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弹簧加工技术发展

  • 作者:小益
  • 发布时间:2020-10-17 15:04:24
  • 点击:
  • 本文有1361个文字,大小约为6KB,预计阅读时间4分钟

  在机电产品中,用量最大的弹簧主要有三大类: ①以汽车为主的机动车辆弹簧;②以日用电器为主的电子产品弹簧;③以摄像机、复印机和照相机为主的光学装置弹簧.那么,就目前情况来讲,弹簧加工技术、设计及材料的发展又是怎么样的情况呢?

  ●弹簧加工技术的发展

  目前,机械弹簧的加工设备和加工生产线向着数控(NC)和计算机控制(CNC)化的深度和广度发展.但随着弹簧材料和几何形状的变化,加工工艺也有发展.

  ①.气门弹簧主要发展多级喷丸和液体氮化工艺,以改善表面剩余压应力,提高疲劳寿命.

  ②.汽车弹簧主要是向高强度方向发展,以减轻质量.

  ③.中空稳定弹簧杆采用低碳硼钢板,卷制焊接成形.

  ④.扭杆采用高纯度的45钢,经高频淬火获得表面的高硬度和较大的剩余压缩应力,从而提高疲劳寿命和抗松弛能力.

  ⑤.电子产品弹簧主要是向小形化方向发展.

  ⑥.变弹簧外径、变节距和变钢丝直径(三变)悬架弹簧实现了无模塑性加工.现必为加热状态下通过卷簧机,控制轧辊速度和拉拔力,获得所需要的锥体形状,并用加工余热进行淬火.

  ⑦.光学装置弹簧主要向着既要高强度化又要小形化方向发展

  ●弹簧设计的发展

  目前,广泛应用的弹簧应力和变形的计算公式是根据材料力学推导出来的,若无一定的实际经验,很难设计和制造出高精度的弹簧.随着设计应力的提高,以往的很多经验不再适用.为此,必须采用精密的解析技术,当前应用较广的方法是有限元法(FEM).

  车辆悬架弹簧的特征是除足够的疲劳寿命外,抗松弛性能要在规定的范围内,否则将发生车身重心偏移.同时,要考虑环境腐蚀对其疲劳寿命的影响.随着车辆保养期的增大,对永久变形和疲劳寿命都提出了更严格的要求,为此必须采用高精度的设计方法.有限元法可以详细预测弹簧应力对疲劳寿命和永久变形的影响,能准确反映材料对弹簧疲劳寿命和永久变形的关系.

  近年来,弹簧的有限元法设计方法进入实用化阶段,出现了不少有实用价值的报告,如:螺旋角对弹簧应力的影响;用有限元法计算的应力和疲劳寿命的关系等.

  另外,在弹簧的设计过程中还引进了优化设计.弹簧的结构较为简单,功能单纯,影响结构和性能的参变量省,所以设计者很早就运用解析法、图解法或图解分析法寻求最优设计方案,取得了一定的成效.随着计算技术的发展,利用计算机进行非线性规划的优化设计,取得了成效.

  ●弹簧材料的发展

  随着弹簧应用技术的发展,对材料提出了更高的要求.主要是在高应力下的提高疲劳寿命和抗松弛性能;其次是根据不同的用途,而更多的要求如,具有耐蚀性、非磁性、耐热性、导电性、耐磨性等.另外严格控制化学成分,降低非金属夹杂,提高表面质量和尺寸精度等方面也取得了有益的成效.

  1.合金钢的发展

  气门弹簧和悬架弹簧已广泛应用Si-Cr钢.为了提高疲劳寿命和抗松弛性能,在Si-Cr钢中添加V、Mo.同时开发了Si-Cr拉拔钢丝,其在高温下工作时的抗松弛性能,比琴钢丝好.随着发动机高速小型化,抗颤振性能好、质量轻、弹性模量小的Ti合金得到了较为广泛的应用,其强度可达2000Mpa.

  2.不锈钢丝的发展

  1>奥氏体组织不锈钢丝强度比铁素体组织的好,其耐蚀性也优于马氏体组织,因面应用范围不断扩大.

  2>低温拔丝或低温氮化拔丝可提高钢丝强度.马氏体受热时组织不稳定,而在低温液体氮中拔丝能形成隐针状马氏体,可获得热态高强度.此种钢丝在美国和日本已有不少应用,但目前只能处理1mm以下的钢丝.

  3>电子设备中的精密弹簧要求非磁性,此种钢丝在拉拔加工时,不能生成隐针状马氏体.为此要添加N、Mn、Ni等元素.由于Mn的含量增加,加工中不会生成隐针状马氏体.经固溶处理,强度可达2000Mpa,疲劳性能高,优于SUS304.

  3.提高材料纯度

  对高强度材料,严格控制夹杂,提高纯度以保证其性能.如气门弹簧材料的含氧量,目前已达20×10ˉ6发展.

  4.改善表面质量

  材料表面质量对疲劳性能影响很大.为了保证表面质量,对有特殊要求的材料采用剥皮工艺将表层0.1mm.对0.5mm深度的缺陷采用涡流探伤.对拔丝过程表面产生的凹凸不平,可用电解研磨,使表面粗糙降到Ra=6.5~3.4μm.

  5.电镀钢丝的发展

  一般来说,能使材料表面硬化形成剩余应力的工艺均可提高疲劳强度.目前正在研究的非电解镀Ni,通过加热(300~500℃)可将7%的P以PNi析出,可提高维氏硬度达HV500.喷丸后,若在300℃以下加热镀Ni,亦可提高硬度10%.

  在特殊情况下,除要求弹簧特性外,还要求耐蚀、导电等附加性能,大多均采用电镀工艺解决. 部分不锈钢丝和琴钢丝的耐蚀性能相当于镀锌的耐蚀性能,若再镀一层ZnAl(5%)的合金,则耐蚀性可提高约3倍. 对电阻性能有要求的不锈钢丝或琴钢丝,钢丝直径小于0.4mm的可镀铜,大于0.4mm的可采用内部是铜,外部是不锈钢材料.一般琴钢丝镀5μm厚的Ni,可提高其导电性.

  6.形状记忆合金的开发

  目前在弹簧方面有应用前途的单向形状记忆合金,以50Ti-50Ni性能最好.形状记忆合金制成的弹簧,受温度的作用可伸缩.由于是靠弹簧伸缩推动执行机构,所以弹簧的工作应力变化较大.主要用于恒温、恒载荷、恒变形量的控制系统中.

  7.纤维增强塑料在弹簧中的应用

  玻璃纤维增强塑料(GFRP)板弹簧在各国已广泛应用,除用于横置悬架外,还可用于特殊轻型车辆,如赛车的纵置悬架.目前又研制成功了碳素纤维增强塑料(CFRP)悬架弹簧,比金属板簧要轻20%.

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