弹簧设计(环形弹簧的制造工艺)

Posted 2023-05-25

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弹簧设计(环形弹簧的制造工艺)

1环形弹簧的结构

1.1常见环形弹簧的结构

环形弹簧通常是由端环、外环和内环组成（见图1）。主要参数为弹簧的内径 D1外径 D2和自由高度。自由高度又是由单圈环簧的高度h、数量n、环间的轴向间距δ决定。还有一个主要的参数就是圆锥半角β，当β选取较小时，弹簧刚度较小，若β<p（摩擦角，一般7°~9°)，则卸载时产生自锁，即不能回弹复原。

图1环形弹簧结构

ａ）自由状态ｂ）受载荷状态

D1—弹簧的内径Ｄ2—弹簧的外径H0—弹簧的自由高度δ0—弹簧外圆环之间的轴向间距

β—弹簧圆环的圆锥半角 δ—弹簧受载荷后外圆环的轴向间距Ｈ—弹簧受载荷后的高度

常用环形弹簧结构尺寸见表2

1.2改进型环形弹簧的结构

改进型环弹簧的内外环截面作了一些调整，即轴向外环的外径和内环的内径不是一根直线，而改成了曲线（见图2）。这样截面积就减小，重量随之减轻，但又不影响内外环的摩擦力，既节约了资源又减轻了重量；也有单外环或单内环改变截面形状的。

图2改进型环簧 a）外环 b）内环

2环形弹簧的制造工艺流程

环形弹簧规格繁多如表2所列，小自外径18mm，大至外径500mm左右。由于很难找到壁厚与外径相适应的无缝弹簧钢钢管，一般多用锻好的环坯进行制作，其工艺流程如图3所示。

图3环形弹簧的制造工艺流程图

2.1环形弹簧的毛坯制造

环形弹簧锻造毛坯如图4所示。环形弹簧的厚度与外径比一般很小，极易变形，为考虑成品精度，所以下料的内外径加工余量较大，一般都在单边5mm以上。锻造毛坯应成环形，按照毛坯尺寸再计算圆钢下料的长短。例如：当计算外环毛坯为 D1=499mm、d1=438.5mm、h1=82mm 的环簧毛坯选用多粗的圆钢下料，料长又为多少？

首先要计算出此批毛坯体积V

根据锻造比≥2的要求选用Φ200mm弹簧圆钢，则长度应为：

考虑下料损耗及锻造损耗，实际下料为（11.5x1.2）mm=14mm

图4环形弹簧锻造毛坯a）外环毛坯b）内环毛坯

环簧毛坯锻造不像碟簧毛坯下料，一定要使锻造比大于2：1。锻造环簧毛坯可以用模锻，也可以用滚压法，犹如滚压轴承大小环。

2.2粗车

粗车内外环时，都需留有精车前的加工余量，此余量的大小视环簧尺寸大小而异。小环簧留得小，大环簧留得大，因为热处理时簧越大，变形相对也大。各向的尺寸一般在0.20～2mm之间，角度可车出也可不车出。此角度β理论上在12°～20°之间选用，一般选用 β=14°～16°，视图样而定。

2.3热处理

环簧热处理一般采用淬火、回火工艺，D2≤140mm的小环簧建议用等温热处理工艺，以获得更佳的强韧性。对于大环簧，为使热处理变形减小，可采用适当挂具。

具体热处理制度视材质而异，环形弹簧常用材料是60Si2MnA和50CrVA弹簧钢，由于环形弹簧毛坯都是经过锻造的，所以必须进行淬火回火处理。

淬火就是把钢加热到临界温度 AC3或Ac以上保温一段时间，使其完成奥氏体化再以适当温度冷却，从而获得马氏体或贝氏体组织的热处理方法。上述两种钢种的加热和冷却时的临界点见表1。

表1环形弹簧常用弹簧钢加热和冷却时的临界点（单位：℃ ）

钢种	钢号	Ac1	Ac2	Ar1	Ar3	M3
硅锰弹簧钢	60Si2MnA	755	810	700	770	260
铬钒钢	50CrVA	740	810	688	746	300

因此，60Si2MnA淬火温度选用（850～880）℃入池淬火；50CrVA淬火温度选用830～850℃入池淬火。淬火炉选用盐浴炉为佳。淬后硬度应为＞58～60HRC。

环形弹簧回火是将淬火后的环形弹簧重新加热到低于 Ac1的某个选定温度，并保温一段时间，然后以适宜的冷却速度冷却，其目的是获得所需的力学性能，稳定环形弹簧的组织和尺寸以及消除内应力。环形弹簧回火后的硬度一般为45～50HRC。

环形弹簧淬火时宜在盐浴炉中进行，可以不用夹具，因为淬火尺寸已经考虑到淬回火后的粗加工所需余量。回火可在井式炉中进行，回火后应立即在水中冷却，回火温度选用400～500℃，回火保温时间视环形弹簧最大厚度考虑。t≤10m）mm的保温时间不低于60min，t≥10mm的保温时间不低于90min。

环形弹簧淬火后应立即回火，以避免由于内应力过大而产生裂纹，淬火与回火之间的时间相隔不宜超过4h。

2.4精车

环形弹簧热处理后进入精车工序，精车最好在数控车床上进行。可以保证圆环的圆锥半角。β是圆环的重要几何参数，它决定环形弹簧的刚度。β小，刚度小，若 β<p （摩擦角）将产生自锁，即不能回弹；β大，刚度大，按照图样精车此角。

2.5强压处理

环形弹簧必须进行强压处理，处理时应将内环、外环和端环按图样要求配制，弹簧试验时，变形量

式中 n-环形弹簧圆锥接触面对数；

δ０-弹簧外圆环间的轴向间距；

δｍｉｎ-弹簧圆环间在工作极限位置应保留的最小间距。

弹簧圆环间在工作极限位置应保留的最小间距，一般应使 δmin≥1mm，直径较大或加工精度较低时，最小间距应取大些。一般精度较低时可取 δmin≈D/50；精度较高时取 δmin≈D/100。强压时，两侧应置放限高块。

2.6特性测试

环形弹簧的各部几何尺寸检验合格后，都必须测试其力学性能。测试前各接触面需加入润滑剂，常用的润滑剂为石墨、固态MoS2或其他润滑脂。其力学性能不但与几何尺寸有关，更与摩擦面的加工工艺有关，接触面未经精加工，在重载条件下摩擦系数 fu=0.16、p=9°；接触面经精加工在重载荷条件下摩擦系数 fu=0.15、p=8°30'；当接触面经精加工在轻载荷条件下摩擦系数 fu=0.12、ρ=7°。图5给出了不同条件下，环形弹簧的特性曲线。

图5环形弹簧的特性曲线

环形弹簧在一个加载和卸载循环中的特性曲线为OABO，如果没有摩擦力的作用下，则应为OC，卸载时，特性曲线由B点开始，而不是由E点，这是由于摩擦使弹簧弹性滞后引起的特性曲线。由于环形弹簧有其较大摩擦功的损耗，所以OA加载曲线测到位后卸载会有不同的曲线，这主要决定于环间摩擦系数所致。

表2是常用环形弹簧结构尺寸，可供设计、制造时参考。

表2常用环形弹簧结构尺寸

序号	结构尺寸/mm				弹簧特性		导向件尺寸/mm		一只内环和一只外环的质量/kg
序号	D2	D1	h	δ0	F/kN	F/mm	外导向	内导向	一只内环和一只外环的质量/kg
1	18.1	14.8	3.6	0.8	5	0.4	18.7	13.9	0.002
2	25.0	20.8	5.0	1.2	9	0.6	25.9	20.1	0.004
3	32.0	27.0	6.4	1.6	14	0.8	33.1	26.1	0.007
4	38.0	31.7	7.6	1.8	20	0.9	39.3	30.6	0.012
5	42.2	34.6	8.4	2.0	26	1.0	43.6	33.4	0.018
6	48.2	39.4	9.6	2.2	34	1.1	49.8	38.1	0.026
7	55.0	46.0	11.0	2.6	40	1.3	56.7	44.5	0.035
8	63.0	51.9	12.6	2.8	54	1.4	64.9	50.3	0.056
9	70.0	58.2	14.0	3.2	65	1.6	72.1	56.4	0.074
10	80.0	67.0	16.0	3.6	83	1.8	83	64	0.105
11	90.0	75.5	18.0	4.0	100	2.0	93	73	0.145
12	100.0	84.0	20.0	4.4	125	2.2	103	81	0.203
13	124.0	102.0	24.8	5.2	200	2.6	128	98	0.408
14	130.0	111.5	24.8	5.2	160	2.6	134	108	0.376
15	140.0	116.0	28.0	6.0	250	3.0	144	112	0.568
16	166.0	140.0	32.0	7.6	400	3.8	170	136	0.869
17	194.0	155.0	38.0	8.8	600	4.4	199	150	1.676
18	198.0	162.0	37.0	7.8	510	3.9	203	157	1.570
19	220.0	174.0	44.0	8.8	720	4.4	225	169	2.537
20	262.0	208.0	42.0	9.6	860	4.8	268	202	3.451
21	300.0	250.0	60.0	11.6	1000	5.8	306	245	5.51
22	320.0	263.0	64.0	12.4	1200	6.2	326	258	7.06
23	350.0	288.0	70.0	13.2	1400	6.6	356	283	9.18
24	400.0	330.0	80.0	15.6	1800	7.6	407	324	13.56
25	489.0	428.5	78.0	24.0	2000	7.9	498	420	22.000