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 все больше направляются на технически сложные объекты: тракторы, вездеходы, легковые автомобили и даже самолеты. 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 жесткие требования по прочности. Одним из таких типичных элементов, присутствующих практически во всех энергоемких конструкциях, являются винтовые цилиндрические пружины растяжения или сжатия. В связи с этим предлагаем методику, которая поможет изготовлению ответственных пружин с необходимым качеством и точностью.

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. Ее 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 задается винтовой канавкой вращающегося в подшипниках копира.

Схема навивки цилиндрических винтовых пружин с помощью копира (нажмите для увеличения): 1 -оправка; 2 - съемный корпус подшипника; 3 - проволока; 4 - ребро усиления; 5 - пластина; 6 - резццержатель токарно-винторезного станка; 7 - приваренный корпус подшипника; 8 - копир; 9 - трехкулачковый патрон

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

Принятые обозначения при проведении расчетов. 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 расчетные величины: L - длина одного витка пружины без учета 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 учетом 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 учетом поджатых витков; L₄- длина проволоки пружины согласно чертежу. Решающее значение при расчете 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

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 = 157x0,917/3,14 = 46 мм,

где L = π D_ср.= 3,14x50 = 157 мм;

d_опр.= D_ср.опр.- d = 46 - 8 = 38 мм

где 0,25 - добавочная часть витка с учетом допуска числа рабочих витков.

Диаметр нейтральной линии витка на оправке (рис. 2) вычисляется по формуле:D_нл.= d_опр.+ 2dX.X - определяется по табл.1 в зависимости от соотношения d_опр./2d (в нашем случае 38/ (2x8) = 2,375)Методом интерполяции и вычисляем X = 0,458 и округляем до 0,46.Тогда Dнл = 45,36 мм.

Таблица 1

(нажмите для увеличения)

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 = 14x9 = 126 мм.

Полученный расчетный 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/(12x10) = 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 = 0,875x8 = 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 твердости HRC38...42. Для проверки расчетов определяется длина проволоки:L₁= D_коп.π 1/Т = 43,2x3,14x126/12 = 1425 мми сравнивается с длиной проволоки:L₂= D_нл.π n_опр.= 45,36x3,14x10 = 1425 мм.Также сравнивается длина проволоки:L₃= D_нл.π (n_опр.+ 2x1,083) = 45,36x3,14(10+2x1,083) = 1733 мм с длиной проволоки:L₄= (D_о+2d X) π n = (42 + 2x8x0,46) хЗ,14x11 = 1705 мм.

При правильном расчете погрешность λ не должна превышать 2,5%. В нашем случае:λ = (L₃- L₄) 100%/L₄= (1733 - 1705)100/1705= 1,6%.

Автор: В.Виниченко