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摘 要:當(dāng)今綠色生活的環(huán)保理念引領(lǐng)人們應(yīng)用產(chǎn)品更加注重節(jié)能減排,，對(duì)彈簧零件及其總成部件的輕量化提出了更高的要求,，這也成為彈簧專業(yè)設(shè)計(jì)和制造企業(yè)努力創(chuàng)新、不懈追求的目標(biāo),。筆者希望通過(guò)高強(qiáng)度原材料的合理應(yīng)用,、彈簧產(chǎn)品精細(xì)化設(shè)計(jì)、制造過(guò)程強(qiáng)化工藝不斷優(yōu)化和創(chuàng)新以及對(duì)最終產(chǎn)品使用狀態(tài)的精心保護(hù)等,，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化,。
一．輕量化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的材料選用
1．高強(qiáng)度原材料的優(yōu)先應(yīng)用
好的產(chǎn)品肯定要有好品質(zhì)的、最適合的材料,，高應(yīng)力產(chǎn)品缺少不了高強(qiáng)度材料,。各類彈簧用料在冶煉工藝上總的趨勢(shì)是從普通冶煉軋制材料不斷優(yōu)化提升到連鑄、精煉,、大方胚軋制,、高速軋制線材等，以進(jìn)一步提高鋼鐵材料的內(nèi)在品質(zhì)和表面質(zhì)量,。材料的化學(xué)成分上也從碳素鋼向合金鋼,、錳鋼、硅錳鋼,、鉻釩鋼,、鉻錳鋼等發(fā)展，再向更高強(qiáng)度的硅鉻鋼發(fā)展?，F(xiàn)在高應(yīng)力彈簧普遍應(yīng)用的材料有55SiCr,、55SiCrV,、60Si2Cr、60Si2CrV,、65SiCrV,，當(dāng)然也有多合金元素的高強(qiáng)度材料，如Si-Cr-V-Mo-Ni-Re系列特種材料,。彈簧主要有冷成形和熱成形兩大基本制造工藝,。在冷成形制造工藝上彈簧成品的強(qiáng)度主要基于原材料的強(qiáng)度，形狀復(fù)雜的異形彈簧更趨于采用更高抗拉強(qiáng)度的韌化處理鋼絲（Patent Heat Treatment Wire）,，目前這類異形彈簧采用的非合金鋼韌化處理鋼絲其抗拉強(qiáng)度Rm1300~MPa,。甚至也采用VD等級(jí)的油淬火回火線材（GB/T18983）。常用的高應(yīng)力氣門彈簧,、離合器彈簧,、懸架彈簧、機(jī)械彈簧等采用更高抗拉強(qiáng)度的油淬火回火線材（OTW,，ITW）,。目前氣門彈簧和離合器彈簧已用到Rm2200~MPa等級(jí)線材，懸架彈簧已用到Rm2000~MPa等級(jí)及以上的線材了,。
高強(qiáng)度的Si-Cr-V-Mo-Ni-Re系列特種材料,，由于其成本昂貴而不適合于大批量生產(chǎn)。鈦合金材料也因其成本太貴且強(qiáng)度有限,，雖然輕質(zhì)但也不適合批量生產(chǎn),。
2．非金屬新型輕質(zhì)材料的應(yīng)用
產(chǎn)品輕量化的另一重要途徑是采用全新的非金屬輕質(zhì)材料，目前主要趨勢(shì)是碳纖維或纖維增強(qiáng)型材料的運(yùn)用,。碳纖維,、玻璃纖維、芳綸纖維,、超高分子量聚乙烯纖維等纖維增強(qiáng)型材料的不斷創(chuàng)新,，在強(qiáng)度提升和彈簧制造工藝方面的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在不僅在片型彈簧上得到了應(yīng)用,，而且在螺旋彈簧方面也已有突破,，其制造成本也得到了控制。例如汽車懸架用螺旋彈簧,，隨著車輛主機(jī)廠商的認(rèn)可接受和應(yīng)用,，纖維增強(qiáng)型材料螺旋彈簧由于其優(yōu)異的輕質(zhì)和不腐蝕特性，可能將是未來(lái)輕量化彈簧的重要發(fā)展方向,。
二．產(chǎn)品緊湊性設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)
彈簧產(chǎn)品緊湊設(shè)計(jì)（Compacted Design)開(kāi)發(fā)是基于對(duì)產(chǎn)品的功能和形狀的精細(xì)設(shè)計(jì),；基于充分用足材料等工作應(yīng)力的精細(xì)設(shè)計(jì)。
1．產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)上更加完美和簡(jiǎn)練
在產(chǎn)品形狀上更加緊湊, 不只體現(xiàn)在彈簧產(chǎn)品本身功能和形狀上，而且也體現(xiàn)在彈簧及其相關(guān)零部件總成及系統(tǒng)的功能和形狀上實(shí)施優(yōu)化合成,， 如變剛度彈簧、組合彈簧,、主動(dòng)式或被動(dòng)式的彈性部件總成,、儲(chǔ)能部件總成、減震部件總成等等,，以達(dá)到整個(gè)功能系統(tǒng)的輕量化?，F(xiàn)在已涌現(xiàn)出變剛度彈簧、偏心力彈簧,、弧形力彈簧,、變扭矩彈簧等等，當(dāng)然這些彈簧設(shè)計(jì)也必須要考慮產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的制造工藝和成本,。
2．設(shè)計(jì)彈簧產(chǎn)品充分用足材料應(yīng)力
現(xiàn)在彈簧專業(yè)設(shè)計(jì)和制造企業(yè)基本上都具備較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）能力,，有些彈簧企業(yè)具有較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)能力，從而能夠從事更精細(xì)的有限元計(jì)算設(shè)計(jì)驗(yàn)算,，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上盡量消除應(yīng)力集中現(xiàn)象,，消除累贅結(jié)構(gòu)用料，充分用足材料,，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化,。例如變徑線材鼓型懸架彈簧（Mini-Block Spring）、卵型截面鋼絲氣門彈簧,、變厚薄壁空心穩(wěn)定桿等等,。
三．制造過(guò)程中強(qiáng)化工藝的優(yōu)化和提高
彈簧制造過(guò)程中的各種強(qiáng)化工藝對(duì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化和維持高品質(zhì)起到關(guān)鍵的作用。常用強(qiáng)化工藝主要在熱處理方面,、熱強(qiáng)壓方面,、噴丸強(qiáng)化方面等。
1．熱處理的強(qiáng)化工藝
彈簧熱處理是一個(gè)發(fā)揮材料特性的基本強(qiáng)化工藝,，無(wú)論是熱成形或冷成形彈簧制造工藝,，熱處理工序只不過(guò)是在線材上進(jìn)行還是在彈簧上進(jìn)行而已。
1).基礎(chǔ)熱處理趨向獲得更高強(qiáng)度和更高韌性的金相結(jié)構(gòu)組織,、更細(xì)化的晶粒,、無(wú)氧化脫碳的表面質(zhì)量、杜絕回火脆等,。如形變熱處理,、快速加熱感應(yīng)熱處理等。
2).基于彈簧服役載荷方式和失效模式的特殊熱處理強(qiáng)化工藝,。例如若彈簧受高頻動(dòng)載荷，疲勞壽命主要依靠其裂紋萌生壽命的彈簧，就要采用特殊的表面強(qiáng)化熱處理,，如高頻感應(yīng)加熱淬火熱處理，表面氮化熱處理等,；若彈簧受非高頻載荷的交變或脈動(dòng)載荷，表現(xiàn)為疲勞或應(yīng)力腐蝕疲勞失效模式,，就要采用均勻化基體,、細(xì)化晶粒,、針對(duì)性的組織形貌等來(lái)提高彈簧基體的韌性，提高抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力,。如超高溫加熱熱處理,、中頻感應(yīng)熱處理,、回火后的快速冷卻等,。
3).消除制造工序中產(chǎn)生的缺陷的熱處理。消除彈簧上的缺陷也是提高產(chǎn)品品質(zhì)的重要工藝,。彈簧冷成形工序后存在極其有害的殘余拉應(yīng)力，必須有效,、精準(zhǔn)地進(jìn)行去應(yīng)力回火，包括利用SOF工藝技術(shù)等,，防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，穩(wěn)定產(chǎn)品形狀,，提高疲勞壽命,。
2．熱強(qiáng)壓方面的強(qiáng)化工藝
彈簧通過(guò)熱強(qiáng)壓可在彈簧基體上產(chǎn)生密集位錯(cuò),，在溫度作用下時(shí)效攀移形成亞晶結(jié)構(gòu)，細(xì)化晶粒和組織,，從而提高彈簧基體的抗疲勞強(qiáng)度和抗松弛能力,。這是一個(gè)生產(chǎn)率高的強(qiáng)化工藝。目前高應(yīng)力懸架彈簧,、氣門彈簧、離合器彈簧等均采用熱強(qiáng)壓工藝,，對(duì)于高應(yīng)力高精度彈簧則采用更為先進(jìn)的全自動(dòng)智能熱強(qiáng)壓工藝,。
3．噴丸方面的強(qiáng)化工藝
彈簧產(chǎn)品是典型受循環(huán)載荷的功能件，主要的失效模式是疲勞,。噴丸強(qiáng)化對(duì)這類產(chǎn)品的疲勞壽命及可靠性影響甚大,，為此彈簧專業(yè)設(shè)計(jì)和制造廠家都非常重視。
噴丸工藝的強(qiáng)化機(jī)理主要有兩大方面,，首先是通過(guò)噴丸工序獲得了針對(duì)載荷應(yīng)力的有益殘余壓應(yīng)力及分布（或稱******殘余應(yīng)力場(chǎng)），常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是******載荷應(yīng)力方向上的表面壓應(yīng)力值,、殘余壓應(yīng)力峰值和深度以及殘余壓應(yīng)力的******深度。有了******的殘余應(yīng)力場(chǎng),，能夠有效提高疲勞裂紋萌生需要的能量，阻止疲勞裂紋產(chǎn)生,，降低疲勞裂紋的擴(kuò)展速度，從而高效地提高疲勞壽命,，為此目前高應(yīng)力彈簧產(chǎn)品都有其噴丸工藝技術(shù)指標(biāo),，如表1所示,。所有技術(shù)指標(biāo)均要求在產(chǎn)品上測(cè)試其殘余壓應(yīng)力值及分布,。其次近年來(lái)對(duì)噴丸強(qiáng)化的研究表明，通過(guò)對(duì)彈簧表面的強(qiáng)力噴丸,，使表層材料結(jié)構(gòu)組織發(fā)生了變化，這種致密的變異的組織結(jié)構(gòu)同樣起到了阻止疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展,，從而也提高了彈簧的疲勞壽命。
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表1. 彈簧產(chǎn)品噴丸強(qiáng)化技術(shù)指標(biāo)
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彈簧類別
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表層深度
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殘余應(yīng)力值
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常規(guī)工作應(yīng)力汽車懸架彈簧 ( Pswtk 690 ~ 760 MPa )
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1~5 um
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≤ -400 MPa
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100 + 20 um
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≤ -500 MPa
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200 + 30 um
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≤ -100 MPa
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常規(guī)輪軌高鐵轉(zhuǎn)向架懸架彈簧 ( TB/T 2211, EN 13298 )
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－
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－
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200 um
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≤ -500 MPa
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500 um
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≤ -100 MPa
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車輛發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧及離合器彈簧 ( τmax. 800 ~ 900 MPa )
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1~ 3 um
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≤ -500 MPa
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50 um
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≤ -700 MPa
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100 um
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≤ - 500 MPa
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高應(yīng)力汽車穩(wěn)定桿 ( τmax. ≥ 800 MPa )
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1~ 5 um
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≤ -400 MPa
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100 + 20 um
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≤ -600 MPa
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200 + 30 um
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≤ -300 MPa
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高應(yīng)力汽車懸架彈簧 ( Pswtk 760 ~ 820 MPa )
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1~5 um
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≤ -700 MPa
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100 + 20 um
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≤ -1000 MPa
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200 + 30 um
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≤ -300 MPa
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高應(yīng)力氣門彈簧 （ τmax.≥ 900 MPa )
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1~ 3 um
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≤ -600 MPa
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50 um
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≤ -800 MPa
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100 um
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≤ - 600 MPa
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200 um
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≤ - 100 MPa
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300 um
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≤ - 50 MPa
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注1）：Pswt = [0.5 * τmax * ( τmax - τmin )]0.5
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注2）：k是螺旋彈簧曲率修正系數(shù)
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注3）：由于不同彈簧企業(yè)的制造工藝各異,，而且對(duì)高應(yīng)力的定義各不相同，上
述技術(shù)指標(biāo)僅供參考,。
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噴丸工序?qū)嵤┑暮脡脑u(píng)價(jià),，主要通過(guò)阿爾門試片的弧高值（噴丸強(qiáng)度）及表面覆蓋率來(lái)評(píng)定。
四．產(chǎn)品使用狀態(tài)的保護(hù)
彈簧的正常失效模式是疲勞,，輕量化高應(yīng)力彈簧的正常失效模式更多為應(yīng)力腐蝕疲勞。為此除了材料內(nèi)在品質(zhì)抵抗應(yīng)力腐蝕外,，彈簧表面的保護(hù)尤為重要。目前比較好的表面保護(hù)有熱鍍鋅,、鋅鎳合金、鋅鋁合金,、雙粉末涂層等,。高應(yīng)力異形彈簧或夾箍類等產(chǎn)品傾向于熱鍍鋅、水基/乙醇基鋅鋁合金鍍層,，達(dá)克羅（Dacromet 或Delta-tone）等，高應(yīng)力懸架彈簧和穩(wěn)定桿則傾向于采用雙粉末涂層,，其主要目的是針對(duì)彈簧的服役環(huán)境，如動(dòng)力總成系統(tǒng)中彈簧的受濕熱腐蝕,，汽車底盤彈簧穩(wěn)定桿受鹽堿泥沙沖擊、氣候溫差濕熱腐蝕等等,，采用不同鍍層和涂層技術(shù)從而有效防止氫脆,、防止在使用過(guò)程中彈簧基體受到腐蝕。同時(shí)這些鍍層或涂層方法的技術(shù)創(chuàng)新也包括在綠色環(huán)保材料的應(yīng)用和安全生產(chǎn)實(shí)施上,，如消除有毒有害的材料，高低階游離鉻元素,、重金屬?gòu)U酸,、有毒粉末、乙醇基安全生產(chǎn)環(huán)境等方面,。
五．結(jié)論
綜合高應(yīng)力彈簧產(chǎn)品服役要求以及制造工藝的實(shí)現(xiàn),，本文揭示了我們技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的精心設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中強(qiáng)化工藝的不斷創(chuàng)新,、使用狀態(tài)的更完美保護(hù)等作為主要方向來(lái)實(shí)現(xiàn)彈簧產(chǎn)品輕量化,，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的綠色環(huán)保生活理念。