（机械工程专业论文）一种特殊弹性元件制造技术研究.pdf

叭学工程硕士学位赦 y 6 8 8 5 0 6 一种特殊弹性元件制造技术研究 机械工程领域 研究生蒋晓麟指导教师郭祚迭、王宝瑞 弹簧作为一个基础零件，广泛应用于各行各业，许多弹簧的设计制造已 经形成了标准，但在我单位的科研生产中，由于受装配空间结构限制及一些 特殊的使用要求，经常需要一些形状较特殊，加工精度及性能要求都较高的 非标弹性元件。由于结构较复杂，缺少理论的或经验公式计算结构尺寸与刚 度之间的关系，这些弹性元件的弹性性能往往都是靠工艺试验数据确定的， 由于受生产过程中材料、加工成形、热处理、表面处理等许多因素的影响， 零件加工质量不稳定、合格率通常较低。因此研究这类特殊弹性元件在制造 过程中的影响因素并加以控制，对今后科研生产中该类弹性元件制造技术的 发展具有现实意义。 本课题选择了我单位生产的特殊弹性元件中一种较有代表性的零件，对 其加工制造技术进行分析研究。该零件形状结构较复杂，尺寸精度及力学性 能要求都很高，制造非常困难，经过研制生产，虽然可生产出合格的零件， 但在生产中经常出现成形时开裂、弹性性能达不到要求、变形等问题。针对 这些生产中的技术难题，我们开展了深入的分析研究，通过理论分析、并通 过工艺试验进行验证，最终解决了问题，提高了零件生产的合格率。 本文首先对零件的结构进行了深入的分析研究，运用材料力学理论计算 了零件刚度，通过分析，明确了刚度和零件结构尺寸之间的关系，从而为在 生产中更好的控制零件加工尺寸精度提供理论上的依据。对从原材料性能控 制、球化退火、成形、热处理、表面处理至理化性能测试整个工艺过程进行 叫川i 大学工程硕士学位论文 了较详细的介绍。由于原材料对零件的成形及弹性性能都影响很大，本文重 点对原材料各项性能对成形及性能的影响进行了分析，结合生产实践提出了 对原材料的控制要求。通过对成形工艺方法、工装等进行分析，并运用计算 机技术对主要成形过程进行模拟，分析了零件成形出现裂纹的原因，重新设 计了工装进行工艺试验验证，解决了长久以来零件成形翻边时容易出现裂纹 的问题。通过热处理工艺试验，确定了合理的热处理工艺规范及工艺装备， 保证了零件的热处理质量，通过表面处理工艺试验，分析了表面处理过程对 零件厚度尺寸的影响，并解决了生产中出现的零件表面处理颜色不均匀等问 题，性能测试方面分析了测试方法、测试工装等对测试数据精度的影响，通 过以上分析和试验，基本上确定了生产过程中对零件质量影响的关键因素， 并提出了控制的手段，解决了零件加工的“瓶颈”问题，对今后类似零件的 生产也具有指导意义。 关键词：弹性元件制造技术工艺 2 四川大学工程硕士学位论文 m a n u f a c t u r i n gt e c h n l o l g ys t u d yo fa s p e c i a lt y p es p r i n g m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e 砌n g g r a d u a t es t u d e n t ：j i a n gx i a ol i n a d v i s e r ：g u oz u od aa n d 值n gb a or u i a b s t r a c t ： s p r i n g sa r ew i d e l y u s e di ne v e r yw a l ko fl i f e ，s o m eo ft h e m h a v eb e e ns t a n d a r d i z e d b u tb e c a u s eo ft h er e s t r i c to fs t r u c t u r ea n da p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t ，t h e r e i s a l w a y sn e e d s o m en o n s t a n d a r d s p e c i a lt y p e o fs p r i n g b e c a u s eo fi t s s p e c i a l a n dc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ，t h e r ei so r e nn oe x i s t i n g e x p r e s s i o n st o c a l c u l a t et h er i g i d i t yw i t hi t sd i m e n s i o n s ot h er i g i d i t yi so r e n e s t a b l i s h e db yt r i a l m a n u f a c t u r e b e c a u s eo fm a n yu n e x p e c t e df a c t o r sd u r i n gt h e p r o c e s s i n g ，t h eq u a l i t y o ft h es p r i n gp r o d u c ti sf l u c t u a n t ，t h eq u a l i f i e dr a t e s o m e t i m e si s v e r yl o w s oi t i sv e r ys i g n i f i c a t i v et os t u d yt h ef a c t o r sw h i c h i n f l u e n c e dt h eq u a l i t yo fs p r i n gd e e p l yd u r i n gt h ep r o c e s s i n g ，a n dt r yo u r b e s tt o c o n t r o lo fi t f r o mt h es p r i n g sw h i c hw eh a v ep r o d u c e d ，w es e l e c t e do n es p r i n gw i t h s p e c i a lc o m p l i c a t e ds t r u c t u r et os t u d y w i t ht h es t r i c tr e q u i r e m e n to f d i m e n s i o n a n de l a s t i c i t yp e r f o r m a n c e ，t h es p r i n gi sv e r yh a r dt ob em a d e c r a c kd u r i n gt h e s h a p i n gp r o c e s s i o n ，i n a d e q u a c yo fe l a s t i c i t y , d e f o r m a t i o n h a db e e nt h em o s t p r o b l e m s t h r o u g hs t u d i e sa n d c o m b i n ew i t ht e c h n o l o g i c a lt e s t ，w eh a v es o l v e d t h e s ep r o b l e m sa n di m p r o v e dt h eq u a l i f i e dr a t eo f t h ep a r t f r o mm a t e r i a lc o n t r o l 、s h a p i n g 、h e a tt r e a t m e n t 、s u r f a c et r e a t m e n t t ot h e e l a s t i c i t yp e r f o r m a n c ee x a m i n a t i o n ，t h e s e a r t i c l ed e t a i l e d l yd e s c r i b e da l lt h e m a n u f a c t u r ep r o c e s s e so ft h ep a r t f i r s to fa l l ，w eh a v ed e e p l ya n a l y z e dt h e 3 一些型查鲎三堡塑主兰垡坠塞 s t r u c t u r eo ft h e p a r t u s et h e o r y o fm a t e r i a l m e c h a n i c s ，w ei n f e r r e d t h e e x p r e s s i o n o fr i g i d i t y i t h e l p su s t ok n o ww h i c hd i m e n s i o n ss h o u l db eb e s t c o n t r o l l e d d u r i n g t h ep r o c e s s i o n w e a n a l y z e d t h e p e r f o r m a n c eo fm a t e r i a l w h i c hi n f l u e n c et h ee l a s t i c i t yt om a k ec e r t a i nt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n to f m a t e r i a l t h r o u g ha n a l y z et h es h a p i n gd i e sa n ds i m u l a t et h em a i np r o c e s so fs h a p i n gw i t h c o m p u t e r , w eh a v ef o u n dt h er e a s o nw h y t h ep a r tw i l lc r a c kd u r i n gt h es h a p i n g p r o c e s sa n d a tl a s ts o l v e dt h e p r o b l e m t h r o u 曲t e c h n o l o g i c a lt e s t ，w eh a v ef o u n d o u tt h er e a s o n a b l et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ra n d e q u i p m e n to f h e a tt r e a t m e n t ，m a d s o l v e dt h ep r o b l e mo f d i f f e rf r o mc o l o ra f t e rs u r f a c et r e a t m e n t t h r o u g ha l lt h e s es t u d i e sa n dt e c h n o l o g i c a lt e s t ，w eg e th o l do ft h ek e y f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h eq u a l i t yo fs p r i n gm o s td u r i n gt h ep r o c e s s i o n ni s h e l p f u lt ot h ep r o d u c t i o no f t h ep a r tf o rt h ef u t u r e k e y w o r d ：s p r i n g , m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，p r o c e s s 4 四j i l 大学工程硕十学位论文 l 概述 1 1 课题意义 本课题针对我单位生产的一种特殊异形弹簧零件在生产中出现的问题 进行研究解决，通过工艺试验及对弹性元件设计结构、制造过程中原材料控 制、成形、热处理工艺方法等进行分析，基本掌握了该零件制造过程中应该 控制的关键因素，解决了生产中的实际问题，并为今后该零件及其它类似弹 性元件的研制生产奠定了基础。 1 2 弹簧简介 弹簧是利用材料的弹性和结构特点，在工作时产生变形，把机械功或动 能转变为变形能( 位能) ，或把变形能转变为机械功或动能的一种机械零( 部) 件。它广泛应用于机械、仪表、电器、交通运输工具以及日常生活等备行业， 是一个涉及面比较大的基础零件“，。 弹簧的主要功能为：1 ) 缓和冲击或振动，如车辆的悬挂弹簧；2 ) 储能， 如钟表弹簧；3 ) 控制运动或作用力，如控制阀、制动器等的弹簧；3 ) 测力， 如弹簧称中的弹簧：4 ) 还可用作振动元件，如振动筛中的支承弹簧等“。 弹簧的使用特性主要包括：弹性特性、刚度、灵敏度和有效面积等“。 作用于弹簧上的载荷与弹簧产生的位移之间的关系称为弹簧的弹性特 性。对于不同结构的弹簧，这种载荷可以是压力、集中力和力矩，位移可以 是线位移和角位移。载荷与位移之间的关系曲线称为弹簧的特性线，弹簧的 特性线大致有三种类型：1 ) 直线型；2 ) 渐增型；3 ) 渐减型。有些弹簧的 特性线可以是以上两种或三种类型的组合，称为组合型特性线。使弹簧产生 单位位移所需要的载荷，称为弹簧的刚度。特性线为渐增型的弹簧刚度随载 荷的增加而增大：而渐减型的弹簧，刚度随着载荷的增加而减小。直线型的 弹簧，刚度不随载荷变化而变化，为一常数。弹簧承受单位载荷时所产生的 位移，称为弹簧的灵敏度。灵敏度即刚度的倒数“”。 弹簧的类型很多，其分类方法也很多，按结构形状来分，大致分为圆柱 螺旋弹簧、非圆柱螺旋弹簧和其它类型弹簧。其它类型弹簧中，常用的有扭 杆弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、片弹簧、板弹簧、膜片膜盒等。按制造材料 四川大学工程硕士学位论文 的不同可分为金属弹簧和非金属弹簧。金属弹簧包括采用钢及钢合金、铜合 金、和镍合金等制造的弹簧。非金属弹簧包括空气弹簧、橡胶弹簧以及塑料 弹簧等。如按受载后弹簧材料所受应力类型可分为受弯曲应力作用的弹簧、 如碟形弹簧、板弹簧；受扭切作用的弹簧，如螺旋压缩和拉伸弹簧：受压缩 和拉伸应力作用的弹簧，如环形弹簧；和受组合应力作用的弹簧，如受弯曲 载荷作用，或受横向载荷作用的螺旋弹簧等。弹簧也可按使用条件分类。用 作缓冲或减振的弹簧是利用弹簧动的机能，称为动弹簧，如汽门弹簧、车辆 悬架弹簧等；用作承受静载荷的弹簧是利用弹簧静的机能，称为静弹簧，如 安全阀弹簧、钟表的发条等。弹簧如按特性线的类型也可分为线性和非线性 特性弹簧。 弹簧是在较高的应力下工作，材料表面受力最大，弹簧材料的综合力学 性能和材料表面质量，直接影响到弹簧质量。保证和提高弹簧材料力学性能 和物理化学性能，是确保弹簧正常工作的关键“1 。工作条件不同的弹簧对材 料的要求也不同。一般而言，材料应保证弹簧的主要性能，即弹性和应力。 弹簧一般是在交变应力条件下工作，所以材料应具有足够高的疲劳极限。对 于精密测量用的弹簧，严格要求其工作特性稳定，应选用抗微塑变形能力高 的材料，即具有高弹性极限和低弹性模量的材料。弹性极限越高，滞弹性效 应出现的越少。在高温、高压条件下工作的弹簧，其材料应具有耐热性和抗 蠕变性能，如果弹簧在低温下工作，其材料应避免冷脆性，如弹簧零件和腐 蚀介质接触，则要求弹性材料具有高的耐腐蚀性。此外，弹簧材料应具有较 高的塑性，因为在它们的毛坯制造和成形过程中，要进行多次碾压和拉伸， 会发生很大的变形，当制成成品时，要求有高的强度和弹性性能。“” 弹簧的质量很大程度上也取决于弹簧的工艺过程，加工和热处理直接影 响到材料的弹性和应力，从而影响到弹簧的工作特性。1 。不同种类的弹簧， 其制造工艺是各不相同的，它取决于零件的结构及所用的材料。弹簧的制造 过程一般包括两个步骤：一是零件成形过程；二是使成形的零件得到要求的 工作性能。在成形过程中，材料要经过冲压、拉伸、弯曲、绕制等工序，成 形后的弹簧大多需要进行热处理来达到所要求的工作性能。 2 四川大学工程硕士学位论文 1 3 弹簧技术发展现状 1 - 3 1 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。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( f e m ) 。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，弹簧的有限元设计方法已进入实用化阶段，出现了不少有实用 价值的报告。 另外，在弹簧的设计过程中还引进了优化设计。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。目前优化设计在螺旋 弹簧、汽车钢板弹簧、碟簧设计方面已应用的较成熟，并开发了些专用 c a d 系统。 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。 1 3 2 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，弹簧材料不断开发出新品种。 气门弹簧和悬架弹簧已广泛应用s i c r 钢。为了提高疲劳寿命和抗松弛 性能，在s i c r 钢中又添加了v 、m o 。随着发动机高速小型化，抗振颤性能 好、质量轻、弹性模量小的t i 合金得到了广泛应用，其强度可达2 0 0 0 m p a 。 目前还开发的有单向形状记忆合金弹性材料及耐热、耐磨、绝缘性好的陶瓷 材料。玻璃纤维增强塑料板弹簧在英、美和日本等国已广泛使用，目前又研 制成功了碳素纤维增强塑料，比金属板簧要轻2 0 。另外弹簧材料在严格控 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 四川大学工程硕上学位论文 益的成效。如为了保证表面质量，对有特殊要求的材料采用剥皮工艺将表层 去掉0 1 m m 。 1 3 3 弹簧加工技术的发展 目前，机械弹簧的加工设备和加工生产线向着数控( n c ) 和计算机控 制( c n c ) 化的深度和广度发展。利用数控设备控制弹簧的成形，提高了弹 簧尺寸的一致性，从而可以生产性能要求更高的弹簧零件。另外对于大批量 生产的弹簧，国内利用计算机控制技术建立了多条热处理自动生产线使热处 理工艺进一步发展。 1 4 特殊弹性元件研制情况 该弹性元件形状结构见图1 1 ，图1 2 。 4 图1 1 零件外形图 四川大学工程硕士学位论文 图1 2 零件结构尺寸 零件材料为6 0 s i 2 m n a ，厚度尺寸为l m m 。其弹性特性要求在两个变形 高度下满足规定的负荷，负荷波动范围为1 0 ，相比碟簧在f = o 7 5 h o ( 即 变形量为极限变形量的7 5 ) 时一级精度弹簧允许负荷波动的范围为一7 5 2 5 ( g b t 1 9 7 2 - - 9 2 ) ，其要求的精度较高，另外内径d 及高度尺寸h 1 、 h 2 公差也要求较高，加工制造比较困难。 该弹性元件在形状结构上有别与一般常用的弹簧，属于一种异形弹簧， 可以大致认为它介于碟簧和片弹簧( 或单板弹簧) 之间，它的主要作用是缓 冲、减振，受载后，材料主要受弯曲应力作用。 零件工作时，在m5 0 台肩上安装螺环，通过旋合螺纹对零件施加轴向载 荷。弹簧压缩后，三个爪产生弯曲变形。其受力状态可简化为图1 3 形式。 四川大学工程硕士学位论文 图13 零件受力状态图 该弹性元件由于结构比较复杂，加之6 0 s i 2 m r t a 材料本身的冷变形塑性 较低，成形很困难。零件在最初的研制阶段，其成形工艺方法经过了多次的 改进。最初采用整体拉深成形方案，未获成功，经多次试验，采用冲孔、落 外形料、球化退火、翻边、成形6 5 。锥面、成形爪部的工艺方法可以成形零 件，后又对工艺方法进一步优化，形成现在的落夕 形料、球化退火、成形6 5 。 锥面、冲孔、翻边、成形爪部的工艺路线。 零件在以前的生产中，虽然可以生产出合格的零件，但合格率一直很低， 生产中经常出现各种各样的问题，其中翻边时出现裂纹和弹性特性值不稳定 是影响合格率的两大主要原因。在某次批生产时，零件退火处理后翻边时整 批零件在翻边处都出现了严重的裂纹。后经二次真空退火，虽较前次有所改 善，翻边处仍有肉眼明显可见的起皱起皮现象，经磁粉探伤，已有3 件出现 裂纹，后经淬火处理及表面酸洗处理后也全部开裂。针对这一情况，所领导 决定组织有关人员对该零件重新进行课题研究，分析问题产生的原因，并进 行工艺试验的验证。为此我们从原材料的性能检测、成形模具及工艺、球化 处理工艺等多方面进行了研究分析。在确定了成形模具是影响零件翻边时产 生裂纹的主要原因后，重新设计了落料、成形6 5 。锥面以及翻边等模具，展 开了工艺试验，并在试验中不断改进模具，确定了模具的合理尺寸，经试验 效果较好。为保证质量及减少生产周期，在第一轮试验中我们首次采用了由 厂家直接进行球化退火的原材料，试验共投入1 0 0 件毛坯，淬火后由于零件 q b d 内孔、高度尺寸及三爪不平度不合要求及冲压缺陷等原因，共合格8 4 件。 四川人学工程硕士学位论文 理化探伤后合格8 0 件。最终经理化性能测试及2 4 h 压缩试验共合格6 3 件。 其中测试前未达到要求高度尺寸的零件有9 件，力学性能不合格l 件，2 4 h 压缩后零件高度不合格2 件，压缩后残余变形 1 有5 件。结果比较理想。 试验数据见附录a 。在随后的批生产中，零件理化测试共送检5 7 9 件，合格 4 6 3 件，合格率达8 0 。然而当采用厂家生产的第二批原材料进行生产时， 在原材料检验合格、模具保持不变的情况下，却再一次出现翻边时产生裂纹 的情况，只是裂纹程度没有以前严重，这促使我们在材料性能方面进行了一 系列的分析试验，取得了一些试验数据，对材料的成形性能有了进一步的分 析和认识。在第二轮工艺试验中，我们采用了普通退火钢带，对材料物理、 机械性能等提出了相应的控制要求，解决了零件产生裂纹的问题。对于弹性 性能经常偏低或偏高不合格的问题，我们也从材料、刚度分析、热处理工艺 参数、理化测试等方面进行了一定的分析和工艺试验，本文即是在课题研究、 工艺试验以及生产实践的基础上对整个零件制造过程的主要环节加以分析、 总结，提出了控制零件质量的关键措施，用以指导今后的生产试验。 四j i i 大学工程硕士学位论文 2 零件结构分析计算 2 1 零件刚度公式推导 一般说来，当零件材料不变时，零件的结构尺寸决定了零件的刚度，也 就是说零件结构一经确定，它的刚度也就确定了，但零件在制造过程中，其 尺寸是难免有一定的偏差的，因此我们有必要从分析零件的结构入手找出究 竟哪些结构尺寸对刚度的影响较大，需要我们在生产中加以严格的控制。 从图1 3 零件工作的受力状况图来看，零件基本类似于三个沿圆周方向 均布与水平方向成一定夹角的片弹簧。为便于分析，我们可以将弹簧的结构 进行简化，假设弹簧在z 方向垂直向下的载荷p 作用下，高度方向被压缩了 f ，我们只取其中的一个爪进行分析，把它看成是一端固支，另一端受p 。作 用的悬臂梁的弯曲变形，其受力简图见图2 1 。 z 沁。 图2 1零件一个爪部的受力简图 悬臂梁与水平轴线的角度为q 。则在爪的端部z 方向产生p o = p 3 垂直 向上的支反力，x 方向产生f = up o 摩擦力，在p o 的作用下，a 点在垂直方 向的位移为f ，设在垂直于梁方向上相应的分力为p l ，位移分量为v ，平行 于梁方向上相应的分力为p 2 ，位移分量为u ，则由几何关系可知： 只= rc o s a 一心s i n a 县= p os i n ( z + 蛾c o s a ( 2 1 ) ( 2 2 ) 四川大学工程硕士学位论文 由材料力学知，在p l 作用下，在a 点产生的位移v 为： v ：堕( 2 3 ) 3 e ， 在p 2 作用下，在a 点产生的位移u 为： “：型( 2 4 )“= 2l z qj 尉 式中：a 为横截面积，e 为弹性模量，i 为横截面y 方向的形心惯性距。 f = v c o s a + u s i n 口( 2 5 ) 将式代入得： ，=盟cos口+型sinz=j1(刍(cosa+sina)cosa+上(sina+cosa)3eie a e a s i n 咖 。 3 、3 日 。 ( 2 6 ) 糊愀叫厂2 磊i 面= 1 茅忑面婶o s 口+ 8 m 口j c o s a + 瓦i 峰1 n 口+ c o s 口舯口 ( 2 一7 ) 由式中可看出，当a = o 。时，分母中得第二项为零，零件只有弯曲变形， 当a = 9 0 。时，分母中第一项为零，零件只有轴向压缩变形。当a = 2 7 。时， 由于分母中第二项比第一项小得多，可以近似认为零件无轴向压缩变形，因 此刚度k 的近似表达式为： t ： ! 旦 ( 2 8 ) 2 。1 3 ( c o s a + p s i n a ) e o s a 。 2 2 计算惯性矩 由于刚度和惯性矩成正比，当零件爪部的横截面为矩形时，由材料力 一1 学可知惯性矩，：兰錾，其中t 为材料厚度，b 为爪宽度尺寸的一半。但该零 o 件的横截面是和锥面相截，带有两段弧线，如果简单的把它作为矩形截面来 计算，误差会比较大，而且反映不出锥面圆弧半径大小对惯性矩的影响。因 此我们按成形后的两种假设情况，对惯性矩进行了详细的计算。 四川i 大学工程硕士学位论文 2 2 1 第一种算法 假设零件成形后，宽度尺寸不变，为2 b ，三爪部内型面圆弧半径为r 爪厚度为t ，则外型面圆弧半径r = r + t 。其爪部截面尺寸见图2 2 。 图2 2 第一种算法爪部截面尺寸图 由材料力学可知，形心轴惯性矩： ，= ，。一z 。2 4 ( 2 9 ) 其中：，。为截面对y 轴惯性矩，z 。为截面形心到0 点的距离，a 为 截面面积。 z 。= s ，a ( 2 一i 0 ) s 。为图形对y 轴的静矩。 当一个平面图形是由若干个简单图形组成时，图形各组成部分对某一轴 的静距的代数和，等于整个图形对同一轴的静距。设图形分为三个部分，第 一部分为圆弧r 与其弧弦段所围成的图形，第二部分为两个弧弦段和两侧直 线段所围成的图形，第三部分为圆弧r 与其弧弦段所围成的图形，则由静矩 公式可得： = f 弛= zb z 肛现= 一复肛可 ：2 ( 2 - - 1 1 ) 。一：譬b z d z = b c r 2 - r 2 )(212)s ，：2 2 z d , 4 2 2 2 辟b z 铂怛2 - r 2 ) 化一 阴川大学工程硕上学位论文 跏2 f ，z 鸭= zb z 厄玩= 一封瓜习 2 = ( 2 - - 1 3 ) s ，= s y 2 + s ，3 s ，= s y 2 = b c r 2 一，2 ) ( 2 - - 1 4 ) 所以图形z 轴的形心： z 一= s y a = b ( r 2 一r 2 ) a ( 2 1 5 ) 三个图形的惯性距分别为： l = f l z 2 嘲= z k z 2 肛现= 水扛r 2 归一司： ( 2 1 6 ) k = l z 2 弛= 2 b z 2 压7 _ z 2 a z = 1 1 z ( 2 9 2 - r2 肛i 州砌n 訇： 厶= 弛蚴辱觑= 弦 ( 2 1 7 ) ( 2 一1 8 ) 整个截面的惯性矩： i ，= i y 3 + j ，2 一i ，1 ( 2 - 1 9 ) 由于从固定端a 端到b 端，r 是呈线性变化的。取中间部位r = 7 8 4 8 8 3 ， r = 7 9 4 8 8 3 ，b = 8 时，由公式( 2 9 ) ( 2 1 9 ) 计算得i = 1 5 7 5 3 3 。 根据资料，当b t 1 0 时，i 的值应乘以修正系数1 u 2 ，( u 为材料的泊松 比) 室温2 0 时u = 0 2 9 ，因此修正后i = 1 4 4 2 8 。 在固定端r = 5 4 3 5 4 7 4 ，r = 5 5 3 5 4 7 4 ，b = 8 时i = 1 8 3 9 x ( 1 ) = 1 6 8 4 3 2 2 2 第二种算法 假设零件成形后圆弧的向心角不变，为2e ，若弯曲后厚度不变薄，则 弯曲后中性层圆弧半径为r + l 2 t ，落料后爪的宽度为2 b ，则成形后中性层的 弧长也为2 b 。其爪部截面尺寸见图2 3 厨 厢 1j 四川大学工程硕士学位论文 诵i | ， 一0 掣 - 。 j 图2 3 第二种算法爪部截面尺寸图 按如上方法进行计算： = 1 础之础z 庐现= - 詈 ；兰r 3s i n 3 臼 3 ( z z u ) s y 2 = l ：妣= 2 j “e c 。s 8 z 2 留眈弓辔口k 3 鬈= s i n 目c o s 2 臼( r 3 _ ，3 ) ( 2 2 1 ) 跏= l ，删，= zlz 厄现= 一卦厅珂l = 扣i n 3 口 ( 2 2 2 ) s y = sy 2 + s 扩sy x = s ，：= 罢q 3 - - r 3 ) s i n o ( 2 2 3 ) 图形z 轴的形心： z 。= s ，a 2 2 ( r 3 一，) s i n o 3 i r 2 一r 2 黟 ( 2 2 4 ) p 戤= z l z 2 r 再- z 2 d z = 1 e z 陋r 2 v 再+ ，4 删n 也。 ( 2 2 5 ) ，。：f ，z ：删，：z 。z 2 瓢= 丢 z ( 2 2 2 一r 2 归+ r 4 踟屯s ；n 责 ：。 1 2 ， 网 四川大学工程硕士学位论文 ( 2 2 6 ) 1 圹l ，z 2 鹅= 2 e z 3 t g o d z = 三t g o l z 4 瞄( 2 - - 2 7 ) l y = i y 3 + ，y 2 - ，。= 丢c r 4 r 4 + c o s o s i n 口) ( 2 2 8 ) 式中0 = b ( r + o 5 0 ，b = 8 ，= l 取f 7 8 4 8 8 3 ，r = 7 9 4 8 8 3 时，0 = o 1 0 1 2 8 ( 弧度) 时，由公式( 2 - - 9 ) 、( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) ( 2 2 8 ) 计算得i = 1 5 6 1 8 5 ( 1 - u 2 ) = 1 4 3 。 取r 一5 4 3 5 4 7 4 ，r = 5 5 3 5 4 7 4 时，0 = 0 1 4 5 8 4f 弧度) 时，计算得i = 1 8 0 6 4 3 5 ( 1 - u 2 ) = 1 6 5 4 5 。 用两种算法得到得结果相差不多。由于零件是采用的先落料后成形的方 式，第二种算法比较接近零件实际状况。 2 3 刚度计算与分析 根据公式( 2 8 ) ，当取1 = 2 5 ，e - - 2 0 6 1 0 5 m p a 时，计算得k = 2 0 4 5 7 ， 该计算公式距设计要求及实际结果都相差较远，应该是建立力学模型时有出 入。实际上由于整个零件是薄板弱刚性零件，在受力时，不止三个爪部发生 弯曲变形，零件其它部位如6 5 。锥面部分也会因受径向、切向应力而发生变 形，从而影响整个零件的刚度，因此把零件简化成悬臂粱的结构是不够准确 的，但整个刚度公式的推导从定性分析角度仍有积极的意义。从刚度公式 ( 2 - 8 ) 计算可知摩擦力对刚度的影响很小，可忽略不计，因此刚度公式可 进一步简化为： k ：! 型 2 1 3 c ! o 竺s 2 ( 2 - - 2 9 ) 事实上从试验结果来看，零件的变形和受力基本呈线性关系。刚度变化 不大，但设计要求的是在两个变形量下分别满足规定的负荷，必须同时符合 两个公差带要求，弹性性能才合格，实际上是将弹性性能要求更严格化了。 从公式( 2 2 9 ) ，可以定性的分析以下对刚度的影响因素。 ( 1 ) 刚度和惯性矩的关系 由刚度公式可看出，刚度和截面惯性矩成正比，由惯性矩的计算可知惯 四川大学工程硕士学位论文 性矩的大小主要与零件爪部成形曲率半径大小和厚度及宽度有关系，曲率半 径越小惯性矩越大，r 越小时，i 越大，以第二种算法为例，固定端i 比中间 d + 3 一点i 增大1 3 5 ，相比矩形截面，= 等增大2 4 ，若以矩形截面计算厚 b 度、宽度对惯性矩的影响，则当厚度为l m m 时，i = 1 3 3 3 ，当厚度增大0 0 5 m m 时，i = 1 5 4 3 5 ，增幅为1 5 8 ，当厚度减小0 0 5 m m 时，i = 1 1 4 3 ，降幅为 1 4 2 。当宽度增大0 1 时，i 增大0 6 ，可见厚度和曲率半径是影响刚 度的主要因素，而宽度尺寸对刚度的影响不大。 ( 2 ) 刚度和长度尺寸l 的关系 由公式刚度和l 三次方成反比，可见长度尺寸l 也是影响刚度的个比 较重要的因素。实际生产中，由于采用模具落料，展开料的尺寸基本一致， 但在成形时由于材料回弹等因素影响会造成成形尺寸误差较大，如成形6 5 。 锥面时，成形力的大小、材料回弹等会对母5 0 尺寸精度产生影响，从而闻接 影响长度尺寸，当中5 0 尺寸误差为0 2 时，刚度可增大2 4 。另外由于零 件加工及热处理过程中变形，造成三爪高度尺寸不一致，或爪底面平面度较 差，使受力状态改变，从而使l 实际长度增大或缩短。如图2 4 所示，当三 爪底面的平面度较好时，我们可认为开始压缩时，力的作用点在中部c 点位 置，如果爪底面不平，向下弯，则作用点移到d 点，使l 尺寸增长，刚度降 低，若底面向上翘曲，则作用点移到e 点，使l 尺寸缩短，刚度增大。实际 上在开始压缩以后，由于爪部的弯曲，底面都会稍微向上翘曲，如虚线所示， 因此刚度略微呈增长趋势。如果三爪高度不一致，则刚开始压缩时，相当于 只有一个或两个爪在起作用，刚度自然降低。 1 4 d 图2 4 力作用点分析图 四川大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 刚度和弹性模量的关系 弹性模量值越大，在相同的应力下材料的弹性变形便越小，因此弹性模 量表明了材料对弹性变形的抗力，代表了材料的刚度。影响弹性模量的内部 因素有纯金属的弹性模量，台金元素与第二相的影响，外部因素有温度，冷 变形等影响。金属的弹性模量主要决定于原子间的相互作用力，因而合金化 和热处理对弹性模量的影响很小，但是，化学成分的熏大改变和具有高弹性 模量的第二相质点可以使弹性模量发生较显著的变化，因此，合金中若形成 了高熔点高弹性模量的第二相质点。则可提高弹性模量。温度是对弹性模量 影响较大的外部因素，通常，温度升高使原子间距增大，原子间结合力减弱， 因此，弹性模量总是随温度的升高而降低。对于结构零件，在5 0 5 0 的范 围内服役对，弹性模量的变化很小，可视为常数。冷变形稍稍降低金属的弹 性模量。钢冷变形后，e 值下降4 6 。由于弹性模量是较稳定的力学性 能参数，对合金成分和组织的变化不敏感，一般设计都不予考虑，而认为它 是一个常量。但我们对两种不同的经过退火处理的原材料进行拉力试验时， 发现其e 值变化范围为1 8 8 2 1 2 g p a ，如图2 5 ：曲线1 、2 、3 和曲线4 、5 、 6 分别为两种材料，其中曲线2 的e 值最小，曲线3 的e 值最大。在这个范 围内，其影响刚度产生变化的幅度约为1 1 ，因此当零件的弹性性能要求较 高时，其材料弹性模量的变化还是应予以考虑的。 o 口o aq ，o o , o g010d - i 1o , 1 2 s h h ( ” 图2 5 两种材料拉伸曲线圈 四川人学工程硕士学位论文 ( 4 ) 刚度和成形角度0 的关系 零件成彤高度尺寸偏高时，a 值大，刚度增大，反之，刚度减小。零件 制造时由于高度尺寸公差的影响，初始a 值有允许有1 。左右的制造公差， 其影响刚度的变化量约为2 。 2 4 小结 从以上分析可以看出，控制零件弹性特性的一致性，关键是控制零件 结构尺寸的一致性，而厚度尺寸是最为关键的控制要素，因此应严格控制原 材料的厚度尺寸并避免加工、热处理及表面处理过程因各种原因引起的零件 厚度尺寸变化。此外还需要严格控制零件成形尺寸精度及防止热处理等过程 的零件变形。 四川大学工程硕上学位论文 3 零件制造工艺技术研究 3 1 材料的分析与控制 3 1 1 弹簧材料的要求 弹簧的制造方法因其本身的特点和要求，除了要保证几何参数尺寸外， 还要保证有足够的弹性，准确的负荷和高的可靠性，因此制造弹簧要利用和 控制材料的弹性和塑性，以便弹簧既符合零件尺寸要求，又满足负荷性能和 寿命要求。 根据弹簧的工作性能，要求材料必须具有充分的弹性，材料的弹性极限 要足够高，通常情况下，材料的弹性极限与屈服强度成正比，即屈服强度越 高，弹性极限越高，弹簧材料一般屈服强度和抗拉强度较接近，因此可以用 抗拉强度来表示，但材料抗拉强度不是越高越好，过高会降低塑性和韧性， 增加脆性倾向。通过冷加工成形的弹簧，材料的冷变形程度对抗拉强度的影 响较大。同时由于很多弹簧工作时承受交变载荷，它的变形量随载荷变化而 变化，因此要有高的疲劳强度，能经受长时期的交变载荷作用。影响材料疲 劳性能的因素很多，如材料的化学成分、硬度、钢材的纯净程度、表面质量 和金相显微组织等，尤为重要的是材料的表面质量。裂缝、折迭、鳞皮、锈 蚀、凹坑、划痕和压疫等都容易使弹簧在工作过程中造成应力集中，其应力 集中的部位往往是造成疲劳损坏的疲劳源，疲劳源还易在表面脱碳的部位首 先发生。 6 0 s i 2 m n a 钢属硅锰合金弹簧钢，是我国目前应用较广泛的一种弹簧材 料，该材料淬透性较碳素钢高，由于加入了硅能提高弹簧钢的强度和回火稳 定性，从而可以在较高的温度下回火以获得较好的综合机械性能，淬火加回 火后具有较高的强度和弹性极限，较高的屈强比和抗松弛能力及抗回火稳定 性。但该钢的缺点是硅系石墨化元素，如热处理不当，钢中的碳会以石墨形 式游离出来形成石墨碳，此外晶粒粗，脱碳倾向大，且冷变形塑性低，切削 加工性能较差。 对材料的控制首先是要求其材质的均匀性，即对材料的化学成分、机械 性能、尺寸偏差等各项指标要求均匀和稳定一致，一批材料要求它的化学成 四川火学工程硕士学位论文 分、物理、力学性能变化很小，否则会造成产品的几何尺寸、硬度、负荷等 参数的离散性。 3 1 2 材料厚度及脱碳层的控制 由刚度的推导公式可知，材料的厚度是影响零件弹性性能的一个很重要 的因素，因此要对其进行严格的控制，生产中我们对下料后的板料都要逐件 进行检测，使原材料的厚度公差控制在o 0 5 m m 以内。 材料在热处理过程中由于氧化、脱碳形成氧化层、脱碳层，都会造成零 件厚度的减薄而影响零件的弹性性能，另外脱碳对零件疲劳性能的影响很 大，承受交变载荷的弹簧，在交变应力的作用下，材料的表面受到最大的应 力，首先形成疲劳源，脱碳会使弹簧承受应力最大的表面部位形成一层强度 很低的脱碳区，疲劳源往往就容易在此区域内首先发生，从而造成弹簧的疲 劳断裂。所以脱碳层是一个很重要的质量指标。因此生产中对原材料及以后 热处理中脱碳层厚度也都进行了严格的控制。 另外由于零件加工周期很长，在生产和周转的过程中还应注意防护零件 表面产生锈蚀造成厚度尺寸减薄。 3 1 3 材料化学成分的控制 零件化学成分中的合金元素在材料中所起的作用如下： 碳c ：含碳量越高，钢的硬度和强度越高，但塑性降低，脆性增加a 硅s i ：是冶炼过程中的脱氧剂，由于硅能溶于铁素体中，从而能提高钢 的强度和屈强比，还能提高钢的淬透性和耐热性能。但含量过高会造成钢的 晶粒粗化，增加石墨化倾向。 锰m n ：能提高钢的淬透性，缺点是脱碳倾向较大，容易过热。 铬c r ：能提高钢的淬透性，细化晶粒。 硫、磷杂质：降低钢的塑性和韧性，增加脆性，形成夹杂物，严重降低 弹簧寿命，所以含量应越少越好。 根据g b l 2 2 2 - - 8 4 ，6 0 s i 2 m n a 弹簧钢化学成分应符合表3 1 要求： 四川大学工程硕士学位论文 在第一轮工艺试验中，我们采用的厂家第一批直接进行球化退火的钢 带，其化学成分见表3 2 ，厂家第二批进行球化退火的钢带化学成分见表3 3 ， 第二轮工艺试验普通退火钢带化学成分见表3 4 。 表3 2 第一批球化退火钢带化学成分复检数据 化学 cm npss i c r n i c u 成分 o 6 00 7 00 0 0 8o 0 0 51 7 7 o 。2 4o 0 6o 0 9 表3 3 第二批球化退火钢带化学成分复检数据 恢 cm npss ic rn ic u i o ，5 90 6 90 0 2 2o 0 1 01 7 8o 1 10 0 60 0 8 表3 4 普通退火钢带化学成分复检数据 恢 cm npss i c r n ic u l o 5 80 7 00 0 1 00 0 0 61 6 7 o 2 50 0 30 0 9 从材料化学成分分析以及进行工艺试验的结果来看，第二批球化退火材 料s 、p 含量明显偏高，影响了零件的成形。从合金因素的影响规律来看，p 元素的增加会加速晶粒长大，促使回火脆性，s 、p 等元素易使钢变脆，冷 作性能差，降低钢的深冲压、拉深性能。因此为保证成形质量，原材料对s 、 1 9 四，i 大学工程硕士学位论文 p 含量的限制应比标准更严格一些。此外由于含碳量越高，钢的硬度和强度 增高，塑性降低，也会影响零件的成形质量，因此含碳量适宜偏低限，硅是 对弹减抗力影响最大的合金元素，随着硅含量的增加，可显著提高弹簧钢的 弹减抗力，但含量过高，将促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾 向，并使冶炼困难和易形成夹杂