Обработка пружин и пружинных материалов

В приборостроительной, радиотехнической, машиностроительной промышленности, где широко используются упругие элементы, электрохимическое полирование применяют для обработки плоских, спиральных, винтовых пружин. С его помощью улучшаются упругие характеристики, повышается долговечность и надежность пружин. Выше было показано, что сочетание в одном технологическом цикле термической и электрохимической обработки дает в этом отношении наибольший эффект. В результате термоэлектрохимической обработки плоских пружин из нейзильбера толщиной 0,3 мм срок их службы в изделии до значительного понижения контактного давления увеличился на 40—50%. Пружины из бериллиевой бронзы для коммутации сигналов нановольтового диапазона (менее 10—8 В), подвергнутые такой же обработке, в течение всего срока службы не требовали подрегулировки, в то время как пружины, не прошедшие электрохимического полирования, регулировались через каждые несколько часов. Т. э. д. с. по отношению к меди пружин, прошедших термоэлектрическую обработку, была на порядок ниже, чем при использовании неполированных пружин.

Улучшение упругих характеристик пружин достигается как обработкой уже готовых изделий, так и полированием ленты или проволоки, из которых они изготавливаются. Выбор того или иного варианта определяется с учетом массовости производства и требований, предъявляемых к изделиям.

При обработке вырубленных или навитых пружин электрохимическое полирование является заключительной операцией. Оно приводит к уменьшению краевого наклепа, возникшего после вырубки, улучшению декоративного вида поверхности и повышению стойкости против коррозии. Но в таком варианте обработки процесс трудно поддается автоматизации. Монтаж и демонтаж пружин на подвесных приспособлениях, перенос из одной ванны в другую связаны с затратами ручного труда. Термообработка в этом случае часто проводится на другом производственном участке, что вызывает затрату времени на транспортировку деталей.

Электрохимическое полирование проволоки или ленты позволяет осуществлять их непрерывную обработку, трудоемкость которой значительно меньше, чем обработка отдельных деталей. Автоматические или полуавтоматические линии для такой обработки включают не только ванны полирования, но и ванны обезжиривания, промывки, пассивирования, сушильные камеры. Полирование ленты улучшает последующую вырубку из нее пружин — меньше образуется грат на кромках, повышается стойкость штампов. Неблагоприятная роль краевого наклепа, возникающего при вырубке пружин, сказывается сколько-нибудь заметно в тех случаях, когда пружины имеют большую толщину, а поверхность, за исключением кромок, по которым происходила вырубка, мала.

Электрохимическое полирование целесообразно использовать для всех пружинных материалов — углеродистых и легированных сталей, латуни, бронзы, нейзильбера. Большое количество пружин применяют с электролитическими покрытиями, чтобы повысить их стойкость против коррозии. Как было показано выше, предварительное электрохимическое полирование основного материала уменьшает неблагоприятное влияние, которое оказывают покрытия на упругие характеристики пружин. При использовании пружин без покрытий после анодного полирования их следует подвергать пассивированию в соответствующих растворах.

В условиях производства для электрохимического полирования пружин из холоднокатаной стальной проволоки марки 50ХФА диаметром 1,3—1,5 мм и проволоки марки 4X13 диаметром 2,5— 3,7 мм применялся фосфорносернохромовокислый электролит при температуре 80—90° С и плотности тока 40—50 А/дм².

Пружины предварительно подвергали термообработке и травлению. Часть пружин полировали в два этапа. После первой 2—3-минутной обработки проводили заточку торцов и затем вторично полировали в течение 5—10 мин до получения требуемой грузовой характеристики.

Первые работы по непрерывному электрохимическому полированию стальной пружинной ленты в отечественной промышленности были проведены в начале 50-х гг, для нужд часового производства, но практического применения не получили. Применявшийся фосфорносернохромовокислый электролит требовал частого корректирования и периодической полной смены, что увеличивало стоимость обработки. В результате анодного растворения не только не уменьшалась, но иногда и возрастала разнотолщинность ленты по длине рулона, выявлялись такие дефекты поверхности, как риски, царапины, раковины.

В настоящее время эти недостатки могут быть в значительной мере устранены. Новые полировочные электролиты более стабильны в работе, чем обычные фосфорносернохромовокислые. Предложенные методы регенерации электролитов для полирования стали при соответствующем аппаратурном оформлении могут быть включены в непрерывный производственный цикл. При полировании медных сплавов регенерация не потребуется, так как переходящая в раствор медь в основном осаждается на катоде или выпадает на дно ванны. Используя автоматическое регулирование плотности тока или скорости протягивания ленты, можно регулировать съем металла.

Термоэлектрохимический способ улучшения упругих характеристик пружин, о котором говорилось выше, предусматривает сочетание в одном цикле термообработки с анодной электрохимической обработкой, сопровождающейся обогащением поверхностного слоя металла кислородом. Одним из видов такой обработки является электрохимическое полирование, если оно проводится в условиях, обеспечивающих достижение указанного эффекта. Результаты исследований и опыт производственного применения нового способа говорят о том, что с его помощью можно достигнуть существенного улучшения характеристик пружин и снижения трудоемкости производства. Учитывая массовый характер пружинного производства, технологичнее и экономичнее проводить термоэлектрохимическую обработку не отдельных деталей, а ленты или проволоки, непрерывно протягивая их через систему ванн.

Технологический процесс непрерывной обработки пружинных материалов состоит из операций термообработки, электрообезжиривания, электрохимического полирования, пассивирования, сушки. После каждой операции химической и электрохимической обработок проводится промывка в воде. Для термообработки используется трубчатая печь. Скоростную термообработку ведут в течение 15—60 с при следующей температуре: нейзильбер МНЦ15-20 — 475° С; БрОФ6,5-0,15 и БрА7 — 350° С; БрКМцЗ-1 — 400° С. Такая термообработка улучшает свойства сплавов так же, как и обычно принятый отжиг в течение нескольких часов при более низкой температуре, а для пружин, работающих в условиях циклических нагрузок, дает более положительный результат [81].

Для электрохимического полирования ленты из нейзильбера МНЦ15-20 толщиной 0,4 мм на производственной установке непрерывного действия нами первоначально был применен электролит, содержавший 1100 г/л H₃PO₄ и 150 г/л CrO₃ при плотности тока 50 А/дм². В этих условиях достигалось хорошее качество обработки поверхности ленты. Но электролит быстро выходил из строя вследствие катодного восстановления ионов шестивалентного хрома. Применение пористых керамических диафрагм для изоляции катодного производства ограничило этот нежелательный процесс, но одновременно привело к повышению напряжения на ванне. Непрерывный производственный цикл работы ванны затруднял корректирование раствора и приводил к необходимости его частой смены.

Эти недостатки были устранены в результате замены фосфорнохромовокислого электролита предложенным нами фосфорнокислым электролитом с добавкой органических соединений. Новый электролит обеспечил получение хорошего качества поверхности металла, был стабилен при длительной эксплуатации, не требовал частого корректирования. Исключалась также надобность в применении диафрагм. Корректирование электролита добавкой органических соединений проводилось 2—3 раза в месяц при двухсменной работе. Растворяющаяся медь осаждалась на катодах и частично выпадала на дно ванны. Очищенный от осадка электролит был пригоден для дальнейшей эксплуатации.

Пассивирование ленты после электрохимического полирования проводилось в течение 0,5—1 мин при комнатной температуре в растворах следующего состава: для нейзильбера и бериллиевой бронзы — 65 г/л K2Cr2O7, 1,7 г/л H₂SO₄; для оловянофосфористой бронзы — 120 г/л K2Cr2O7, 2,5 г/л H₂SO₄.

Опыт промышленной эксплуатации установки непрерывной термоэлектрохимической обработки пружинной ленты показал, что этот процесс не только улучшает упругие характеристики пружин, но и весьма благоприятно влияет на весь технологический процесс их изготовления. Ранее вследствие коррозионных и механических повреждений поверхности на заводе-изготовителе при транспортировке и хранении часть ленты браковалась. Электрохимическое полирование улучшило состояние поверхности и тем самым сократило потери металла. Улучшилось качество приварки к пружинам серебряных контактов. Значительно повысилась стойкость пружин против коррозии в жестких климатических условиях.

Одним из дальнейших этапов усовершенствования технологии изготовления пружин является термоэлектрохимическая обработка ленты, в которой предварительно проведена вырубка основного контура пружин, так что они удерживаются в ленте лишь в двух-трех точках. В этом случае полностью устраняется влияние краевого наклепа, улучшается состояние всей рабочей поверхности, включая кромки пружин. Очевидно, что такая обработка окажет еще более положительное влияние на их эксплуатационные характеристики.

Линия непрерывной термоэлектрохимической обработки пружинной ленты или проволоки при необходимости может быть продолжена с включением в нее операций нанесения металлических покрытий.

Большой интерес может представить сочетание термоэлектрохимической обработки ленты с ее калиброванием. Тонкий ленточный и листовой прокат выпускается со значительными колебаниями по толщине.

Разнотолщинность ленты в условиях массового производства пружин является одной из причин снижения и нестабильности их упругих характеристик. Сужение допуска на толщину материала требует дополнительных операций и применения специального металлургического оборудования.

Регулируя скорость растворения металла, можно существенно уменьшить исходную разнотолщинность материала. Для этого на входе и выходе ленты из ванны анодной обработки в линию должны быть включены датчики непрерывного контроля толщины металла с обратной связью, обеспечивающей регулирование плотности тока или скорости протягивания ленты.

При высокой точности датчика и надежности схемы реальным становится сочетание электрохимического полирования и калибрования металла.

Приведенные материалы о применении электрохимического полирования в производстве пружин являются примером того, как этот процесс может оказать благоприятное влияние одновременно на различные свойства деталей и существенно изменить всю технологию их изготовления.