弹簧设计、材料及加工技术的发展

在机电产品中，用量最大的弹簧主要有三大类：       1)以汽车为主的机动车辆弹簧；       2)以日用电器为主的电子产品弹簧；       3)以摄像机、复印机和照相机为主的光学装置弹簧。       机动车辆弹簧主要是向高强度方向发展，以减轻质量；电子产品弹簧主要是向小形化方向发展；而光学装置弹簧主要向着既要高强度化又要小形化方向发展。相应的弹簧设计方法材料和加工技术等方面均有所发展。       一、 弹簧设计的发展       目前，广泛应用的弹簧应力和变形的计算公式是根据材料力学推导出来的，若无一定的实际经验，很难设计和制造出高精度的弹簧。随着设计应力的提高，以往的很多经验不再适用。例如，弹簧的设计应力提高后，螺旋角加大，会使弹簧的疲劳源由簧圈的内侧转移到外侧。为此，必须采用精密的解析技术，当前应用较广的方法是有限元法(fem)。       车辆悬架弹簧的特征是除足够的疲劳寿命外，其永久变形要小，即抗松弛性能要在规定的范围内，否则将发生车身重心偏移。同时，要考虑环境腐蚀对其疲劳寿命的影响。随着车辆保养期的增大，对永久变形和疲劳寿命都提出了更严格的要求，为此必须采用高精度的设计方法。有限元法可以详细预测弹簧应力对疲劳寿命和永久变形的影响，能准确反映材料对弹簧疲劳寿命和永久变形的关系。       近年来，弹簧的有限元法设计方法进入实用化阶段，出现了不少有实用价值的报告，如螺旋角对弹簧应力的影响；用有限元法计算的应力和疲劳寿命的关系等。       另外，在弹簧的设计过程中还引进了优化设计。弹簧的结构较为简单，功能单纯，影响结构和性能的参变量省，所以设计者很早就运用解析法、图解法或图解分析法寻求最优设计方案，取得了一定成效。随着计算技术的发展，利用计算机进行非线性规划的优化设计，取得了成效。       可靠性设计是为了保证所设计的产品的可靠性而采用的一系列分析与设计技术，它的任务是在预测和预防产品可能发生故障的基础上，使所设计的产品达到规定的可靠性目标值。是传统设计方法的一种补充和完善。弹簧设计在利用可靠性技术方面取得了一定的进展，但要进一步完善，需要数据的开发和积累。       随着弹簧应用技术的开发，也给设计者提出了很多需要注意和解决的新问题。如材料、强压和喷丸处理对疲劳性能和松弛性能的影响，设计时难以确切计算；要靠实验数据来定；又如按现行设计公式求出的圈数，制成的弹簧刚度均比设计刚度值小，需要减少有效圈数，方可达到设计要求。      二、弹簧材料的发展       弹簧应用技术的发展，对材料提出了更高的要求。主要是在高应力下的提高疲劳寿命和抗松弛性能；其次是根据不同的用途，要求具有耐蚀性、非磁性、导电性、耐磨性、耐热性等。为此，弹簧材料除开发了新品种外，另外严格控制化学成分，降低非金属夹杂，提高表面质量和尺寸精度等方面也取得了有益的成效。       1．合金钢的发展 气门弹簧和悬架弹簧已广泛应用si-cr钢。为了提高疲劳寿命和抗松弛性能，在si-cr钢中添加v、mo。同时开发了si-cr拉拔钢丝，其在高温下工作时的抗松弛性能，比琴钢丝好。随着发动机高速小型化，抗颤振性能好、质量轻、弹性模量小的ti合金得到了较为广泛的应用，其强度可达2000mpa。       2．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。       3．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。       4．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。       5．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綶wiki]觥[/wiki]