ПРУЖИНА ПОД КОПИРКУ

В настоящее время в магазинах можно без проблем приобрести практически любые необходимые в домашнем хозяйстве изделия. В то же время внимание и творческие усилия самодеятельных конструкторов всё больше направляются на технически сложные объекты: тракторы, вездеходы, легковые автомобили и даже самолёты. Меняется и подход самодельщиков к реализации задуманных проектов; их не пугает необходимость самостоятельного изготовления сложных и точных деталей, к которым к тому же могут предъявляться жёсткие требования по прочности. Одним из таких типичных элементов, присутствующих практически во всех энергоёмких конструкциях, являются винтовые цилиндрические пружины растяжения или сжатия. В связи с этим многим нашим читателям будет интересно и, надеемся, полезно ознакомиться с методикой, разработанной украинским инженером В.В.Виниченко, которая поможет изготовлению ответственных пружин с необходимым качеством и точностью.

Предлагаемый способ навивки винтовых цилиндрических пружин реализуется на токарно-винторезном станке при помощи специального приспособления, состоящего из оправки и копира. В патроне станка крепится оправка с зацепом в виде отверстия в торце фланца для фиксирования начала пружинной проволоки. В резцедержатель устанавливается державка с копиром. Копир — это вал с нарезанной винтовой канавкой переменного шага, который свободно вращается в двух подшипниках. Канавки в начале и в конце копира обеспечивают навивку поджатых витков пружины, а центральная часть — навивку рабочих витков с необходимыми шагом и диаметром.

Державка копира представляет собой конструкцию, сваренную из 40-мм стальной пластины, усиленную ребром из 10-мм полосы, и двух корпусов подшипников. Правый корпус приварен к пластине, а левый крепится болтами М12 (для обеспечения возможности замены копира). Конкретные чертежи на державку не представлены, поскольку они диктуются типом токарно-винторезного станка и размерами навиваемой пружины. Изготовление пружины производится в следующей последовательности. Сначала заготовка — мерный отрезок проволоки отогнутым под 90° концом длиной 4 —- 5 d пропускается снизу под копиром и устанавливается в отверстие-зацеп оправки. Затем копир поворачивается вручную до совпадения начала канавки с положением проволоки. Её натяг и постоянный контакт с винтовой канавкой копира обеспечиваются значительным сопротивлением изгибу пружинной стали заготовки. Процесс формирования пружины начинается включением шпинделя станка на минимальных оборотах. Проволока навивается на оправку, а шаг задаётся винтовой канавкой вращающегося в подшипниках копира.

Схема навивки цилиндрических винтовых пружин с помощью копира:

1 —оправка; 2—съёмный корпус подшипника; 3—проволока; 4—ребро усиления; 5—пластина; 6—резццержатель токарно-винторезного станка; 7—приваренный корпус подшипника; 8 — копир; 9—трёхкулачковый патрон

Ниже приводится методика расчёта параметров оправки и копира, обеспечивающих необходимые размеры пружины.

Принятые обозначения при проведении расчётов.

Исходные данные (размеры пружины):

n — число рабочих витков;

n₁ — полное число витков;

t — шаг рабочей части;

D_o — внутренний диаметр;

D_ср. — средний диаметр.

Параметры копира:

l — длина рабочей части;

D_коп. — внутренний диаметр канавки;

D_нл. — диаметр нейтральной линии витков, навиваемых на оправку;

k = D_нл./D_коп. — поправочный коэффициент;

Т — шаг винтовой линии рабочей части;

Т_n — шаг винтовой линии заходной и выходной частей.

Оправка:

d_опр. — диаметр.

Промежуточные расчётные величины:

L — длина одного витка пружины без учёта шага;

D_ср.опр. — средний диаметр витков пружины, навитых на оправку;

X — табличный коэффициент для определения нейтральной линии при изгибе;

β — коэффициент, учитывающий пружинные свойства проволоки;

n_опр. — число рабочих витков пружины, навиваемых на оправку с учётом упругости проволоки;

L₁ —длина проволоки, проходящей по рабочей части копира;

L₂ — длина проволоки рабочих витков пружины, навитых на оправку;

L₃ — длина проволоки, навитой на оправку с учётом поджатых витков;

L₄ — длина проволоки пружины согласно чертежу.

Решающее значение при расчёте имеет величина, учитывающая упругость проволоки при изгибе. Она используется при определении диаметра оправки и количества витков попр. Для определения значения этой величины рекомендуется следующая последовательность. В первом приближении изготавливается оправка диаметром D_о. На токарновинторезном станке на оправку навивается 5 — 10 витков проволоки с шагом подачи, приблизительно равным шагу пружины. При этом в резцедержатель устанавливается специальный ролик с канавкой. После навивки определяется угол раскручивания всех витков пружины ą, вычисляется угол, приходящийся на один виток и в заключение — коэффициент В = ą₁/360°/, учитывающий упругость проволоки из заданного материала.

Параметры оправки и проволоки

Копир, обеспечивающий навивку пружин с рабочими витками в центре и поджатыми — в начале и в конце пружины:

1—центральная часть копира для навивки рабочих витков; 2 — концевая часть копира для навивки поджатых витков; 3 — штифт 08 (4 шт.); 4—винт М8 (4 шт.)

Ниже приведена методика на примере расчёта размеров копира и оправки для навивки пружины из стали 60С2А-В-1-ХН ГОСТ 14963-78 с параметрами: n = 9; n₁ = 11; t= 14 мм; D_о = 42 ± 0,9 мм; d = 8 мм; D_ср. =50 мм.

При заданных размерах пружины по вышеописанной методике экспериментально установлено увеличение дуги окружности одного витка на 30° после снятия с оправки диаметром 42 мм, что соответствует увеличению длины витка в 1,083 раза (β = 30° 360° = 0,083). Исходя из этого,

D_ср.опр. = (L — βL)/ π = L (1 — β)/π = 157×0,917/3,14 = 46 мм,

где L = π D_ср. = 3,14×50 = 157 мм;

d_опр. = D_ср.опр. — d = 46 — 8 = 38 мм

n_опр. = 1,083n + 0,25 = 1,083 + 0,25= ~10,

где 0,25 — добавочная часть витка с учётом допуска числа рабочих витков.

Диаметр нейтральной линии витка на оправке (рис. 2) вычисляется по формуле:

D_нл. = d_опр. + 2dX.

X — определяется по таблице [1] в зависимости от соотношения d_опр./2d (в нашем случае 38/ (2×8) = 2,375)

Методом интерполяции и вычисляем X = 0,458 и округляем до 0,46.

Тогда Dнл = 45,36 мм.

Dкоп в первом приближении принимается равным D_о = 42 мм.

Тогда коэффициент k = D_ил./D_коп. = 45,36/42= 1,08.

Длина рабочей части копира: = t·n = 14×9 = 126 мм.

Расчётный шаг рабочей части копира:

Т = l/(n_опр. k) = 126/(10×1,08) = 11,67 мм.

Полученный расчётный шаг рабочей части копира округляется до ближайшего шага подачи токарно-винторезного станка (Т = 12 мм), чтобы обеспечить возможность нарезки винтовой канавки. Для сохранения заданного шага пружины внутренний диаметр канавки копира пересчитывается из условия выбранного шага копира:

k = l/(Т n_опр.) = 126/(12×10) = 1,05.

Тогда D_коп. = D_нл./к = 45,36/1,05 = 43,2 мм.

Число витков заходной и выходной частей копира выбрано равным 1,5. Шаг канавки этих частей определяется по экспериментально установленной формуле:

Т = 0,875d = 0,875×8 = 7 мм, и принимается равным ближайшему шагу подачи на станке (7 мм).

Заходная и выходная части привариваются к оси копира или крепятся двумя штифтами диаметром 8 мм и двумя винтами М8. Сопряжение канавок заходной и выходной частей копира с канавкой рабочей части обрабатывается вручную соответствующим напильником, обеспечивая плавность перехода. Материал копира — сталь 45, термообработка — закалка до твёрдости HRC38…42.

Для проверки расчётов определяется длина проволоки:

L₁ = D_коп. π 1/Т = 43,2×3,14×126/12 = 1425 мм

и сравнивается с длиной проволоки:

L₂ = D_нл. π n_опр. = 45,36×3,14×10 = 1425 мм.

Также сравнивается длина проволоки:

L₃ = D_нл. π (n_опр. + 2×1,083) = 45,36×3,14(10+2×1,083) = 1733 мм с длиной проволоки:

L₄ = (D_о +2d X) π n = (42 + 2x8x0,46) хЗ,14×11 = 1705 мм.

При правильном расчёте погрешность λ не должна превышать 2,5%. В нашем случае:

λ = (L₃ — L₄) 100%/L₄ = (1733 — 1705)100/1705= 1,6%.

В. ВИНИЧЕНКО, г. Миргород