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对机械设计手册中某些弹簧内容的疑义(乌兰察布市科技信息研究所，内蒙古 乌兰察布 01XX)摘 要：针对目前国内机械设计手册中，有关弹簧设计与 制造的一些指导性论述与实际应用的差异，结合实践进行了分析。关键词：强压处理；电抛光处理；疑义中图分类号：TH135 文献标识码：A 文章编号：10076921(XX)030296011 关于弹簧的强压(拉、扭)处理GB1805 弹簧术语对弹簧强压(拉、扭)处理作了如下定义：“将弹簧压缩(拉伸、 扭转)至弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余应力，以达到提高弹簧承载能力和稳 定几何尺寸的一种工艺方法”。化学工业出版社出版的机械设计手册1第15章“弹簧的强化处理及热处理 强压 (强拉、强扭)处理”一节中，以理论力学做了分析后得出结论认为：“以上结论表明：设计 弹簧时，如以弹簧材料扭转屈服极限2为设计计算应力。压缩弹簧经强压处理后，材料截 面表层可能存在近于2/3的负残余应力，故弹簧承载时，截面表层的实际应力比计算应力 低约1/3。故亦相当于承载能力提高了1/3。”该手册还认为：不同类型的弹簧其强压处理 的方法扭杆弹簧是将扭杆在工作载荷的方向，加以超过扭杆切变弹性极限的扭矩；压缩弹 簧和拉伸弹簧分别加以超过弹簧材料切变弹性极限的压缩和拉伸载荷；扭转弹簧加以超过弹 簧材料极限的扭矩，都可以提高弹簧的承载能力。机械工业出版社出版的机械设计手册2(1993年版)第30篇提出：“经过 强压(拉)处理的弹簧，可以提高弹簧的许用应力P，最高可以达25%”根据机械设 计手册2提供的资料，可以统计并得到弹簧强压(拉、扭)处理前和强压处理后 可以达到的许用应力值。列表如下：弹簧种类许用应力强压处理后可以达到的许用应力压缩弹簧类=(0.350.4)b类=(0.40.47)b类WB=(0.50.55)b=(0.440.532)b=(0.500.625)b=(0.620.731)b拉伸弹簧类=(0.280.32)b类(0.320.38)b类=(0.400.44)b=(0.350.425)b=(0.400.505)b=(0.500.585)b扭转弹簧强扭处理前的工作极限弯曲应力f类=0.625b类=0.80b强压处理后可以达到的极限弯曲应力f=(0.780.83)b=(1.001.06)b注：类载荷(106以上)；类载荷(103105)；类载荷(103以下)；强压(拉、 扭)处理后可以达到的许用应力是按强压(拉、扭)处理前的许用应力的1.251.33倍计算得 到的。通过强压处理能够使弹簧一下子就提高承载能力25%33%，这对于刚刚接触机械零件设 计的技术人员来说，确实是一个有非常吸引人的数据。但是，经过笔者的实践和分析，认为 ：通过强压(拉、扭)处理来提高弹簧的承载能力是有条件的。因为在强压处理过程中，只有 将弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余应力，才能获得强压的效果，并且只有在强 压(拉、扭)时，使得弹簧材料产生的残余应力即塑性变形越大，弹簧材料的弹性极限提高得就越大。但每种材料的弹性极限都是有一定的限度的，一旦超过这个极限，材料不仅会产 生塑性变形，而且会“完全屈服”变形，许多弹簧在强压(拉)到材料的0.5b就已经“完全 屈服”变形。各种材料屈服极限值也有差异，屈服极限值只能通过强度验算和试验后才能确 定。另外，强压(拉、扭)处理的效果与弹簧的外形结构、特性、以及强压处理的工艺方法 都有密切的关系。就弹簧的外形结构而言，旋绕比大或者螺旋升角小的(压缩弹簧)就不可 能通过强压处理来提高它的承载能力，旋绕比和螺旋升角究竟多少能达到目的，需要通过强 压设计和试验才能确定。所以，并非仅仅是简单的将弹簧压一压、拉一拉或者扭一扭，就能 够一下子提高承载能力的。综上分析，弹簧强压处理的压应力Qy或者压力PQy首先应该满足以下公式要求：Qy= 8DPQy/d3S0.5同时，当Qy /b0.8时，会使材料达到屈服极限，弹簧出现永久变形，反而使载荷 减少。因此强压处理的压应力Qy /b必须在0.50.8范围内。从上面表格中可以看出： 除非是高应力弹簧，一般的压缩、拉伸和扭转弹簧都不具备强压(拉、扭)的必备条件，但 可以通过对弹簧进行“预制高”的工艺来创造条件。例如：对于压缩弹簧和扭转弹簧，可以 通过对它预留强压的“预制高”和“预制角”来实现两个目的：使得弹簧材料截面表层可 以产生残余应力的“压缩量”和“扭转量”；经过强压处理后弹簧的高度尺寸或角度正好 符合设计的要求。对于拉伸弹簧来说第一个目的就不容易实现。根据以上的分析和笔者以往对截锥形弹簧强压处理效果的探讨3，得到对弹簧强 压处理的意见是：在考虑要对弹簧作强压处理时，应该先对弹簧进行强压设计，以确定该 弹簧是否适合做强压处理；具备强压处理条件并受高应力的压缩弹簧、扭转弹簧等，经过 强压处理后力学性能会得到明显的改善；有初拉力要求的拉伸弹簧，在强拉处理时初拉力 会减少甚至消失，这类弹簧不能做强拉处理4。而无初拉力要求的拉伸弹簧，是 不容易通 过强拉处理来提高承载能力的；高温(超过+60)及腐蚀条件下工作的弹簧作强压处理， 只能起稳定尺寸的作用，不能提高承载能力；通过用强压处理的方法来提高截锥形弹簧的 承载能力在实际上是不可取的3，并以此可以推断出：对于各种变刚度的弹簧， 是不适合用强压处理的方法来提高它的承载能力的。2 关于电抛光处理为了满足对要求精密的弹性零件的力学性能，一些文献提出：“可以对用精密合 金 、铜合金和不锈钢丝制造的弹簧进行电抛光或者化学抛光处理，以微量削减材料表层，来达 到需要的尺寸和特性。”笔者经过实践后认为，采用电抛光是可以削减弹簧表层的尺寸的， 这对一些压缩弹簧、弹簧片和波纹管可以适当的采用，但是对拉伸、扭转等无间隙的弹簧， 不适合用电抛光来降低其力学性能。因为，电抛光的电流及其电介液(含硫酸、硝酸等)在极短的时间内(抛光的时间一般2 8秒)不可能均匀地通过弹簧圈与圈之间的缝隙，这样经过电抛光处理后的拉、扭簧材料的 截面直径成了不均匀、不规则的多棱边形，这对精度要求比较高的弹簧来说是不可取的。从 电抛光对弹簧性能的影响考虑出发，是不宜用过多的时间去电抛光，因为在酸溶液的时间过 长，对弹簧强度的影响是绝对存在的，而且是有害的。由于电抛光的溶液使用期较低，工艺 参数变化大，每批弹簧都需要经过试验后才能确定，从经济上考虑也提高了成本。目前各种 牌号各种直径规格的弹簧钢丝都有供应，基本上能满足各种精密要求弹簧的力学性能。综上所述对拉伸弹簧和扭转弹簧，想通过电抛光来削减其微量尺寸，以达到需要的特