Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ижевский государственный технический университет Кафедра «Производство машин и механизмов» Реферат Производство пружин Выполнил: Аспирант Т.В. Ломаева Проверил: О.В. Степанова Ижевск 2007г. ПРОИЗВОДСТВО ПРУЖИН Пружина – это устройство, которое изменяет свою форму в ответ на внешнюю силу, а возвращается в оригинальную форму, когда сила убрана. Энергия, потраченная на деформирование пружины, аккумулирована в ней и может быть получена обратно, когда пружина возвращается в первоначальную форму. Вообще величина изменения формы прямо связана с величиной прилагаемой силы. Однако если приложена слишком большая сила, то пружина будет деформирована и никогда не вернется в первоначальное состояние. Исходные данные Существует несколько типов пружин. Один из наиболее распространенных состоит из проволоки намотанной в цилиндрическую или коническую форму. Пружина растяжения – это намотанная пружина, витки которой обычно касаются друг друга, сила, приложенная для растягивания пружины, разделяет витки. Напротив, пружина сжатия – это винтовая пружина с пространством между последовательными витками; когда приложенная сила уменьшает пружину, витки поджаты друг к другу. Третий тип винтовых пружин, названые пружинами кручения, разработаны так, что приложенная сила скручивает виток в тугую спираль. Общие примеры пружин кручения использованы в клипбордах и заколках-бабочках. Кроме того, другая разновидность навитых пружин – это часовые пружины, которые навиты в плоскую спираль, а не цилиндр или конус. Один конец пружины находится в центре спирали, а другой на ее внешнем краю. Некоторые пружины созданы без витков. Самый общий пример – это листовая рессора, которая сформирована как мелкая арка, она обычно используется для автомобильных систем подвески. Другой тип – это тарельчатая пружина, устройство типа шайбы, которое сделано в виде срезанного конуса. Незамкнутые цилиндры из прочного, эластичного материала также могут действовать как пружины. История Простые, не винтовые пружины использовались всюду в истории. Даже эластичная ветвь дерева может быть использована в качестве пружины. Наиболее усовершенствованные пружинные механизмы датированы бронзовым веком, когда пинцеты для бровей были распространены в нескольких культурах. Во время третьего века до н.э. греческий инженер Стесибиус Александрийский разрабатывал метод изготовления «эластичной бронзы», с помощью увеличения пропорции олова в медном сплаве, расчета детали и упрочнения ее ударами молотка. Он пытался использовать сочетание пластинчатых пружин, чтобы управлять военными катапультами, но они не были достаточно мощны. В течении второго столетия до н.э. Фило из Византии, другой строитель катапульт, создал похожее устройство, предположительно с некоторым успехом. Висячие замки широко использовались в древней Римской империи и, по крайней мере, одна из моделей использовала согнутые металлические пластинки, чтобы сохранить устройство закрытым до тех пор, пока пластины не были разжаты с помощью ключей. Следующее существенное развитие в истории пружин произошло в средние века. Отрезной станок, разработанный Вилардом де Хонекуртом около 1250г, использовал рабочее колесо гидротурбины для толкания ленточной пилы в одном направлении, и одновременно сгибания стойки, когда стойка возвращалась в распрямленное состояние, она толкала ленточную пилу противоположное состояние. Винтовые пружины были разработаны в начале пятнадцатого века. Заменяя систему весов, которую обычно включали измерительные приборы, механизмом с намотанной пружиной, часовщики были в состоянии создать надежные, портативные хронометражные устройства. Этот процесс сделал возможной точную астронавигацию для океанских судов. В 18 веке Индустриальная революция стимулировала развитие массового производства для того, чтобы делать пружины. В течение 1780-х годов Британский слесарь Джосеф Брамах использовал пружинно- навивочную машину в своей фабрике. По-видимому, переделка токарного станка заключалась в том, что на станок поставили бабину с проволокой на место резцовой головки. Проволока из бабины наматывалась вокруг стержня, закрепленного на токарном станке. Скорость ведущего винта, который передавал вращение соответственно на вращающийся стержень, могла быть отрегулирована для изменения шага – витков пружины. Общие примеры современного использования пружин распространяются от крошечных колец основания кнопок в сенсорных панелях сотовых телефонов до огромных катушек, которые поддерживают цельность зданий и защищают их от вибрации во время землятресения. Сырье Стальные сплавы – это, как правило, наиболее используемые пружинные материалы. Наиболее популярные сплавы, включающие в себя высокоуглеродистые (такие как музыкальная проволока, используемая для гитарных струн), закаливаемые в масле низкоуглеродистые, хром-кремний, хром-ванадий и коррозионностойкие стали. Другие металлы, которые иногда используются для изготовления пружин - это сплав меди и бериллия, фосфористая бронза и титан. Каучук или уретан могут быть использован для цилиндрических не винтовых пружин. Керамические материалы были разработаны для винтовых пружин, работающих в очень высокотемпературных окружающих средах. Однонаправленный стекловолокнистый материал композиционный материал проверяется на возможное использование в пружинах. Проектирование Различные математические уравнения были разработаны, чтобы описать свойства пружин, они основаны на таких факторах как состав и размеры прутка, диаметр витка пружины, количества витков и величины ожидаемой внешней силы. Эти уравнения были включены в программное обеспечение для упрощения процесса проектирования. Процесс производства Следующее описание сосредоточено на производстве стальных навитых пружин. Навивка Холодная навивка. Пруток диаметром от 0,75 до 18 мм может быть навит при комнатной температуре с использованием одного из двух методов. Один состоит из навивки прутка вокруг оси, названной оправкой или сердечником. Это может быть сделано на специализированном пружинно-навивочном станке, токарном станке, с помощью электрической ручной дрели, с оправкой закрепленной в зажимном патроне или на навивочном станке, который управляет ручной поворот. Направляющий механизм типа ведущего винта на токарном станке должен быть использован для направления проволоки в желаемое состояние (расстояние между следующим один за другим витками), когда они оборачиваются вокруг оправки. Альтернативно проволока может быть навита без оправки. Это, как правило, делается на станке с ЧПУ. Проволока, подается вперед через направляющий блок к гофрированной головке, которая загибает проволоку в необходимое состояние. Головка и направляющий блок могут быть перемещены относительно друг друга в пяти направлениях для контроля диаметра и шага получаемой пружины. Для пружин растяжения и кручения концы отгибаются в необходимые петли, крюки, или прямые секции после того как навивочная операция завершена. Горячая навивка. Толстая проволока или прутковая заготовка могут быть навиты в пружины, если металл нагрет для того, чтобы сделать его гибким. Стандартные промышленные навивочные станки могут справляться со стальными прутками диаметром до 75 мм, а пружины на заказ были сделаны из прутков толщиной 150 мм. Сталь навивается на оправку пока она раскалена до красна, потом она неедленно снимается с навивочной машины и погружается в масло для быстрого охлаждения и закаливания ее. На этой стадии, сталь слишком хрупка, чтобы функционировать как пружина и она должна быть впоследствии отпущена. Упрочнение Температурная обработка. Была ли сталь намотана горячая или холодная, процесс создал напряжение в материале. Чтобы уменьшить это напряжение и сделать возможным стали сохранять ее параметры упругости, пружина должна быть отпущена при термической обработке. Пружина нагревается в печи, выдерживается при соответствующей температуре в течении определенного времени, а затем дается возможность медленно охладиться. Например, пружина изготовленная из музыкальной проволоки нагревается при температуре = 500 F в течении одного часа. Отделочная обработка Шлифование. Если проект требует плоские концы у пружин, то торцы шлифуются на этой стадии производственного процесса. Пружина устанавливается в приспособлении, чтобы гарантировать правильную ориентацию в течении шлифования, поджимается о вращающийся абразивный круг, пока желаемая степень плоскостности не будет получена. Когда используется высокоавтоматизированное оборудование, пружина держится во втулке, пока оба конца шлифуются одновременно, сначала грубыми кругами, а потом мелкозернистыми кругами. Соответствующая жидкость (вода или вещество на основе масла) может быть использована для охлаждения пружины, смазывания шлифовального круга и для того чтобы уносить частицы во время шлифования. Дробеструйная обработка. Этот процесс упрочняет сталь, чтобы сопротивляться металлической усталости и поломке пружины в течении срока службы от повторяющихся изгибаний. Вся поверхность пружины подвергается действию крохотных стальных шариков, которые куют, сглаживают и сжимают сталь ниже поверхности. Стабилизация. Чтобы зафиксировать постоянно желаемую длину и шаг пружины, ее полностью сжимают так, чтобы все витки коснулись друг друга. Некоторые производители повторяют этот процесс несколько раз. Покрытия. Чтобы предотвратить коррозию всю поверхность пружины защищают покраской, погружением в жидкую резину или нанесением гальванического покрытия других металлов например цинка или хрома. Один процесс, названный механической металлизацией включает в себя обработку пружины в поворотном барабане с металлической пудрой, водой, химическими катализаторами и крошечными стальными шариками, которые трамбуют металлический порошок на поверхность пружины. Альтернативно, в гальванопокрытии пружина погружена в электрически проводящую жидкость, которая разъедает наносимый металл, но не пружину. К пружине прикладывается отрицательный заряд. Также в жидкость погружается металл, обеспечивающий гальваническое покрытие, на него подается положительный заряд. Т.к. металл для гальванического покрытия распадается в жидкости, то высвобождаются положительно заряженные молекулы, которые привлекаются к отрицательно заряженной пружине, где они химически сцепляются. Гальванопокрытие делает пружины из углеродистой стали хрупкими, таким образом после покрытия (меньше чем через 4 часа) они должны быть отожжены при температуре 325-375º F в течении 4 часов, чтобы противостоять хрупкости. Упаковывание Желаемое количество пружин просто могут быть упакованы оптом в коробки или пластиковые (полиэтиленовые) пакеты. Однако, другие формы упаковывания могут быть разработаны для минимизирования повреждений или спутывания пружин. Например, они могут быть индивидуально сложены в мешок, натянуты на проволоки или стержни, закрыты в футлярах или приклеены к липкой бумаге. Контроль качества Различные испытательные устройства используются, чтобы проверить законченные пружины для соответствия спецификациям. Испытательные устройства измеряют такие свойства как твердость металла и величину деформации пружины после известной нагрузки. От пружин, которые не удовлетворяют спецификации, отказываются. Статистические анализы результатов тестов могут помочь производителям идентифицировать проблемы производства и улучшить процессы, таким образом, производя меньше дефектных пружин. Приблизительно одна треть дефектных пружин это результат проблем производства. Другие две третьих вызваны недостатками в проволоке, используемой для формирования пружин. В 1998 г. Исследователи сообщили о разработке теста проволоки, который мог показать на экране неадекватную проволоку еще до производства пружин. Управляемые компьютером пружинно-навивочные станки улучшают качество двумя способами. Первый, они контролируют диаметр и шаг пружины более точно, чем могут ручные операции. Второй, с помощью пьезоэлектрических материалов, чей размер изменяется электрическим входом, навивочные головки с ЧПУ могут точнее приспосабливаться в реальном времени к размерным характеристикам пружин. В результате эти интеллектуальные машины изготавливают меньше пружин, которые должны быть отклонены из-за несоответствия спецификации. Будущее Требования быстрорастущих отраслей компьютерной и сотовой промышленностей толкают производителей пружин развивать надежные, рентабельные методы производства очень маленьких пружин. Пружинаподдержка, которая включает сенсорную клавиатуру и обычную клавиатуру важны, но также есть менее очевидные применения. Например, производитель испытательного оборудования, используемого в производстве полупроводника, разработал технологию микропружинного контакта. Тысячи крошечных пружин, только 0,040 дюйма высотой, привязаны к индивидуальным точкам контакта в полупроводниковой пластине. Когда эта пластина нажата тестовым инструментом, устанавливаются очень надежные подключения к электросети. Медицинские устройства также используют очень маленькие пружины. Навитая пружина была разработана для использования в конце вставки катетера или эндоскопа. Сделана из проволоки 0,03мм в диаметре, пружина толщиной как человеческий волос 0,092 мм. Японская компания разработавшая эту пружину пытается сделать ее еще меньше. Окончательная миниатюризация пока была достигнута в 1997г. австрийским химиком Бернардом Краутлером. Он создал молекулярную пружину, натягивая 12 атомов углерода вместе и прилагая молекулу витамина В12 к каждому концу цепи посредством атома кобальта. В расслабленном состоянии цепь имеет зигзагообразную форму, однако, когда она смочена водой, ее нити сильно приближены. Добавление циклодекстрина заставляет цепь возвращаться в свободное состояние. Никакое практическое применение этой пружине все же не было найдено, но исследования продолжаются. MANUFACTURE SPRINGS A spring is a device that changes its shape in response to an external force, returning to its original shape when the force is removed. The energy expended in deforming the spring is stored in it and can be recovered when the spring returns to its original shape. Generally, the amount of the shape change is directly related to the amount of force exerted. If too large a force is applied, however, the spring will permanently deform and never return to its original shape. Background There are several types of springs. One of the most common consists of wire wound into a cylindrical or conical shape. An extension spring is a coiled spring whose coils normally touch each other; as a force is applied to stretch the spring, the coils separate. In contrast, a compression spring is a coiled spring with space between successive coils; when a force is applied to shorten the spring, the coils are pushed closer together. A third type of coiled spring, called a torsion spring, is designed so the applied force twists the coil into a tighter spiral. Common examples of torsion springs are found in clipboards and butterfly hair clips. Still another variation of coiled springs is the watch spring, which is coiled into a flat spiral rather than a cylinder or cone. One end of the spring is at the center of the spiral, and the other is at its outer edge. Some springs are fashioned without coils. The most common example is the leaf spring, which is shaped like a shallow arch; it is commonly used for automobile suspension systems. Another type is a disc spring, a washer-like device that is shaped like a truncated cone. Open-core cylinders of solid, elastic material can also act as springs. Non-coil springs generally function as compression springs. History Very simple, non-coil springs have been used throughout history. Even a resilient tree branch can be used as a spring. More sophisticated spring devices date to the Bronze Age, when eyebrow tweezers were common in several cultures. During the third century B.C., Greek engineer Ctesibius of Alexandria developed a process for making "springy bronze" by increasing the proportion of tin in the copper alloy, casting the part, and hardening it with hammer blows. He attempted to use a combination of leaf springs to operate a military catapult, but they were not powerful enough. During the second century B.C., Philo of Byzantium, another catapult engineer, built a similar device, apparently with some success. Padlocks were widely used in the ancient Roman empire, and at least one type used bowed metal leaves to keep the devices closed until the leaves were compressed with keys. The next significant development in the history of springs came in the Middle Ages. A power saw devised by Villard de Honnecourt about 1250 used a water wheel to push the saw blade in one direction, simultaneously bending a pole; as the pole returned to its unbent state, it pulled the saw blade in the opposite direction. Coiled springs were developed in the early fifteenth century. By replacing the system of weights that commonly powered clocks with a wound spring mechanism, clockmakers A diagram depicting spring coiling done by a CNC machine. were able to fashion reliable, portable timekeeping devices. This advance made precise celestial navigation possible for ocean-going ships. In the eighteenth century, the Industrial Revolution spurred the development of mass-production techniques for making springs. During the 1780s, British locksmith Joseph Bramah used a spring winding machine in his factory. Apparently an adaptation of a lathe, the machine carried a reel of wire in place of a cutting head. Wire from the reel was wrapped around a rod secured in the lathe. The speed of the lead screw, which carried the reel parallel to the spinning rod, could be adjusted to vary the spacing of the spring's coils. Common examples of current spring usage range from tiny coils that support keys on cellular phone touchpads to enormous coils that support entire buildings and protect them from earthquake vibration. Raw Materials Steel alloys are the most commonly used spring materials. The most popular alloys include high-carbon (such as the music wire used for guitar strings), oil-tempered low-carbon, chrome silicon, chrome vanadium, and stainless steel. Other metals that are sometimes used to make springs are beryllium copper alloy, phosphor bronze, and titanium. Rubber or urethane may be used for cylindrical, non-coil springs. Ceramic material has been developed for coiled springs in very high-temperature environments. One-directional glass fiber composite materials are being tested for possible use in springs. Design Various mathematical equations have been developed to describe the properties of springs, based on such factors as wire composition and size, spring coil diameter, the number of coils, and the amount of expected external force. These equations have been incorporated into computer software to simplify the design process. The Manufacturing Process The following description focuses on the manufacture of steel-alloy, coiled springs. Coiling 1 Cold winding. Wire up to 0.75 in (18 mm) in diameter can be coiled at room temperature using one of two basic techniques. One consists of winding the wire around a shaft called an arbor or mandrel. This may be done on a dedicated spring-winding machine, a lathe, an electric hand drill with the mandrel secured in the chuck, or a winding machine operated by hand cranking. A guiding mechanism, such as the lead screw on a lathe, must be used to align the wire into the desired pitch (distance between successive coils) as it wraps around the mandrel. Alternatively, the wire may be coiled without a mandrel. This is generally done with a central navigation computer (CNC) machine. Examples of different types of springs. The wire is pushed forward over a support block toward a grooved head that deflects the wire, forcing it to bend. The head and support block can be moved relative to each other in as many as five directions to control the diameter and pitch of the spring that is being formed. For extension or torsion springs, the ends are bent into the desired loops, hooks, or straight sections after the coiling operation is completed. 2 Hot winding. Thicker wire or bar stock can be coiled into springs if the metal is heated to make it flexible. Standard industrial coiling machines can handle steel bar up to 3 in (75 mm) in diameter, and custom springs have reportedly been made from bars as much as 6 in (150 mm) thick. The steel is coiled around a mandrel while red hot. Then it is immediately removed from the coiling machine and plunged into oil to cool it quickly and harden it. At this stage, the steel is too brittle to function as a spring, and it must subsequently be tempered. Hardening 3 Heat treating. Whether the steel has been coiled hot or cold, the process has created stress within the material. To relieve this stress and allow the steel to maintain its characteristic resilience, the spring must be tempered by heat treating it. The spring is heated in an oven, held at the appropriate temperature for a predetermined time, and then allowed to cool slowly. For example, a spring made of music wire is heated to 500°F (260°C) for one hour. Finishing 4 Grinding. If the design calls for flat ends on the spring, the ends are ground at this stage of the manufacturing process. The spring is mounted in a jig to ensure the correct orientation during grinding, and it is held against a rotating abrasive wheel until the desired degree of flatness is obtained. When highly automated equipment is used, the spring is held in a sleeve while both ends are ground simultaneously, first by coarse wheels and then by finer wheels. An appropriate fluid (water or an oil-based substance) may be used to cool the spring, lubricate the grinding wheel, and carry away particles during the grinding. 5 Shot peening. This process strengthens the steel to resist metal fatigue and cracking during its lifetime of repeated flexings. The entire surface of the spring is exposed to a barrage of tiny steel balls that hammer it smooth and compress the steel that lies just below the surface. 6 Setting. To permanently fix the desired length and pitch of the spring, it is fully compressed so that all the coils touch each other. Some manufacturers repeat this process several times. 7 Coating. To prevent corrosion, the entire surface of the spring is protected by painting it, dipping it in liquid rubber, or plating it with another metal such as zinc or chromium. One process, called mechanical plating, involves tumbling the spring in a container with metallic powder, water, accelerant chemicals, and tiny glass beads that pound the metallic powder onto the spring surface. Alternatively, in electroplating, the spring is immersed in an electrically conductive liquid that will corrode the plating metal but not the spring. A negative electrical charge is applied to the spring. Also immersed in the liquid is a supply of the plating metal, and it is given a positive electrical charge. As the plating metal dissolves in the liquid, it releases positively charged molecules that are attracted to the negatively charged spring, where they bond chemically. Electroplating makes carbon steel springs brittle, so shortly after plating (less than four hours) they must be baked at 325-375°F (160-190°C) for four hours to counteract the embrittlement. 8 Packaging. Desired quantities of springs may simply be bulk packaged in boxes or plastic bags. However, other forms of packaging have been developed to minimize damage or tangling of springs. For example, they may be individually bagged, strung onto wires or rods, enclosed in tubes, or affixed to sticky paper. Quality Control Various testing devices are used to check completed springs for compliance with specifications. The testing devices measure such properties as the hardness of the metal and the amount of the spring's deformation under a known force. Springs that do not meet the specifications are discarded. Statistical analysis of the test results can help manufacturers identify production problems and improve processes so fewer defective springs are produced. Approximately one-third of defective springs result from production problems. The other two-thirds are caused by deficiencies in the wire used to form the springs. In 1998, researchers reported the development of a wire coilability test (called FRACMAT) that could screen out inadequate wire prior to manufacturing springs. Computer-operated coiling machines improve quality in two ways. First, they control the diameter and pitch of the spring more precisely than manual operations can. Second, through the use of piezoelectric materials, whose size varies with electrical input, CNC coiling heads can precisely adjust in real time to measurements of spring characteristics. As a result, these intelligent machines produce fewer springs that must be rejected for not meeting specifications. The Future Demands of the rapidly growing computer and cellular phone industries are pushing spring manufacturers to develop reliable, cost-effective techniques for making very small springs. Springs that support keys on touchpads and keyboards are important, but there are less apparent applications as well. For instance, a manufacturer of test equipment used in semiconductor production has developed a microspring contact technology. Thousands of tiny springs, only 40 mils (0.040 in or 1 mm) high, are bonded to individual contact points of a semiconductor wafer. When this wafer is pressed against a test instrument, the springs compress, establishing highly reliable electrical connections. Medical devices also use very small springs. A coiled spring has been developed for use in the insertion end of a catheter or an endoscope. Made of wire 0.0012 in (30 micrometers or 0.030 mm) in diameter, the spring is 0.0036 in (0.092 mm) thick—about the same as a human hair. The Japanese company that developed this spring is attempting to make it even smaller. The ultimate miniaturization accomplished so far was accomplished in 1997 by an Austrian chemist named Bernard Krautler. He built a molecular spring by stringing 12 carbon atoms together and attaching a vitamin B12 molecule to each end of the chain by means of a cobalt atom. In the relaxed state the chain has a zigzag shape; when it is wetted with water, however, it kinks tightly together. Adding cyclodextrin causes the chain to return to its relaxed state. No practical application of this spring has yet been found, but research continues.
