Спосіб виготовлення спіральних пружних профілів зі стрічок сплавів, що дисперсійно твердіють

Винахід відноситься до галузі обробки металів тиском в поєднанні з термічною обробкою (відпуском в зневоленому стані), а точніше до способів виготовлення пружних профілів з холоднокатаних стрічок сплавів, що дисперсійне твердіють, і може бути використаний при їхньому виготовленні. Спіральні пружні профілі являють собою конічні порожні тонкостінні стержні довжиною до 5м, утворені шляхом навивки по спіралі тонких стрічок, при цьому частина кожного наступного витка накладається на попередній, утворюючи ділянки подвійної товщини. Таким чином від вершини до основи з кожним витком спіралі діаметр профілів збільшується на величину двох товщин вихідної стрічки. Внаслідок цього діаметр спіральних профілів у вершини мінімальний, у основи - максимальний. Основною вимогою, що ставиться . до таких профілів, є їхня здатність пружно деформуватися під впливом осьового навантаження в компактний рулон, накопичуючи при цьому запас енергії пружної деформації, а при звільненні віл навантаження пршшати первісні форму і розміри. Переведення спіральних профілів із прямолінійного (робочого) стану в транспортний (у рулоні) і зворотньо повинно здійснюватися багаторазово. При цьому коефіцієнт трансформації (відношення довжини спірального профілю в робочому стані і висоти складеного в рулон) повинний бути не менш 25-30. Перевагою таких профілів є те, що для переведення прямолінійного профілю в рулон не потрібно спеціального приводу, переведення здійснюється за рахунок енергії пружної деформації. Завдяки таким властивостям спіральні профілі застосовують як компактні легковагові антени, що саморозкриваються, у приладах, призначених для пошуку і виявлення вантажів, що спускаються з літальних, у тому числі космічних, апаратів (радіоантени і радіомаяки), елементів конструкцій складної просторової форми, що розгортаються, й ін. Відомий «Спосіб виготовлення телескопічних пружин зі стрічок» [див. авт. свід. СРСР №461758, м. кл. B21d11/06; B21f35/00; опубл. у 1975р. БІ №8], що включає намотування стрічки в рулон, розтягування витків рулону уздовж осі і наступне її намагнічування в напрямку осі з метою підвищення демпфіруючих властивостей. У винаходу, що заявляється, і аналога збігаються наступні ознаки: намотування стрічки в рулон і наступне розтягування витків рулону уздовж осі. При використанні аналога досягненню очікуваного технічного результату перешкоджає одна з найважливіших вимог, що ставляться до пружних профілів, у тому числі і спіральних - їх немагнітність. Тому спосіб підвищення демпфіруючих властивостей шляхом намагнічування не може бути застосований при виготовленні спіральних немагнітних пружних профілів. Слід зазначити, що в даний час для виготовлення пружних профілів застосовують пружинну немагнітну стрічку сплавів, що дисперсійне твердіють: хромо-нікель-титанових (36НХТЮ, 42НХТЮ), хромо-нікель-молібденових (36НХТЮМ5), мідно-берилієвих (БрБНТ1,7, БрБНТ1,9). Найбільш близьким по технічній суті до винаходу, що заявляється, є «Спосіб виготовлення телескопічних пружин зі стрічок» [див. авт. свід. СРСР №283169, м. кл. B21f3/02; опубл. у 1970р. БІ №31], обраний як прототип, що включає намотування стрічки в рулон, роздачу рулону на конус і наступне розтягування витків рулону уздовж осі. У винаходу, що заявляється, і прототипу збігаються наступні ознаки: намотування стрічки в рулон і наступне розтягування витків рулону уздовж осі. При використанні прототипу досягненню очікуваного технічного результату перешкоджає утворення відносного великої щілини між витками при їхньому розтяганні уздовж осі. Спіральні профілі, виготовлені по такому технологічному процесу, через наявність щілини відрізняються нестійкістю в прямолінійному положенні, а в розглянутому технологічному процесі не передбачені технологічні прийоми по його зменшенню. У результаті це негативно позначається на стійкості профілю в робочому прямолінійному положенні, його опір вітровим навантаженням і працездатності взагалі. Завданням винаходу, який заявляється, є розробка такого способу виготовлення спіральних профілів, у якого удосконалення шляхом введення нових операцій приводить до досягнення технічного результату, що полягає в підвищенні стійкості профілю у робочому прямолінійному положенні, його опору вітровим навантаженням, а також рівномірності експлуатаційних властивостей по всій довжині профілю. Спосіб виготовлення спіральних пружних профілів зі стрічки сплавів, що дисперсійне твердіють, який заявляється, включає намотування стрічки в рулон і наступне розтягування витків рулону уздовж осі. Поставлене завдання вирішується намотуванням стрічки в рулон і наступним розтягуванням витків рулону уздовж осі. На відміну від прототипу при реалізації способу виготовлення спіральних профілів, який заявляється, стрічку перед намотуванням в рулон піддають подовжньо-поперечній пружно-пластичній деформації вигином у площині розташованій перпендикулярно поверхні стрічки під кутом 45-50° до її подовжньої осі, потім від рулону відрізають заготівку необхідної довжини, яка при цьому під дією отриманої залишкової деформації приймає форму спіралі, після чого, затискаючи кінці згаданої заготівки, її розтягують до розмірів готового профілю, одночасно закручуючи ло щільного прилягання витків, і потім піддають термофіксації при температурі 680-720°С впродовж 40-50 хвилин в зневоленому стані. В результаті використання винаходу очікується досягнення такого технічного результату: поліпшення якості спіральних профілів за рахунок забезпечення однакового по величині перекриття витків і збереження в такий спосіб рівномірних експлуатаційних властивостей по всій довжині профілю, обумовленого безперервністю подовжньо-поперечної деформації вихідної стрічки вигином, закручуванням попередньо сформованої при подовжньо-поперечному формуванні заготівки по спіралі і наступній термофіксації' в зневоленому стані; підвищення стійкості спіральних профілів в робочому прямолінійному положенні та, як наслідок, підвищення опору вітровим навантаженням. За рахунок більш щільного прилягання витків один до одного, забезпечуване закручуванням спіральної заготівки одночасно з її розтягуванням до розмірів готового профілю; можливість коректування несучої здатності профілів за рахунок зміни кута підйому гвинтової лінії витків і в такий спосіб величини ділянок їхнього перекриття в результаті зміни положення деформуючого інструмента стосовно подовжньої осі вихідної стрічки. Між технічним результатом, що планується досягти, і ознаками винаходу існує такий причинно-наслідковий зв'язок. Як показала практика виготовлення і експлуатації спіральних профілів, більш якісні спіральні профілі одержують у випадку, якщо вихідною заготівкою для них є не плоска стрічка, а стрічка з жолобчастою формою поперечного перерізу. Тому розроблений спосіб передбачає двоступінчасте виготовлення спіральних профілів: спочатку одержання з плоскої стрічки жолобчастої заготівки, а потім з неї - спіральних профілів. Застосування подовжньо-поперечної пружно-пластичної деформації вигином приводить до зміни прямолінійного поперечного перерізу вихілної стрічки на залишкову жолобчасту форму. Для забезпечення безперервності процесу деформації жолобчасту стрічку змотують у рулон. При наступному розмотуванні внаслідок здійснення деформації стрічки під кутом до її подовжньої осі відбувається самостійне згортання стрічки в спіральну заготівку. Такий технологічний прийом забезпечує рівномірність властивостей після безперервної деформації по всій довжині, а самостійне формування спіральної заготівки профілю - постійну величину перекриття витків, що також сприяє стабільності властивостей профілів. Крім того, наявність жолобчастої форми поперечного перерізу витків через зменшення тертя між ними сприяє більш енергійному розкриттю профілів при їхньому переході зі стану, змотаного в рулон, у прямолінійне робоче положення. Можливість пружної деформації витків забезпечує їхнє примусове розправляння до плоскої стрічки в рулоні, а при переведенні профілю в прямолінійне положення, розправляючи до жолобчастої форми, більш високу стійкість усього профілю в робочому положенні. Розтягування спіральної заготівки до розмірів готового профілю здійснюють одночасно з її закручуванням у напрямку навивки спіралі, що забезпечує мінімальну щілину між витками. Наступна термофіксація (відпуск в зневоленому стані) фіксує придбані форму і розміри готових профілів. Це забезпечує підвищення експлуатаційної стійкості профілів, наприклад, збільшуючи їхній опір впливу вітрових навантажень. Застосування і здійснення описаних технологічних операцій при виготовленні поліпшує якість і експлуатаційні характеристики спіральних профілів, виготовлених згідно способу, що заявляється, умови переведення з транспортного (у рулонах) у робоче (прямолінійне) положення і зворотно, а також надійність розкриття профілів при роботі в автоматичному режимі. Суть винаходу пояснюється графічним матеріалом, на якому зображено: на фіг.1 - агрегат подовжньо-поперечної деформації стрічок вигином; на фіг.2 - агрегат розмотування спіральної заготівки; на фіг.3 - агрегат розтягування витків спіральної заготівки до розміру готового профілю при одночасному закручуванні в напрямку навивки спіралі; на фіг.4 - агрегат термофіксації (відпуску в зневоленому стані) спіральних профілів безперервним способом; на фіг.5 - спіральний пружний профіль в прямолінійному (робочому} положенні; на фіг.6 - схема взаємного розташування вихідної стрічки й інструмента подовжньо-поперечної деформації; на фіг.7 - схема положення вихідної стрічки і деформуючого інструмента в процесі деформації(переріз І-І на фіг.6); на фіг.8 - спіральний пружний профіль, зібраний у рулон, в транспортному положенні. На графічних матеріалах позиціями позначено: 1 - вихідна стрічка для виготовлення спіральних пружних профілів; 2 - рулон вихідної стрічки; 3 - блок обвідних роликів гальмування стрічки; 4 - направляючий ролик; 5 - деформуючий вузол; 6 - спрофільована жолобчаста заготівка; 7 - обвідний ролик; 8 - блок обвідних роликів натягу стрічки; 9 - рулон спрофільованої заготівки на з'ємній котушці; 10 - приводний намотувач; 11 - розмотувач спіральної заготівки; 12 - механізм примусового розпрямлення спіральної заготівки; 13 - спіральна заготівка; 14 - нерухома стійка; 15 - рухома стійка; 16 - гвинт пересування рухомої стійки; 17 - ручка механізму закручування заготівки; 18 - електрична піч термофіксації; 19 - стрічковий транспортер; 20 - обвідний ролик; 21 - обвідний ролик; 22 - витяжний механізм стрічкового транспортера; 23 - привід витяжного механізму; 24 - спіральний пружний профіль (стержень); 25 - зібраний спіральний пружний профіль(рулон); 26 - фіксуюча обойма. Літерні позначення на графічних матеріалах: S - товщина стрічки; В - ширина стрічки; D - діаметр профілю біля основи; d - діаметр профілю біля вершини; х-х та у-у - взаємно перпендикулярні вісі, з яких одна співпадає з подовжньою віссю стрічки; 0-0 - повздовжня вісь деформуючого інструмент)?; r- радіус деформуючого інструменту; g - кут сходження гілок заготівки на деформуючому інструменті; P1 і P2 - зусилля натягу стрічки до і після деформуючого інструмента. Спосіб виготовлення спіральних пружних профілів зі стрічки сплавів, що дисперсійно-твердіють, який заявляється, реалізується на комплексі устаткування, що представляє собою окремо встановлені агрегати, не зв'язані між собою в єдиній технологічній лінії: агрегат безперервної подовжньо-поперечної деформації стрічок вигином; агрегат розмотування спіральної заготівки; агрегат розтягування витків спіральної заготівки при одночасному закручуванні їх у напрямку утворення спіралі; агрегат термофіксації спіральних профілів безупинним способом. Спосіб виготовлення спіральних пружних профілів зі стрічок сплавів, що дисперсійно-твердіють, який заявляється, реалізується в такий спосіб. Спочатку на агрегаті подовжньо-поперечної деформації вигином (фіг.1) з вихідної стрічки одержують жолобчасту заготівку, що внаслідок установки деформуючого інструмента під кутом до напрямку руху стрічки у вільному стані утворює спіраль. У такий спосіб на початковому етапі одержують спіральну заготівку, яку при безперервному процесі деформації змотують в рулон. При цьому вихідна стрічка 1 (фіг.1), розмотуючись з рулону 2 і, проходячи через блок обвідних роликів 3, необхідних для створення натягу, через направляючий ролик 4 надходить у деформуючий вузол 5. У деформуючому вузлі встановлюють формуючий інструмент, що представляє собою, наприклад, тригранну призму, виготовлену з інструментальної сталі і термічно оброблену на високу твердість, робочі ребра якої закруглені радіусами, що забезпечують необхідну жолобчастість стрічки після деформації. Після профілювання та видалення змащення жолобчаста заготівка 6 надходить у блок обвідних роликів натягу 7 і 8, де примусово розпрямляється до плоскої стрічки і у такому виді змотується в рулон 9 на приводному намотувачі 10 (ел. привод на кресленні не показаний). Отриманий у такий спосіб рулон спрофільованої заготівки 9 знімають з намотувана 10 і встановлюють у розмотувач 11 агрегату розмотування (фіг.2) і, пропускаючи через механізм примусового розпрямлення 12, що складається з барабана і притискних роликів, висувають жолобчасту заготівку 6, що після виходу з механізму у вільному стані утворює спіральну заготівку 13. Спіральну заготівку попередньої довжини (більш точно довжина буде визначена при розтягуванні витків до довжини готового профілю) відрізають, цю операцію повторюють доти, поки весь рулон 9 не буде порізаний на спіральні заготівки 13. Для одержання необхідної довжини профілю, рівномірного розташування витків і щільного їх прилягання спіральну заготівку 13 встановлюють і закріплюють між нерухомою 14 і рухомою 15 стійками агрегату розтягування витків (фіг.3), переміщенням рухомої стійки 15 по гвинту 16 розтягують спіральну заготівку 13 до потрібної довжини профілю. При цьому обертанням ручки 17 у напрямку утворення спіралі забезпечується щільне прилягання витків один до одного. У такому положенні спіральну заготівку жорстко фіксують біля вершини і основи, після чого знімають з агрегат). Термічна обробка спіральних заготівок (відпуск в зневоленому стані) здійснюється в агрегаті термофіксації (фіг.4), що складається з прохідної електричної печі 18, стрічкового транспортера 19, обвідних роликів 20 і 21 стрічкового транспортера, витяжного механізму транспортера 22 із приводом 23. На транспортер, що безупинно рухається, послідовно укладають спіральні заготівки 13. Проходячи через піч, вони нагріваються протягом усього часу перебування в печі та набувають задані форму та розміри готового спірального пружного профілю 24 (фіг.5). Форма та розміри спірального профілю забезпечуються умовами пружно-пластичної деформації вихідної стрічки на агрегаті подовжньо-поперечної деформації (фіг.1). При цьому установкою формуючого інструмента під кутом b (фіг.6) до подовжньої осі стрічки і відповідним вибором радіуса r формуючого інструмента (фіг.7) забезпечується розмір радіуса жолобчастої заготівки 6, від якого залежить діаметр готового спірального профілю як у основи (D) так і у вершини (d), кут підйому витків профілю ( a ) (фіг.5), a також величина ділянок, перекриття витків. Температура (680-720°С) і тривалість (40-50 хвилин) нагрівання вибираються таким чином, щоб забезпечити максимальне зміцнення матеріалу. Якщо температура нагрівання для даного сплаву заздалегідь відома з довідкових матеріалів, то тривалість нагрівання обумовлена довжиною активної зони печі і швидкістю руху стрічкового транспортера. Їхнє сполучення вибирають таким чином, щоб забезпечити оптимальну тривалість нагрівання. Після виходу з печі профілі знімають з транспортера і охолоджують на повітрі. Подальша обробка полягає в нанесенні рідкого мастила на зовнішню і внутрішню поверхню профілів, як правило, методом занурення, і тренування, що полягає в повному осіданні і наступному п'ятикратному саморозкритті профілів з метою стабілізації їхніх розмірів. Спосіб виготовлення спіральних пружних профілів зі стрічки сплавів, що дисперсійно-твердіють, який заявляється, випробуваний заявниками на спроектованому і виготовленому для цієї мети устаткуванні. Вихідною стрічкою для виготовлення профілів служила холоднокатана стрічка розміром 0,15х93мм корозійностійкого немагнітного сплаву, що дисперсійне твердіє, 36НХТЮ (ДСТ 14117-85) зі ступенем нагартовки 57%. При деформації вихідної стрічки деформуючий інструмент був установлений під кутом 45° стосовно напрямку руху стрічки, при радіусі заокруглення робочого інструмента 1,5мм, що забезпечувало одержання радіуса спіральної заготівки 23мм. При цьому питомий натяг стрічки складав 5,2кгс/мм2, відношення r/s=10, а кут сходження гілок стрічки 70°. При таких параметрах технології була виготовлена спіральна заготівка довжиною 160м і змотана в рулон. При вільному сході з рулону в агрегаті розмотування деформована заготівка довільно скручується в спіраль, утворюючи спіральну заготівку, яку розрізають на мірні довжини. Як показали розрахунки і підтвердили натурні виміри для одержання спірального профілю довжиною 3,5м необхідно відрізати 7м стрічки. В агрегаті розтягування витків спіральну заготівку розтягували до заданої довжини профілю (3,5м) при одночасному закручуванні її по ходу спіралі, що забезпечувало щільне прилягання витків один до одного і їхній рівномірний розподіл по всій довжині профілю. Отриману заготівку спірального профілю фіксували, закріплюючи ії кінці біля вершини і основи. В такому виді заготівка спірального профілю стрічковим транспортером подавалася в піч термофіксації з температурою нагрівання 700°С, де при швидкості руху стрічкового транспортера 7,5-9м/годину в цілому при заданій температурі знаходилася від 40 до 48 хвилин (оптимальна тривалість нагрівання при зміцненні високонагартованих - 50-60% - холоднокатаних стрічок). В результаті термофіксації заготівка спірального профілю здобуває форму і розміри готового профілю (довжина - 3500мм, діаметр біля основи 34,2мм, біля вершини - 17мм), а також необхідний рівень міцності (тимчасовий опір 148 кгс/мм2, пластичності відносне подовження - d4 - 6%). Такі властивості дозволяють при осьовому навантаженні збирати профіль в рулон 25 (Фіг.8), утримувати його у такому положенні за допомогою фіксуючої обойми 26, а при звільненні без додаткового стороннього впливу за рахунок енергії пружної деформації приймати первісне прямолінійне положення. Після виходу з печі спіральний профіль охолоджували на повітрі, методом занурення на його внутрішню і зовнішню поверхню наносили рідке мастило (олія машинна) і з метою стабілізації розмірів готового профілю піддавали його тренуванню, що полягало в п'ятикратному повному осіданні і наступному саморозкритті. Як показали кількаразові іспити, в результаті релаксації' напруження відбувається зміна розмірів профілю: діаметр біля основи і вершини збільшується відповідно на 1-1,5% і 2-2,7%, а довжина зменшується не більше ніж на 2%. Однак надалі навіть після 150 циклів розкриттів зміна зазначених параметрів профілю була незначною і не перевищувала 1%. Тому при порізці спіральної заготівки на мірні довжини її первісну довжину варто збільшувати до 2%. Як показало випробування, по способі, що заявляється, можуть бути виготовлені спіральні профілі іншого сортаменту, з вихідної стрічки інших розмірів, наприклад 0,15х115мм, 0,2х100мм, що істотно розширює технічні можливості способу, який заявляється. Контрольними іспитами встановлено, що спіральні пружні профілі, виготовлені по способу, що заявляється, забезпечують 150 циклів повного осідання і наступного саморозкриття. У процесі іспитів установлено, що найбільша зміна розмірів (80-90% від загальної зміни за 150 циклів) спостерігається після перших 5-7 навантажень. Розкриття профілів відбувалося енергійно і без затримок. Випадків затримки чи неповного розкриття не було, що свідчить про їхню високу якість і достатню експлуатаційну надійність. У результаті використання способу виготовлення спіральних пружних профілів, який заявляється, досягається технічний результат, що полягає в поліпшенні якості профілів і його експлуатаційних характеристик внаслідок виготовлення профілів зі стрічки, яка попередньо піддається подовжньо-поперечній пружно-пластичній деформації вигином. При цьому поліпшення якості досягається за рахунок: збільшення опору спіральних профілів впливу вітрових навантажень, підвищення їхньої стійкості у вертикальному положенні в результаті більш щільного прилягання витків профілю один до одного, обумовлене закручуванням спіральної заготівки в напрямку утворення спіралі одночасно з її розтягуванням до розмірів готового профілю; забезпечення рівномірного перекриття витків і збереження в такий спосіб рівномірних експлуатаційних властивостей по усій довжині профілю, обумовлене безперервністю деформації вихідної стрічки і наступної термофіксації профілів (відпусткою в зневоленому стані), можливості коректування несучої здатності профілів у результаті зміни кута підйому гвинтової лінії витків регульованої зміною кута повороту деформуючого інструмента щодо подовжньої осі стрічки і, в такий спосіб величини ділянок витків. що перекриваються. Спосіб виготовлення спіральних пружних профілів зі стрічки сплавів, що дисперсійно твердіють, який заявляється, становить значний інтерес для машинобудування і приладобудівної галузі, тому що дозволяє істотно розширити сортамент спіральних профілів, поліпшити їх якість і підвищити експлуатаційну надійність.