CZ286416B6 - Process for producing helical springs - Google Patents

Description

Způsob výroby šroubovitých pružin

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby šroubovitých pružin z ocelového drátu, při kterém se šroubovité pružiny podrobí termomechanickému zpevnění okrajových vrstev.

Dosavadní stav techniky

V podstatě jsou známé dva způsoby pro výrobu šroubovitých pružin z ocelového drátu. U prvního způsobu, tak zvaného způsobu navíjení za studená, se jako výchozí materiál používá zušlechtěný ocelový drát.

U druhého známého způsobu, tak zvaného způsobu navíjení za tepla, se nezušlechtěný ocelový drát ohřívá, v ohřátém stavu se navíjí a návazně se podrobuje zušlechtění. Způsob navíjení za tepla je popsán například ve studii „Warmgeformte Fedem“ (Tepelně tvarované pružiny), zveřejněné v průběhu 52. mezinárodní automobilové výstavy IAA, Frankufrt/Main, 1987.

Méně rozšířená je třetí možnost výroby, u které se nezušlechtěný výchozí materiál získává za studená a pružina se teprve návazně v samostatném pracovním procesu podrobuje zušlechtění.

Při způsobu tepelného navíjení prochází ve formě tyče vložený ocelový drát během svého zušlechťování pracovními operacemi ohřevu, vytvrzení a popouštění. Přitom ohřev se zpravidla uskutečňuje v průchozí peci, která je vyhřívána spalováním plynu nebo oleje. V takové peci se materiál ocelového drátu přivádí relativně pomalu na austenitizační teplotu, aby se mohl po navíjení vytvrdit.

Po vytvrzení a popouštění jsou šroubovité pružiny ochlazovány s výhodou vzduchem, aby mohly být návazně pro pracovní operaci úpravy za tepla opět ohřátý. Pod pojmem upravování za tepla se v této souvislosti rozumí dotlačování šroubovitých pružin, neboli podrobování namáháním překračujícím jejich mez kluzu, které se provádí při zvýšené teplotě. Prostřednictvím upravování za tepla se vytvoří v pružinovém drátu příznivý stav vlastního pnutí, který přispívá ke zvýšení 35 statické a dynamické zatížitelnosti pružin a zdokonaluje jejich relaxační chování a tečení.

Po upravování za tepla jsou pružiny brokovány, čímž jsou vnější okrajové vrstvy pružinového drátu zpevněny a především jsou ovlivňovány vlastním tlakovým pnutím. Tato vlastní tlaková pnutí zvláště účinně zvyšují dynamickou namáhatelnost pružin, protože působí v průběhu 40 zatížení pružiny proti vysokým tahovým pnutím vznikajícím na drátové povrchové ploše.

Pro zdokonalení mechanických vlastností pružinové oceli je vDE 36 33 058 Cl navrženo uskutečnit tak zvané termomechanické zušlechťování pružinového drátu. Toto termomechanické zušlechťování zahrnuje, na rozdíl od obvykle prováděného zušlechťování v podobě vytvrzení 45 a popouštění, po ohřevu na austenitizační teplotu prováděný přídavný krok plastické deformace pružinové oceli zkroucením a/nebo válcováním.

Z DE 43 30 832 C2 je dále známý způsob pro výrobu šroubovitých tlačných pružin, u kterého jsou šroubovité tlačné pružiny podrobovány prvnímu a druhému brokování.

Ve studii Eckeharda Můllera „Spannungstrahlen von Schraubendruckfedem“ (Stabilizační brokování šroubovitých tlačných pružin), uvedené v publikaci Draht, 1994, sešit 1/2 je uvedeno, že prostřednictvím dvoustupňového brokování, u kterého se první brokování uskutečňuje bez předpětí a druhé brokování pod předpětím, lze vyrábět šroubovité pružiny, které ve srovnání

-1 CZ 286416 B6 s pružinami, které nebyly podrobeny žádnému tryskání, mají při zmenšené spotřebě materiálu a při menší hmotnosti srovnatelné vlastnosti.

Známé způsoby pro výrobu šroubovitých pružin se osvědčily. Přesto se však ukázalo, že známými způsoby již není možné vyrábět pružiny, které by splňovaly stále větší požadavky, zejména automobilového průmyslu, na zmenšování rozměrů a tím také na zmenšování hmotnosti a zastavovacího prostoru pružin.

Podstata vynálezu

Vynález si proto klade za úkol vytvořit vycházeje z uvedeného stavu techniky, takový způsob, který by umožnil výrobu pružin, které by byly při menších rozměrech a nižších hmotnostech více zatížitelné.

Podstatu vynálezu tvoří způsob výroby šroubovitých pružin z ocelového drátu, při kterém se šroubovité pružiny podrobí termomechanickému zpevňování okrajových vrstev, spočívající v tom, že se provádějí pracovní kroky prvního brokování bez předpětí, následného tepelného uvolnění a pak druhého brokování.

Prostřednictvím prvního procesu otryskávání termomechanického zpevňování okrajových vrstev šroubovitých pružin se hmota pružinového drátu blízká povrchové ploše plasticky deformuje, a to tak hluboko, jak je to možné. Následné tepelné uvolnění pružiny způsobí v deformovaných vrstvách hmoty příznivé změny vlastností, které lze mimo jiné odvozovat z procesu rozdružení, stárnutí, polygonizace struktury a vytvoření výhodné dislokační struktury.

Na závěr vytvářený druhý proces otryskávání, který je prováděný s nebo bez předpětí pružin, vytváří vznik vysokého vlastního tlakového pnutí v okrajové vrstvě. Podle vynálezu se toto druhé tryskání provádí ve dvou stupních. S výhodou se přitom v prvním stupni provede s vysokou energií prostřednictvím hrubozmného dodávaného tryskacího prostředku hrubé brokování pružin. Toto hrubé brokování působí hlouběji do krajových vrstev pružinového materiálu.

Ve druhém stupni prováděné tak zvané jemné tryskání, které se provádí při využití jemněji zrnitých tryskacích prostředků nebo hruběji zrnitých tryskacích prostředků se zmenšenou rychlostí odhazování, vede bezprostředně na povrchové ploše zpracovávaného drátu ke zvýšení vlastního tlakového pnutí a k jejímu hlazení.

Zvýšení vlastních tlakových pnutí přímo na povrchové ploše drátu zabraňuje tomu, aby se na ní při vysokém dynamickém namáhání pružin pod provozním zatížením předčasně tvořily trhliny. Takové trhliny mohou totiž zvláště u šroubovitých pružin, které jsou citlivé na vruby a jsou vysoce napjaté, vést k předčasné destrukci pružiny.

Konečně poskytuje vyhlazení povrchové plochy drátu, kromě redukce zjejí struktury vyplývajícího vrubového účinku, podstatné výhody také pro následné lakování šroubovitých pružin.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je dále vysvětlen na příkladu provedení ve spojení s odpovídajícími diagramy.

Na diagramu 1 je znázorněn sled pracovních operací při výrobě vysoce odolných a maximálně pevných šroubovitých pružin s termomechanickým zušlechtěním a termomechanickým zpevněním okrajové vrstvy.

-2CZ 286416 B6

Na diagramu 2 je znázorněn průběh vlastního tlakového pnutí v okrajové vrstvě šroubovitých pružin po jednom brokování pod předpětím při použití hrubozmného tryskacího prostředku s vysokou rychlostí odhazování.

Na diagramu 3 je znázorněn průběh vlastního tlakového pnutí v okrajové vrstvě šroubovitých pružin při stupňovitě po sobě následně prováděném brokování pod předpětím při použití hrubozmného tryskacího prostředku v prvním stupni a jemnozmného tryskacího prostředku ve druhém stupni.

Příklady provedení vynálezu

Dodaný ocelový drát se nejprve uvede v elektroindukčně pracujícím, neznázoměném ohřívacím ústrojí na austenitizační teplotu. Návazně je austenitizovaný ocelový drátový materiál plasticky deformován ve válcovacím nebo zkrutovacím procesu. Potom se uskuteční svinutí ještě teplého ocelového drátu do šroubovité pružiny. Termomechanické zušlechtění ocelového drátu v návaznosti na svinutí pokračuje vytvrzováním. V závěru následuje popouštění a tím je ukončeno termomechanické zušlechťování oceli.

Po popouštění se uskuteční rychlé ochlazení šroubovité pružiny prostřednictvím vody.

Při následně prováděném prvním zpracování brokováním nenapjaté šroubovité pružiny dochází nejdříve k plastické deformaci v blízkosti k povrchové ploše uspořádaného materiálu pružinového ocelového drátu v maximálně možné hloubce. Po ukončení tohoto prvního brokování se šroubovité pružiny v neznázoměné peci, která je určena pro ohřev na teplotu upravování za tepla, ohřejí a současně se tepelně uvolní. Po dosažení teploty upravování za tepla se uskuteční vlastní úprava za tepla. Jakmile jsou pružiny prostřednictvím chlazení vodou opět ochlazeny, jsou ve druhém tryskacím procesu brakovány pod předpětím.

Účel brokování pod předpětím spočívá hlavně v tom, že se v okrajové vrstvě blízké k povrchové ploše pružinového ocelového drátu vytvoří směrově orientovaná vysoká vlastní tlaková pnutí. Pokud jsou totiž pružiny v průběhu tryskání pod předběžným zatížením, které působí ve stejném směru jako pozdější provozní zatížení, je možné v tomto směru vytvořit na povrchové ploše ocelového drátu zvláště vysoká vlastní tlaková pnutí, proti kterým budou při provozním zatížení působit maximální tahová pnutí. Zpravidla se jedná o případ působení sil v úhlu o hodnotě 45° vzhledem k podélné ose pružinového drátu. Takto vytvořená vlastní tlaková pnutí působí jako protilehlá pnutí působící proti tahovým pnutím, která vznikají při praktickém použití pod zatížením.

Brokování pod předpětím se podle vynálezu provádí ve dvou stupních. V prvním stupni se jako tryskací prostředek používá poměrně hrubé zrno o průměru 0,7 až 0,9 mm. Tak lze dosáhnout takového profilu vlastního tlakového pnutí v okrajové oblasti oceli pružinového drátu, jak je znázorněný například v diagramu 2. Charakteristická přitom je velká hloubka ovlivnění vlastními tlakovými pnutími, která však nedosahují své maximální požadované hodnoty přímo v oblasti povrchové plochy pružinového drátu, ale teprve v určitém odstupu od ní.

Při návazně prováděném druhém stupni brokování pod předpětím je použit stejný tryskací prostředek, přičemž je však tento vydáván s menší rychlostí odhazování, než v prvním stupni. Jak je zřetelně patrné z diagramu 3, výrazně se prostřednictvím jemného tryskání zvýší vlastní tlakové pnutí přímo na povrchové ploše drátu a v jejich sousedních vrstvách. Tak se podstatně zvýší výsledek z hlediska možného dynamického namáhání šroubovité pružiny vyrobené způsobem podle vynálezu a podstatně se zdokonalí kvalita použití šroubovitých pružin ve

-3CZ 286416 B6 srovnání se šroubovitými pružinami, které jsou nasazeny jako nosné pružiny motorových vozidel.

Na závěr výrobního procesu se uskuteční přezkoušení z hlediska trhlin, lakování a přezkoušení únosnosti šroubovitých pružin. Z hlediska optimální ochrany proti korozi se osvědčilo jako účinné lakování zinkovým fosfátováním s práškovým povrstvením.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob výroby šroubovitých pružin z ocelového drátu, při kterém se šroubovité pružiny podrobí termomechanickému zpevňování okrajových vrstev, vyznačující se tím, že se provádějí pracovní kroky prvního brokování bez předpětí, následného tepelného uvolnění a pak druhého brokování.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se druhé brokování provádí nejméně ve dvou stupních.
3. 3. Způsob podle nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že se druhé brokování provádí pod předpětím.
4. 4. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že se při druhém brokování použije jednotný hrubozmný tryskací prostředek, který se v prvním stupni brokování rozmetává s vyšší odhazovací rychlostí než v následných stupních.
5. 5. Způsob podle některého z nároků 2až4, vyznačující se tím, že se v prvním stupni použije hrubozmný a v následujících stupních jemněji zrněný tryskací prostředek.