弹簧基础知识及设计

弹簧基础知识及设计培训弹簧的热处理、强化处理及表面处理2.弹簧的制造、材料和许用应力1.弹簧的功用和类型7.弹簧设计应考量事项及国标1.1弹簧的功用工作特点：受力后能产生较大的弹性变形，去除外力后能恢复原状。功用：1.控制机构运动或零件的位置;如凸轮机构、离合器、阀门等；3.存储能量;如钟表仪器中的弹簧；4.测量力的大小;如弹簧秤中的弹簧2.缓冲吸振;如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧；1.2弹簧的类型◆按结构形状来分，大致分圆柱螺旋弹簧、非圆柱螺旋弹簧和其他类型弹簧a）圆柱螺旋弹簧名称和性能结构形式名称和性能结构形式圆截面材料圆柱螺旋压缩弹簧特性线成线性，结构简单，制造方便，应用最广圆柱螺旋拉伸弹簧用于承受拉伸载荷的场合圆柱螺旋扭转弹簧主要用于各种装置中的压紧和储能矩形截面材料圆柱螺旋压缩弹簧在所占空间相同时，矩形截面材料比圆截面材料能吸收的能量多，刚度更接近于常数1.2弹簧的类型b)非圆柱螺旋弹簧名称和性能结构形式名称和性能结构形式截锥螺旋弹簧中凹形螺旋弹簧当弹簧压缩到开始有簧圈接触后，特性线变为非线性，自振频率为变值，防共振能力较变截距压缩弹簧强。稳定性好，结构紧凑。多用于承受较大载荷和减振。特性与截锥螺旋弹簧相似，主要用于坐垫和床垫等非圆形螺旋弹簧中凸形螺旋弹簧主要用在外廓尺寸有限制的情况下，根据外廓空间的要求，弹簧圈可制成方形、矩形、椭圆形、和梯形等特性与截锥螺旋弹簧相似1.2弹簧的类型c)其他类型名称和性能结构形式名称和性能结构形式碟形弹簧板弹簧缓冲和减振能力强。采用不同的组合可以得到不同的特性线。多用于重型机械的缓冲和减振装置及车辆的牵引钩。缓冲和减振性能好，尤其多板弹簧减振能力强。主要用于汽车、拖拉机和铁道车辆的悬架装置环形弹簧平面涡卷弹簧有很高的减振能力用于重型设备的缓冲装置。圈数多，变形角大，能储存的能量大。多用作压紧弹簧和仪器、钟表中的储能弹簧2.1弹簧的制造工艺及设备一、冷成型弹簧的制造工艺螺旋压缩弹簧：卷制去应力退火(端面磨削)(抛丸、立定、或强压处理)当使用成形后不需淬火、回火处理的材料制造弹簧时，其工艺过程为：·检验表面防腐处理包装拉伸/扭转弹簧：卷制去应力退火(立定处理)检验表面防腐处理包装※带括号的工序为非固定工序，是否进行取决于弹簧的性能要求冷卷：0.08mm≤d≤20mm1)硬状态：只需去应力退火，消除应力热卷：d≥14mm→淬火、回火2)软状态(退火状态)：成型后淬火，回火方能达到所需性能冷卷：0.08mm≤d≤20mm热卷：d≥14mm→淬火、回火1)硬状态：只需去应力退火，消除应力2)软状态(退火状态)：成型后淬火，回火方能达到所需性能2.1弹簧的制造工艺及设备二、冷成型弹簧的制造设备JSC-8A2高速压簧机JYF-C435高速压簧机带检长功能JX-625R数控折弯转线机JX-625S第三工程机JX-625数控折弯卷线机TEN-10数控折耳弯曲机数控双端面磨簧机连续式网带回火炉2.2弹簧使用材料及用途项目名称JIS代码成分组成主要用途及特点单价级别JIS标准回火温度热后颜色SUS302和WPB经过冷加工可得高强度，铁路车辆、输送机螺丝、螺帽、弹簧等，耐热、耐蚀。SUS304和WPB广为使用于不锈钢、耐热钢，又用于食品设备，一般仪学设备，耐热耐蚀。2碳钢线SWCSWBC(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)硬拉钢线，用于耐蚀性差，要求精度不高，钢性较脆，成形后要表面处理或加防锈油。低JISG3521200°~400°之间（视线径之大小）淡茶色、茶色、青色、淡蓝色、褐色3琴钢线SWPASWPBC(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)、Cu(铜)耐疲劳性佳，要求精度高。一般用于电池弹簧、开关弹簧等、钢性柔韧，成形后要表面处理或加防锈油。高JISG3522200°~400°之间（视线径之大小）同SWC、SWB米灰色亮白色300°~480°之间（视线径之大小）JISG4314中C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)、Ni(镍)、Cr(铬)、Mo(钼)1不锈钢线弹簧定制选材的原则是：选择弹簧材料时应充分考虑弹簧的工作条件（载荷的大小及性质、工作温度和周围介质的情况）、功用及经济性等因素。一般应优先采用碳素弹簧钢丝。2.2弹簧使用材料及用途项目名称JIS代码成分组成主要用途及特点单价级别JIS标准回火温度热后颜色4铍铜线C1720WBe(铍)、Mn(锰)、Ni(镍)、P(磷)[Cu(铜)+Sn(锡)+P(磷)]Ni(镍)+Co(钴)耐蚀性佳，时效硬化处理后，增加耐疲劳性，导电性时效硬化处理应加工后，可制螺丝弹簧电刷，通讯器具（表面镀银、金）。特高JISH3270150°~200°黄色5磷青铜C5191WSn(锡)、Zn(锌)、P(磷)耐疲劳性，耐蚀性、耐磨耗性佳，可制螺丝弹簧、扭簧、扣钮、扎电机、通讯市场适用（镀金、银）。较高JISH3270150°~200°黄色6其它常需特别制做，造价昂贵。如油回火线、白铜线及其它线材，不常用，适用于航天科技。镀镍线等同SWC+Ni。细分表2.3弹簧材料的抗拉强度碳素弹簧钢丝：25#-80#/40Mn–70Mn2.3弹簧材料的抗拉强度琴钢丝：60#-80#/60Mn–70Mn/T8MnA/T9A2.3弹簧材料的抗拉强度不锈钢丝：304/316/631A组：12Cr18Ni906Cr19Ni1006Cr17Ni12Mo2B组：12Cr18Ni906Cr19Ni10C组：07Cr17Ni7A1A组：12Cr18Ni906Cr19Ni1006Cr17Ni12Mo2B组：12Cr18Ni906Cr19Ni10C组：07Cr17Ni7A10.0800.0900.100.12_1.601.802.001324~15691667~19121569~18140.140.160.180.201961~22062.302.601275~15201569~18141569~18140.230.260.290.320.350.402059~23051912~21572.903.203.504.001177~14221471~17161373~16180.450.500.550.600.650.701961~22061814~20594.505.005.506.001079~13241373~16181275~15200.800.901.001471~17161863~21081765~20106.507.008.00981~12261275~1520_1.201.401373~16181765~20101667~19129.0010.0012.001128~1373981~1226883~1128_1569~1814钢丝直径d/mm抗拉强度σb/Mpa钢丝直径d/mm抗拉强度σb/Mpa1618~18632157~24032.4弹簧的许用应力圆柱螺旋弹簧按载荷分为三类：I类弹簧：受变载荷作用次数1X106次以上的弹簧。III类弹簧：受静载荷或变载荷作用次数在1X103次以下的载荷等；II类弹簧：受变载荷作用次数在1X103~1X106次范围内的载荷，以及冲击载荷等；※弹簧的许用应力主要取决材料品质、热处理方法、载荷性质、弹簧的工作条件和重要程度，以及材料线径的尺寸等2.4弹簧的许用应力2.4.1螺旋压缩和拉伸弹簧的许用切应力※材料直径d＜1.0时，试验切应力τs按图中对应示值选取2.4弹簧的许用应力2.4.1螺旋扭转弹簧的许用弯曲应力※材料直径d＜1.0时，试验切应力τs按图中对应示值选取3.1弹簧的热处理一、热处理的作用1.消除它的内应力，使弹簧形状固定，增加弹性，延长使用寿命。2.材质本身硬度增高。二、热处理的方法2.淬火加中温回火处理。用这种处理方法的多数为热轧材料以热成形方法制作的弹簧，或者用冷拉退火钢丝以冷卷成型的弹簧。1.去应力退火(俗称定型回火)。应用这一处理方法的主要是一些用经过强化处理的钢丝，如碳素钢丝、琴钢丝、油淬火回火钢丝以冷成形工艺制作的弹簧。3.时效硬化处理。应用这一处理方法的为经过固溶处理和冷拉强化的奥氏体，沉淀硬化不锈钢丝以冷成形工艺制作的弹簧。三、线材特性的热处理变化区分碳素钢线琴钢线不锈钢线磷铜线外径变小变小变大不变化长度变长或变短变长或变短变短不变化圈数增多增多减少不变化角度变小变小变大不变化3.2弹簧的强化处理1.立定（稳定化）处理：对压缩弹簧，是把弹簧压缩到工作极限高度或并紧高度数次，一般是3～5次；对拉伸弹簧，是把弹簧长度拉至工作极限长度数次；扭转弹簧，是把弹簧顺工作方向扭转作极限扭转角数次2.强压(强拉、强扭)处理：对压缩弹簧是把弹簧压至材料层的应力超过屈服点，使表面产生负剩余应力，心部产生正剩余应力。3.喷（抛）丸处理：以高速弹丸流喷射弹簧表面，使弹簧表层发生塑性变形，而形成了一定厚度的表面强化层。※强化处理适当，在同样的工作条件下，弹簧的疲劳寿命可以提高5％～35％。反之，如果处理不当，如预加载荷过大，反会使疲劳寿命下降；3.3弹簧的表面处理NO简单工艺介绍镀后颜色用途镀层厚度盐雾试验标准1除油→酸洗→镍底→镀金→烘干金色降低接触电阻，耐磨耗，保真效果。①0.04~0.06μm薄②1.2~1.5μm厚24H以上2除油→酸洗→打铜底2次(碱铜、酸铜)→镍底→镀铬→烘干天蓝色硬度高，耐磨性好，反光能力强，有较好的耐热性。铬0.5μm薄15μm以上厚24H以上3除油→酸洗→打镍底→镀银→烘干银色导电性(金属中)佳，导热率佳。镍3~5μm银0.04~0.06μm连续喷8H,WKSIJL16H(欧230标准)24H以上电解除油→酸洗→打铜底(必要时)→镀镍(滚镀)白色防腐性佳，焊锡，导电耐磨性。3~5μmJIS3H(连续喷雾)无电解除油→酸洗→镍底(镍磷合金化学分解)白色耐蚀性好(较电解)镀层均匀3~5μmJIS3H(连续喷雾)5除油→酸洗→镍底→镀锡亮白色便于焊锡，导电性一般。3~5μm24H以上黑锌除油→酸洗→镀锌→发黑黑色防锈(视产品要求)5μm以上2H蓝锌除油→酸洗→镀锌→发蓝蓝色防锈(视产品要求)5μm以上2H五彩锌除油→酸洗→镀锌→发五彩五彩防锈(视产品要求)5μm以上2H白锌除油→酸洗→镀锌→烘干白色防锈(视产品要求)5μm以上2H7除油→酸洗→染黑(片碱同亚销酸钠)黑色较精密，对尺寸有较小影响，防锈。1~2μm一般不做,常温保持一年(上油情形下)。表面处理镀金(Au)镀铬(Cr)镀银(Ag)镀锡(Sn)染黑中性盐雾试验标准：浓度3%、5%、20%(氯化钠)、PH值6.5~7.2之间，温度95%，降雾每1~2ml/H/80cm2，喷嘴压力0.8~1.4Kg，放置垂直挂或斜15~30°，不可直接喷在2件上。镀镍(Ni)镀锌(Zn)644.弹簧的失效模式弹簧失效断裂松弛或变形磨损脆性断裂氢脆疲劳断裂应力腐蚀断裂氢脆断裂电镀过程的影响：析氢渗氢在整个电解镀锌中是不可避免的，析出的氢能够渗入镀锌层，甚至渗入基体金属和零件应力集中的区域内。锌的吸氢大约在0.001%-0.01%,而铁碳合金吸氢在0.1%左右。氢在金属内使晶格扭曲，产生很大的内应力，致使其机械性能降低，韧性大大降低，导致零件脆断。氢脆的预防：1、不宜强酸清洗，选用盐酸较硫酸为好。控制酸洗时间，以多次短时间比长时间酸洗效果好。2、采用有效的驱氢工序驱散渗氢，减少氢脆应力。驱氢温度一般为210-230℃，驱氢时间6-8h。在电镀锌后2h内进行，间隔时间越短越好。5.圆柱螺旋弹簧的设计计算符号名称单位符号名称单位符号名称单位b高径比mmH1,2,3工作高(长)度mmt节距mmC旋绕比H0自由高(长)度mmα螺旋角°E弹性模量MpaHB压并高度mmL展开长度mmG切边模量MpaHS试验载荷高(长)度mmφ扭转变形角°或radF弹簧载荷ND中径mmσb材料抗拉强度MpaF′弹簧的刚度N/mmD1内径mmσj工作极限应