彈簧加工技術發展

　　在機電產品中,用量最大的彈簧主要有三大類: ①以汽車為主的機動車輛彈簧;②以日用電器為主的電子產品彈簧;③以攝像機、復印機和照相機為主的光學裝置彈簧.那么,就目前情況來講,彈簧加工技術、設計及材料的發展又是怎么樣的情況呢?

　　●彈簧加工技術的發展

　　目前,機械彈簧的加工設備和加工生產線向著數控(NC)和計算機控制(CNC)化的深度和廣度發展.但隨著彈簧材料和幾何形狀的變化,加工工藝也有發展.

　　①.氣門彈簧主要發展多級噴丸和液體氮化工藝,以改善表面剩余壓應力,提高疲勞壽命.

　　②.汽車彈簧主要是向高強度方向發展,以減輕質量.

　　③.中空穩定彈簧桿采用低碳硼鋼板,卷制焊接成形.

　　④.扭桿采用高純度的45鋼,經高頻淬火獲得表面的高硬度和較大的剩余壓縮應力,從而提高疲勞壽命和抗松弛能力.

　　⑤.電子產品彈簧主要是向小形化方向發展.

　　⑥.變彈簧外徑、變節距和變鋼絲直徑(三變)懸架彈簧實現了無模塑性加工.現必為加熱狀態下通過卷簧機,控制軋輥速度和拉拔力,獲得所需要的錐體形狀,并用加工余熱進行淬火.

　　⑦.光學裝置彈簧主要向著既要高強度化又要小形化方向發展

　　●彈簧設計的發展

　　目前,廣泛應用的彈簧應力和變形的計算公式是根據材料力學推導出來的,若無一定的實際經驗,很難設計和制造出高精度的彈簧.隨著設計應力的提高,以往的很多經驗不再適用.為此,必須采用精密的解析技術,當前應用較廣的方法是有限元法(FEM).

　　車輛懸架彈簧的特征是除足夠的疲勞壽命外,抗松弛性能要在規定的范圍內,否則將發生車身重心偏移.同時,要考慮環境腐蝕對其疲勞壽命的影響.隨著車輛保養期的增大,對永久變形和疲勞壽命都提出了更嚴格的要求,為此必須采用高精度的設計方法.有限元法可以詳細預測彈簧應力對疲勞壽命和永久變形的影響,能準確反映材料對彈簧疲勞壽命和永久變形的關系.

　　近年來,彈簧的有限元法設計方法進入實用化階段,出現了不少有實用價值的報告,如:螺旋角對彈簧應力的影響;用有限元法計算的應力和疲勞壽命的關系等.

　　另外,在彈簧的設計過程中還引進了優化設計.彈簧的結構較為簡單,功能單純,影響結構和性能的參變量省,所以設計者很早就運用解析法、圖解法或圖解分析法尋求最優設計方案,取得了一定的成效.隨著計算技術的發展,利用計算機進行非線性規劃的優化設計,取得了成效.

　　●彈簧材料的發展

　　隨著彈簧應用技術的發展,對材料提出了更高的要求.主要是在高應力下的提高疲勞壽命和抗松弛性能;其次是根據不同的用途,而更多的要求如,具有耐蝕性、非磁性、耐熱性、導電性、耐磨性等.另外嚴格控制化學成分,降低非金屬夾雜,提高表面質量和尺寸精度等方面也取得了有益的成效.

　　1.合金鋼的發展

　　氣門彈簧和懸架彈簧已廣泛應用Si-Cr鋼.為了提高疲勞壽命和抗松弛性能,在Si-Cr鋼中添加V、Mo.同時開發了Si-Cr拉拔鋼絲,其在高溫下工作時的抗松弛性能,比琴鋼絲好.隨著發動機高速小型化,抗顫振性能好、質量輕、彈性模量小的Ti合金得到了較為廣泛的應用,其強度可達2000Mpa.

　　2.不銹鋼絲的發展

　　1>奧氏體組織不銹鋼絲強度比鐵素體組織的好,其耐蝕性也優于馬氏體組織,因面應用范圍不斷擴大.

　　2>低溫拔絲或低溫氮化拔絲可提高鋼絲強度.馬氏體受熱時組織不穩定,而在低溫液體氮中拔絲能形成隱針狀馬氏體,可獲得熱態高強度.此種鋼絲在美國和日本已有不少應用,但目前只能處理1mm以下的鋼絲.

　　3>電子設備中的精密彈簧要求非磁性,此種鋼絲在拉拔加工時,不能生成隱針狀馬氏體.為此要添加N、Mn、Ni等元素.由于Mn的含量增加,加工中不會生成隱針狀馬氏體.經固溶處理,強度可達2000Mpa,疲勞性能高,優于SUS304.

　　3.提高材料純度

　　對高強度材料,嚴格控制夾雜,提高純度以保證其性能.如氣門彈簧材料的含氧量,目前已達20×10ˉ6發展.

　　4.改善表面質量

　　材料表面質量對疲勞性能影響很大.為了保證表面質量,對有特殊要求的材料采用剝皮工藝將表層0.1mm.對0.5mm深度的缺陷采用渦流探傷.對拔絲過程表面產生的凹凸不平,可用電解研磨,使表面粗糙降到Ra=6.5~3.4μm.

　　5.電鍍鋼絲的發展

　　一般來說,能使材料表面硬化形成剩余應力的工藝均可提高疲勞強度.目前正在研究的非電解鍍Ni,通過加熱(300~500℃)可將7%的P以PNi析出,可提高維氏硬度達HV500.噴丸后,若在300℃以下加熱鍍Ni,亦可提高硬度10%.

　　在特殊情況下,除要求彈簧特性外,還要求耐蝕、導電等附加性能,大多均采用電鍍工藝解決. 部分不銹鋼絲和琴鋼絲的耐蝕性能相當于鍍鋅的耐蝕性能,若再鍍一層ZnAl(5%)的合金,則耐蝕性可提高約3倍. 對電阻性能有要求的不銹鋼絲或琴鋼絲,鋼絲直徑小于0.4mm的可鍍銅,大于0.4mm的可采用內部是銅,外部是不銹鋼材料.一般琴鋼絲鍍5μm厚的Ni,可提高其導電性.

　　6.形狀記憶合金的開發

　　目前在彈簧方面有應用前途的單向形狀記憶合金,以50Ti-50Ni性能最好.形狀記憶合金制成的彈簧,受溫度的作用可伸縮.由于是靠彈簧伸縮推動執行機構,所以彈簧的工作應力變化較大.主要用于恒溫、恒載荷、恒變形量的控制系統中.

　　7.纖維增強塑料在彈簧中的應用

　　玻璃纖維增強塑料(GFRP)板彈簧在各國已廣泛應用,除用于橫置懸架外,還可用于特殊輕型車輛,如賽車的縱置懸架.目前又研制成功了碳素纖維增強塑料(CFRP)懸架彈簧,比金屬板簧要輕20%.

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