彈簧的應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展

彈簧的應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展
在機(jī)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(jī)動(dòng)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(jī)、復(fù)印機(jī)和照相機(jī)為主的光學(xué)裝置彈簧。

機(jī)動(dòng)車輛彈簧主要是向高強(qiáng)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(xué)裝置彈簧主要向著既要高強(qiáng)度化又要小形化方向發(fā)展。相應(yīng)的彈簧設(shè)計(jì)方法材料和加工技術(shù)等方面均有所發(fā)展。

一、 彈簧設(shè)計(jì)的發(fā)展

目前，廣泛應(yīng)用的彈簧應(yīng)力和變形的計(jì)算公式是根據(jù)材料力學(xué)推導(dǎo)出來的，若無一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，很難設(shè)計(jì)和制造出高精度的彈簧。隨著設(shè)計(jì)應(yīng)力的提高，以往的很多經(jīng)驗(yàn)不再適用。例如，彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力提高后，螺旋角加大，會(huì)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(shù)，當(dāng)前應(yīng)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(shí)，要考慮環(huán)境腐蝕對(duì)其疲勞壽命的影響。隨著車輛保養(yǎng)期的增大，對(duì)永久變形和疲勞壽命都提出了更嚴(yán)格的要求，為此必須采用高精度的設(shè)計(jì)方法。有限元法可以詳細(xì)預(yù)測(cè)彈簧應(yīng)力對(duì)疲勞壽命和永久變形的影響，能準(zhǔn)確反映材料對(duì)彈簧疲勞壽命和永久變形的關(guān)系。

近年來，彈簧的有限元法設(shè)計(jì)方法進(jìn)入實(shí)用化階段，出現(xiàn)了不少有實(shí)用價(jià)值的報(bào)告，如螺旋角對(duì)彈簧應(yīng)力的影響；用有限元法計(jì)算的應(yīng)力和疲勞壽命的關(guān)系等。

對(duì)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(fēng)吹草動(dòng)應(yīng)力彈簧的應(yīng)力，兩種方法得出的結(jié)果差別比較大。這是因?yàn)殡S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(yīng)力也較大。用現(xiàn)行的設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)計(jì)過程中還引進(jìn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)者很早就運(yùn)用解析法、圖解法或圖解分析法尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，取得了一定成效。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行非線性規(guī)劃的優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了成效。

可靠性設(shè)計(jì)是為了保證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的可靠性而采用的一系列分析與設(shè)計(jì)技術(shù)，它的任務(wù)是在預(yù)測(cè)和預(yù)防產(chǎn)品可能發(fā)生故障的基礎(chǔ)上，使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的可靠性目標(biāo)值。是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的一種補(bǔ)充和完善。彈簧設(shè)計(jì)在利用可靠性技術(shù)方面取得了一定的進(jìn)展，但要進(jìn)一步完善，需要數(shù)據(jù)的開發(fā)和積累。

隨著彈簧應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)，也給設(shè)計(jì)者提出了很多需要注意和解決的新問題。如材料、強(qiáng)壓和噴丸處理對(duì)疲勞性能和松弛性能的影響，設(shè)計(jì)時(shí)難以確切計(jì)算；要靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來定；又如按現(xiàn)行設(shè)計(jì)公式求出的圈數(shù)，制成的彈簧剛度均比設(shè)計(jì)剛度值小，需要減少有效圈數(shù)，方可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

二、彈簧材料的發(fā)展

彈簧應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料提出了更高的要求。主要是在高應(yīng)力下的提高疲勞壽命和抗松弛性能；其次是根據(jù)不同的作途，要求具有耐蝕性、非磁性、導(dǎo)電性、耐磨性、耐熱性等。為此，彈簧材料除開發(fā)了新品種外，另外嚴(yán)格控制化學(xué)成分，降低非金屬夾雜，提高表面質(zhì)量和尺寸精度等方面也取得了有益的成效。

1．合金鋼的發(fā)展 氣門彈簧和懸架彈簧已廣泛應(yīng)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(shí)開發(fā)了Si-Cr拉拔鋼絲，其在高溫下工作時(shí)的抗松弛性能，比琴鋼絲好。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)用，其強(qiáng)度可達(dá)2000Mpa。

2．不銹鋼絲的發(fā)展

1）奧氏體組織不銹鋼絲強(qiáng)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(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

2）低溫拔絲或低溫氮化拔絲可提高鋼絲強(qiáng)度。馬氏體受熱時(shí)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(qiáng)度。此種鋼絲在美國和日本已有不少應(yīng)用，但目前只能處理1mm以下的鋼絲。

3）電子設(shè)備中的精密彈簧要求非磁性，此種鋼絲在拉拔加工時(shí)，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(huì)生成隱針狀馬氏體。經(jīng)固溶處理，強(qiáng)度可達(dá)2000Mpa，疲勞性能高，優(yōu)于SUS304。

3．提高材料純度 對(duì)高強(qiáng)度材料，嚴(yán)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(dá)20×10ˉ６發(fā)展。

4．改善表面質(zhì)量 材料表面質(zhì)量對(duì)疲勞性能影響很大。為了保證表面質(zhì)量，對(duì)有特殊要求的材料采用剝皮工藝將表層0.1mm。對(duì)0.5mm深度的缺陷采用渦流探傷。對(duì)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(dǎo)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(dāng)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(duì)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(dǎo)電性。

一般來說，能使材料表面硬化形成剩余應(yīng)力的工藝（如噴丸強(qiáng)化和表面氮化等）均可提高疲勞強(qiáng)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(dá)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(yīng)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以彈簧的工作應(yīng)力變化較大。

7．陶瓷的應(yīng)用 陶瓷的彈性模量高，斷裂強(qiáng)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(yīng)用的有超塑性鋅合金（SPZ），在常溫下具有高的強(qiáng)度。另外，還有高強(qiáng)度的氮化硅，能耐高溫，可達(dá)1000℃。但陶瓷彈簧不適用于在沖擊載荷下工作。

8．纖維增強(qiáng)塑料在彈簧中的應(yīng)用 玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）板彈簧在英、美和日本等國已廣泛應(yīng)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(qiáng)塑料（CFRP）懸架彈簧，比金屬板簧要輕20%。

三、彈簧加工技術(shù)的發(fā)展

目前，機(jī)械彈簧的加工設(shè)備和加工生產(chǎn)線向著數(shù)控（NC）和計(jì)算機(jī)控制（CNC）化的深度和廣度發(fā)展。但隨著彈簧材料和幾何形狀的變化，加工工藝亦有發(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(shí)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(jià)格均不理想?，F(xiàn)必為加熱狀態(tài)下通過卷簧機(jī)，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(jìn)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(yīng)力，從而提高疲勞壽命和抗松弛能力。

4）電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用的片彈簧基本上采用沖壓和自動(dòng)彎曲加工成形。目前主要是發(fā)展復(fù)合材料的接合技術(shù)。

5）氣門彈簧主要發(fā)展多級(jí)噴丸和液體氮化工藝，以改善表面剩余壓應(yīng)力，提高疲勞壽命