對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中某些彈簧內(nèi)容的疑義

發(fā)布時(shí)間：2010/7/10

對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中某些彈簧內(nèi)容的疑義
摘要
　　目前國(guó)內(nèi)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中有關(guān)彈簧設(shè)計(jì)與制造的一些指導(dǎo)性論述與實(shí)際應(yīng)用是有一些差異的。本文將對(duì)有關(guān)“手冊(cè)”中的節(jié)錄與筆者根據(jù)實(shí)踐和分析后的結(jié)果做一些闡述。
　　關(guān)鍵詞
　　強(qiáng)壓處理 電拋光處理 截錐形彈簧的設(shè)計(jì)
　　前言
　　應(yīng)出版社的要求，筆者對(duì)近四十年以來(lái)國(guó)內(nèi)（包括國(guó)外譯著）機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中有關(guān)彈簧設(shè)計(jì)與制造方面的內(nèi)容進(jìn)行了研讀，從中注意到這些著作中的一些指導(dǎo)性論述和我們?cè)谏a(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用是有一定的差異的?，F(xiàn)在將這些手冊(cè)中的一些內(nèi)容節(jié)錄，并與筆者根據(jù)實(shí)踐和分析后的結(jié)果闡述如下。
　　一、關(guān)于彈簧的強(qiáng)壓（拉、扭）處理
　　《GB1805 彈簧術(shù)語(yǔ)》對(duì)彈簧強(qiáng)壓（拉、扭）處理作了如下定義：“將彈簧壓縮（拉伸、扭轉(zhuǎn)）至彈簧材料表層產(chǎn)生有益的與工作應(yīng)力反向殘余應(yīng)力，以達(dá)到提高彈簧承載能力和穩(wěn)定幾何尺寸的一種工藝方法” 。
　　化學(xué)工業(yè)出版社出版的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1] 第15章 “彈簧的強(qiáng)化處理及熱處理—強(qiáng)壓（強(qiáng)拉、強(qiáng)扭）處理”一節(jié)中，以理論力學(xué)做了分析后得出結(jié)論認(rèn)為：“以上結(jié)論表明：設(shè)計(jì)彈簧時(shí)，如以彈簧材料扭轉(zhuǎn)屈服極限τ2為設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)力。壓縮彈簧經(jīng)強(qiáng)壓處理后，材料截面表層可能存在近于τ2 / 3的負(fù)殘余應(yīng)力，故彈簧承載時(shí)，截面表層的實(shí)際應(yīng)力比計(jì)算應(yīng)力低約1/3。…故亦相當(dāng)于承載能力提高了1/ 3?！?該手冊(cè)還認(rèn)為：不同類型的彈簧其強(qiáng)壓處理的方法…扭桿彈簧是將扭桿在工作載荷的方向，加以超過(guò)扭桿切變彈性極限的扭矩；壓縮彈簧和拉伸彈簧分別加以超過(guò)彈簧材料切變彈性極限的壓縮和拉伸載荷；扭轉(zhuǎn)彈簧加以超過(guò)彈簧材料極限的扭矩，都可以提高彈簧的承載能力。
　　機(jī)械工業(yè)出版社出版的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 [2]（1993年版）第30篇提出：“經(jīng)過(guò)強(qiáng)壓（拉）處理的彈簧，可以提高彈簧的許用應(yīng)力τP，最高可以達(dá)25%……”根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]提供的資料，可以統(tǒng)計(jì)并得到彈簧強(qiáng)壓（拉、扭）處理前和強(qiáng)壓處理后可以達(dá)到的許用應(yīng)力[τ]值。列表如下：
　　彈簧種類 許用應(yīng)力強(qiáng)壓處理后可以達(dá)到的許用應(yīng)力
　　壓縮彈簧Ⅰ類[τ] =（0.35～0.4）σb
　　　　　?、蝾?[τ] =（0.4～0.47）σb
　　　　　?、箢?[τ]=（0.5～0.55）σb
　　　　　　　　[τ] =（0.44～0.532）σb
　　　　　　　　[τ] =（0.50～0.625）σb
　　　　　　　　[τ]=（0.62～0.731）σb
　　拉伸彈簧Ⅰ類 = [τ]（0.28～0.32）σb
　　　　　?、蝾?= [τ]（0.32～0.38）σb
　　　　　?、箢?= [τ]（0.40～0.44）σb
　　　　　　　　[τ] =（0.35～0.425）σb
　　　　　　　　[τ] =（0.40～0.505）σb
　　　　　　　　[τ] =（0.50～0.585）σb
　　扭轉(zhuǎn)彈簧強(qiáng)扭處理前的工作極限彎曲應(yīng)力σf
　　　　　?、蝾怺τ] = 0.625σb
　　　　　?、箢怺τ] = 0.80σb
　　　　　　強(qiáng)壓處理后可以達(dá)到的極限彎曲應(yīng)力σf
　　　　　　　　[τ]=（0.78～0.83）σb
　　　　　　　　[τ] =（1.00～1.06）σb
　　注：(1)Ⅰ類載荷(106以上);Ⅱ類載荷(103～105);Ⅲ類載荷(103以下)
　　　　(2)強(qiáng)壓(拉、扭)處理后可以達(dá)到的許用應(yīng)力是按強(qiáng)壓(拉、扭)處理前的許用應(yīng)力的1.25～1.33倍計(jì)算得到的。
　　通過(guò)強(qiáng)壓處理能夠使彈簧一下子就提高承載能力25%～33%，這對(duì)于剛剛接觸機(jī)械零件設(shè)計(jì)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，確實(shí)是一個(gè)有非常吸引人的數(shù)據(jù)。
　　但是，經(jīng)過(guò)筆者的實(shí)踐和分析，認(rèn)為：通過(guò)強(qiáng)壓（拉、扭）處理來(lái)提高彈簧的承載能力是有條件的。因?yàn)樵趶?qiáng)壓處理過(guò)程中，只有將彈簧材料表層產(chǎn)生有益的與工作應(yīng)力反向殘余應(yīng)力，才能獲得強(qiáng)壓的效果，并且只有在強(qiáng)壓（拉、扭）時(shí)，使得彈簧材料產(chǎn)生的殘余應(yīng)力即塑性變形越大，彈簧材料的彈性極限提高得就越大。但每種材料的彈性極限都是有一定的限度的，一旦超過(guò)這個(gè)極限，材料不僅會(huì)產(chǎn)生塑性變形，而且會(huì)“完全屈服”變形，許多彈簧在強(qiáng)壓（拉）到材料的0.5σb就已經(jīng)“完全屈服”變形。各種材料屈服極限值也有差異，屈服極限值只能通過(guò)強(qiáng)度驗(yàn)算和試驗(yàn)后才能確定。另外，強(qiáng)壓（拉、扭）處理的效果與彈簧的外形結(jié)構(gòu)、特性、以及強(qiáng)壓處理的工藝方法都有密切的關(guān)系。就彈簧的外形結(jié)構(gòu)而言，旋繞比大或者螺旋升角小的（壓縮彈簧）就不可能通過(guò)強(qiáng)壓處理來(lái)提高它的承載能力，旋繞比和螺旋升角究竟多少能達(dá)到目的，需要通過(guò)強(qiáng)壓設(shè)計(jì)和試驗(yàn)才能確定。所以，并非僅僅是簡(jiǎn)單的將彈簧壓一壓、拉一拉或者扭一扭，就能夠一下子提高承載能力多少多少的。
　　綜上分析，彈簧強(qiáng)壓處理的壓應(yīng)力τQy或者壓力PQy首先應(yīng)該滿足以下公式要求：τQy=8DPQy/πd3＞τS≥0.5
　　同時(shí)，當(dāng)τQy /σb＞0.8時(shí)，會(huì)使材料達(dá)到屈服極限，彈簧出現(xiàn)永久變形，反而使載荷減少。
　　因此強(qiáng)壓處理的壓應(yīng)力τQy /σb必須在0.5～0.8范圍內(nèi)。從上面表格中可以看出：除非是高應(yīng)力彈簧，一般的壓縮、拉伸和扭轉(zhuǎn)彈簧都不具備強(qiáng)壓（拉、扭）的必備條件，但可以通過(guò)對(duì)彈簧進(jìn)行“預(yù)制高”的工藝來(lái)創(chuàng)造條件。例如：對(duì)于壓縮彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧，可以通過(guò)對(duì)它預(yù)留強(qiáng)壓的“預(yù)制高”和“預(yù)制角”來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：一是使得彈簧材料截面表層可以產(chǎn)生殘余應(yīng)力的“壓縮量”和“扭轉(zhuǎn)量”；二是經(jīng)過(guò)強(qiáng)壓處理后彈簧的高度尺寸或角度正好符合設(shè)計(jì)的要求。對(duì)于拉伸彈簧來(lái)說(shuō)第一個(gè)目的就不容易實(shí)現(xiàn)。
　　根據(jù)以上的分析和筆者以往對(duì)截錐形彈簧強(qiáng)壓處理效果的探討[3]，得到對(duì)彈簧強(qiáng)壓處理的意見(jiàn)是：
　　1、在考慮要對(duì)彈簧作強(qiáng)壓處理時(shí)，應(yīng)該先對(duì)彈簧進(jìn)行強(qiáng)壓設(shè)計(jì)，以確定該彈簧是否適合做強(qiáng)壓處理。
　　2、具備強(qiáng)壓處理?xiàng)l件并受高應(yīng)力的壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧等，經(jīng)過(guò)強(qiáng)壓處理后力學(xué)性能會(huì)得到明顯的改善。
　　3、有初拉力要求的拉伸彈簧，在強(qiáng)拉處理時(shí)初拉力會(huì)減少甚至消失，這類彈簧不能做強(qiáng)拉處理[4]。而無(wú)初拉力要求的拉伸彈簧，是不容易通過(guò)強(qiáng)拉處理來(lái)提高承載能力的。
　　4、高溫（超過(guò)+60℃）及腐蝕條件下工作的彈簧作強(qiáng)壓處理，只能起穩(wěn)定尺寸的作用，不能提高承載能力。
　　5、通過(guò)用強(qiáng)壓處理的方法來(lái)提高截錐形彈簧的承載能力在實(shí)際上是不可取的[3] ，并以此可以推斷出：對(duì)于各種變剛度的彈簧，是不適合用強(qiáng)壓處理的方法來(lái)提高它的承載能力的。
　　二、關(guān)于電拋光處理
　　為了滿足對(duì)要求精密的彈性零件的力學(xué)性能，一些文獻(xiàn)[4]提出：“可以對(duì)用精密合金、銅合金和不銹鋼絲制造的彈簧進(jìn)行電拋光或者化學(xué)拋光處理，以微量削減材料表層，來(lái)達(dá)到需要的尺寸和特性。” 筆者經(jīng)過(guò)實(shí)踐后認(rèn)為，采用電拋光是可以削減彈簧表層的尺寸的，這對(duì)一些壓縮彈簧、彈簧片和波紋管可以適當(dāng)?shù)牟捎?，但是?duì)拉伸、扭轉(zhuǎn)等無(wú)間隙的彈簧，不適合用電拋光來(lái)降低其力學(xué)性能。
　　因?yàn)?，電拋光的電流及其電介液（含硫酸、硝酸等）在極短的時(shí)間內(nèi)(拋光的時(shí)間一般2～8秒)不可能均勻地通過(guò)彈簧圈與圈之間的縫隙，這樣經(jīng)過(guò)電拋光處理后的拉、扭簧材料的截面直徑成了不均勻、不規(guī)則的多棱邊形，這對(duì)精度要求比較高的彈簧來(lái)說(shuō)是不可取的。從電拋光對(duì)彈簧性能的影響考慮出發(fā)，是不宜用過(guò)多的時(shí)間去電拋光，因?yàn)樵谒崛芤旱臅r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)彈簧強(qiáng)度的影響是絕對(duì)存在的，而且是有害的。其次，電拋光的溶液使用期較低，工藝參數(shù)變化大，每批彈簧都需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后才能確定，從經(jīng)濟(jì)上考慮也提高了成本。目前各種牌號(hào)各種直徑規(guī)格的彈簧鋼絲都有供應(yīng)，基本上能滿足各種精密要求彈簧的力學(xué)性能。
　　綜上所述對(duì)拉伸彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧，想通過(guò)電拋光來(lái)削減其微量尺寸，以達(dá)到需要的特性，并不可取的。對(duì)化學(xué)拋光也存在同樣的問(wèn)題。
　　三、關(guān)于截錐形彈簧的設(shè)計(jì)
　　1982年以后，我國(guó)出版的各種機(jī)械工程手冊(cè)中介紹了等螺旋升角截錐形彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，其中都提到等螺旋升角截錐形彈簧所形成的螺旋線，在與彈簧中心線相垂直的支承面上的投影是對(duì)數(shù)學(xué)螺線，即：R＝R1emθ m＝In（R2-R1）/ 2π
　　但是，在實(shí)際介紹這種彈簧的變形和應(yīng)力計(jì)算以及其幾何尺寸時(shí)，又將它和等節(jié)距截錐形彈簧混為一談。這就給有精度要求的等螺旋升角截錐形彈簧的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)困難。筆者因?yàn)楣ぷ餍枰?，曾?jīng)推導(dǎo)過(guò)等螺旋升角截錐形彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算方法[5]，也曾經(jīng)查閱過(guò)國(guó)外有關(guān)等螺旋升角截錐形彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，其中前蘇聯(lián)[6]的計(jì)算公式是完全正確的、精確的。
　　另外，等節(jié)距截錐形彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算公式也存在一些問(wèn)題。今后將在專門的文章里提出討論。
　　在截錐形彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算這個(gè)問(wèn)題上，對(duì)于《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》這部中國(guó)機(jī)械零件設(shè)計(jì)指導(dǎo)性手冊(cè)的正確性和精確性，是否有些小小的遺憾。
　　后語(yǔ)
　　筆者提出的上述觀點(diǎn)對(duì)于專門從事彈簧的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，或許是微不足道的。但是，《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》的對(duì)象是國(guó)內(nèi)外廣大從事機(jī)械工程設(shè)計(jì)和制造的科技工作者，《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》是一本具有指導(dǎo)性、權(quán)威性和經(jīng)典的文獻(xiàn)，手冊(cè)中的觀點(diǎn)方法和公式等內(nèi)容，都必須是嚴(yán)密精確的，符合生產(chǎn)實(shí)際的。否則會(huì)給使用單位和使用人員帶去困難和麻煩。
　　最后，我國(guó)彈簧的設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)已涉及到許多種類的彈簧，但是截錐形彈簧的設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)還是一個(gè)空白。截錐形彈簧在我國(guó)的航空、航天和汽車制造工業(yè)等都在應(yīng)用。是否在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)能制定一個(gè)截錐形彈簧的標(biāo)準(zhǔn)？
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 成大先主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第3卷，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年1月.第11-149頁(yè)
　　[2] 徐 灝主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第4卷，機(jī)械工業(yè)出版社，1993年8月.第30篇12頁(yè)
　　[3] 朱 炎，截錐形彈簧強(qiáng)壓處理效果探討，全國(guó)材料強(qiáng)度及殘余應(yīng)力學(xué)術(shù)會(huì)，1994年
　　[4] 金慧根主編，航空制造工程手冊(cè)—彈性元件工藝， 航空工業(yè)出版社，1994年
　　[5] 朱 炎，引導(dǎo)傘圓錐形彈簧的計(jì)算方法，第二屆全國(guó)航空安全救生學(xué)術(shù)討論會(huì)，1984
　　[6] Н?С?阿切爾康，機(jī)械制造者手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出