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文檔簡介
1、彈簧基礎知識1、 概述1.1彈簧功用 彈簧是利用自身的變形產生力或儲存能量的機械零件。其主要功能有:控制機械的運動:如內燃機中的閥門彈簧、離合器中的控制彈簧;吸收振動和沖擊能量,如車輛中的緩沖彈簧、聯軸器的吸振彈簧;儲存及輸出能量作為動力,如鐘表彈簧;用做測力元件,如測力器和彈簧秤中的彈簧等。1.2彈簧種類按照所承受的載荷不同,彈簧可以分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉彈簧和彎曲彈簧等四種;按照彈簧的形狀不同,彈簧有可以分為螺旋彈簧、環形彈簧、碟形彈簧、板簧和盤簧等。其中螺旋彈簧是用彈簧絲卷繞制成的,結構簡單且可以根據受載情況制成各種型式,應用最廣泛。1.3彈簧各部分名稱及尺寸關系1、 彈簧絲直徑d
2、:制造彈簧的鋼絲直徑。2、 彈簧外徑D:彈簧的最大外直徑3、 彈簧內徑D1:彈簧的最小外徑4、 彈簧中徑D2:彈簧的平均直徑5、 t:除支撐圈外,彈簧相鄰兩圈對應點在中徑上的軸向距離成為節距。6、 支撐圈數n2:為了使彈簧在工作時受力均勻,保證軸線垂直端面、制造時,常將彈簧兩端并緊。并緊的圈數僅起支撐作用,一般由1.5d、2d、2.5d,常用的是2d7、 有效支撐圈數n:彈簧能保持相同節距的圈數8、 總圈數n1:有效圈數及支撐圈數的和.9、 自由長度L:彈簧在未受外力作用下的長度.10、 螺旋方向:有左右之分,常用右旋,圖紙未注明時用右旋.11、 彈簧剛度E:彈簧的載荷變量及變形變量之比.12
3、、 旋繞比C:也稱彈簧指數,C=D2/d,其它條件相同時,C值越小,彈簧內、外側的應力差越懸殊,材料利用率就越低。所以在設計彈簧時一般規定C>4。13、 螺旋升角:=arctgt/D2,圓拄螺旋壓縮彈簧一般應在5°9°范圍內選取。2、 彈簧使用材料及用途項目名稱JIS代碼概略組成主要用途及特點單價級別JIS標準回火溫度熱后顏色1不銹鋼線SUS302和WPBC(碳)、Si(硅)、Mn(錳)、P(磷)、S(硫)、Ni(鎳)、Cr(鉻)、Mo(鉬)經過冷加工可得高強度,鐵路車輛、輸送機螺絲、螺帽、彈簧等,耐熱、耐蝕。中JISG4314300480度之間米灰色亮白色SUS30
4、4和WPB廣為使用于不銹鋼、耐熱鋼,又用于食品設備,一般儀學設備,原子力,耐熱耐蝕。2碳鋼線SWC SWBC(碳)、Si(硅)、Mn(錳)、P(磷)、S(硫)硬拉鋼線,用于耐蝕性差,要求精度不高,鋼性較脆,成形后要表面處理或加防銹油。低JISG3521200400度之間淡茶色、茶色、青色、淡藍色、褐色3琴鋼線SWPA SWPBC(碳)、Si(硅)、Mn(錳)、P(磷)、S(硫)、Cu(銅)耐疲勞性佳,要求精度高。一般用于電池彈簧、開關彈簧等、鋼性柔韌,成形后要表面處理或加防銹油。高JISG3522200400度之間同SWPA、SWPB4鈹銅線C1720WBe(鈹)、 Mn(錳)、P(磷)Cu(
5、銅)+Sn(錫)+P(磷)Ni(鎳)+Co(鈷)耐蝕性佳,于時效硬化處理前,富于展性時效硬化處理后,增加耐疲勞性,導電性時效硬化處理應加工后,可制螺絲彈簧電刷,通訊器具(表面鍍銀、金)。特高JISH3270150°200°黃色5磷青銅C5191WSn(錫)、Zn(鋅)、P(磷)耐疲勞性,耐蝕性、耐磨耗性佳,可制螺絲彈簧、扭簧、扣鈕、扎電機、通訊市場適用(鍍金、銀)。較高JISH3270150°200°黃色6其它如油回火線、白銅線及其它線材,不常用,適用于航天科技。鍍鎳線等同SWC+Ni。常需特別制做,造價昂貴。 彈簧材料應具有高的彈性極限、疲勞極限、沖擊
6、韌性和良好的熱處理性能。在選擇彈簧材料時,應考慮到彈簧的使用條件、功用及其重要程度。所謂使用條件時指載荷性質、大小及其循環特性,工作溫度和周圍介質情況等。目前,鋼時最常用的彈簧材料。受力較小而又要求防腐蝕、防磁等特性時,可以采用有色金屬如鈹銅、磷銅等。非金屬彈簧材料主要是橡膠,近年來正發展用塑料制造彈簧。軟木、空氣也可以用做彈簧材料。3、彈簧的制造彈簧的制造工藝包括:1)卷制;2)端面圈(支撐圈)的精加工;3)熱處理;4)工藝試驗;5)表面處理3.1卷制 彈簧的卷繞是把合乎技術條件規定的彈簧絲卷繞在芯棒上。大量生產時,是在萬能自動卷簧機上卷制。卷制分冷卷及熱卷兩種。彈簧絲直徑在8以下的用冷卷法
7、,以上的用熱卷法。冷態下卷制的彈簧多用冷拉的、經預熱處理的優質碳素彈簧鋼絲,卷成后一般不再經淬火處理,只經低溫回火以消除內應力。熱卷時的彈簧溫度隨彈簧絲的粗細再8001000的范圍內選擇,熱卷的彈簧卷成后必須經過熱處理。采用任一種卷饒方法卷制后的彈簧均應視具體情況對彈簧的節距作必要的調整。3.2端面圈的加工彈簧兩端各有0.751.25圈彈簧相接觸的支承圈,支承圈不參加彈性變形,其端面應垂直于彈簧軸線。在變載荷的重要過程中,應采用并緊磨平端。磨平長度應不小于一圈彈簧圓周長度的四分之一,末端厚度大約為0.25d。3.3熱處理彈簧在完成上述工序之后,均應進行熱處理。熱處理是在固態范圍內通過一定的加熱
8、、保溫以及冷卻改變其組織和性能的工藝,常用的熱處理方法為淬火及回火,淬火為提高彈簧硬度及剛性;回火是為了消除彈簧加工及淬火過程中產生的內應力,提高彈簧使用壽命。淬火溫度根據彈簧絲材質及實際使用要求在8001100之間選擇,回火溫度在400600之間選擇。 對于重要的彈簧還要進行強壓處理。強壓處理是使彈簧在極限載荷作用下受載持續648小時,從而使彈簧絲內部產生塑性變形和有意的殘余應力,由于殘余應力的符號及工作應力相反,可提高彈簧的承載能力,一次強壓處理可提高25%的承載能力。為保持有益的殘余應力,強壓處理后的彈簧不允許再進行任何熱處理也不宜再較高溫度和長期振動的環境下使用;由于金屬的性質,冷作變
9、形會使腐蝕過程加速,因此在有腐蝕性介質的環境中不宜采用強壓處理的彈簧。3.4工藝試驗 彈簧在完成上述工序后必須進行工藝試驗和根據彈簧技術條件的規定進行精度、沖擊、疲勞等試驗,以檢驗其是否符合技術要求。3.5表面處理彈簧的防腐方法一般采用保護層,根據保護層的性質可分為:金屬保護層、化學保護、非金屬保護層和暫時性保護層。著重介紹前面三種: 不銹鋼彈簧和銅線彈簧本身就具有一定的防腐性能,一般不進行防腐處理。3.5.1彈簧的金屬保護層金屬保護層種類很多,就彈簧而言,一般是用電鍍金方法以獲得金屬保護層。電鍍保護層不但可以保護不受腐蝕,同時能改善彈簧的外觀。有些電鍍金屬還能改善彈簧的工作性能,例如提高表面
10、硬度,增加抗磨損力,提高熱穩定性,防止射線腐蝕等。但如果單純為了彈簧的腐蝕,一般應選用電鍍鋅層及電鍍鎘層。 下表為彈簧常用電鍍層及性能表:NO表面處理簡單工藝介紹鍍后顏色用途鍍層厚度鹽霧試驗標準1鍍金(Au)除油酸洗鎳底鍍金烘干金色降低接觸電阻,耐磨耗,保真效果。0.040.06m薄1.21.5m厚24H以上2鍍鉻(Cr)除油酸洗打銅底2次(堿銅、酸銅)鎳底鍍鉻烘干天藍色硬度高,耐磨性好,反光能力強,有較好的耐熱性。鉻0.5m薄 15m以上厚24H以上3鍍銀(Ag)除油酸洗打鎳底鍍銀烘干銀色導電性(金屬中)佳,導熱率佳。連續噴8H,4鍍鎳(Ni)電解除油酸洗打銅底(必要時)鍍鎳(滾鍍)白色防腐
11、性佳,焊錫,導電耐磨性。35m JIS3H(連續噴霧) 無電解除油酸洗鎳底(鎳磷合金化學分解)白色耐蝕性好(較電解)鍍層均勻。35m JIS 3H(連續噴霧) 5鍍錫(Sn)除油酸洗鎳底鍍錫亮白色便于焊錫,導電性一般。35m 24H以上6鍍鋅(Zn)黑鋅除油酸洗鍍鋅發黑黑色防銹(視產品要求)5m 以上2H藍鋅除油酸洗鍍鋅發藍藍色防銹(視產品要求)5m 以上2H五彩鋅除油酸洗鍍鋅發五彩五彩(赤橙黃綠青)防銹(視產品要求)5m 以上2H白鋅除油酸洗鍍鋅烘干白色防銹(視產品要求)5m 以上2H3.5.2彈簧的化學保護層利用化學反應的方法使彈簧表面生成一層致密的保護膜,以防止彈簧腐蝕。通常采用氧化處理
12、及磷化處理。1)氧化處理:氧化處理成本低、工藝配方較簡單、生產效率高、氧化膜有一定的彈性,基本上不影響彈簧的特性曲線,所以氧化處理較廣泛地作為成形螺旋彈簧、彈簧墊圈及片彈簧等的防腐和裝飾措施。鋼的氧化處理亦稱發藍、發黑、煮黑。氧化處理后,彈簧表面生成保護性的磁性氧化鐵,此氧化膜一般呈藍色或黑色,也有時呈黑褐色。其顏色決定于彈簧的表面狀態、彈簧材料的化學成分和氧化處理工藝。氧化處理的方法有:咸性氧化法、無堿氧化法和電解氧化法。以采用堿性氧化法為多。彈簧經氧化處理后的質量檢驗包括外觀檢查和抗蝕性檢查。2)磷化處理:彈簧放進含有錳、鐵、鋅的磷酸鹽溶液中,在金屬表面形成一層不溶于水的磷酸鹽薄膜的方法叫
13、做磷化。磷化膜具有顯微孔隙結構,對漆類、油類有良好的吸附能力,因此磷化常及涂漆等涂覆方法配合使用。在磷化后進行重鉻酸鹽填充、浸油或涂漆,能進一步提高其耐腐蝕性。彈簧在磷化過程中產生大量的氫氣,因此經磷化后的彈簧具有氫脆現象。對于關鍵部位的彈簧,經磷化處理后應進行去氫處理。 3.5.3彈簧的非金屬保護層非金屬保護層是在彈簧表面上浸涂或噴涂一層有機物質,如油漆、瀝青、塑料等,以保護彈簧免遭腐蝕。非金屬保護層,膜層較厚,化學穩定性好,有較好的機械防腐蝕作用,但硬度較低,易于刮傷損壞,同時膜層有老化現象。 4、影響彈簧疲勞強度的因素 1)屈服強度:一般來說,材料的屈服強度越高,疲勞強度也越高。為了提高彈簧的疲勞強度應設法提高彈簧材料的屈服強度,或采用屈服強度和抗拉強度比值高的材料。對同一材料來說,細晶粒組織具有更高的屈服強度。 2)表面狀態:最大應力多發生在彈簧材料的表層,所以彈簧的表面質量對疲勞強度的影響很大。彈簧材料軋制、拉拔和卷制過程中造成的裂紋和傷痕等缺陷往往是造成彈簧疲勞斷裂的主要原因。材料表面的粗糙度越小,應力集中越小,疲勞強度越高;在同一粗糙度的情況下,不同鋼種及不同卷制方法疲勞極限降低程度也不同,如冷卷彈簧降低程度就比熱卷彈簧小。因為熱卷彈簧及其熱處理加熱由于氧化使彈簧材料表面變粗糙和產生脫碳現象,降低彈簧的疲勞強度。對材料表面進行磨削、
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