Способ изготовления манометрических трубчатых пружин

 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к изготовлению упругих чувствительных элементов, являющихся первичными преобразователями для измерения давления текучих сред от единиц до десятков МПа. При изготовлении манометрических пружин трубу перед деформированием заполняют мелкозернистым наполнителем, например питьевой содой. Осуществляют прокатку трубы с наполнителем до начала разогрева. Гибку пружины осуществляют обкатом вокруг ролика. Наполнитель удаляют химическим способом, например кипячением пружины в растворе уксусной кислоты. Гибку деформированной трубы вокруг ролика могут осуществлять медленным или быстрым обкатом с приложением усилия к ее внешней стороне. Технический результат - возможность изготовления манометрических трубчатых пружин для измерения давлений от одного до нескольких десятков МПа с эффективным соотношением прочности, чувствительности и габаритов. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Относится к области приборостроения, в частности к изготовлению упругих чувствительных элементов, являющихся первичными преобразователями в измерителях давления текучих сред, а именно: к технологии изготовления трубчатых манометрических пружин, используемых для измерения давления от единиц до десятков МПа.

Трубчатая манометрическая пружина представляет собой изогнутую по дуге окружности полую трубу, под действием внутреннего давления или совершающую свободный ход λ или развивающую тяговое усилие Q_т при отсутствии хода. Наибольшее распространение получили одновитковые пружины; когда же требуется получить больший ход, используются многовитковые пружины (см. фиг. 1).

Известен способ изготовления трубчатых манометрических пружин, так называемых пружин Нагаткина (поперечное сечение которых изображено на фиг. 2), который в качестве заготовки использует прутковый материал. Для получения трубы осуществляется сверление прутка вдоль его оси, нанесение лыски на поверхность трубы вдоль ее длины и в гибке полученной трубы (1).

Нашел применение и способ изготовления пружины, несколько отличный от указанного, а именно: вместо сверления прутка вдоль оси и последующего нанесения лыски осуществляется только одна операция - сверление прутка, но в направлении, параллельном и смещенном относительно оси.

Однако такой способ изготовления приемлем, если внутренний диаметр трубы в несколько раз меньше наружного диаметра, а длина трубы невелика. Изготовленная из такой трубы манометрическая трубчатая пружина для измерения давления ~ от одного до нескольких десятков мегапаскалей будет обладать очень большой жесткостью и работа ее будет малоэффективной: отношение перемещения к вызвавшему его давлению (чувствительность) невелико, а запас прочности слишком велик. По этой причине такие пружины используют для измерения давления в сотни и более МПа.

Наиболее близким к предложенному является способ изготовления манометрических трубчатых пружин, использующий в качестве заготовки трубу (см. Справочник "Технология приборостроения", том. 3, книга II "Технология сборки элементов приборов и средств автоматики" под общей редакцией Гаврилова А.Н., Москва, 1964 г., стр. 222) (6).

Способ изготовления трубчатой манометрической пружины, принятый за прототип, включает в себя отрезку трубы, отжиг ее, сплющивание по одной из осей для получения заданного поперечного сечения, сплющивание одного конца трубы, заполнение трубки песком, солью или канифолью, гибку пружины, обрезку ее концов и удаление наполнителя, промывку, термообработку пружины. После термообработки пружины осуществляют маркировку величины давления и затем стабилизацию.

В зависимости от толщины стенок трубки сплющивание ее по одной из осей выполняют за одну или несколько операций; в последнем случае после каждой операции заготовку термически обрабатывают для получения необходимых пластических свойств. Заготовку из стали иногда сплющивают и в горячем состоянии.

Термическую обработку после гибки пружин осуществляют для снятия остаточных напряжений с целью получения стабильных упругих свойств.

Под маркировкой величины давления понимается определение максимального рабочего давления, измеряемого конкретной трубчатой манометрической пружиной (или конкретным типоразмером) с обеспечением заданных требований по эксплуатации.

Этот способ используется при изготовлении трубчатых манометрических пружин плоскоовального поперечного сечения (см. фиг. 3), получивших наибольшее распространение. Это объясняется благоприятным сочетанием в них технологичности в изготовлении и хорошей чувствительности по давлению, обеспечиваемой большой величиной отношения полудлин осей овала Такой способ изготовления имеет преимущества, поскольку дает возможность использовать в качестве заготовки стандартные трубы из самых различных металлов и сплавов, имеющие широкий спектр величин диаметра, толщины и длины с гарантированным выполнением различных важных требований, например, изготовления и поставляемые по ГОСТ 9941-81 "Трубы бесшовные холодно- и теплодеформированные из коррозионно-стойкой стали. Технические условия".

Однако, как показала практика, принятый за прототип способ с успехом может использоваться при изготовлении пружин только из тонкостенных труб. Но эти манометрические пружины могут измерять давление не более мегапаскаля. При больших давлениях в них возникают недопустимо большие напряжения, что отражается на их работоспособности.

В то же время существует потребность в измерителях давления порядка от единиц до нескольких десятков МПа, которые в качестве первичного преобразователя давления используют трубчатые манометрические пружины, имеющие небольшую эффективную площадь.

Наиболее простым и чаще всего применяемым способом перехода к изготовлению трубчатых маномертических пружин, работающих на большие давления (в том числе и свыше мегапаскаля), является использование труб с большей толщиной и гибка их с меньшим радиусом R. Именно эти два геометрических параметра очень сильно влияют на напряжение в пружинах (2). Такое решение сопровождается уменьшением габаритов, что является также немаловажным обстоятельством.

Но реализация такой конструкции способом, принятым за прототип, не всегда возможна. Особые трудности возникают при использовании толстостенных труб, когда толщина их соизмерима с длиной малой полуоси b, а отношение радиуса R к длине большой полуоси a равно нескольким единицам (см. фиг. 3).

Остановимся более подробно на рассмотрении этого вопроса на примере пружины плоскоовального поперечного сечения.

При сплющивании тонкостенных труб происходит практически просто формоизменение поперечного сечения от окружности до плоскоовального с заданным соотношением длин осей Оно сопровождается лишь изгибными деформациями малой величины (фиг. 4а), что позволяет получить отношение в большом диапазоне. При сплющивании же толстостенных труб возникают очень большие деформации, особенно на поверхности наружной - в области тора - и внутренней - в области плоского участка. Следствием этого является сначала стремление трубы к уменьшению деформаций, проявляющееся в эффекте "проседания" поперечного сечения в направлении малой оси (фиг. 4б), а затем разрушение ее в местах наибольших деформаций.

Чем характеризуется момент, предшествующий деформации разрушения трубы при ее сплющивании? Для выяснения этого обстоятельства воспользуемся зависимостью высоты трубы после сплющивания H от диаметра D и толщины S трубы. Эта зависимость используется для проведения испытаний труб, выпускаемых по ГОСТ 9941-81.

В соответствии с техническими требованиями этого ГОСТа трубы, изготовленные из всех 14 марок стали, включая 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 12Х18Н9, должны выдерживать испытания на сплющивание до размера H между сплющивающимися поверхностями, определяемого эмпирической формулой Принимая во внимание, что "признаком того, что образец выдержал испытания, служит отсутствие после сближения сжимающих поверхностей до величины H на внешней и внутренней поверхностях трубы трещин или надрывов", установленным ГОСТом 8692-75 (СТ СЭВ 486-77) "Трубы". Метод испытания на сплющивание", можно считать этот размер H предельным для сплющивания.

Приведенную зависимость для H_пр целесообразно выразить через относительные величины Полученная зависимость показывает, что предельный размер при сплющивании зависит лишь от отношения толщины трубы к ее диаметру S/D. Еще более важным является анализ предельного отношения которое также является функцией отношения S/D (3). В графическом виде функции приведены на фиг. 5. Графики показывают, что относительная толщина трубы S/D сильно влияет на возможность ее сплющивания. Практически, при способе изготовления пружин, принятом за прототип, при больших толщинах труб нельзя ожидать реализации отношения Если же учесть, что в размер H_пр уже входит и возможность "проседания" поперечного сечения, то величина этого отношения для получения плоскоовального поперечного сечения способом, принятым за прототип, существенно меньше, но и для предельного перед разрушением и для предельного состояния перед "проседанием" существует вполне определенная величина зависящая от отношения S/D.

Что касается величины радиуса то очевидно, что возможности гибки трубы также определяются отношением S/D.

Таким образом, для любого из отношений S/D существуют вполне определенные величины Это означает, что для любого из отношений S/D существует вполне определенная величина безразмерного наибольшего эквивалентного напряжения соответствующего предельным условиям формообразования как по сплющиванию - так и по гибке - Безразмерное наибольшее эквивалентное напряжение вместе с величиной действующего давления P определяют величину наибольшего эквивалентного напряжения в пружине (1): Поскольку для обеспечения работоспособности пружины под действием давления P должно выполняться соотношение
где σ_упр - предел упругости материала пружины,
n_з - коэффициент запаса, при ограничении величины для каждого значения отношения S/D может быть обеспечено измерение давления, не превышающего

Проведенный анализ с помощью номограмм, построенных на основе численного решения для пружин плоскоовального сечения, показал, что изменение отношения вдвое (от 4^х до 2^х), что соответствует изменению S/D втрое (от 0,04 до 0,12), из-за ограничения возможности в сплющивании может позволить увеличить давление всего лишь ~ в 4.0 раза как при свободном ходе, так и условиях силовой компенсации.

Но величина такого порядка не может удовлетворить требование по увеличению измеряемого давления от одного МПа до 10 и более МПа.

Далее, при изготовлении трубчатой манометрической пружины очень существенным является вопрос гибки с наполнителем. При гибке тонкостенных сплющенных труб способом, принятым за прототип, используется наполнитель (песок, соль, канифоль). Это вызывается необходимостью сохранять форму и размеры поперечного сечения трубы, полученные еще при сплющивании. Чем меньше радиус R, тем большие искажения поперечного сечения могут возникнуть при гибке.

При гибке же толстостенных труб деформации материала настолько велики, что при невозможности реализоваться в полной мере из-за присутствия наполнителя, развиваются очень большие усилия на него. При крупнозернистой структуре наполнителя, которую имеют песок и соль, это приводит к очень плотному проникновению зерен в пустоты между ними и сильному давлению их друг на друга, а в пограничной зоне металл-наполнитель может привести и к частичному внедрению зерен в металл. Это делает практически невозможным удаление наполнителя из пружины после ее гибки, особенно, если она многовитковая. Использование канифоли мало меняет дело, учитывая, что для ее удаления нужна еще и высокая температура.

Следовательно, способ изготовления, принятый за прототип, и в части использования наполнителя при гибке сплющенной трубы не может обеспечить качественного изготовления толстосенных трубчатых пружин с малым радиусом.

В связи с необходимостью перехода на изготовление трубчатой манометрической пружины из толстостенной трубы с малым радиусом R возникает серьезный вопрос о возможности гибки такой пружины даже в присутствии наполнителя. Поскольку в таких пружинах малая полуось соизмерима с толщиной трубы, то при гибке должны проходить большие пластические деформации по всей толщине трубы.

В противном случае в материале возникают большой величины остаточные напряжения, которые проявляются в готовой пружине (после удаления наполнителя) в виде искажения формы поперечного сечения, что приводит к потере чувствительности пружины.

Чтобы пластические деформации при гибке пружины прошли по всей толщине, можно было бы ее осуществить, как и прокатку трубы, за несколько переходов. Но реализация этого снижает технологичность операции, т.к. требует большого количества оснастки.

Таким образом, актуальной остается задача изготовления манометрических трубчатых пружин для давлений от одного до нескольких десятков МПа с эффективным соотношением прочности, чувствительности и габаритов.

В предлагаемом способе изготовления эта задача решается путем заполнения трубы перед деформированием мелкозернистым наполнителем, например питьевой содой; прокатки трубы с наполнителем до начала разогрева ее; гибки прокатанной трубы с наполнителем вокруг ролика; удаления наполнителя химическим способом (например, кипячением пружины с наполнителем после обрезки ее крайних, забитых участков в растворе уксусной кислоты).

На фиг. 1 изображена одновитковая трубчатая манометрическая пружина; на фиг. 2 представлены формы поперечного сечения манометрических трубчатых пружин Нагаткина; на фиг. 3 представлена форма плоскоовального поперечного сечения; на фиг. 4 схематически представлено формообразование плоскоовального поперечного сечения манометрической трубчатой пружины путем сплющивания тонкостенной (а) и толстостенной (б) трубы, а также при прокатке толстостенной трубы (б); на фиг. 5 представлены графики изменения предельных величин отношений в зависимости от S/D при сплющивании трубы; на графике нанесены данные по конкретной манометрической пружины, изготовленной прокаткой трубы по предлагаемому способу; на фиг. 6 представлен график изменения внутренней площади поперечного сечения в зависимости от отношения наименьшего размера сечения H к диаметру трубы, из которой изготавливается пружина; на фиг. 7 представлен условный график изменения наибольших эквивалентных напряжений в трубчатой манометрической пружине плоскоовального сечения в зависимости от параметра главного параметра; на фиг. 8 изображена форма поперечного сечения трубчатой пружины, получаемая предлагаемым способом по п. 3.

Оказалось, что манометрическую трубчатую пружину, служащую для наиболее эффективного измерения давления с предельными значениями от единиц до десятков МПа, можно получить из трубы технологическим путем за счет одновременного действия двух факторов с оптимальной реализацией каждого из них:
- придания материалу трубы в процессе изготовления пружины более высоких упругих свойств (σ_упр) с сохранением их в готовой трубчатой пружине;
- уменьшения величины наибольшего безразмерного эквивалентного напряжения в пружине путем одновременного увеличения толщины трубы S, уменьшения радиуса пружины R, увеличения отношения осей поперечного сечения пружины до предельных величин, реализуемых предлагаемым способом изготовления.

Продемонстрируем возможность реализации этого на манометрической трубчатой пружине плоскоовального профиля.

Предположим, что принятым за прототип способом изготовления пружина с предельным технологически реализуемыми геометрическими параметрами S_пр1, R_пр1, Свойства материала пружины - σ_упр1. Предельная величина давления, которую она может измерять - P₁.

При переходе на другой способ изготовления можно реализовать другие величины предельных значений - S_пр2, R_пр2, Свойства материала пружины - σ_упр2. Предельная величина давления, которую может измерять такая пружина - P₂.

Найдем отношение давлений используя формулу [1]. Для упрощения анализа будем считать условия работы и требования к этим двум пружинам одинаковыми, поэтому можно положить равными их коэффициенты запаса.

Тогда

Если же нельзя считать равными коэффициенты запаса двух пружин, то к правой части этого выражения добавиться лишь постоянный коэффициент, который не может изменить хода дальнейших рассуждений.

Как уже указывалось раньше, наиболее простое решение задачи за счет изменения лишь толщины S и радиуса R, не обеспечивает требуемого увеличения отношения
Из формулы [4] следует, что если, как указывалось выше, недостаточно изменения (увеличения) толщины S и (уменьшения) радиуса R, чтобы обеспечить требуемое отношение то для решения задачи можно дополнительно привлечь увеличение отношения т.е. повысить упругие свойства пружины, а также увеличение отношения функций

представляющих собой безразмерные наибольшие эквивалентные напряжения, за счет изменения отношения осей поперечного сечения.

Очевидно, что решение задачи за счет соответствующего увеличения этих отношений также имеет свои границы, т.к. каждое из них имеет ограничение в своей реализации. При выходе за пределы этих границ должен быть осуществлен переход к другой технологии изготовления трубчатой манометрической пружины или к другой конструкции.

Увеличение отношения пли повышение упругих свойств материалов в уже готовой пружине, может быть получено двумя способами: выбором другого материала с более высокими упругими свойствами, а также повышением свойств материала трубы-заготвоки в процессе изготовления пружины.

Использование первого способа весьма ограничено по той причине, что выбор материала при изготовлении трубчатой манометрической пружины диктуется не только его свойствами, но главным образом возможностью обеспечить другие требования к пружине, например стойкостью в каких-либо средах или условиях, а также технологичностью, т.е. возможностью изготовить из этого материала пружину. Так, например, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т получила очень широкое применение при изготовлении упругого чувствительного элемента. (УЧЭ) и, в частности, трубчатых манометрических пружин благодаря хорошей коррозионной стойкости и технологичности, хотя упругие свойства ее невелики.

Второй способ заключается в повышении свойств материала исходной трубы (в частности, из 12Х18Н10Т) в процессе ее изготовления. Существует много таких методов. Однако выбор одного из них должен осуществляться исходя из возможности получения заданного поперечного сечения пружины и осуществления ее гибки.

Из-за сложной формы поперечного сечения трубчатой манометрической пружины повысить свойства материала во всех ее точках трудно. И как оказалось, это не является обязательным. Известно, что при действии давления на такую пружину в различных точках поперечного сечения возникают различные по величине эквивалентные напряжения. И это означает, что для обеспечения работоспособности необходимо, чтобы в каждой точке независимо от величины самого предела упругости материала и величины напряжений в каждой из них во первых, соблюдалось условие работоспособности [1], а во вторых, соблюдалось условие увеличения отношения хотя величины в числителе и знаменателе этого отношения могут относиться к разным точкам сечения. Это дает возможность маневрировать в способах решения задачи.

Зная особенности технологического процесса изготовления трубчатой манометрической пружины и особенности ее поведения в процессе работы, наиболее простым и эффективным решением задачи представляется совмещение процесса получения поперечного сечения пружины с процессом повышения упругих свойств материала. Выполнять это следует путем прокатки трубы в направлении оси трубы. При этом прокатку нужно осуществлять за несколько переходов, но без промежуточного отжига материала. За каждый переход происходит упрочнение материала путем захвата все новых и новых и больших участков поверхности трубы и деформаций сжатия материала под валками, с каждым переходом проникая на большую глубину от поверхности и создавая наклеп материала.

Очевидно, что наибольший наклеп материала возникает по малой оси. С увеличением числа переходов и с уменьшением размера H при прокатке зона наклепа расширяется в направлении к торовым поверхностям. В этом же направлении убывает интенсивность наклепа. Известно, что наклеп материала при пластическом деформировании вызывает повышение всех механических характеристик материала, определяющих сопротивление деформированию (предела пропорциональности, упругости, текучести, прочности и твердости). При этом предел прочности посредством деформации с полным упрочнением может быть увеличен в два-три раза (4).

Таким образом, прокатка трубы позволяет получить значительное повышение механических свойств материала и в наибольшей степени по малой оси поперечного сечения. По направлению к торовым поверхностям степень повышения механических свойств падает.

Важным обстоятельством в пользу предлагаемого решения является то, что направление прокатки совпадает с направлением образующей дуги окружности, которая в процессе работы пружины под действием давления претерпевает деформации изгиба. Возникающая при прокатке трубы в материале текстура своей направленностью как бы создает "волокнистость", которая при работе пружины будет сопротивляться разрушению в значительно лучшей степени, чем материал из кристаллитов, не претерпевший пластического воздействия в нужном направлении.

Все это характеризует упрочнение материала при прокатке трубы.

Чтобы при прокатке трубы исключить явление "проседания" поперечного сечения, приводящего к искажению его, и тем самым обеспечить еще и упрочнение материала по большей площади и, особенно, в области вокруг малой оси сечения, операцию прокатки трубы необходимо выполнять с наполнителем, помещаемым во внутреннюю полость трубы. Чтобы наполнитель не мог быть выдавлен из трубы в процессе изготовления пружины, перед заполнением забивается один конец трубы, а после заполнения - другой. Заполнение наполнителем должно осуществляться плотно, без пустот, учитывая большие деформации и усилия со стороны толстой трубы при прокатке и гибке.

Для избежания указанных при анализе прототипа недостатков по удалению наполнителя следует использовать наполнитель с мелкозернистой (или мелкокристаллической) структурой, который достаточно легко может быть удален после проведения операций гибки и отрезки забитых концов трубы. Удаление наполнителя следует проводить без механического и высокотемпературного воздействия, чтобы не вызвать нежелательного изменения геометрических размеров и свойств материала пружины. Этому условию вполне отвечает химический способ воздействия на наполнитель с образованием легко выводимых из внутренней полости пружины веществ, особенно с образованием газообразных соединений.

Конечно наполнитель, вещество, используемое для химической реакции с наполнителем, а также вещества, образующиеся в результате реакций, не должны вызывать коррозионного воздействия на материал пружины.

Как показали исследования, проведенные при изготовлении трубчатой манометрической пружины из трубы материала 12Х18Н10Т, всем этим условиям отвечает питьевая сода (двууглекислый натрий), а удаление ее - путем кипячения в уксусной кислоте.

Было установлено, что после прокатки толстостенной трубы с наполнителем (питьевой содой), поперечное сечение практически не изменяет своей длины ни по средней линии, ни по наружной, ни по внутренней поверхности. Это означает, что наполнитель как бы "держит" внутреннюю поверхность, сглаживая все деформации по ней. Т.е. формообразование при прокатке толстостенной трубы с наполнителем происходит так же, как при сплющивании тонкостенной трубы без наполнителя.

Расчет показал, что при прокатке трубы от круглой до плоскоовальной формы с учетом выявленной особенности формообразования происходит значительное изменение внутренней площади поперечного сечения (см. фиг. 6). Это изменение тем больше, чем больше изменение высоты трубы при прокатке. В то же время прокатка сопровождается увеличением длины трубной заготовки.

Все это является свидетельством того, что наполнитель, выжимаемый усилием прокатки в направлении оси трубы, выступает в роли "внутреннего валка", обеспечивая необходимую деформацию по всей внутренней поверхности поперечного сечения в осевом направлении и по толщине. В этом смысле "мягкая текучесть" питьевой соды создает благоприятные условия для формообразования и наклепа (текстуры).

Таким образом, используемый при прокатке наполнитель с указанными выше свойствами не только предохраняет от возникновения "проседания" сечения пружины, но и обеспечивает наилучшие условия для его формообразования и получения более высоких механических свойств материала толстостенной пружины.

Обратимся теперь к вопросу получения рациональной величины отношения осей поперечного сечения Вопрос о рациональной величине возникает из-за противоречивости требований.

Чтобы получить наибольшее упрочнение материала и наибольшую зону его распространения, необходимо обеспечить получение наименьшей из возможных величин малой полуоси поперечного сечения b и наибольшей из возможных величин отношения осей Это же требование к поперечному сечению должно выполняться, если необходимо повысить чувствительность трубчатой манометрической пружины.

В то же время в условиях действия давления на трубчатую манометрическую пружину с увеличением отношения осей поперечного сечения наибольшие эквивалентные напряжения растут и меняется местоположение опасной точки. Если при больших величинах отношения опасная точка находится на большой оси сечения, то с уменьшением отношения опасная точка перемещается в область малой оси; при некоторых же значениях главного параметра пружины опасная точка находится на торовой поверхности, но смещена от большой оси в направлении к малой.

Могут ли быть правильно соотнесены все эти требования и как?
Рассмотрим возможности в уменьшении размера b и в увеличении отношения при изготовлении пружины предлагаемым способом по сравнению со способом, принятым за прототип.

Известно, что при увеличении пластической деформации металл проходит две стадии: первую - стадию упрочнения, вторую - стадию разупрочнения (4). Если первая стадия сопровождается ростом сопротивления деформированию, то разупрочняющие процессы сопровождаются температурным эффектом, т.е. повышением температуры деформированного тела в результате тепла, выделяющегося при пластической деформации, и ускорением деформации.

Эти же явления наблюдались при прокатке трубы 6х1 из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Поэтому разграничение этих стадий может быть выполнено без труда.

Таким образом, чтобы обеспечить наибольшее упрочнение материала пружины, процесс прокатки трубы должен быть приостановлен перед началом повышения ее температуры. Это может быть зафиксировано достаточно точно.

При прокатке трубы предложенным способом из трубы диаметром 6 мм, толщиной 1 мм из 12Х18Н10Т были получены размеры: a_пр = 3,25 мм; b_пр = 1,25 мм; H_пр = 3,5 мм. Данные по представлены на фиг. 5 в виде точек. Оказалось, что предлагаемый способ позволяет уменьшить на 15%, а увеличить ~ в 1,5 раза.

Увеличение толщины может привести только к незначительному уменьшению величины некоторое уменьшение ее практически не вызовет увеличения (см. фиг. 5).

Следовательно, путем прокатки толстостенной трубы с наполнителем могут быть одновременно существенно повышены механические свойства материала и увеличено отношение что объясняется особенностями протекания процесса формообразования сечения.

Где находится опасная точка поперечного сечения при таких значениях ?
Эпюры σ_экв показывают, что для трубки с отношением осей опасные точки располагаются по концам малой оси сечения независимо от величины главного параметра пружины κ (5).

Для более тщательного анализа наибольших эквивалентных напряжений и их местоположения по данным эпюр (5) были построены графики изменения σ^max_экв в условных единицах в зависимости от отношения Они приведены на фиг. 7. На этом графике выделена штриховкой область, в которой наибольшие напряжения возникают на малой оси поперечного сечения. Нанесем значение которое можно реализовать предлагаемым способом. Чтобы определить наибольшее эквивалентное напряжение, нужно определить минимально возможную величину главного параметра κ, которая соответствует минимальной величине напряжения.

При изготовлении той же трубчатой манометрической пружины была получена минимально возможная величина R = 8,5 мм. Ей соответствует величина κ_пр= 0,8.
Этим значениям соответствует точка, нанесенная на график на фиг. 7. Оказывается, что она находится в области, соответствующей положению опасной точки на малой оси.

Таким образом, положение опасной точки и места наибольшего упрочнения материала совпадают. Они будут совпадать, согласно графику на фиг. 7, для всех пружин, попадающих в заштрихованную область. Что касается диапазона отношения этой области от 2^х и 4^х, то оно вполне реализуется для толстостенных труб (см. фиг. 5). Это означает, что предлагаемым способом может быть реализовано соотношение [4] для толстостенных труб в части возможности увеличения отношения
Изменения в интервале от 2^х до 4^х, как показал анализ, приводят к небольшим изменениям безразмерного эквивалентного напряжения. Т.е. изменение (с соблюдением определенной величины R) служит только для перемещения опасной точки пружины к малой оси.

Поэтому отношение функций практически будет определяться изменениями толщины S и радиуса R. Как это было показано выше, оно может быть доведено до ~ 4 единиц.

Учитывая совместное воздействие увеличения механических свойств материала и рационального изменения геометрических параметров, величина действующего на манометрическую трубчатую пружину давления может быть доведена до 8-12 МПа.

2. Оказалось, чтобы возникающие при гибке пружины остаточные напряжения не исказили форму поперечного сечения, полученную при прокатке трубы предлагаемым способом, и тем самым обеспечить необходимую чувствительность манометрической трубчатой пружины, достаточно гибку сплющенной трубы осуществлять медленным обкатом вокруг ролика. Это позволяет до минимума снизить остаточные напряжения. При этом полезным может быть, например, использование плоской подкладки с наружной стороны сечения по отношению к ролику и непрерывное постукивание по ней, направляя усилие преимущественно в направлении движения трубы при гибке.

Как было показано выше, способом по 1 и 2 можно изготовить манометрические трубчатые пружины с наилучшей чувствительностью, но на давления, порядка одного десятка МПа.

Оказалось, чтобы повысить возможности такой пружины в увеличении действующего давления и довести его до десятков МПа, достаточно использовать те остаточные напряжения, которые возникают при гибке сплющенной трубы. Для этого нужно гибку осуществлять вокруг ролика быстрым обкатом. Для этого можно воспользоваться вторым роликом.

После обрезки забитых концов пружины и удаления наполнителя остаточные напряжения в материале заставляют "просесть" профиль и приобрести форму, представленную на фиг. 8. Наилучшие возможности в этом имеет материал в участках пружины по малой оси с наружной стороны.

Такая арка обладает повышенной прочностью, поскольку она все время своего существования поддерживается остаточными напряжениями. Величина же проседания определяется моментом достижения равновесия в действии остаточных напряжений и упругих свойств материала.

При действии внутреннего давления "просевшая" сторона поперечного сечения работает как арка, которая имеет, как известно, прочность, во много раз превышающую прочность исходной поверхности (например, плоскости плоскоовального сечения). Это означает, что такая пружина может быть использована для работы с давлениями в несколько десятков МПа, что подтверждено опытными данными.

Все указанное выше указывает на бесспорные преимущества предлагаемого способа изготовления трубчатой манометрической пружины, служащей для измерения давления от единиц до нескольких десятков МПа.

Литература
1. Л. Е. Андреева. Упругие элементы приборов Москва, "Машиностроение", 1981, стр. 327.

2. В. И. Феодосьев. Упругие элементы точного приборостроения Гос. издательство оборонной промышленности, Москва, 1949, стр. 47, 49.

3 И. Н. Жибарева. О проектировании упругих чувствительных элементов (манометрическая трубчатая пружина). Вестник машиностроения, N 7, 1997.

4. С. И. Губкин. Пластическая деформация металлов. Москва, Металлургиздат, 1961, том II, стр. 69, стр. 99.

5. Л.Е. Андреева. Упругие элементы приборов. Москва, Машгиз, 1962, стр. 398.

6. Справочник "Технология приборостроения", том. 3, книга II "Технология сборки элементов приборов и средств автоматики", Москва, 1964 г., стр. 222 - прототип.

Формула изобретения

1. Способ изготовления манометрических трубчатых пружин, заключающийся в деформировании исходной трубы до получения необходимого поперечного сечения, в гибке ее с наполнителем вокруг ролика с последующим удалением наполнителя, отличающийся тем, что трубу перед деформированием заполняют мелкозернистым наполнителем, например питьевой содой, деформирование осуществляют путем прокатки трубы с наполнителем, гибку пружины осуществляют обкатом вокруг ролика, после чего удаляют наполнитель химическим способом, например кипячением пружины в растворе уксусной кислоты.

2. Способ изготовления манометрических трубчатых пружин по п.1, отличающийся тем, что гибку деформированной трубы вокруг ролика осуществляют медленным обкатом с приложением усилия к внешней ее стороне преимущественно в направлении обката.

3. Способ изготовления манометрических трубчатых пружин по п.1, отличающийся тем, что гибку деформированной трубы вокруг ролика осуществляют быстрым обкатом с приложением усилия к внешней ее стороне преимущественно в направлении радиуса пружины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8