王衛(wèi)剛

浙江美力科技股份有限公司

【摘要】彈簧加工過程中，簧內(nèi)會(huì)引入不同狀態(tài)的殘余應(yīng)力，不同狀態(tài)的殘余應(yīng)力對(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度會(huì)有直接的影響,，在生產(chǎn)過程中通過合理的工藝編排,，可以消除冷加工時(shí)引入簧內(nèi)有害的殘余拉應(yīng)力，保持并加強(qiáng)簧內(nèi)有益的殘余壓應(yīng)力,，以使彈簧獲得******的疲勞強(qiáng)度

【關(guān)鍵詞】彈簧 加工工藝   殘余應(yīng)力狀態(tài)   疲勞強(qiáng)度

1. 引言

       隨著國家對(duì)汽車行業(yè)三包新政策的強(qiáng)制實(shí)施,，汽車行業(yè)主機(jī)廠對(duì)各零部件廠商提供的零部件的要求也越來越高、越來越嚴(yán),，彈簧作為汽車零部件的功能件,，其疲勞壽命更是被關(guān)注焦點(diǎn),，生產(chǎn)出高疲勞性能的彈簧是各彈簧生產(chǎn)家不懈追求的目標(biāo)之一,。與彈簧疲勞強(qiáng)度密切相關(guān)的除了材料選用和應(yīng)力設(shè)計(jì)水平等因素以外，在加工過程中各工序引入的殘余應(yīng)力狀態(tài)也是最為關(guān)鍵的因素之一,，所以控制每道工序中彈簧內(nèi)的殘余應(yīng)力狀態(tài)是控制彈簧抗疲勞能力的重中之重,。

      2.彈簧加工工藝過程殘余應(yīng)力狀態(tài)的變化及其對(duì)疲勞壽命的影響

      2.1 彈簧成形加工工藝過程

       彈簧材料通過不同的加工工藝，由一根鋼絲變成用戶所要求的不同形狀的彈簧,，在此過程中彈簧材料經(jīng)歷了不同形狀的塑性變形,，由于彈簧各部位塑性變形不均勻，在彈簧的內(nèi)部殘留了一定數(shù)值的內(nèi)應(yīng)力,，這些殘余應(yīng)力有些是有害的,，有些是有利的。作為一個(gè)彈簧設(shè)計(jì)工作者,，在設(shè)計(jì)彈簧生產(chǎn)工藝時(shí),，首先必須要知道什么樣的殘余應(yīng)力對(duì)提高疲勞壽命有利，什么樣的殘余應(yīng)力對(duì)提高疲勞壽命有害,，其次要了解在生產(chǎn)過程各道工序中彈簧將會(huì)引入什么樣的殘余應(yīng)力狀態(tài),。我們?cè)诠に囋O(shè)計(jì)中，就要考慮降低或消除有害的那部分殘余應(yīng)力,，對(duì)于有利的那部分殘余應(yīng)力,，我們應(yīng)予以保持或通過適當(dāng)?shù)拇胧┯枰约訌?qiáng)。熟悉了這些工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,，在設(shè)計(jì)工藝時(shí),，才能編制合理的工藝路線和工藝參數(shù)，使彈簧獲得一個(gè)優(yōu)化的殘余應(yīng)力,，從而使彈簧具備高的疲勞壽命,。所以在某種意義上講，在工藝設(shè)計(jì)上,，我們是通過控制每道工序引入彈簧的殘余應(yīng)力狀態(tài),，來控制彈簧的尺寸和疲勞壽命，要做好這一點(diǎn),，彈簧設(shè)計(jì)者在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)首先就要考慮每一道工藝是如何影響彈簧內(nèi)部殘余應(yīng)力的變化的,。

冷卷成圓或折彎成圓弧的過程中,，圓弧的內(nèi)表面與外表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)是不一樣的，成形后內(nèi)圓表面的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力,，外表面的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力,，材料外表面的殘余應(yīng)力******，材料芯部殘余應(yīng)力最小,。殘余應(yīng)力的大小還與材料抗拉強(qiáng)度有關(guān),，抗拉強(qiáng)度越高的材料，其冷卷后材料內(nèi)部引入的殘余應(yīng)力越大,。殘余應(yīng)力的大小還與彈簧的旋繞比有關(guān),，同等材料下隨著旋繞比的變大而減小。了解了殘余應(yīng)力的影響因素及應(yīng)力狀態(tài)以后,，我們還需了解殘余應(yīng)力對(duì)彈簧疲勞強(qiáng)度所造成的影響是什么,，眾所周知圓柱螺旋彈簧在受力時(shí)，******應(yīng)力作用于內(nèi)圓表面,，當(dāng)卷簧時(shí)引入內(nèi)表面的殘余拉應(yīng)力沒有被去除時(shí),，二者相疊加后應(yīng)力水平將加快彈簧的疲勞斷裂，所以我們需通過去應(yīng)力退火工藝來******限度消除這部分有害的殘余拉應(yīng)力,，使其對(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度影響降到最低⑴,。

      2.2 彈簧成形加工后的去應(yīng)力退火

      彈簧的去應(yīng)力退火（有時(shí)也稱回火）工藝通常緊接在卷簧或折彎等工序后，這些工序的特點(diǎn)是在這些工序中材料都發(fā)生了塑性變形,，材料的內(nèi)部都積聚了一定強(qiáng)度的殘余內(nèi)應(yīng)力,。回火的目的就是通一定的溫度,，將材料發(fā)生塑性變形后引入內(nèi)部的那部分有害的殘余拉應(yīng)力進(jìn)行消除,。去除殘余應(yīng)力的效果與回火的溫度和時(shí)間有關(guān)，通?；鼗饻囟仍礁?，回火的時(shí)間越長，去應(yīng)力的效果會(huì)越好,，但隨著溫度的升高,，材料的抗拉強(qiáng)度會(huì)下降，不同的材質(zhì)其影響程度不一樣,，所以針對(duì)不同的材料須采用不同的回火溫度和回火時(shí)間才能達(dá)到最好的回火效果,，但是不論用何種去應(yīng)力回火工藝，其殘余應(yīng)力不可能完全消除,，圖1為溫度和時(shí)間對(duì)去應(yīng)力效果的影響圖例,，供參考。                 

      手冊(cè)中對(duì)于常用彈簧材料的去應(yīng)力回火溫度和時(shí)間都有介紹,，技術(shù)人員在設(shè)計(jì)回火工藝時(shí)可以參考,。一般來說冷拔強(qiáng)化材料的回火溫度不要超過350℃,，否則會(huì)極大地降低通過冷拔而得來的抗拉強(qiáng)度，對(duì)于油淬火回火鋼絲回火溫度不宜超過450℃,，最高不能超達(dá)該材料在淬火時(shí)的回火溫度,，否則會(huì)影響材料的抗拉強(qiáng)度。

                                       
                              圖1 溫度,、時(shí)間與去應(yīng)力之間的關(guān)系圖

       總之在設(shè)定回火溫度和回火時(shí)間時(shí)需根據(jù)材料本身的特點(diǎn)及線徑大小,，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益來考慮，以求達(dá)到既能消除簧內(nèi)的殘余應(yīng)力又能兼顧生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益的目的,。彈簧回火處理的另一個(gè)作用是穩(wěn)定彈簧的幾何尺寸,，回火處理能使因加工時(shí)塑性變形而引起的非穩(wěn)態(tài)的亞結(jié)構(gòu)組織向穩(wěn)態(tài)的組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而使彈簧的尺寸趨于穩(wěn)定,，但此過程會(huì)引起彈簧尺寸的前后變化,，這里需通過調(diào)整回火前卷簧參數(shù),，回火前后的參數(shù)變化量可以參照手冊(cè)中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行理論計(jì)算,，并通過首樣試驗(yàn)來確定卷簧參數(shù)，使其回火后能滿足圖紙規(guī)定的尺寸要求,。

       2.3彈簧的噴丸強(qiáng)化處理

      噴丸處理是通過在彈簧表面引入有益的殘余壓應(yīng)力來提高彈簧的疲勞抗力,，其原理是以高速的彈丸流噴射到彈簧表面，使彈簧表面發(fā)生塑性變形而形成一定厚度的強(qiáng)化層,，此強(qiáng)化層會(huì)形成較高的殘余壓應(yīng)力,，這部分殘余壓應(yīng)力可抵消彈簧受載荷作用下的一部分拉應(yīng)力，從而提高了彈簧的疲勞強(qiáng)度⑵,。另外噴丸處理還可清理彈簧表面的微小缺陷,，從而減少彈簧表面的應(yīng)力集中點(diǎn)，進(jìn)而減少了彈簧的疲勞源,。噴丸的強(qiáng)度與提高彈簧的抗疲勞性能有直接的關(guān)系,，而噴丸的強(qiáng)度與丸粒具備的動(dòng)能有關(guān)，也就與丸粒的大小和速度有關(guān)系,，為獲得足夠的噴丸強(qiáng)度,，就需采用丸粒較粗的鋼丸，但較粗的丸粒又會(huì)使彈簧表面較粗糙,，這就降低了彈簧的疲勞強(qiáng)度,，影響了噴丸的效果，為此可以采用二次噴丸的方法,，二次噴丸的強(qiáng)度和采用的鋼丸相對(duì)一次噴丸時(shí)要小,，經(jīng)過二次噴丸的彈簧表面會(huì)較一次噴丸時(shí)光滑，因此降低了一次噴丸時(shí)因表面粗糙而引起的應(yīng)力集中,，同時(shí)二次噴丸還可以提高彈簧最表層的殘余壓應(yīng)力水平,，使彈簧疲勞抗力獲得進(jìn)一步提高,。所以針對(duì)疲勞壽命要求較高的彈簧，如氣門彈簧,、懸架彈簧,，通常都采用二次噴丸的工藝。

       3.通過彈簧加工工藝改進(jìn)來改善疲勞壽命的實(shí)例

       了解了以上內(nèi)容,，就能合理編制工藝,，使彈簧成品的殘余應(yīng)力處于******狀態(tài)，從而使產(chǎn)品達(dá)到******的疲勞抗力水平,。以下通過具體的例子來說明這一點(diǎn),。

       某產(chǎn)品為拉簧，客戶要求拉簧的疲勞壽命在規(guī)定的試驗(yàn)規(guī)范下達(dá)到5萬次,，第一次試樣后,，當(dāng)拉簧在客戶處組裝完后，將彈簧拉至******工作點(diǎn)時(shí),，彈簧就發(fā)生了斷裂,，斷簧圖片如圖2，從斷口宏觀位置分析,，斷裂處在拉簧簧鉤的內(nèi)側(cè)位置,，從拉簧受力后的應(yīng)力分布情況分析，此處同時(shí)受到彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的作用,，從加工后的殘余應(yīng)力狀態(tài)分析,，折彎成形后，簧鉤內(nèi)側(cè)分布的是殘余拉應(yīng)力,。以上幾點(diǎn)的綜合,，在簧鉤內(nèi)側(cè)形成了拉簧受力后的******應(yīng)力集中點(diǎn)，最終導(dǎo)致了拉簧簧鉤瞬時(shí)斷裂,。我們經(jīng)過對(duì)斷簧及其工藝過程的分析,，發(fā)現(xiàn)工藝編排的不合理，是導(dǎo)致彈簧斷裂的主要原因,，第一次的加工工藝流程：卷簧→回火→折彎→表面處理→包裝,，拉簧的簡圖及成形過程中的彈簧簡圖如圖3、圖4和圖5,。

                         圖2 斷簧圖片

        圖3 拉簧簡圖                                                                                  圖4 卷簧后產(chǎn)品形狀

                               
                                     圖5 折角后產(chǎn)品形狀

       根據(jù)各工序引入簧內(nèi)的殘余應(yīng)力分析,，在卷簧中引入的殘余應(yīng)力分布如下，簧圈及簧鉤內(nèi)側(cè)的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力,，此應(yīng)力有損彈簧的疲勞強(qiáng)度,，經(jīng)過400度30分鐘回火后，簧圈及簧鉤內(nèi)側(cè)的殘余拉應(yīng)力得到降低，由于拉簧不是一次性成形,，拉簧另一端簧鉤成形處在第一次回火之后,，折彎后沒有經(jīng)過去應(yīng)力回火，所以簧鉤內(nèi)側(cè)的殘余拉應(yīng)力仍然存在,，當(dāng)拉簧被拉至******工作位置時(shí),，簧鉤內(nèi)側(cè)所受的工作應(yīng)力與加工時(shí)的殘余拉應(yīng)力相疊加，導(dǎo)致了拉簧鉤的瞬時(shí)斷裂,。接到客戶質(zhì)量反饋后,，工程技術(shù)人員對(duì)拉簧的斷裂原因進(jìn)行了分析，并及時(shí)對(duì)工藝過程進(jìn)行了調(diào)整,，修改后的工藝過程如下：卷簧→回火→折彎→二次回火→表面處理→包裝,。本次工藝過程中在折彎后增加了二次回火，回火溫度,、回火時(shí)間與卷簧時(shí)相同,，新工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品重新送客戶試裝，當(dāng)拉簧被拉至******工作位置時(shí),，簧鉤沒有發(fā)生斷裂,，但當(dāng)做臺(tái)架耐久試驗(yàn)時(shí)，只經(jīng)歷了3.5萬次左右就斷裂了,，不符合5萬次的壽命設(shè)計(jì)要求,。為增加彈簧的抗疲勞強(qiáng)度，工藝人員再次調(diào)整了工藝流程,，修改后的工藝過程如下：卷簧→回火→折彎→二次回火→噴丸處理→表面處理→包裝。本次工藝中增加了噴丸工藝（由于本產(chǎn)品的表面處理為電泳,，其烘干溫度為220℃,，時(shí)間20分鐘，故此處省略了噴丸后的回火定形工藝）,，改進(jìn)后的拉簧經(jīng)疲勞試驗(yàn),，達(dá)到了5萬次的設(shè)計(jì)要求。以上是典型的例子,，通過改變簧內(nèi)殘余應(yīng)力狀態(tài),，去除有害的殘余拉應(yīng)力，引入有益的殘余壓應(yīng)力,，提高了彈簧的抗疲勞強(qiáng)度

        4. 結(jié)論

       彈簧工藝設(shè)計(jì)人員,，在設(shè)計(jì)彈簧加工工藝時(shí)，須熟知各工序中彈簧簧內(nèi)殘余應(yīng)力狀態(tài)的變化情況,，對(duì)于冷加工時(shí)引入簧內(nèi)內(nèi)表面的殘余拉應(yīng)力須通過回火工藝加以消除,，對(duì)于疲勞壽命要求較高的彈簧可以引入適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化工藝，如噴丸強(qiáng)化工藝,，在彈簧表層引入殘余壓應(yīng)力的方法來提高彈簧的抗疲勞強(qiáng)度,?？傊畬?duì)疲勞強(qiáng)度有害的殘余拉應(yīng)力須予以消除，對(duì)疲勞強(qiáng)度有益的殘余壓應(yīng)力須加以保持和加強(qiáng),，最終達(dá)到提高彈簧抗疲勞強(qiáng)度的目的,。

  參 考 文 獻(xiàn)

     1 彈簧手冊(cè)（第二版） 張英會(huì) 劉輝航 王德成 主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2008年2月

     2 王仁智：殘余應(yīng)力與彈簧的疲勞性能，《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2005年第41卷11期