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彈簧廣泛應用特點及制造設計

發布時間:2015年12月25日    點擊數:
彈簧廣泛應用特點及制造設計

彈簧是應用很廣泛的各種機械和儀表中重要零件,其外形可分成板簧和螺旋彈簧兩大類。彈簧的主要功能是消震及儲能。彈簧工作時產生很大的彈性變形、吸收沖擊能量、緩和沖擊,例如汽車等車輛上的緩沖彈簧;彈簧還可以通過釋放所吸收的能量,使其它零件完成某種動作,例如發動機上的氣閥彈簧、儀表彈簧等。 

1、彈簧鋼的特點 
彈簧鋼首先,必須應具備高的彈性極限和高的屈強比,以避免彈簧在高載荷下產生永久變形;其次,應具備高的疲勞極限和高的抗拉強度,以免彈簧在長期震動和交變載荷應力的作用下產生疲勞破壞;再次,有一定沖擊韌度和足夠的塑性;同時還要求有良好的淬透性和低的脫碳敏感性,使彈性極限大幅度降低;以及良好的表面質量,在冷熱狀態下容易加工成形和良好的熱處理工藝性。 
彈簧鋼一般均在彈性極限范圍內服役,承受載荷時不允許產生塑性變形,因此要求彈簧鋼經淬火、中溫回火后具有盡可能高的彈性極限和屈強比值(≥0.90)。 
為了獲得彈簧所要求的性能,彈簧鋼采用較高的含碳量,碳素彈簧鋼通常在0.60%~0.85%范圍。如65、70鋼等的淬透性較差,其截面尺寸超過12mm時在油中就不能淬透,若用水淬火就容易開裂。對于截面尺寸較大、承受較重負荷的彈簧都是用合金鋼制造。
合金彈簧鋼的合碳量一般在0.50%~0.70%之間,所含合金元素有Si、Mn、Cr、V等,它們的主要作用是提高鋼的淬透性和回火穩定性,強化鐵素體和細化晶粒,從而有效地改善彈簧鋼的力學性能。Si和Mn主要提高淬透性,同時也提高屈強比,且以Si的作用最突出,但它在熱處理時促進表面脫碳,Mn則使鋼易過熱,造成晶粒粗大。重要用途的彈簧鋼必須加入Cr、V、W等元素,Si--Cr彈簧鋼表面不易脫碳;Cr--V彈簧鋼不易過熱,晶粒細,不易長大粗化,耐沖擊性能好,高溫強度也高,其中Cr、V、W還有利于提高彈簧鋼的高溫強度。 
彈簧鋼的牌號請見 “彈簧鋼的技術發展與生產使用”一文。 

2、彈簧制造過程的特征 
彈簧熱處理后質量的判別主要是彈簧的壽命,從性能的角度考慮時需要調整彈性參數與韌性參數的平衡;性能與彈簧鋼的淬透性有密切關系。 
目前彈簧制造方法采用鋼材和工藝路線的不同可分為三類。 
其一采用冷軋鋼帶和冷拔鋼絲、冷卷成型,經淬火回火或低溫回火; 
其二采用熱軋不退火鋼材,熱成形后,進行淬火回火,一般板簧及大型卷簧的制造都采用此方法; 
其三采用熱軋退火鋼材,冷卷成型,除應力整型后,再加熱淬火和回火熱處理,一般鋼絲直徑在6-12mm的中型卷簧。 
彈簧鋼的熱處理可分冷拔鋼絲的熱處理和熱軋彈簧鋼的熱處理。 
冷拔鋼絲的熱處理是先對材料進行淬火+中溫回火,獲得回火托氏體組織,成形后進行低于150℃去除應力回火。 
熱軋彈簧鋼的熱處理是熱成形后的彈簧,可在830~890℃加熱后油淬火、400~480℃回火,獲得回火托氏體組織。如果彈簧鋼絲直徑太大(>15mm)、板材太厚(>8mm),會出現淬不透現象,結果彈性極限下降,疲勞強度降低。 
  彈簧在服役時承受的彎曲應力、旋轉應力在表面,故它的表面狀態非常重要。熱處理時的氧化脫碳是預防的重點,加熱時要嚴格控制爐內氣氛,盡量縮短加熱時間。彈簧經熱處理后,一般要進行噴丸處理,使表面強化并在表面產生殘余壓應力,以提高疲勞強度。 
強力噴丸技術是將高速彈丸噴射到彈簧表面,使表面層在彈丸的沖擊作用下發生塑性變形,由此產生強化及表面壓應力,使彈簧的抗疲勞性能及耐應力腐蝕能力均得到改善的方法。 
強力噴丸在弧高值為0.15-0.60mmA時,可以改善表面粗糙度值>4μm的表面質量,延長了彈簧表面接觸疲勞裂紋的萌生期,并使擴展裂紋多次分叉,擴展速度降低,使彎曲疲勞裂紋變得短而細,因而延緩了彎曲疲勞裂紋的形成及降低了裂紋擴展速度,彎曲疲勞強度提高42%-56%。 
為此,彈簧零件一般均采用強力噴丸,應注意的是強力噴丸工藝指標值的確定。JB/T10174-2000規定“噴丸強度一般應為0.35mmA以上,表面覆蓋率一般應不低與200%”。根據噴丸對彈簧表面微觀結構的影響,彈簧噴丸強度為0.35-0.43mmA較為適宜。考慮在相同條件下,板簧發生彎曲疲勞斷裂的表面部位噴丸強度只有圓棒的1/3,彈簧噴丸的表面覆蓋率要求≥250%為佳碳現象出現,檢測硬度48-51HRC。 
彈簧的表面質量對使用壽命影響很大,因為微小的表面缺陷(如脫碳、裂紋、夾雜、毛刺和斑疤等)即可造成應力集中,使彈簧的疲勞強度下降。為了提高彈簧的疲勞強度,在淬火和回火后可對彈簧進行噴丸處理,以消除表面缺陷和由表面硬化產生的應力。試驗證明,采用噴丸處理后60Si2Mn鋼彈簧使用壽命提高5~6倍。 
彈簧可進行等溫淬火,主要用在熱處理機變形小以及希望獲得良好塑性及韌性的場合。當硬度相同時,等溫淬火+中溫回火具有更高的塑性及韌性,不過彈性極限相應低些。 
近年來,彈簧鋼熱處理方面應用等溫淬火、形變熱處理等一系列新工藝,對其性能進一步提高,取得了一定的成效,值得大力提倡。另外,彈簧在長期應力作用下可能產生微量塑性變形,從而降低彈性和精度,這對要求很高的彈簧是不許可的。為解決這一問題需對彈簧進行“強壓處理”,即將彈簧加以壓力,使其各圈相互接觸保持24h,這一工序可使彈簧塑性變形預先發生,從而避免了在服役中出現塑性變形而影響彈性和尺寸精度。 
強壓處理方法有:①冷強壓處理,即在室溫下,強壓處理幾小時到幾十個小時;②熱強壓處理,將強壓裝置放入溫度為一定的恒溫爐中,保持適當時間后,取出卸載并快冷到室溫;③磁場強壓處理,即將強壓彈簧裝置放入周圍有磁場的浴爐中處理;④電強壓處理,即將強壓彈簧裝置放入兩極板間通電加熱較短時間后,取出快冷。經強壓處理的彈簧不出現松弛率較大的第一階段,只出現松弛率較小的第二階段,這就有效地改善了彈簧的抗應力松弛性能,使彈簧工作10年的載荷損失率小于5%左右。 
                                                    
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