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弹簧设计、材料及加工

文章出处: 昆山油 安驰传动设备有限公司 发布时间:2017-04-27

 1.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。为了满 足这方面的需求,美国开发了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。
  2.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。
  3.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。
  4.电镀钢 丝的发展在特殊情况下,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。
  一般来说,能使材 料表面硬化形成剩余应力的工艺(如喷丸 强化和表面氮化等)均可提高疲劳强度。目前正 在研究非电解镀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%。
  5.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。主要用于恒温、恒载荷、恒变形 量的控制系统中。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。
  6.陶瓷的 应用陶瓷的弹性模量高,断裂强度低,适用于 变化不大的地方。目前正 在开发的有耐热、耐磨、绝缘性好的陶瓷;应用的 有超塑性锌合金(SPZ),在常温 下具有高的强度。另外,还有高强度的氮化硅,能耐高温,可达1000℃。但陶瓷 弹簧不适用于在冲击载荷下工作。
  7.纤维增 强塑料在弹簧中的应用玻璃纤维增强塑料(GFRP)板弹簧在英、美和日 本等国已广泛应用,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%。
  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,加工工艺亦有发展。
  (1)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。自三变弹簧开发以来,一直采 用锥形钢棒在数控车床上卷绕加工,但成品 北和价格均不理想。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。
  (2)中空稳 定弹簧杆采用低碳硼钢板,卷制焊接成形。
  (3)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。
  (4)电子产 品广泛应用的片弹簧基本上采用冲压和自动弯曲加工成形。目前主 要是发展复合材料的接合技术。
  (5)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。

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