彈簧設(shè)計、材料及加工技術(shù)的發(fā)展

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(fù)印機和照相機為主的光學(xué)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(xué)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(yīng)的彈簧設(shè)計方法材料和加工技術(shù)等方面均有所發(fā)展。

　　一、 彈簧設(shè)計的發(fā)展

　　目前，廣泛應(yīng)用的彈簧應(yīng)力和變形的計算公式是根據(jù)材料力學(xué)推導(dǎo)出來的，若無一定的實際經(jīng)驗，很難設(shè)計和制造出高精度的彈簧。隨著設(shè)計應(yīng)力的提高，以往的很多經(jīng)驗不再適用。例如，彈簧的設(shè)計應(yīng)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(shù)，當前應(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，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(shè)計方法。有限元法可以詳細預(yù)測彈簧應(yīng)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(guān)系。

　　近年來，彈簧的有限元法設(shè)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(yīng)力的影響；用有限元法計算的應(yīng)力和疲勞壽命的關(guān)系等。

　　另外，在彈簧的設(shè)計過程中還引進了優(yōu)化設(shè)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(shè)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(shè)計方案，取得了一定成效。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，利用計算機進行非線性規(guī)劃的優(yōu)化設(shè)計，取得了成效。

　　可靠性設(shè)計是為了保證所設(shè)計的產(chǎn)品的可靠性而采用的一系列分析與設(shè)計技術(shù)，它的任務(wù)是在預(yù)測和預(yù)防產(chǎn)品可能發(fā)生故障的基礎(chǔ)上，使所設(shè)計的產(chǎn)品達到規(guī)定的可靠性目標值。是傳統(tǒng)設(shè)計方法的一種補充和完善。彈簧設(shè)計在利用可靠性技術(shù)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(yīng)用技術(shù)的開發(fā)，也給設(shè)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(shè)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(shè)計公式求出的圈數(shù)，制成的彈簧剛度均比設(shè)計剛度值小，需要減少有效圈數(shù)，方可達到設(shè)計要求。

　　二、彈簧材料的發(fā)展

　　彈簧應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對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)不同的用途，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(yīng)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(yīng)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(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，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(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(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(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執(zhí)行機構(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(yīng)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(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，機械彈簧的加工設(shè)備和加工生產(chǎn)線向著數(shù)控(NC)和計算機控制(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。現(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(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。