PŚ Politechnika Śląska w Gliwicach
Instytut Automatyki
Zakład Inżynierii Systemów
IA
Politechnika Śląska | Instytut Automatyki | Zakład Inżynierii Systemów | Dydaktyka | Zdalne Nauczanie
    Sprężyny stożkowe     
Sprężyny - stale

Materiały stosowane na sprężyny

Jak widać z wzoru najkorzystniejszym materiałem do wyrobu sprężyn jest materiał o dużym stosunku rys26 lub rys27, ponieważ wówczas objętość V, a zatem i ciężar sprężyny, może być mały. Pomimo dużych wartości E i G materiałem takim jest stal o wysokiej granicy sprężystości, hartowana i nisko odpuszczana, zawierająca duży procent węgla, często z dodatkiem innych składników stopowych jak Si, Mn, Cr, V itd. Materiał na sprężynę dobiera się w zależności od kształtu, wymiarów, sposobów wykonania i obróbki cieplnej oraz warunków obciążenia.

Materiały stosowane na sprężyny muszą spełniać wysokie i różnorodne wymagania, takie jak:

  • duża wytrzymałość doraźna i zmęczeniowa,
  • duża granica sprężystości,
  • duża granica plastyczności.

Stale węglowe. Najczęściej stosowana jest stal o zawartości 0,65-0,70% C. Służy ona do wyrobu sprężyn o niezbyt dużym przekroju (O 15 mm lub g 12 mm) ze względu na małą głębokość przehartowania.

Do wyrobu sprężyn o bardzo małym przekroju (O 0,1 - 6 mm) używany jest tzw. drut patentowy (fortepianowy) z zawartością około 1% węgla. Drut taki jest wielokrotnie przeciągany na zimno po czym ogrzewany i hartowany w kąpieli ołowiowej. Sprężyny po zwinięciu podlegają odpuszczaniu w oleju lub kąpieli saletrzanej o temperaturze 200-240°C. Drut fortepianowy odznacza się dużą wytrzymałością: Rr=180÷280 kG/mm2.

Stale stopowe. Do najpopularniejszych należą stale: krzemowe (46Si7, 48Si7, 56Si7, 65Si7 lub 66Si7), co to Manganowe (M65, M75, M85). Są one stosunkowo tanie, odznaczają się one dużą wytrzymałością oraz pozwalają na większą głębokość przehartowania (O 20 - 25 mm). Przy jeszcze większych wymaganiach odnośnie wytrzymałości i głębokości przehartowania (O 0,25 - 30 mm) stosuje się stale chromowo-krzemowe (67SiCr5), chromowo manganowe (50CrMn4), chromowo-wanadowe (51CrV4). Do pracy w ośrodku korodującym lub wysokiej temperaturze stosuje się stale wysokochromowe lub chromowo-molibdenowe.

Wymagane własności sprężyste i wytrzymałościowe może mieć materiał sprężyny przed rozpoczęciem jej wytwarzania (stan wyjściowy twardy) lub mogą one być mu nadane przez obróbkę cieplną ukształtowanej sprężyny (stan wyjściowy miękki).

Materiały w stanie miękkim są dostarczane w postaci odkształconych na zimno i wyżarzanych taśm i drutów lub też walcowanej na zimno bądź na gorąco walcówki lub pręta ciągnionego. W tym stanie stosuje się powszechnie stale sprężynowe węglowe i stopowe wg PN-EN 10132-4:2004 (Tab.1)

Tabela 1. Własności mechaniczne stali sprężynowych ulepszonych cieplnie (wg PN-EN 10132-4:2004).

Materiały w stanie twardym są dostarczane w postaci drutów ciągnionych lub taśm walcowanych na zimno z jednoczesną obróbką cieplną (tzw. patentowaniem) bądź drutów lub taśm ulepszanych cieplnie. W kraju są stosowane druty patentowane ogólnego przeznaczenia (do średnicy 8 mm) wg PN-71/M-80057 (Tab.2) oraz druty ulepszane cieplnie, szczególnie o większych średnicach. Własności wytrzymałościowe drutów patentowych są na ogół wyższe niż ulepszanych.

Tabela 2. Wytrzymałość minimalna na rozerwanie Rm drutów sprężynowych twardych do sprężyn zwijanych na zimno.

Druty patentowane o wysokiej wytrzymałości (rodzaj C) są używane głownie na sprężyny naciskowe, a druty o podwyższonej i zwykłej wytrzymałości (rodzaj B i A) na sprężyny naciągowe i skrętowe, gdzie kształtowanie zaczepów wymaga wyższych własności plastycznych.

Sprężyny wykonane z materiału w stanie twardym są nisko-temperaturowo odpuszczane w celu zmniejszenia naprężeń własnych i wzrostu własności sprężystych i zmęczeniowych (temperatura 230÷250°C dla drutów patentowych i 300÷400°C dla drutów ulepszanych w czasie od 10 minut do 100 minut).

W obliczeniach sprężyn przyjmuje się uśrednione wartości modułu sprężystości podłużnej E i porzecznej G (Tab.3).

Tabela 3. Moduły sprężystości G i E stali i stopów sprężynowych.

Niedoskonałość sprężysta materiałów

Rozpatrując odkształcenia elementów sprężynujących zakłada się, że materiały tych elementów zachowują się zgodnie z prawem Hooke'a, z którego wynika, że zmiana odkształcenia w funkcji obciążenia ma charakter liniowy i odwracalny. Założenie to jest upraszczające, lecz w większości przypadków dopuszczalne w praktyce przy stosowaniu sprężyn. W rzeczywistości materiały nie w pełni zachowują się zgodnie ze wspomnianym prawem, a tę niezgodność nazywamy niedoskonałością sprężystą, która może występować w postaci:

  • opóźnienia sprężystego,
  • relaksacji,
  • histerezy sprężystej.

Opóźnienie sprężyste polega na tym, że element sprężynujący poddany obciążeniu uzyskuje pewne odkształcenie nie natychmiast po przyłożeniu obciążenia, lecz dopiero po pewnym czasie jego trwania, przy czym przyrosty tego odkształcenia w jednostce czasu maleją wraz z upływem czasu trwania obciążenia. Jest to, więc opóźnienie między przyczyną (w tym przypadku jest to obciążenie) a skutkiem (odkształcenie).

Relaksacja jest zjawiskiem podobnym do opóźnienia sprężystego. Można ją zaobserwować wtedy, gdy wymuszamy odkształcenie elementu i obserwujemy występujący w nim stan obciążenia. Jeżeli więc element sprężynujący zostanie odkształcony, to, pomimo, że wartość tego odkształcenia jest stała, siły niezbędne do wywołania odkształcenia z upływem czasu maleją, przy czym ujemne przyrosty tych sił w jednostce czasu zmniejszają się wraz z czasem trwania odkształcenia.

Histereza sprężysta polega na tym, że przebiegi odkształcania przy wzroście i zmniejszaniu obciążenia różnią się między sobą, przy czym energia wymagana do odkształcenia elementu jest zawsze większa od uzyskiwanej z tego elementu przy jego powrocie do stanu początkowego. Wynika to ze strat na tarcie wewnątrz materiału zachodzące przy jego odkształcaniu.

Niedoskonałość sprężysta zależy od wielu czynników m.in. od składu chemicznego materiału, obróbki cieplnej i mechanicznej, wartości naprężeń, sposobu obciążania, temperatury itp. Jak dotychczas, ze względu na skomplikowany charakter zachodzących zjawisk, nie istnieją ogólne zależności analityczne umożliwiające ilościowe obliczanie niedoskonałości sprężystej. Dokładne dane na ten temat można uzyskać tylko na podstawie doświadczeń. Niedoskonałość sprężysta powoduje, że teoretyczne charakterystyki elementów różnią się od rzeczywistych nieznacznie, rzędu ułamka procenta. Z tego też wzglądu nie rozpatruje się jej w przypadku projektowania sprężyn. Należy jednak pamiętać o tym przy użyciu elementu sprężynującego jako elementu pomiarowego, zwłaszcza w przyrządach pomiarowych o większej dokładności.


Sposoby wykonania sprężyn naciskowych

W produkcji jednostkowej zwijanie na zimno odbywa się na wałku o średnicy nieco mniejszej od wewnętrznej średnicy sprężyny (ze względu na jej rozprężanie się). Oprócz średnicy zmienia się nieco również skok i liczba zwojów. Przy produkcji masowej zwijanie odbywa się na automatach.

Po zwinięciu na zimno sprężyny są odpuszczane w oleju lub kąpieli solnej w temperaturze 230÷315°C.

Sprężyny naciskowe muszą opierać się co najmniej na długości 2/4 zwoju. W tym celu ostatnie zwoje są przygięte i zeszlifowane. Sprężyny naciągowe lub skrętowe mają końce zaginane w odpowiednie zaczepy, dostosowane do sposobu mocowania sprężyny.

Sprężyny zwijane na gorąco (w temperaturze 800÷1000°C) nie rozprężają się po zwinięciu. Wykonane sprężyny podlegają hartowaniu i odpuszczaniu. Końce sprężyn naciskowych dużych wymiarów są odkuwane, a po zwinięciu obtaczane lub zeszlifowywane.

W celu zabezpieczenie sprężyny od osiadania w czasie pracy jak również w celu podniesienia jej wytrzymałości, stosuje się zabieg osadzenia sprężyny, który polega na długotrwałym (kilka do kilkudziesięciu godz.) obciążeniu sprężyny powyżej granicy sprężystości. Powstają przy tym w zewnętrznych włóknach odkształcenia plastyczne oraz naprężenia własne przeciwnego znaku niż naprężenia robocze. Osadzanie stosuje się w odniesieniu do sprężyn, pracujących przy obciążeniu statycznym, w temperaturze normalnej i ośrodku niekorodującym. Sprężyny w stosunku do których nie jest stosowany zabieg osadzenia, przechodzą tzw. próbę technologiczną polegającą na parokrotnym obciążeniu powyżej granicy sprężystości, co w pewnej mierze zapobiega również osiadaniu sprężyny podczas eksploatacji.

Celem podniesienia wytrzymałości sprężyny pracującej przy obciążeniach zmęczeniowych stosuje się śrutowanie, polegające na ostrzeliwaniu powierzchni sprężyny strumieniem drobnych stalowych kulek, dzięki czemu następuje zgniot (utwardzenie) warstwy powierzchniowej.

Dla ochrony przed korozją gotowe sprężyny są lakierowane lub natłuszczane, a bardziej odpowiedzialne pokrywane elektrolitycznie miedzią, cyną lub cynkiem.

Wykonane sprężyny podlegają na sprawdzeniu polegającemu na:

  1. oględzinach zewnętrznych (powierzchnia drutu musi być gładka bez rys, pęknięć i zanieczyszczeń),
  2. sprawdzeniu wymiarów: średnicy centrującej (zewnętrznej lub wewnętrznej), skoku, liczby zwojów i wysokości,
  3. próbie wytrzymałościowej oraz pomiarze strzałki ugięcia lub kąta skrętu przy czym sprawdza się zwykle jedynie pewien odsetek wykonanych sprężyn.

Zależnie od wymaganej dokładności wykonania można sprężyny podzielić na trzy klasy:

  • klasa dokładności - sprężyny przyrządów pomiarowych (dynamometrów, indykatorów itp.),
  • klasa dokładności - sprężyny zaworów samoczynnych, regulatorów itp.,
  • klasa dokładności - sprężyny zaworów sterowanych zderzaków itp.

Produkcja sprężyn - maszyny

Do produkcji sprężyn są stoswane specjalistyczne obrabiarki numerycznie sterwoane. Dzięki postępowi technicznemu istnieje możliwość szybkiego i sprawnego wyrobu. Nowoczesne urządzenia pozwalają zmniejszać koszty przy jednoczesnym wzroście wydajności. Oto kilka przykładów maszyn do produkcji sprężyn:







Formy wykorzystywane do produkcji sprężyn.



Materiał zaczerpnięty z literatury [3] [4] i [6]

Do góry