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淺談五金彈簧的技術方向與應用
淺談五金彈簧的技術方向與應用
一、 彈簧設計的發(fā)展
目前，廣泛應用的彈簧應力和變形的計算公式是根據(jù)材料力學推導出來的，若無一定的實際經(jīng)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(jīng)驗不再適用。例如，彈簧的設計應力提高后，螺旋角加大，會使彈簧的疲勞源由簧圈的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移到外側(cè)。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，其永久變形要小，即抗松弛性能要在規(guī)定的范圍內(nèi)，否則將發(fā)生車身重心偏移。同時，要考慮環(huán)境腐蝕對其疲勞壽命的影響。隨著車輛保養(yǎng)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(xiàn)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。
對于相同結(jié)構(gòu)的彈簧，在相同載荷作用下，有效圈少的或螺旋角大的風吹草動應力彈簧的應力，兩種方法得出的結(jié)果差別比較大。這是因為隨著螺旋角的增大，加之載荷偏心，使彈簧外徑或橫向變形較大，因而應力也較大。用現(xiàn)行的設計計算方法不能確切地反映，而有限元法則以較為確切地反映出來。
另外，在彈簧的設計過程中還引進了優(yōu)化設計。彈簧的結(jié)構(gòu)較為簡單，功能單純，影響結(jié)構(gòu)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(yōu)設計方案，取得了一定成效。隨著計算技術的發(fā)展，利用計算機進行非線性規(guī)劃的優(yōu)化設計，取得了成效。
可靠性設計是為了保證所設計的產(chǎn)品的可靠性而采用的一系列分析與設計技術，它的任務是在預測和預防產(chǎn)品可能發(fā)生故障的基礎上，使所設計的產(chǎn)品達到規(guī)定的可靠性目標值。是傳統(tǒng)設計方法的一種補充和完善。彈簧設計在利用可靠性技術方面取得了一定的進展，但要進一步完善，需要數(shù)據(jù)的開發(fā)和積累。
隨著彈簧應用技術的開發(fā)，也給設計者提出了很多需要注意和解決的新問題。如材料、強壓和噴丸處理對疲勞性能和松弛性能的影響，設計時難以確切計算；要靠實驗數(shù)據(jù)來定；又如按現(xiàn)行設計公式求出的圈數(shù)，制成的彈簧剛度均比設計剛度值小，需要減少有效圈數(shù)，方可達到設計要求。
二、彈簧材料的發(fā)展
1．合金鋼的發(fā)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(fā)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(fā)動機高速小型化，抗顫振性能好、質(zhì)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(fā)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(yōu)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(wěn)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(tài)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。為了滿足這方面的需求，美國開發(fā)了AUS205（0.15C-17Cr-1Ni-15Mn-0.3N）和YUS（0.17C-21Cr-5Ni-10Mn-0.3N）。由于Mn的含量增加，加工中不會生成隱針狀馬氏體。經(jīng)固溶處理，強度可達2000Mpa，疲勞性能高，優(yōu)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(fā)展。
4．改善表面質(zhì)量 材料表面質(zhì)量對疲勞性能影響很大。為了保證表面質(zhì)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(chǎn)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(fā)展 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(nèi)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。
一般來說，能使材料表面硬化形成剩余應力的工藝（如噴丸強化和表面氮化等）均可提高疲勞強度。目前正在研究非電解鍍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%。
6．形狀記憶合金的開發(fā) 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。主要用于恒溫、恒載荷、恒變形量的控制系統(tǒng)中。由于是靠彈簧伸縮推動執(zhí)行機構(gòu)，所以彈簧的工作應力變化較大。
7．陶瓷的應用 陶瓷的彈性模量高，斷裂強度低，適用于變化不大的地方。目前正在開發(fā)的有耐熱、耐磨、絕緣性好的陶瓷；應用的有超塑性鋅合金（SPZ），在常溫下具有高的強度。另外，還有高強度的氮化硅，能耐高溫，可達1000℃。但陶瓷彈簧不適用于在沖擊載荷下工作。
8．纖維增強塑料在彈簧中的應用 玻璃纖維增強塑料（GFRP）板彈簧在英、美和日本等國已廣泛應用，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%。
三、彈簧加工技術的發(fā)展
1）變彈簧外徑、變節(jié)距和變鋼絲直徑（三變）懸架彈簧實現(xiàn)了無模塑性加工。自三變彈簧開發(fā)以來，一直采用錐形鋼棒在數(shù)控車床上卷繞加工，但成品北和價格均不理想?，F(xiàn)必為加熱狀態(tài)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。
2）中空穩(wěn)定彈簧桿采用低碳硼鋼板，卷制焊接成形。
3）扭桿采用高純度的45鋼，經(jīng)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。
4）電子產(chǎn)品廣泛應用的片彈簧基本上采用沖壓和自動彎曲加工成形。目前主要是發(fā)展復合材料的接合技術。
5）氣門彈簧主要發(fā)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。
在機電產(chǎn)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(chǎn)品彈簧；
3）以攝像機、復印機和照相機為主的光學裝置彈簧。
機動車輛彈簧主要是向高強度方向發(fā)展，以減輕質(zhì)量；電子產(chǎn)品彈簧主要是向小形化方向發(fā)展；而光學裝置彈簧主要向著既要高強度化又要小形化方向發(fā)展。相應的彈簧設計方法材料和加工技術等方面均有所發(fā)展。
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