Jaké metody lze použít ke snížení nebo odstranění zbytkového napětí v pružinách z nerezové oceli během návrhu a výroby

Zbytkové napětí je běžným a kritickým problémem ve výrobním procesu nerezové pružiny . Pramení především z nerovnoměrného toku materiálu při plastické deformaci. Když je drát z nerezové oceli ohnut a navinut do tvaru pružiny, vnější materiál je natažen, zatímco vnitřní materiál je stlačen. Tato nerovnoměrná deformace vede k hromadění vnitřních napětí, která přetrvávají i po odstranění vnější síly.

Zbytkové napětí má přímý a významný negativní dopad na výkon pružin z nerezové oceli. Nejprve snižuje mez pružnosti pružiny, což způsobuje trvalou deformaci před dosažením konstrukčního zatížení. Za druhé, zbytkové napětí výrazně snižuje únavovou životnost, což způsobuje předčasné selhání pružiny po opakovaných zatěžovacích cyklech. Ještě vážnější je, že v určitých korozivních prostředích se zbytkové napětí může stát spouštěčem korozního praskání pod napětím (SCC), což vede k náhlému křehkému lomu. Proto je účinné snížení nebo odstranění zbytkového napětí zásadní pro zajištění vysoké spolehlivosti a dlouhé životnosti pružin z nerezové oceli.

Tepelné zpracování: Základní technologie pro eliminaci zbytkového napětí

Tepelné zpracování je nejběžnější a nejúčinnější metodou pro snížení nebo odstranění zbytkového napětí v pružinách z nerezové oceli. Základním principem je zahřát pružinu na určitou teplotu a udržet ji tam, což umožní atomům v materiálu získat dostatečnou energii k přeskupení, a tím uvolnit a přerozdělit napětí způsobené opracováním za studena.

1. Nízké temperování (zmírnění stresu):

Jedná se o nejběžnější metodu tepelného zpracování pro odlehčení stresu. U martenzitických nerezových ocelí (jako jsou 420 a 440°C) a austenitických nerezových ocelí (jako jsou 302 a 304) se to obvykle provádí při nižší teplotě.

Austenitické nerezové oceli (302, 304 a 316): Ideální teplota popouštění odlehčující napětí je typicky mezi 340°C a 450°C. V tomto teplotním rozsahu materiál neprochází fázovou transformací, ale tepelný pohyb atomů je dostatečný k uvolnění většiny vnitřních napětí. Vysoké teploty mohou způsobit srážení karbidů na hranicích zrn, což snižuje odolnost proti korozi, takže je nezbytná přísná kontrola teploty.

Martenzitické nerezové oceli (410, 420 a 431): Tyto pružiny jsou po kalení typicky temperovány a rozhodující je regulace teploty. Teploty popouštění proti namáhání jsou typicky mezi 250-400°C, což účinně snižuje zbytkové napětí při zachování požadované tvrdosti a pevnosti.

2. Léčba roztoků a stárnutí:

U precipitačně kalících nerezových ocelí (jako jsou 17-7 PH a 15-5 PH) závisí jejich konečná pevnost na zpracování stárnutím. Před tvarováním je drát typicky v roztoku, což má za následek dobrou tažnost. Po tváření stárnutí nejen umožňuje srážecí fázi zvýšit pevnost, ale také účinně eliminuje zbytkové napětí. Tento proces probíhá současně.

Mechanická úprava: Zlepšení vlastností povrchu a rozložení napětí

Kromě tepelného zpracování mohou určité mechanické metody také účinně zlepšit stav napětí pružin, zejména povrchové zbytkové napětí.

1. Shot Peening:

Shot peening zahrnuje použití vysokorychlostních trysek malých ocelových nebo keramických kuliček k dopadu na povrch pružiny, čímž se vytvoří vrstva tlakového napětí.

Princip: Tlakové napětí generované brokováním může kompenzovat zbytkové napětí v tahu na povrchu. Vzhledem k tomu, že únavové trhliny obvykle začínají z povrchu, může tato vrstva tlakového napětí účinně bránit šíření trhlin, což výrazně zlepšuje únavovou životnost pružiny.

Použití: Tryskání brokem je zvláště vhodné pro pružiny vystavené vysokému cyklickému zatížení nebo extrémním provozním podmínkám, jako jsou ventilové pružiny automobilového motoru a kritické pružiny v leteckém průmyslu.

2. Předpínání:

Předpínání, také známé jako „kompaktování“ nebo „nastavení“, je metoda pro aktivní eliminaci zbytkového napětí.

Princip: Po vyrobení pružiny na ni působí tlaková nebo torzní síla přesahující její konstrukční zatížení, což způsobuje mírnou trvalou plastickou deformaci. Tento proces přerozděluje napětí uvnitř pružiny a vytváří zbytkové napětí v opačném směru pracovního zatížení po odstranění zatížení.

Účinek: Toto obrácené zbytkové napětí může kompenzovat část pracovního napětí, snížit úroveň napětí při skutečném použití, a tím zlepšit nosnost pružiny a odolnost proti únavě.

Řízení procesů a výběr materiálu

Rozhodující je také řízení tvorby zbytkového napětí u zdroje.

Výběr správného drátu: Výběr vysoce kvalitního, jednotného drátu z nerezové oceli je nezbytný. Nesprávné procesy tažení za studena nebo válcování za studena mohou způsobit nadměrné vnitřní napětí.

Optimalizace procesu tváření: Úpravou parametrů navíjecího stroje, jako je rychlost navíjení a rychlost posuvu, lze dosáhnout rovnoměrnější deformace materiálu. Pokročilé CNC zařízení může přesněji řídit proces tváření, což snižuje nerovnoměrnou deformaci.

Přesné řízení procesu: Od vstupu drátu do továrny až po konečné tepelné zpracování je v každé fázi vyžadována přísná kontrola parametrů procesu. Například rovnoměrnost teploty pece pro tepelné zpracování, rychlost náběhu a náběhu a doba zdržení musí být přesně monitorovány.