тонкие прослойки остаточного аустенита толщиной менее 0,01-0,03 мкм, расположенные по границам мартенситных игл. Микротвердость материала в проволочных образцах стали 51ХФА после ВТМО составляет 470-570 НУ, величина предела прочности 1820-1890 МПа, относительное сужение 53-56%. Величина обезуглероженного слоя осталась без изменения 0,06 мкм [В. Н. Конышев].

Наличие концентраторов напряжений в виде рисок, царапин, задиров, обезуглероженного слоя и т. п., которые могут сохраняться при изготовлении пружин, влияет на их эксплуатационные характеристики.

Механическая обработка поверхности катанки устраняет ее дефекты и обеспечивает высокое качество поверхности проволоки после ВТМО. Обработка поверхности катанки на линии «Кизерлинг» методом обтачивания из бунта в бунт исключает наличие обезуглероженного слоя. Управление режимами этой обработки уменьшает вероятность появления поверхностных дефектов.

Результаты стендовых испытаний клапанных пружин двигателя ВАЗ 21083, проведенных в лабораториях Ижевского механического института [йжГТУ) и научно технического центра Волжского автомобильного завода 'НТЦ ВАЗа) подтвердили положения гипотезы. Наработка пружин при максимальных рабочих напряжениях в условиях асимметричного циклического на-гружения составляет 5-8 миллионов циклов без разрушения, при норме 1 мил-аион циклов нагружения.

В работе дается подробный анализ методов упрочнения пружин пласти-тсским деформированием, применяемых в промышленности и исследовательской практике. Результаты этого анализа показывают, что основными фактора-

ми, определяющими высокий упрочняющий эффект обработки поверхностным наклепом, является повышение механических свойств поверхностного слоя и создание в нем остаточных сжимающих напряжений. Изменение механических свойстз поверхностного слоя выражается в увеличении пределов упругости и временного сопротивления материала, в повышении его твердости, в снижении упругого последействия и в уменьшении склонности к релаксации напряжений.

Эффект упрочнения при наклепе зависит от вида напряженного состояния материача пружин и увеличивается по мере возрастания остаточных сжимающих напряжений в поверхностных слоях. Глубина наклепанного дробью слоя может достигать 0,8-1,0 мм, а остаточные сжимающие напряжения 400450 МПа. При наклепе термически упрочненных сталей глубина упрочнения несколько меньше 0,5... 0,6 мм.

Все пружины, работающие при циклическом нагружении, подвергаются упрочнению методом заневоливания. Остаточные напряжения от заневолива-ния следует назначать с учетом необходимой долговечности и стабильности характеристик упругости. Заневоливаиие в сочетании с последующим поверхностным наклепом увеличивает предел выносливости пружин в 2 раза.

Применение деформационного старения, небольшая деформация кручением с последующим отпуском при изготовлении клапанных пружин двигателей внутреннего сгорания обеспечивает повышение их релаксационных свойств.

Работоспособность пружин, испытывающих высокие напряжения, зависит от качества поверхностного слоя.

Применение электрохимического полирования поверхности (ЭХП) пружин из стали 65С2ВА, диаметр проволоки 9,5 мм, индекс 3.5, число рабочих витков -2, после закалки в масле увеличивало долговечность в 2 раза, а после изотермической закалки - более чем в 5 раз. Увеличение долговечности пружин после ЭХП можно объяснить как уменьшением шероховатости поверхности (до ЭХП - Иа 1,25-0,63 мкм, а после ЭХП - На 0,63-0,16 мкм), так и изменением микрорельефа поверхности, который до ЭХП представлял собой неровности с малым радиусом округления вершин и впадин. При ЭХП неровности сглаживаются: шаг неровностей и радиус округлений их вершин увеличивается.

Гальванические покрытия пружки (цинк, кадмий) приводят к процессу наводораживания и к их разрушению, даже без нагружения. Интенсивная дробеструйная обработка поверхности пружин до покрытий приводит к перераспределению остаточных напряжений в благоприятном направлении по отношению к напряжениям, возникающим при гальваническом покрытии, что исключает появление трещин и уменьшает вероятность наводораживания. Качество пружин было подтверждено циклическими испытаниями пружин в топливном насосе до числа пагружений, равном 18* 106 (пружины из сталей 51ХФА, 65Г, 01е\а-70, 03,6 мм).

Значительное место в упрочнении пружинных материалов и пружин приобрели методы термомеханической обработки, создающие высокий комплекс механических свойств материала. В зависимости от конструктивных парамет-

ров, эксплуатационного назначения и способа производства пружин могут быть использованы различные технологические схемы ВТМО.

Дан подробный анализ физических процессов при различных методах термомеханической обработки, разработанных российскими и зарубежными исследователями. Систематизация этих результатов позволила определить основные направления в применении термомеханического упрочнения в производстве пружин с целью повышения их качества.

Именно при исследовании рессорно-пружинных сталей впервые было определено, что после ВТМО повышается усталостная прочность и увеличивается сопротивление малым пластическим деформациям в условиях кратковременного и длительного нагружения, и что ВТМО практически устраняет обратимую отпускную хрупкость. Этой обработке можно подвергать углеродистые низко-и среднелегированные стали в условиях металлургических и машиностроительных заводов. Процессы формообразования и термического упрочнения могут быть объединены (ВТМО) в одну технологическую операцию, но для этого необходимо создать такие температурно-деформационные условия, при которых в стали происходит образование оптимальной микро- и субструктуры, обеспечивающей повышенный комплекс механических свойств.

Анализ показывает, что в проблеме использования термомеханической обработки можно выделить две основные задачи: 1 - разработка и исследование собственно процесса ВТМО сталей; -2 - разработка технологических приемов упрочнения пружин с использованием ВТМО. И если первая задача относительно полно решена и находит свою реализацию в производстве, например, выпуск высокопрочной пружинной проволоки на АО «Ижсталь», то вторая задача и по настоящее время стоит перед исследователями.

Наилучшим комплексом механических свойств обладают стали с содержанием углерода 0,40 -0,65%, подвергнутые ВТМО со степенью деформации а==25-50%, Шаврин О.И. при исследовании процессов ВТМО стали 60С2А установил, что оптимальной величиной деформации при ВТМО с поперечно-винтовой прокаткой при индукционном нагреве является степень деформации А.=10%, дающая значительный прирост прочности, дальнейшее увеличение степени деформации до 20-25% хотя- и увеличивает характеристики прочности и пластичности, но не значительно.

Уровень прочностных свойств материала пружинных сталей после ВТМО в значительной степени зависит от способа и температуры нагрева. Температура деформации выше Асз приводит к более равномерному распределению дислокаций по типу поли гон изационных процессов, что приводит к повышению пластичности и прочности. Для кремнистых сталей повышение температуры деформации требуется для получения оптимального сочетания прочности и пластичности, что объясняется замедлением развития рекристаллизационных процессов и сохранением тонкой неоднородности, характерной для полигони-«фованкой структуры. При этом желательна высокая температура аустениза-ции с последующим подстуживанием перед деформацией. Так, для стали

60С2А оптимальная температура деформации составляет 1293К при скорости нагрева 150-200° в секунду.

Заключительной операцией ВТМО обычно является отпуск. Большинство работ по ВТМО пружинных сталей проводилось с исследованием свойств материала стали после низкотемпературного отпуска. Рахштадт А.Г. показал, что для пружинных сталей характерно приобретение максимального значения предела упругости только после отпуска определенной длительности, обеспечивающей преобразование тонкой структуры. Интересно, что с ростом продолжительности отпуска не наблюдается монотонности изменения прочностных свойств. Незначительные изменения прочности материала кремнистых сталей после ВТМО и отпуска наблюдаются до температур 673К, легирование хромом, вольфрамом и молибденом создает еще большую устойчивость тонкой структуры, созданной в результате ВТМО.

Результаты исследований позволили обеспечить высокую надежность клапанных пружин из термомеханически упрочненной проволоки, сталь 70ХМФА, 03,85 мм, для спортивных легковых автомобилей ВАЗ 21083.

Число работ по исследованию влияния ВТМО на усталостную прочность и релаксационную стойкость пружинных сталей ограничено. Шавриным О.И. показано, что максимальное увеличение усталостной прочности стали 60С2А, при циклическом кручении образцов, наблюдалось после ВТМО при Х=25% и температуре отпуска 733К, что на 24% выше по сравнению с усталостной прочностью контрольных образцов. Ограниченная долговечность возрастала в 8-10 раз, дробеструйный наклеп, проведенный после ВТМО и отпуска 673К, увеличивал выносливость стали еще на 30%, что объяснялось автором возникновением благоприятно распределенного поля остаточных сжимающих напряжений.

Анализ заводской практики показывает, что совмещение горячей навивки крупных вагонных пружин с закалкой на Днепродзержинском и Уральском вагоностроительных заводах повышает долговечность пружин на 30-33%. Закалка с навивочного нагрева используется в технологии изготовления пружин подвесок автомобилей. Но непостоянство температурного режима по длине прутка при деформировании приводит к снижению релаксационной стойкости пружины, а также к неопределенности распределения и величины остаточных напряжений 1-го рода по длине пружины. Исследования по влиянию остаточных напряжений I рода в пружинах после ВТМО в литературе нами не обнаружены.

Применение рентгенооруктурного анализа дает возможность глубже понять природу упрочнения, получить информацию о насыщении металла дефектами. Степень и скорость деформации при ВТМО значительно влияют на уши-рение рентгеновских линий (110)а и (211)а.

Устойчивая фрагментированная субструктура, получающаяся в процессе горячей деформации и наследуемая мартенситом при закалке, является определяющим фактором в повышении свойств стали после ВТМО.

Основными параметрами ВТМО, влияющими на свойства стали, являются: степень деформации; температура аустенизации и температура отпуска.

Несмотря на высокую эффективность термомеханического упрочнения, применение ВТМО в заводских условиях изготовления пружин до работ автора было ограниченно, что связано не только с технологическими и организационными трудностями осуществления этого процесса в промышленных условиях, но и с трудностями последующей механической обработки упрочняемых заготовок и полуфабрикатов. Разработка оптимальной технологической схемы ВТМО конкретных пружин требовала решить ряд задач как практического, так и теоретического характера.

В третьей главе приведены результаты разработки и исследования методов высокотемпературного термомеханического упрочнения пружин как фактора управления их качеством.

ВТМО является одним из наиболее эффективных способов повышения конструктивной прочности пружин. В зависимости от конструктивных параметров, эксплуатационного назначения и способа производства могут быть использованы различные технологические схемы термомеханического упрочнения. Возможны три основных направления в применении ВТМО как фактора процесса управления качеством изготовления пружин:

I - Термомеханическое упрочнение, как следствие процесса формообра-

зования витков пружины;

2- Термомеханическое упрочнение заготовки (проволоки) с последующим наследованием высокопрочного состояния металла в пружинах;

3- Комбинированное воздействие термомеханического упрочнения -сначала в процессе изготовления заготовки, а затем в процессе формообразования пружин.

Как было выше сказано, уровень упрочнения находиться в зависимости от степени деформации.

При навивке пружин наибольшая деформация металла заготовки определяется формулой:

£пииг4ГЖ (9)

£ „„ - наибольшая деформация металла;

Шал.

А- диаметр сечения прутка, мм;

II - средний радиус навиваемой спирали, мм.

Степень деформации при навивке определяется удлинением наружных волокон по логарифмической формуле: Т)н

Л=1В~-100%,где (10)

£>;/ - наружный диаметр пружины; ..

О - средний диаметр пружины.

Согласно ГОСТ 14963-89 пружинные стали в состоянии поставки имеют максимальное относительное удлините 5=10-12%.

При температуре ~ 1173К сталь 51ХФА имеет 5-82%.

Анализ конструкций пружин подвески автомобилей, клапанов нефтяного оборудования, амортизаторов стрелково-артиллерийского вооружения показывает, что индекс этих пружин составляет интервал:

Максимальная степень деформации при навивке пружин соответствует их индексу. Такая конструкция пружин при горячей навивке создает в прутке деформацию изгибом к от 10 до 45%, что соответствует оптимальным степеням деформации при термомеханической обработке. Следовательно, горячую пластическую деформацию изгибом при навивке можно использовать в качестве фор-

Рис.З. Схема ВТМО навивкой пружин:

1-заготовка, 2-подающне ролики, 3-индуктор ТВЧ, 4-закалочная камера, 5-шпиндель, 6-оправка, 7-люнет

мообразующей операции при ВТМО, рис.3, 4а.

В результате анализа конструкции, технологии изготовления и условий эксплуатации пружин разработаны различные технолог ические схемы ВТМО, рис.4.

Исследовано влияние режимов ВТМО на усталостную прочность и релак-сациотгые свойства цилиндрических пружин при статическом и циклическом нагружении.

СЛГ 1,75-7

(П)

Охл

N

На эксплуатационные характеристики пружин, изготовляемых из закаливаемых марок сталей, в большей степени влияют механические свойства, оста-

А.с № 528989

1.ВТМ0 набивкой 2 Отпуск пружин 3. Механическая обработка Т.°С Схема ВИЮ натаю ком.

Аса -

1. Волен ение (ЕГГМО)

2. Отпуск

3. Навивка

4. Шлифование.

ТС

Схема НЕТМУ "Наследование"

В)

1. Волснение (0ГМО) 5.'Термообработка пружин

2. Т.О. 6. Покрытие и испытания

3. Навивка

4. Механическая

обработка Г)

Дефорвлцю Патент №1234018 ни»н

5. Отпуск пружин

6. Механическая обработка

7. Исгытание и контроль

1,2. ВТМО прутка 3. Отпуск высокий 4. ВТМО пруиины 5. Отгуск пру»ины Сиеиа использования териомеханичеаа! упрочненной приволоки

Рис.4. Схемы применения ВТМО при изготовлении пружин

точные напряжения, приобретаемые материалом в процессе изготовления пружин.

Известно, что прочность металла существенно влияет на остаточную деформацию после заневоливания. Поэтому исследование влияния технологических параметров ВТМО на изменение осадки пружин представляет интерес для оценки механических свойств материала и для выдачи рекомендаций при проектировании оборудования для термомеханического упрочнения.

Как показали результаты исследований (в интервале температур 1273-1373К для сталей 65С2ВА и 60С2А и 1233-1333К для стали 51ХФА) температура нагрева прутка при ВТМО навивкой оказывает незначительное влияние на осадку пружин при заневоливании: 13,0, 12,7 и 13,6 % при температурах нагрева 1273, 1323 и 1333К для пружин из стали 65С2ВА (09; С=2,4; И 14мм) при отпуске 693К.

Изменение температуры отпуска после ВТМО существенно сказывается на величине остаточной деформации при заневоливании. С повышением температуры отпуска с 593 до 693К происходило увеличение осадки пружин, изготовляемых с применением ВТМО, и при температурах отпуска 593 и 653К

осадка мало отличалась друг от друга и соответствовала уровню осадки пружин после обычней термообработки и отпуска 693К, табл.1.

Таблица I

Изменение остаточных деформаций при заневоливании и условного предела упругости материала пружин в зависимости от режимов ВТМО

Материал и Режим обработки ^..100% т0,05,

индекс Температура Температура Но МПа

пружин нагрева,К отпуска, К в%

1273 653 30,2 2290

1323 593 27,2 2410

60С2А 1323 653 29,6 2260

05 1323 693 33,6 1880

С=3 1373 653 29,8 2240

ОТО 1840

Тз=1143К 693 29,6

65С2ВА 1323 653 11,6 2040

09, ОТО

С=2,4 . Тз=1143К 693 11,1 1740

Представляет интерес рассмотрение процесса релаксации напряжений при макропластической деформации пружины во времепи. В пружинах после ВТМО процесс релаксации локальных перенапряжений происходил более интенсивно, чем после обычной закалки. Это проявилось в более пологом подъеме кривых остаточной деформации в первоначальный период заневоливания пружин после ОТО.

В результате приложения внешней нагрузки при заневоливании в локальных участках создаются напряжения, которые могут значительно превосходить средние напряжения, приложенные к пружине. Устойчивая полигонизирован-ная субструктура при возникновении опасных локальных перенапряжений спо-собртвует их релаксации, что уменьшает опасность возникновения хрупкого разрушения.

При исследовании влияния температуры отпуска после ВТМО на изменение механических свойств материала пружин обнаружено, что с увеличением температуры отпуска после ВТМО с 593 до 693К при одинаковой температуре нагрева происходило монотонное уменьшение условного предела упругости То,05 (табл.1). Так для материала пружин из стали 60С2А (05, С=3) были получены следующие величины условного предела упругости Т0.05; 2410 МПа и

2260 МПа при отпуске 593 и 653К (Тн=1323К), после ВТМО и ОТО при отпуске 693К был получен то,о5 одного уровня - 1880 и 1840 МПа соответственно.

По результатам многофакторного эксперимента при исследовании влияния технологических параметров на эксплуатационную долговечность пружин из сталей 65С2ВА и 51ХФА были построены математические модели.

Получена квадратичная математическая модель влияния технологических параметров ВТМО ( Той. и степени деформации, определяемой индексом пружин «С») на коэффициенты упрочнения пружин из стали 51ХФА:

К=0,41Тот - 8,2с1 - 0,0006Т2ога+0,75С"2 - 44,3 (12)

При82=4, 364; 8^=2,47; 1,766, где 52 - дисперсия; 82ост. - остаточная дисперсия; Р- критерий Фишера;

К^^ШО- где, N ОТО

Nfítmo-ограниченная долговечность термомеханически упрочненных пружин; Noto- ограниченная долговечность пружин, полученных горячей навивкой.

Так как доя заданного уровня значимости «-0,05 при выборке п=40 Б>гкр, то принимается гипотеза об адекватности модели

Полученная математическая модель позволяет задавать температуру отпуска после ВТМО для известной конструкции пружины и заданного уровня упрочнения с верояггностьто 99% в исследованных интервалах технологических параметров для пружин из стали 51ХФА.

Для пружин из стали 65С2ВА (С<4) была построена квадратичная математическая модель, отражающая влияния технологических параметров ВТМО (Тн, Тотп) и уровня напряжений при испытаниях (г) на ограниченную долговечность (N). Построение модели производилось при выборке п=60. Математическая модель:

Л' = 6426■ 103 - 12440ГЯ + 23200TQTn - 1216г • 106 32,ПТ^ТП +91931г2 10б,

(14)

при Б2=86192, 82ост-16520,

при Р=5,22 и а=0,05 модель является адекватной, т.к. Р>Ркр Полученная математическая модель позволяет задавать температурные режимы ВТМО навивкой, зная желаемую величину ограниченной долговечности пружин малого индекса из стали 65С2ВА на заданном уровне напряжений при эксплуатации. Задаваясь одним из параметров (Тн или Тотп) в границах исследованных интервалов температур, можно определить другой. При этом необходимо исходить из условий работы пружин. Например, для пружин при заданной ограниченной долговечности с повышенными требованиями к упругим характеристикам. Необходимо задать температуру отпуска, которая, как пока-

зывают наши исследования, в большей степе:;;; влияет на прочностные свойства пружинной стали после ВТМО.

Обе математические модели справедливы для пружин, изготавливаемых из прутков круглого сечения в условиях обеспечения прокаливаемости при ВТМО. Данные модели являются частными случаями целевой функции (8).

Особенности исследуемого нами процесса ВТМО навивкой, а именно неравномерность пластической деформации по сечению прутка, условия нагрева и охлаждения, последующего отпуска накладывают свои отпечатки на процессы структурообразования, и тем самым воздействуют на ограниченную долговечность пружин.

Результаты испытаний показали, что изменение температуры при ВТМО навивкой приводит к изменению ограниченной долговечности пружин и имеет экстремальный характер (табл.2).

Таблица 2

Влияние температуры нагрева на изменение ограниченной долговечности пружин (прямое ВТМО)

Режим обра- Напряжение Число цик-

Матепиал Индекс ботки ! при испыта- лов до раз-

пружин пружин НИИ рушения.

Тн, К Тотп. К т1их. МПа тыс.ЦИКЛОВ

Сталь 1273 653 1500 71±39,5

65С2ВА 2,4 1323 653 1500 104+21

09 1473 653 1500 42±24

Стать 1233 653 1430 16±3

51 ХФА 3 1303 653 1430 75±21

05 1363 653 1430 26,8±15,7

Сталь 1273 693 1530 69±25,3

60С2А 2,4 1323 693 1530 76,5±20,8

09 1473 693 1530 66±22,2

Такая зависимость, вероятно, в первую очереди связана с особенностями структурных изменений при ВТМО в исследуемом интервате температур нагрева под навивку, а именно с механизмом фазовых превращений и ростом ау-стснитных зерен при повышении температуры аустснизашш, с процессами упрочнения и разупрочнения при горячей деформации стабильного аустенита.

Существенное влияние на изменение ограниченной долговечности пружин после ВТМО оказывает температура отпуска. Наиболее эффективно ВТМО повышает долговечность пружин из исследуемых марок сталей при отпуске в интервале температур 573-693К (Табл.3).

Таблица 3

Влияние температуры отпуска на ограниченную долговечность пружин

Материал Индекс Режим обработ- Напряжение Число цик-

пружины пружины ки при испыта- лов до раз-

Тн, К Тотп ,К нии, МПа рушения,

тыс.циклов

Сталь 2,4 ВТМО 513 1530 86,7+19

65С2ВА 1323 653 1530 104±21

09 693 1530 49,8±29

Стать ОТО

65С2ВА 2,4 1143 693 . 1530 58±32

09

1 акое влияние температуры отпуска на ограниченную долговечность определяется особенностями устойчивой полигонизированной субструктуры металла, полученной в результате ВТМО и способствующей релаксации напряжений при достижении критической плотности дислокаций без образования микротрещин.

На повышение долговечности оказывает влияние и ориентация действительных аустенитных зерен в направлении деформации при ВТМО.

Увеличение ограниченной долговечности в условиях высоких уровней напряжений связанно с ростом пластичности при сохранении повышенной прочности после отпуска 573-673К

После ОТО и отпуска при 593К пружины из сгали 65С2ВА выдерживали малое количество циклов, при этом вид излома свидетельствовал о хрупком разрушении.

Большое влияние на эффект упрочнения после ВТМО навивкой оказывает индекс пружин, косвенно определяющий степень деформации.

Результаты исследования влияния индекса на ограниченную долговечность пружин из стали 51ХФА после ВТМО (Тн=1293К; Тотп=653) при напряжении 950Мпа показали, что с увеличением индекса с Здо 7 эффект упрочнения

N

К = 27X10 уменьшается с 5± 2 до 1,5±0,12, где

^ ото

Л'вшо -01раниченная долговечность термомеханически упрочненных пружин; Лото -ограниченная долговечность нружин, полученных горячей навивкой.

Одним из факторов, определяющих сопротивление упругих элементов усталостному разрушению, является уровень и характер распределения остаточных напряжетпш I рода по сечению витка пружины. Причиной возникновения остаточных напряжений является неодинаковая степень деформация в различных участках сечения витка, так как с увеличением степени деформации плот-

ность стали понижается. Удельный объем металла меняется прн неравномерной пластической деформации, термическом сжатии и расширении и фазовых превращениях в твердом состоянии.

Было выявлено, что на внутренней поверхности закаленных неотпущен-ных образцов из стали 65С2ВА, моделирующих витки пружины 09 мм как после ВТМО ( /.=20%), так и после ОТО возникают растягивающие остаточные напряжения. Причем после ВТМО при температуре нагрева 1273К величина их вдвое меньше, чем после ОТО, 150 и 300 МПа соответственно. У пружин из стали 65С2ВА (С=4, 0=9мм, Х=3в%) после ВТМО в поверхностных слоях внутреннего диаметра пружины наблюдаются значительные остаточные напряжения сжатия — 260 МПа. По-видимому, при ВТМО со степенями деформации 20 и 36% на величину и характер распределения остаточных напряжений I рода доминирующее влияние оказывают различные факторы. Вероятно, в первом случае преобладающими являлись фазовые превращения, а во втором -пластическая деформация аустенита с большой степенью неоднородности по ссчению.

Неравномерность степени деформации по сечению прутка приводит к концентрационному расслоению аустенита по углероду и легирующим элементам, наследуемому мартенситом и способствующему развитию процессов самоотпуска в объемах с пониженным содержанием углерода.

Неоднородность степени деформации по сечению прутка при ВТМО навивкой приводит к повышенному удельному объему поверхностных слоев но сравнению с центральными слоями, что вызывает дополнительные сжимающие напряжения в поверхностном слое.

Отттуск приводит не только к уменьшению остаточных напряжений, но и к изменению знака остаточных напряжений в образце с Х=20% ( сталь 65С2ВА, 0.9 мм, С=4,5 ). Так после ВТМО (Тн=1273К, А=20%) и отпуска 473К в течение часа остаточные напряжения растяжения составляют 40МПа, а после отпуска при температуре 673К остаточные напряжения сжатия равны -140 МПа, после объемной закалка и отпуска 673К - только -50 МПа (после отпуска во всех случаях производилось охлаждение в воде), рис. 5,6.

Появление остаточных напряжений сжатия после отпуска при температуре 673К можно объяснить воздействием термических напряжений, возникающих в результате охлаждения образцов после отпуска в воде, также, как это показано О.И. Шавриным, неравномерностью распределения остаточного аустенита по сечению в зависимости от степени деформации и распадом его при более высоких температурах отпуска, что характерно для кремнистых сталей. Неравномерность степени деформации но сечению прутка при ВТМО навивкой пружины влияет на формирование тонкой структуры стали. Рентгеноструктурные исследования, проведенные на образцах, вырезанных из пружин (сталь 65С2ВА, 09, с=2,4) после ВТМО и отпуска (Тн=1323к, Тотп-653Т<), указали на изменение остаточных напряжений II рода по сечению прутка пружины и на изменение блочного строения стали. В поверхностном слое (внутренний и наружный

С>ос

МПа

300 200 100 0

-100

-200

мм

расстояние от поверхности

Рис.5. Влияние температуры отпуска после ВТМО на изменение остаточных напряжений I рода до сечению прутка (С=4,5, 09, сталь 65С2ВА), Тц=1373К: ] - без отпуска; 2- Тотп=473К; 3- Тотп =673 К

0 0,5 1 1,5 2 2,5 мм расстояние от поверхности Рис.6. Влияние температуры, нагрева при ВТМО на изменение остаточных напряжений 1 рода по сечению прутка (С=4,5, 09, сталь 65С2ВА), Тотп=673К: 1 - ОТО, Тз=1173 К; 2 - Тн=1273К; 3 - Тн =1373 К

расстояние от поверхности

диаметр пружины) наблюдается существенное уменьшение блоков мозаики и остаточных напряжений II рода, которые указывают на уменьшение плотности дислокаций, МЛ. Бернштейн показал в своих работах, что повышение деформации при высоких температурах для металлов, харакгеризуемых высоким деформационным упрочнением, приводит к сильному развитию процессов динамического возврата. А развитие субструкгуры на стадии динамического возврата благоприятно влияет на свойства, что подтверждается нашими результатами.

Ранее Шавриным О.И. с сотрудниками показано - ВТМО в процессе изготовления пружинной проволоки обеспечивает высокий комплекс механических свойств, которые наследуются в процессе изготовления пружин. Данные работы, положившие начато промышленного применения термомеханического упрочнения заготовки - проволоки, указывали и на нестабильность такого параметра, как долговечность пружин.

Проведенные нами исследования тонкой структуры стали 51ХФА после ВТМО выявили наличие карбидных, включений сферического типа величиной до 1мкм. Такие крупные карбидные включения являются внутренними концентраторами напряжении и причиной зарождения усталостной трещины. Применение предварительной термической обработки, направленное на формирование структуры перед ВТМО, исключило эту причину нестабильности качества пружин.

В работе исследовалось влияние механических свойств термомеханиче-ски упрочненной проволоки марок статей 51ХФА, 65С2ВА, 70ХГФА, 70ХМФА (после ВТМО и низкого отпуска) на долговечность пружин, как одного из основных факторов повышения надежности пружин, изготавливаемых с применением ВТМО по схеме 46.

Конструктивные параметры пружин, технологические возможности пру-жинонавивочного оборудования и стойкость инструментальной оснастки вносят ограничения в уровень механических свойств применяемой термомехзли-чески упрочненной проволоки.

Исследования показали, что при изготовлении пружии »ti проволоки 02,5-5 мм, имеющей после ВТМО волочением предел прочности ~1300-1990 Ivfna, при относительном сужении 50-56% и значении твердости 470-570 HV, обеспечивается достаточная для массового производства стойкость оснастки (ножа и оправки станка-автомата) и высокая степень надежности пружин при эксплуатации. Результаты стендовых испытаний клапанных пружин двигателей ВАЗ 21083 из стали 51ХФА- ВТМО ( 03,6 и 2,7 мм), проведенных в лабораториях Ижевского механического института и научно-исследовательского центра Волжского автомобильного завода (НТЦ ВАЗ) показали, что долговечность пружин при максимальных рабочих напряжениях в условиях асиадмефичного нагружеиия составила 5-8 миллионов циклов без разрушения нри норме 1 * i О1' циклов нагружения. Подобные результаты получены при изготовлении пружин из проволоки марки 7илГФА-Ш-ВТМО 03,6мм. Увеличение диаметра проволоки приводит к повышению усилий рубки при навивке на автоматах, что зна-

чительно влияет на стойкость оснастки, а также на необходимость обеспечения повышенной жесткости узлов станка, Комплексные исследования по отработке механических свойств материала проволоки, по обеспечению жесткости оборудования и стойкости инструмента дали положительные результаты при изготовлении пружин подвески мотоцикла из проволоки марки стали 60С2А-Н-ХН-ВТМО-7,5 (Тдеф = 1223К, к = 18,4 %, Тош= 653К).

Холодная пластическая деформация (навивка) приводит к изменению тонкой структуры, созданной в результате ВТМО, и для ее восстановления, а, следовательно, и получения высокой надежности пружин требуется проведение отпуска при оптимальной температуре, но не превышающей температуру отпуска проволоки.

Однако результаты стендовых испытаний показали, что ограниченная долговечность изменяется экстремально в зависимости от окончательного отпуска. Наиболее оптимальным является интервал температур 573-673К. В сравнении с контрольными пружинами, изготовленными из проволоки со специальной отделкой поверхности (серебрянка) и без металлоструйной обработки (сталь 60С2А-А-ХН-7,5 ГОСТ 14963-69), опытные пружины (Т;^-1223К; Тоот=б23К) выдержали в семь раз большее количество циклов нагружения (63 тыс. циклов и 435 тыс. циклов соответственно) (рис 7). При отпуске пружин при температуре ниже 623К наличие локальных концентраторов напряжения в поверхностных слоях высокопрочной проволоки (группа Н) сказывалось на уменьшение долговечности.

Для защигы от коррозии пружины подвески мотоциклов подвергаются хром о 11 и кел е в о ч у покрытию. Известно, что хромовое покрытие в значительной степени снижает выносливость деталей. Проведение дополнительного отпуска после покрытия не увеличивает долговечность пружин. Применение ме-таллостуйной обработки перед покрытием значительно увеличивает ограниченную долговечность пружин (рис. 8).

Увеличение времени металлоструйной обработки более 7 минут не приводит к значительному увеличению ограниченной долговечности пружин. В данном случае напряжения, вызванные хромированием, компенсируются напряжением сжатия, полученным при металлоструйном наклепе, и основным фактором увеличения долговечности становится фрагментированная субструктура металла после ВТМО, препятствующая зарождению трещин и их распространению.

Изменения в химическом составе стали в пределах ГОСТ (5 плавок) не внесли изменений в картину изменения долговечности пружин.

Помимо снижения трудоемкости изготовления пружин (исключение операций правки и обычной закалки), применение термомеханически упрочненной проволоки обеспечивает большую управляемость процессом изготовления, а в результате- большую точность силовых параметров пружин (рис.9).

Одним из достоинств ВТМО является возможность реализации эффекта наследственного упрочнения (рис,4,в), заключающаяся в том, что высокий отпуск проволоки после ВТМО снижает ее твердость до значения 30-35 НкС,

Ы.ЦИКЛ р 4*105

2*103

ю5 6*1 о4

4*104

2*104

473 523 573 623 Тстп.К

Рис.7. Влияние температуры отпуска пружин на долговечность Тмал = 650 МПа: 1 - ОТО, Т3 = 1133 К, Тота = 713 К; 2 - ВТМО, Тдеф = 1273 К; 3 - ВТМО, Тдсф = 1273 К, металлостр.обр.; 4 - ВТМО, Т;рф = 1223 К

Ы.цикп

5*105

3*105

4

5*10 5-Ю4

Рис.8. Влияние металлоструйной обработки на долговечность пружин

1. Серийные пружины (40 мин. БМА-0000), т^—650 МПа;

2. ВТМО (Тдеф = 1193 К, Тйтп=643 К, обработка в АКМ-1)

3. ВТМО (Тдеф = 1193 К, Тош = 643, проволока 5 плавок, обработка в БМА-0000 - 32 мин)

дающую возможность проведения различных технологических операций (навивки, гибки и т.д.). А повторная закалка с применением ускоренного нагрева (в расплаве солей, электроконтактный и т.п.) и заключительною отпуска, восстанавливает повышенный комплекс механических свойств. Режимы высокого отпуска должны обеспечить, с одной стороны, отсутствие рекристаллнзацион-ных процессов, приводящих к снижению прочности, а с другой - получение

\ 3 /

1 г / . . 2 Г л 4 /

Т^гТТ

—^—-

3 4 5 6

ото

ВТМО проаолски

1 - Нааивка

2 - Шлифование

3 - Правка

4 - Закапга(ОТО)

5 - Отпуск

6 - Дробеструйная обработка

Рис.9. Изменения поля рассеивания параметров пружин из стали 60С2А 07,5 по операциям технологического процесса

твердости, приемлемой для обработки проволоки.

Исследование нозмолстюстсй расширения области применения термомеха-нически упрочненной проволоки для изготовления ответственных пружин с гарантированно« долговечностью и высокой релаксационной стойкостью проводили на сталях 51.ХФА (04 -07,5мм) и 65С2ВЛ (04-0бмм). При отработке технологии изготовления пружин дизелей из проволоки с ВТМО 07,5мм из стали 51ХФА промышленной электроплавки проводились исследования влияния обезуглероженного слоя и качества поверхности. Качество поверхности и величина обезуглероженного слоя оказывают существенное влияние на усталостные свойства пружин. Было изготовлено три вида тсрмомеханически упрочненной проволоки: в бунтах с группой поставки «К»; снятым в заготовке обез-углерожешшм слоем на бунто-обдирочном станке «Ккзерлинг»; шлифованной и полированной по группе «Б» (ГОСТ 14963-69) в прутках (серебрянка). Контрольная партия изготавливалась из проволоки «серебрянки» серийной поставки по группе «Б» (ГОСТ 14963-69). Оценка качества пружин проводилась по изменению механических свойств, обезуглероженного слоя и шероховатости поверхности до и после операции ВТМО, высокого отпуска, повторной закалки и отпуска. Критерием оценки являлась долговечность пружин.

Обезуглероженний слой в заготовке, состоявший из ферритной и переходной зоны глубиной 350мкм, после ВТМО преобразовывался в переходную зону глубиной 200мкм.

Оставшаяся переходная зона глубиной 100 мкм после обточки заготовки на «Кизерлинге», после ВТМО не обнаруживается при металлографических исследованиях.

Наилучшую шероховатость поверхности проволоки диаметром 7,5 мм имела серебрянка после ВТМО и контрольная проволока (Кмах=0,6 мкм). ВТМО несколько улучшила качество поверхности проволоки по сравнению с заготовкой (1,1 мкм и 1,42 мкм), особенно с заготовкой, с обточенным на «Кизерлинге» дефектным слоем (4,5 мкм и!2 мкм). На поверхности проволоки с ВТМО из обточенной заготовки сохраняются следы от обработки, которые, являясь концентраторами напряжений, ухудшают усталостную прочность пружин.

Все пружины (сЗ=7,5 мм, Он-45,5 мм, г=!1,5, пр=5) из проволоки с ВТМО изготавливались по оптимальным режимам, определенным в предыдущих исследованиях: температура отпуска после навивки 590+10К, продолжительностью 10 мин; температура нагрева под закатку 1130К, продолжительность нагрева в соляной ванне 5 мин, охлаждение г, масло; отпуск пружин при температуре 520±10К, продолжительностью 60 мин с охлаждением в воде.

Наибольшую долговечность имеют пружины, изготовленные из серебрянки с ВТМО. Их долговечность при испытании на всех уровнях напряжений превышает долговечность контрольных пружин в 1,7-2 раза (рис. 10).

Для пружин ответственного назначения важной характеристикой являе тся релаксационная стойкость, определяющая стабильность силовых характеристик в условиях статического и циклического наружения при эксплуатации.

При сравнительных испытаниях на стенде в режиме безударного знакопостоянного нагружения с частотой 1000 циклов в мин при коэффициенте асимметрии 1=0,1, пружины из серебрянки с ВТМО показали наименьшее изменение свободной высоты АН/Но 0,12% против 0,6% у контрольных пружин (рис.11).

Комплексный подход с единых позиций конструкторско-технологических решений позволил создать пружины клапана спортивных автомобилей ВАЗ 21083 ((1=3,85мм и ¿=2,7мм), обеспечивающих при повышении эксплуатационной надежности увеличение критического числа оборотов двигателя от 5000 до 9000 оборотов в минуту.

При отработке нового автоматического оружия пружина амортизатора была изготовлена из термомеханически упрочненной проволоки, из стали 65С2ВА 05 мм, ВТМО по схеме рис.2,б (Но=50,5 мм, 1=7,25 мм, п=6,25, П)вн^10.5 мм). Наработка в изделии составляет без разрушения 9000 циклов нагружения против 5000 циклов пружины с объемной закалкой.

В результате отработки комплексной технологии изготовления пружин разработаны отраслевые технические условия на постанку тсрмомеханически упрочненной проволоки из стали 65С2ВА -ТУ АЕЖ 374-82, из стали 51ХФА и 60С2А -ТУ АЕЖ ВЗ -350 -88, (ИНИМТ).

Рис.10. Влияние состояния поверхностного слоя на ограниченную поверхность пружин из стали 51ХФА:

1(П)-проволока с ВТМО (группа поставки Н); 2 (О) - проволока с ВТМО со снятым в заготовке обезуглероженным слоем (группа поставки Н); 3 (Д) - серебрянка с ВТМО (группа поставки Б); 4 (+) -серебрянка (группа поставки Б), (серийная проволока)

г т,

1300 -им

900

тао:

|| (I И ! ш ! | !

1 1 К*4 !1;|| ! ! | ! ! 1

'| 1 1 11 Чу А нЦ С! ! I

1 1 1 1 • ! 11 ! 1 р О 0 V [ М ! * 11 г ? 1 ! 11

Ан/Н,1

О? 0,5 О,* V в.2 О,'

X?

\

/ >-

} ,

1< ^-

"Г-

ш

Рис. 11. Осадка пружин в процессе усталостных испытаний (т=1078 Мпа):

1-серебрянка с ВТМО; 2-проволока с ВТМО (группа поставки Н), 3 - проволока с ВТМО со снятым в заготовке обезуглероженным слоем (группа поставки Н); 4 - серийная проволока (серебрянка).

ч - —г—1 1

/ \

/ >

„'

у, >

г г 1

J fir "V i " 1 ч

/

Рис.12. Шероховатость поверхности проволоки с ВТМО 0 7,5 мм:

а - серебрянка; б - проволока с ВТМО; в - проволока с ВТМО со снятым в заготовке обезуглероженпым слоем:

1-заготовка под ВТМО; 2 - проволока после ВТМО

!Н> «"О да mlmHm

В четвертой главе приведены результаты разработки системы интеллектуальной поддержки производства пружин. Система основана на единстве конструкторско-технологических решений, физическая модель ее представлена на рис.3. Система реализована на персональных компьютерах IBM РС486 и выше и совместимых с ними под управлением MS DOS версии 3.1 и выше. Язьтк программирования - «Турбо-Паскаль», задействована система FOX-PRO.

Структурно схема построена по модульному принципу. Основу се составляет база данных, в которой представлены результаты систематизации экспериментальных данных, опыта заводской практики, влияния технологии на основные показателе качества пружин - долговечность гт релаксационную егонкосгь, рис.13.

База данных состоит из двух отдельных модулей BAZI и TOOLS.

Модуль В AZI является управляющей подсистемой для группы файлов, представляющих списки данных.: по выносливости; осадке; диаметрам проволоки; технологии. Файл технологии - список строк, состоящих из текста и номера. В зависимости от порядкового номера записи файл разделяется на 4 группы строк, соответственно: технология изготовления проволоки; технология изготовления пружины; технология термообработки; технология дополнительной обработки.

Файл диаметров - список строк, состоящий из значения диаметра и идентификационного номера.

Файл выносливости и осадки - это списки строк, состоящих из 3-х коэффициентов, определяющих кривую долговечности или осадки, номера технологий и диаметра проволоки.

Модуль TOOLS - управляющая ггодсистелга базы данных но оборудованию, которая формирует файл из строк со следующими полям л: наименование, минимальный диаметр создаваемой пружины; максимальный диаметр создаваемой пружины.; стоимость оборудования; производительность; занимаемая площадь.

1П

Рис.13. Структурная схема базы данных: Т- технология проволоки; Т] - технология пружины; Т2 - термообработ ка; Т3 - дополнительная обработка

Все управляющие системы базы данных имеют возможность создания (инициации) списка, дополнения, удаления строк, чтения списка, контроль на повторяемость номера (список диаметров).

Процедуре дополнения списков осадки и выносливости должна предстоять процедура выбора диаметра и технологий, что обеспечивает связанность базы данных. Работа базы данных организована в режиме «Меню».

Выбор производится в строгом порядке: диаметр - технология изготовления проволоки - технология изготовления пружин - термообработка - дополнительная обработка.

База данных является связующим звеном между системой конструкторского и технологического проектирования.

Система технологического проектировании содержит ряд пакетов прикладных программ и предназначена для создания рационального технологического процесса изготовления пружин с применением методов упрочнения, рис.14. Функцию связи между отдельными подсистемами осуществляет подсистема «классификатор», выполняющая и функцию стыковки с конструкторской системой.

Начало программы

Создание классификатора

ДА

Занесение маршрута технологического процесса

Выбор оборудования

Выбор режущего инструмента

Корректировка ТПП

( Выбор вспомогательного инстр-та

1

| Выбор мерителъното инструмента

|

Назначение режимов |

I I

Нормирование

Рис.14, Алгоритм проектирования технологического процесса изготовления пружин

Ее источниками являются массивы чертежей пружин и нормативно-справочная информация. Ключевым словом является конструкторско-технодогический код ЕСКД. Работа базы данных организована в режиме «Меню».

Разработанная система интеллектуальной поддержки проектирования технологических процессов позволяет спрогнозировать получение необходимых характеристик качества пружин, назначить все технологические параметры процессов упрочнения, выбрать необходимое оборудование и оснастку, а также обеспечить дополнение базы датптых новыми результатами.

В пятой главе приводятся результаты реализации исследований.

Для реализации в промышленных условиях принципов управления пространством качества в производстве пружин разработан ряд технологического оборудования, включающего в себя операции нагрева, горячей навивки и закалки пружин в одной операции ВТМО навивкой. В соответствии с типом производства по конструктивному и функциональному исполнению навивочное оборудование работает в режимах ручного или автоматического управления.

Промышленные установки с ручным управлением УНПК-3 предназначены для мелкосерийного производства. Формирование опорных и рабочих витков происходит посредством вращательно-поступательного движения шпинделя с заданием закона перемещения по цилиндрическому копиру.

Источником нагрева служит установка ТВЧ. В качестве охлаждающей среды при закалке применяется индустриальное масло. Функциональная схема соответствует рис.3.

Для эффективного использования термомеханического упрочнения в условиях переналаживаемого серийного производства пружин различных классов машин спроектированы и изготовлены 2 типа автоматов для навивки пружин с термомеханическим упрочнением.

Опыт эксплуатации автомата - аналога данного оборудования в производстве пружин подвески автомобиля "Ока" на специализированном предприятии "Союз-ТМО", г. Ижевск, указывает на стабильность процесса ВТМО в обеспечении качества выпускаемой продукции.

Основа работы автомата, рис Л 5,- объединение нагрева, навивки с деформацией изгибом, закалки в одном цикле и в одном технологическом модуле. Процесс ВТМО происходит следующим образом: мерный пруток- из магазина заготовок поступает в индуктор 29, где идет локальный нагрев до температур стабильного аустешгшого состояния, затем нагретая часть прутка попадает в зону навивки, захватывается шпинделем с оправкой 6, далее за счет заданного закона перемещения приводами поступательного и вращательного движений обеспечивается формообразование спирали пружины и закалка ее в ванне 1. Поворотный механизм 2 обеспечивает перемещение пружины от позиции навивки до позиции съема.

Рис.15. Автомат для навивки пружин с применением ВТМО: 1 - закалочная ванна, 2-10 - поворотный механизм, 11-13 - привод поступательного движения, 14-24 - привод вращательного движения, 25-28 - механизм загрузки прутков, 29 - индуктор установки ТВЧ

Система упрочнения материала пружин эффективна только совместно с системой контроля качества: входной контроль металла; пооперационный контроль технологических режимов и выходных параметров детали.

Все это составляет фиксированные состояния целевой функции пространства качества в производстве пружин. Ответственные пружины на конечной стадии технологического процесса должны проходить 100% разбраковку.

Точность изготовления оправок и жесткость кинематической связи механизмов автомата обеспечивают стабильность геометрических параметров, а выполнение требований по температурным и временным режимам процессов нагрева, навивки и охлаждения создает условия для стабильности структуры металла. При этом, в отличие от традиционных термических операций, включая и закалку с навивочного нагрева, как принято по итальянской и американской технологиям изготовления пружин, скоростной нагрев ТВЧ исключает появление обезуглероженного слоя.

Для этой операции разработал и изготовлен стенд для заневолипания и контроля пружин, рис 16.

Промышленные установки с ручным управлением составили основу создания участков для изготовления пружин буферов и амортизаторов CAO на трех заводах оборонного комплекса.

Принципиальный подход в управлении качеством изготовления пружин, новые технологии и оборудование, изготовленные но авторским патентам, позволили создать специализированное предприятие «Союз - ТМО», выпускающее пружины подвески легковых автомобилей, клапанных пружин нефтяного

Рис.16. Стенд для заневоливапия и контроля пружин: 1 - привод для заневоли-вания, 2-5 - привод измерительной системы, 6 - контролируемая пружина, 7,11 -стол, 8-10 - измерительный блок с микропроцессорным устройством фиксирования параметров

оборудования и ответственных пружин других областей техники. Пружинами предприятия «Союз - ТМО» комплектуются автомобили «Ока», «Орбита». Данные пружины конкурентны по сравнению с пружинами, выпускаемыми автомобильными концернами России по американской и итальянской лицензионным технологиям.

Комплексный подход в использовании термомеханически упрочняемой проволоки позволил создать ряд опытных участков по изготовлению пружин автоматики стрелкового оружия, клапанных пружин дизельной аппаратуры и двигателей внутреннего сгорания.

Применение термомеханически упрочнен!¡ой проволоки 60С2А явилось основой при создании участка по изготовлению пружин подвески мотоциклов «Иж». Новая технология, модернизированное оборудование и оснастка исключили узкие места в производстве пружин подвески мотоциклов.

Практическая ценность проведенных работ подтверждена внедрение.1,: технологий и оборудования на предприятиях с реальным экономическим эффектом более 1 млн р. в ценах 1991г.

Основные результаты

В работе приведено решение научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и состоящей в разработке научно-методических основ управления пространством качества в производстве пру-жип ответственного назначения. Основой гипотезы повышения эксплуатационной надежности пружин является единство конструкторско-технологических решений, выявленные закономерности процессов упрочнения. В результате теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с учетом конструктивных, технологических и производственных условий, разработаны принципиально новые методы упрочнения, обеспечивающие использование потенциальных возможностей пружинных материалов, влияющие на характеризующие показатели качества - долговечность и релаксационную стойкость упругих элементов, на параметры точности силовых и геометрических характеристик пружин.

Разработана система интеллектуальной поддержки выбора оптимальной технологии изготовления пружин, необходимая для назначения научно-обоснованных технологических рекомендаций, обеспечивающих повышение эффективности производства, для создашш промышленных модулей и цехов, выпускающих качественные пружины.

В процессе теоретического и экспериментального исследования получены следующие результаты:

1. Проанализирована номенклатура ответственных пружин изделий оборонной техники, автомобилестроения, дизельной техники, нефтеперерабатывающих и других отраслей техники, требующих повышения долговечности и релаксационной стойкости при работе изделий. Систематизированы данные о методах повышения надежности пружин, создано «поле экспериментальных результатов методов упрочнения пружин». На основе анализа конструкции, технологии изготовления, работы пружины в изделии и систематизации методов упрочнения сформулирована гипотеза о возможности управления пространством качества в их производстве, выбрано приоритетное направление в повышении эксплуатационной надежности - методы высокотемпературной термомеханической обработки. Разработана концептуальная и физическая модели повышения качества, обеспечивающие создание системы интеллектуальной поддержки проектирования технологических процессов изготовления пружин. В результате теоретических и экспериментальных исследований, основываясь на принципах единства конструкторско-технологических решений, созданы принципиально новые схемы ВТМО пружин, обеспечивающие повышение долговечности при одновременном снижении трудоемкости.

2. Основываясь на принципах наследования параметров фиксированных состояний пространства качества - технологических операций обработки заго-

товки и ВТМО проволоки, вбеспечепо высокое качество термомеханически упрочненной проволоки для ответственных пружин двигателей внутреннего сгорания, топливной аппаратуры и пружин автоматики CAO. Исследовано комплексное влияние всех переделов металлургического производства, включая ВТМО проволоки, процессов изготовления пружин, включая ППД и нанесение покрытий на эксплуатационные характеристики пружин, обеспечено повышение долговечности и релаксационной стойкости. Показано, что причиной повышения надежности является комплексное воздействия тонкой структуры металла, качества поверхностного слоя и остаточных напряжений I рода. Подтверждена возможность наследования эффекта ВТМО в промышленном производстве ответственных пружин из термомеханически упрочненной пружинной проволоки из сталей 65С2ВА, 70ХФА, 60С2А и 51ХФА.

3. Принципы единства конструкторско-технологических решений позволили разработать технологическую схему ВТМО навивкой, основанную на неоднородном состоянии структуры металла по сечению витка пружины и направить его на повышение ее долговечности в условиях высоконапряженного циклического нагружения. Высокая стабильность параметров пружин, полученных в процессе ВТМО навивкой, наследуется в последующих операциях технологического процесса, что обеспечивает точность изготовления пружин, а ориента-ционная направленность аустенитных зерен благоприятствует увеличению ограниченной долговечности и релаксационной стойкости пружин. Создание устойчивой фрагментированной субструктуры аустенита, влияющей на образование большей дисперсности мартенсита, сжимающие остаточные напряжения

I рода, а также уменьшение размеров блоков мозаики и остаточных напряжений П рода в поверхностных слоях, свидетельствующих о развитии субструктуры на стадии динамического возврата; повышение качества поверхности исходной заготовки, совместно с применением процессов ВТМО и ЭХП, увеличивает эффективность упрочнения при ВТМО навивкой.

4. Выявленные закономерности влияния температурно-временных режимов ВТМО, конструктивных параметров и условий эксплуатации на повышение долговечности и полученные при статистической обработке результатов исследований математические модели позволяют назначать оптимальные технологические параметры ВТМО для пружин из сталей 51ХФА и 65С2ВА.

5. На основании полученных результатов экспериментальных исследований способов применения ВТМО при изготовлении различного класса пружин, а также систематизации литературных данных и заводской практики, разработана база данных по упрочнению пружин, являющаяся связующим звеном подсистем системы интеллектуальной поддержки проектирования технологических процессов изготовления пружин, реализованной на персональных компьютерах IBM PC (486) и выше. Разработано математическое обеспечение для подсистем технологического проектирования.

6. Использование особенностей процесса ВТМО изгибом (навивкой), учет конструкции и типа производства пружин позволили создать ряд технологических модулей, объединяющих в себе операции нагрева, навивки и закалки в

едином целом - от установок с ручным управлением до автоматов роторного типа, а также комплекс оборудования для заневоливания и контроля 100% выпускаемых пружин.

7. Разработанная система управления пространством качества позволила сократить время технической подготовки производства пружин с термомеханическим упрочнением при создании 3-х участков на 3-х предприятиях оборонного комплекса, в том числе одного для массового производства. За 1 год создан полный цикл технологического оснащения специализированного предприятия «Союз-ТМО» по выпуску пружин подвесок автомобилей для автомобилей «Ока», «Орбита» и серийного выпуска пружин для автомобилей семейства ВАЗ, а также для опытных разработок ВАЗа и АЗЛК.

8. Результаты исследований внедрены при изготовлении пружин изделий оборонной техники, пружин подвески и клапанов, пружин топливной аппаратуры дизелей легковых и грузовых автомобилей (КАМАЗ, БеЛАЗ, ВАЗ), пружин подвески мотоциклов «Иж», клапапных пружин нефтяного оборудования с экономическим эффектом более 1млн р. в ценах 1991 г.

9. Материалы диссертации используются в учебном процессе в курсах «Технология специального производства», «Ресурсосберегающие и экологически чистые технологические процессы», АСТПП.

Основные выводы;

1. Эффективное функционирование пружин, как наиболее ответственных деталей механизмов, определяется качеством проектирования, изготовления и эксплуатации. Формирование пространства качества изготовления пружин как направленного единства требований качества на отдельных этапах "жизнедеятельности" упругого элемента, является актуальной комплексной проблемой, требующей синтезированной проработки.

2. Единство конструкторско-технологических решений является определяющим фактором в повышении качества пружин. Повышение работоспособности пружин возможно за счет обобщения и систематизации результатов исследовательской и заводской практики, выразившейся в создании системы интеллектуальной поддержки производства.

3. Применение ВТМО при изготовлении пружин с учетом конструкции, условий производства и эксплуатации является определяющим фактором в создании оптимальной технологии изготовления пружин. Технологическая схема и место ВТМО в технологическом процессе определяются конкретным назначением пружин.

4. Комплексный подход в проектировании технологии, учет влияния всех состояний пространства качества в производстве пружин (от первых металлургических переделов до эксплуатации в изделии) повышает эффективность производства в обеспечении качества пружин и выражается в виде целевого функционала бесконечномерного пространства качества с определенными параметрами оптимизации на каждом фиксированном этапе производства.

5. Полигонизированная субструктура металла после ВТМО навивкой повышает основные механические свойства стали, что обеспечивает гарантированную долговечность и релаксационную стойкость пружин после отпуска в интервале температур 643-693К, но при обеспечении качества поверхностного слоя на всех операциях технологического процесса.

6. Нетрадиционная неоднородность структуры после ВТМО навивкой, выразившаяся в текстуре деформации по сечению витка пружины, повышает долговечность и релаксационную стойкость пружин, особенно эффективно - жестких винтовых пружин малого индекса. В традиционной технологии объемной закалки неоднородность структуры по сечению прутка - явление отрицательное.

7. При комплексном воздействии индукционного нагрева, поверхностно-пластического деформирования и покрытий малые степени деформации, «10%, при ВТМО в процессе горячей навивки пружин, индексом С = 7-10, при высокой культуре производства, эффективны в повышении работоспособности пружин ответственного назначения.

8. Предварительная термическая обработка, направленная на устранение карбидной неоднородности материала заготовки, исключает появление локальных внутренних концентраторов напряжений в виде больших карбидных включений, что позволяет гарантировать повышение надежности ответственных пружин, изготавливаемых из термомеханически упрочненной проволоки.

Библиографический список

1. Шаврин О.И., Редькин JI. М. Термомеханическое упрочнение пластинчатых пружин// Металловедение и термическая обработка материалов. -1974. -№7. -С.50-32.

2. Шаврин О.И., Редькин JI. М., Потрохов H.H. Повышение прочности жестких винтовых пружин малого индекса // Динамика, прочность и долговечность деталей машин. - Ижевск: ИМИ, 1974,- Вып. 3. -С. 148-151.

3. Шаврин О.И., Редькин JI. М. Игнатьев В.В. Высокотемпературная термомеханическая обработка пружин // Производственно-технический бюллетень (ПТБ).-1974,-№11-0.15-17.

4. Шаврин О.И., Редькин Л.М., Князев А.Г. Влияние технологических параметров на эффективность высокотемпературной термомеханической обработки пружин //Производственно-технологический бюллетень.-1975г,- С.13-15.

5. Шаврин О.И., Редькин Л. М. Исмагилов М.М. Шурмин Н.В. Остаточные напряжения 1-го рода в пружинах малого индекса после ВТМО // Сб. науч. тр. «Динамика, прочность и долговечность деталей машин». - Ижевск: ИМИ, 1975. -С.128-131.

6. Шаврин О.И., Редькин Л. М. Исмагилов М.М. Шурмин Н.В. Установка электрохимического травления с вращающимся катодом для определения остаточных напряжений I рода в кольцевых образцах // Заводская лаборатория,-

1976.-№3.-С.349-350.

7. Шаврин О.И., Редькин JI. М. Тимофеев Ю.С. Булычев В.А Повышение долговечности пружин электрохимическим полированием после ВТМО // Производственно -технический бюллетень.- 1977. - №6. - С.36-38.

8. Шаврин О.И., Редькин Л. М. Влияние ВТМО на повышение долговечности жестких винтовых пружин// Сб. докладов «Современные материалы и методы упрочнения пружин и упругих элементов машин и приборов». -М.: ЦНИИинформация, 1978.-С.41-43.

9. Шаврин О.И., Редькин JI. М. Технология термомеханического упрочнения жестких винтовых пружин // Информационный листок Удм. Отраслевой ЦНТИ №12-8.0-3.

10. Редькин JI.M., Монахов Ю.М., Ярлыков М.С. Повышение технологичности жестких цилиндрических винтовых пружин // Производственно - технический бюллетень. - 1983.- С.20-22.

11. Редькин JI.M. Изломы пружин //Сб. науч. тр. «Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов ». - Ижевск, 1984. - С. 70-71.

12. Редькин JI.M., Конышев В.Н., Маслов Л.Н., Котельников A.B. Производство и применение пружинной проволоки, упрочненной методом ВТМО // Передовой опыт. - 1986. - №2 - С.42-43.

13. Редькин JI.M., Потапов A.C. Установка ВТМО пружин //Экспресс-информация. ЦНИИТЭстроймаш. -1987.- №21.- 2 с.

14. Редькин Л.М., Потапов A.C. Единство конструкторско-технологических решений в производстве буферных пружин // Сб. докл. Всесоюзного семинара «Проектирование и производство систем».- М.: МВТУ.-1987.-С.61.

15. Редькин Л.М., Потапов A.C. Установка для термомеханического упрочнения пружин малого индекса // Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических материалов.-М. : МДНТП, 1986,- С.148-151.

16. Редькин Л.М. Экспериментальные результаты процессов упрочнения пружин //Сб. науч. тр.«Конструирование и технология изготовления пружин ».-Устинов (Ижевск ): ИМИ. -1986,- С.13-19.

17. Редькин Л.М., Шаврин О.И., Потапов A.C. Повышение долговечности жестких пружин высокотемпературной технологической обработкой // Сб. науч. тр. « Конструирование и технология изготовления пружин ». - Устинов: ИМИ.-1986.- С.83-90.

18. Шаврин О.И., Редькин Л.М., Конышев В.Н. Технология повышения надежности пружин дизелей // Двигателестроение. - 1987.- №3.- С.38-41.

19. Александров В.Л., Конышев В.Н., Палей Ю.М., Зиберт В.Ю., Редькин Л.М. Влияние предварительной термической и термомеханической обработки на свойство проволоки из стали 51ХВА // Металловедение и термическая обработка металлов. -1988.-№3,- С.8-11.

20. Шаврин О.И., Редькин Л.М, Термомеханическая обработка и эффект наследования тсрмомеханнческого упрочнения в технологии производства

пружин // Термомеханическая обработка металлических материалов. Материалы всесоюзной НТК. -М.: МДНТП. -1989.- С.15-16.

21. "Четкарев В.А., Редькин Л.М, Дементьев В.Б., Шаврин О.И., Потапов A.C., Гарибян И.К. Комплекс математических методов, программных технических средств для разработки эффективных методов упрочнения металлопродукции на основе математического моделирования на ЭВМ П Информ. листок ВДНХ СССР, 1989.

22. Шаврин О.И., Дементьев В.Б., Маслов А.Н., Редькин Л.М. Формирование структуры и свойств материалов деталей машин высокотемпературной термомеханической обработкой с индукционного нагрева // Материал VII международного конгресса « Термическая обработка и технология».- М-, 1990.-Т.2.-С. 184-190.

23. Редькин Л.М., ТИаврин О.И. Эффективность управления пространством качества в производстве пружин // Труды "Университеты России". Машиностроение, приборостроение, экономика «Фундаментальные исследования новых технологий и автоматизации производства в машиностроении».- М.: МГУ, 1994.-Вып.1.-С.117-121.

24. Шаврин О.И., Дементьев В.Б., Маслов Л.Н., Редькин JI.M. Формирование физико-механических свойств поверхностного слоя деталей машин при ВТМО //Сб. докл. П международной НТК « Влияние технологий на состояние поверхностного слоя ПС-93 ». - Польша, Гожув ВЛКП, 1993.- С.216-219.

25. Редькин Л.М., Шаврин О.И. Состояние поверхности, как фактор управления пространством качества при изготовлении пружин //Материалы 3-й международной НТК «Влияние технологий на состояние поверхностного слоя ПС-96 ». - Польша, Гожув ВЛКП., 1996.-Т.Х IV.- №1-2,- С.454-457.

26. Четкарев В.А., Дементьев В.Б., Редькин Л.М., Потапов A.C. Разработка технологий изготовления пружин с применением ВТМО на основе математического моделирования на ЭВМ // Сб. науч. тр. « Методы вычислительного эксперимента в инженерной практике». - Ижевск, ИМИ, 1992.- Вып.4.-С.31 -34.

27. Редькин Л.М. Припцип управления пространством качества при изготовлении пружин подвесок автомобилей //Сб. науч. тр. « Моделирование технических систем ». - Ижевск: ИжГТУ, 1996.- С.89-91.

28. Redkin L.M., Shavrin O.I The unity of design and technical solutions is the basis of the quality range control at the spring manufacture // Сб. MATK « Mo-tauto'97 ».- Болгария, Russe.- 1997- Vol.1.- ISBN 954-90272- 1-Х.- P.202-206.

29. Редькип Л.М. Точность, как параметр фиксированных состояний пространства качества при изготовлении пружин // «Избранные ученые записки».-Ижевск: ИжГТУ, 1998,-Т.З.- С.11-15.

30. Redkin L.M., Kulik N.I., Shavrin O.I. The peculiarities of provision of spring production with thermomechanical strengthening //Proceeding «Motauto'98 ». -Bulgaria, Sofia, 1998. - Vol. Ill .-ISBN 954-90272-2-8,- P.99-102.

31. Редькин Л.М., Шаврин О.И. Уровень технического обеспечения - гарант качества в производстве с применением термомеханического упрочнения // Сб. XIV Уральской школы металловедов-термистов «Фундаментальные про-

блемы физического металловедения перспективных материалов»,- Ижевск — Екатеринбург: УОРАН, 1998,- С.21-22.

32. JI.M. Редькин, О.И. Шаврин К вопросу повышения надежности пружин // Тезисы докладов Международной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения С.И. Мосина.- Тула: Репроникс Лтд, 1999.- С.90-92.

33. Редькин Л.М., Ништа А.П. О повышении качества пружин двигателей внутреннего сгорания // Тез. докл. объединенной Междунар. НТК, посвященной памяти Генерального конструктора аэродинамической техники академика Н.Д. Кузнецова «Конструкционная прочность двигателей (XIV)».- Самара : Самарский НЦ РАН, 1999,-С.59-60.

34. Редькин Л.М., Шаврин О.И. Новые технологии повышения качества пружин // Тез. докл. Междунар. НТК « Современные материалы, технологии, оборудование и инструменты в машиностроении ( Наука - производству'99)».-Киев : ATM Украины, 1999.- С.107-107.

35. АС 528989 СССР МКИ B21F3/04 Способ изготовления пружин /Шаврин О.И., Редькин Л.М., Крекнин Л.Т. (СССР) -2100900/02; Заявл. 31.01.75; Опубл. 25.09.76. Бюл. №35.

36. Патент №816634 Р.Ф, МКИ B21F3/04. Агрегат для навивки пружин / Мойс И.П., Литовский А.Е., Шаврин О.И., Редькин Л.М. (СССР)- 247387/2512; Заявл. 14.04.77; Опубл. 30.03.81. Бюл. №2.

37. Патент №882687 Р.Ф. МКИ B21F3/03 Способ изготовления пружин / Шаврин О.И, Редькин Л.М., Конышев В.Н., Котельников A.B., Яковлев Ю.Т., Григорьев В.К. (СССР)2782490/25-12;Заявл.19.06.79; Опубл.32.11.81.Бюл. №43.

38. Патент №1348040 Р.Ф. МКИ B21F3/04 Устройство для навивки пружин / Липовский А.Е., Шаврин О.И., Редькин Л.М. (СССР) 3453231/25-12; Заявл 16.06.82; Опубл. 30.10.87. Бюл. №40.

39. Патент №1234018 Р.Ф. МКИ B21F3/04. Способ изготовления крупногабаритных пружин / Шаврин О.И., Редькин Л.М., Щербаков В.И., Маслов Л.Н., Конышев В.Н. (СССР) , №3781269 /25-12; Заявл. 13.08.84.; Опубл. 30.05.86. Бюл. №20.

40. АС №1579613 (СССР) МКИ B21F3/04 Способ изготовления пружин / Редькин Л.М., Потапов A.C., Селезнев А.П. №4484986/25-12; Заявл.20.09.88; Опубл. 23.07.90. Бюл. №27.

41. АС 1509161 (СССР) МКИ B21F3/04 Способ изготовления пружин / Редькин Л.М., Конышев В.Н., Мальков A.A., Котельников A.B. №4341421/3112; Заявл. 10.12.87; Опубл 23.09.89. Бюл. №35.

42. Патент №2057611 Р.Ф. МКИ B21F3/04 Агрегат для навивки пружин / Кулик Н.И., Редькин Л.М. №9302605/12; Заявл. 14.05.93; Опубл 10.04.96. Бюл. №10.

43. Заявка №4886153/28; Заявл. 15.10.20, пол. решение от 28.05.92. Способ определения характеристик пружин / Башкиров A.B., Редькин Л.М., Копей-кин О.М.