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弹簧制造工艺

第五讲:

弹簧结构分析与制造工艺

（第四章:

弹簧制造工艺）

2０1４-8-3,上海讲座用

第一节：

概述

一:

弹簧在电器产品中的应用

电器中常用的弹簧有：

※：

螺旋弹簧:

（1:

压缩弹簧;２：

垃伸弹簧;3：

扭转弹簧；4:

片黄）

1：

压缩弹簧：

在交流直动式接触器中常常采用压缩弹簧-主要是触头压缩弹簧和铁心反力弹簧。

如下特性。

电器的负载特性（机械特性）是电器的重要特性之一。

作用在衔铁上的机械力和衔铁行程关系特性P或F＝

称为机械特性，也称反力特性。

弹性元件（螺旋弹簧和簧片）构成。

弹簧构成电磁电器机械特性（反力特性）如图所示

此特性是由作用于衔铁的机械力和作用于触头的压力组合而成的特性．

在断路器上,触头也是采用压缩弹簧,如下所示：

２:

垃伸弹簧

在断路器四连杆机构多数采用，拉伸弹簧：

在直流接触器中的衔铁反力弹簧是拉伸弹簧。

3：

扭转弹簧：

脱扣器上采用的扭簧。

4:

片黄:

在继电器中广泛采用。

从上述情况看,弹簧成为我们电器中一个十分重要的零件。

它的质量直接影响我们各种电器的性能。

二:

弹簧的基本性能

弹簧的基本性能是在载荷作用下产生形变,卸载时释放能量恢复原形;加载变形过程遵循一定的规律。

1：

弹簧的特性线：

其特性就是：

载荷Ｐ（M）与变形F（ϕ）之间的关系曲线成为弹簧的特性线,如图4－１所示。

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。

有些弹簧的特性线是上述两种或三种的组合（图４-２），称为组合型特性线。

如压缩弹簧的特性线（图４－２ａ）在开始加载时为渐减型,当变形在整个工作区间的30%~70％时为直线性,在最后的30%时为渐增型．又如圆锥弹簧的特性线（图４－2c）,加载开始为直线,到一定程度后,变为渐增型；蝶形弹簧的特性线（图4-2ｂ）开始为渐减型,后为渐增型,整个特性线呈S形;图４-2d是两个不同高度压缩弹簧组合的特性线,加载开始只有一个弹簧承受载荷，当加载到一定程度时,第二个弹簧也开始承受载荷,特性线成为两个弹簧的特性线，因而其斜率发生了改变.拉伸弹簧的特性线基本上是一条直线,由于其线性好,故广泛用于电器元件和计量器具中．

图2组合型特性

a）压缩弹簧特性曲线,ｂ）碟形弹簧特性ｃ）圆锥弹簧特性d）两个压缩弹簧组合特性曲线

２.弹簧刚度（有两种表述方法）

弹簧所受载荷P与变形量F之比，即产生单位变形量所需荷载称为弹簧刚度.

对于压缩和拉伸弹簧的刚度为

（４－1a）

式中

──压缩和拉伸弹簧刚度（

）；

──弹簧所受负荷力（N）;

──弹簧的变形量（mm）.

对于扭转弹簧的刚度为

（4-2a）

式中

──扭转弹簧的刚度（

）；

──扭转弹簧的扭矩（

）;

ϕ──扭转弹簧的扭转角．

特性线为渐增型弹簧,其刚度随着载荷的增加而增大;渐减型弹簧,其刚度随着载荷的增加而减小.而对于直线型弹簧,其刚度不随载荷变化而变化,即

或:

（４-１ｂ）

（4-2b）

因此,对于具有直线型特性线的弹簧,其刚度也称为弹簧常数.

弹簧的特性线对于设计和选用弹簧的类型起着重要的指导作用.设计弹簧时可用分析计算及实验的方法找出它的特性线.但即使是最精确得计算,其结果和实际的数值也总会有一定的差异．这是由于弹簧在制造过程中不可避免的存在工艺差异,所用材料组织也并非绝对均匀之故.因此,在设计弹簧时必须经过反复试验，修改尺寸和参数，使之达到理想的结果.

三：

弹簧的分类

弹簧的类型很多,分类方法不一，按其形状和结构可分为以下几种类型。

１：

圆柱螺旋弹簧

这类弹簧多数由圆形截面材料制成,但在同样空间条件下需要更大的刚度时，可选用矩形截面材料。

此中大致可分为三种类型:

（１）:

圆柱螺旋压缩弹簧（图4-3）

这种弹簧结构简单，制造方便，特性接近于直线型，刚度值较稳定,（在电器产品中）应用最广，简称为压缩弹簧。

（2）：

圆柱螺旋拉伸弹簧（图4－4）

这种弹簧性能和特点与压缩弹簧相同。

重要承受拉伸载荷，其特性线是直线型。

由于有初应力和无初应力的区别,故其特性线起点各异。

多数由原形截面材料制成，简称为拉伸弹簧。

（３）:

圆柱螺旋扭转弹簧（图4-5）

这种弹簧主要承受扭矩作用，用于压缩、储能及转动系统中，特性线呈直线型。

多数由圆形截面材料制成，简称为扭转弹簧。

2．变径螺旋弹簧

包括锥形、双锥形弹簧及不规则变直径弹簧,后者应用较少。

（1）:

圆锥形螺旋弹簧（图4-６）

这类弹簧的特点是稳定性较好，结构紧凑。

其特性线开始是直线，随着载荷的增加,逐渐变成渐增形，有利于缓和冲击和共振。

（2）：

中凸和中凹形弹簧（即双锥簧）（图4-７）

这类弹簧的特性相当于圆锥形弹簧。

中凸形弹簧在某些场合可以代替圆锥弹簧使用；中凹形弹簧主要用作坐垫和床垫。

3:

悬臂梁式片状弹簧

这类弹簧由薄片材料制成,结构形状繁多。

主要用于仪表及继电器电器元件中。

此外，还有空气弹簧、液压弹簧、橡胶弹簧、弹性触头及扭杆弹簧等。

第二节:

弹簧材料

一:

弹簧性能对材料的要求

弹簧主要在动载荷作用下工作,要求材料具有高的抗拉强度极限、屈服极限、弹性极限及疲劳极限，同时还要求具有高的冲击韧性和塑性。

在特殊条件下还要求其材料具有耐热、防腐、导电、防磁、耐低温等性能。

金属材料在高温、长期载荷作用下，其内部组织结构也会发生不同程度的变化。

因此,在高温条件下工作的弹簧，其材料应具有足够的热稳定性能。

在低温下，一般金属材料的抗拉极限、弹性极限均随温度下降而增大,冲击韧性和塑性减小,变的冷脆。

在低温下工作的弹簧要选用具有稳定的低温性能和良好的低温韧性的材料。

在腐蚀介质中工作的弹簧，由于其表面受腐蚀介质的作用而遭破坏,疲劳寿命将显著下降，因此要求其材料具有较强的抗腐蚀能力。

对于电器中的弹簧要求其具有导电、防磁和恒弹性等性能。

此外，弹簧材料还应具有良好的加工工艺性。

冷拉（轧）材料应有均匀一致的强度和塑性,以便容易成型。

对于热成型的弹簧材料，应在热状态下容易成型，不易脱碳,并具有良好的脆透性和低的热敏感性。

二:

常用弹簧材料的性能及用途

弹簧材料的种类按新的国家标准（ＧB12３9—89_所列大致可以分为四大类:

碳素弹簧钢丝,合金弹簧钢丝，弹簧用不锈钢丝和青铜线。

按交货状态，金属弹簧材料也可分为两大类。

一类是在成材过程中经强化加工的丝（线）材和带材，即通常所说的硬状态。

这种材料在弹簧成型后不需要淬火,只需要进行消除内应力的回火处理。

电器产品中所用弹簧材料主要是这一类。

另一类是热轧材及在成材后以退火或高温状态供货的丝材或带材。

这种材料在弹簧成型后需要进行淬火、回火处理。

如合金钢丝，异型钢丝及马氏体不锈钢丝等。

下面介绍各种弹簧材料的性能和用途。

［１］:

碳素弹簧钢丝

它有四个品种,即碳素弹簧钢丝，琴钢丝，阀门用油淬火回火碳素弹簧钢丝及油淬火回火碳素弹簧钢丝。

这类材料可在–４0~120℃条件下正常工作,其性能特点是强度高，性能好，价格便宜,易于生产和加工，但是淬透性差，防腐性能差，使用时须经表面电镀或发蓝处理。

适合做小弹簧,在电器、仪表和机械中广泛使用。

1碳素弹簧钢丝GB435７-84（相当于原标准中的

组、ＩＩI组）按用途分为三组。

A组用于一般弹簧

Ｂ组　用于低应力弹簧，如手动按纽等。

C组用于较高应力弹簧，如接触器、继电器等电器产品中的各种弹簧。

2琴钢丝GB4３5８-8４（相当于原标准中的碳素弹簧钢丝

组、

a组）此钢丝用于制造具有重要用途的,不经热处理或仅经低温回火处理的弹簧，在低压电器元件中使用最广。

钢丝按用途可以分为三组。

Ｇ1组　用于各种重要用途弹簧

G２组用于各种高应力弹簧，如低压电器元件中的触头弹簧,反力弹簧等;

F组　用于阀门弹簧。

Ｆ组钢丝显微组织应为索氏体和托氏体,允许有少量的铁素体。

其直径一般在φ2.０～6．０mｍ之间。

3阀门用油淬火回火碳素弹簧钢丝GB4359-84。

它相当于原标准中的重要用途弹簧钢丝。

此种材料用于制造内燃机阀门弹簧及其他类似条件所用的弹簧。

4油淬火回火碳素弹簧钢丝ＧB４３60-84,这种材料适用于一般普通机械弹簧，在电器产品中仅在不太重要场合使用的弹簧。

［2］．合金弹簧钢丝

这种材料由于在钢中加入了硅、锰元素，从而提高了强度、淬透性及回火稳定性。

其主要性能特点是强度高、耐冲击。

适于制造高负荷及冲击频率较高的各种重要弹簧。

合金弹簧钢丝主要有三种：

即硅锰合金弹簧钢丝、铬硅合金弹簧钢丝和铬钒合金弹簧钢丝。

[3]:

弹簧用不锈钢丝

弹簧用不锈钢丝按组织可为三大类。

线径在6mm以下的一般为奥氏体不锈钢，较大直径选用马氏体及沉淀硬化不锈钢。

按冶金部标准YB（T）11-83规定，钢丝根据牌号和抗拉强度分为A、B、C三组。

可根据使用要求选用。

1Cｒ18Ni9和０Cr１9Nｉ10属于奥氏体不锈钢。

这两种材料耐腐蚀性能比较好,而且具有耐高温及耐低温的特点,可以在3００℃以下正常工作。

其强度取决于冷拉时的减面率,减面率越大强度越高。

由于上述特点，使其在低压电器产品及仪器仪表中被广泛使用。

但由于其加工性能较差，故要求其材料在出厂时表面要加一层润滑涂层。

一般是涂树脂或镀镍，以改善其卷绕性能。

如果用裸线，需要在卷绕时加肥皂等作为润滑剂,否则难以成形。

０Ｃr17Ni8Al钢属于超高强度沉淀硬化不锈钢。

具有很高的强度和足够的韧性，可承受很高的应力。

这种钢在奥氏体状态下加工性能好,耐高温、耐腐蚀可冷成型。

但是由于含有较多贵重合金元素,热处理工艺复杂，价格较昂贵，故一般多在兵器上使用。

[4]．青铜线

按国家标准主要分为三种类型：

即硅青铜、锡青铜和铍青铜。

它们共同的性能特点是强度和弹性都比较好,无磁性,导电性能好,耐磨、耐蚀及耐低温。

①硅青铜线GB312３-82。

硅青铜线具有较高的弹性、强度、耐磨性及无磁性，价格便宜,因而在制造弹簧时广泛采用。

但是这种材料也有不足,QＳi３-１有应力腐蚀破裂倾向,冷成型后长时间存放会自行开裂。

因此在弹簧冷绕成型后要及时进行17０~２2０℃低温回火处理，以消除应力裂纹倾向,并使其合金性能略有提高。

锡青铜线ＧＢ３１24－82。

锡青铜线具有较高的力学性能和减磨性。

对过热和气体的敏感性小,撞击时不产生火花,抗磁性和耐低温性能也好，有良好的耐碱性、导电性、可焊性也比较好。

但是在氯气和酸溶液环境下，耐蚀能力较差。

含锡量高的材料塑性较差,弹簧成型困难。

旋绕比较小的弹簧最好选用含锡量低的线材。

该种材料的使用温度不应高于１20℃，适于制造仪表弹簧。

铍青铜线GＢ3124-82。

铍青铜线具有优良的物理、化学、工艺和力学性能。

经调质后,有较高的强度、硬度、弹性、耐磨性、耐热性、耐寒性和疲劳强度。

此外，有良好的导电性、导热性、无磁性、撞击时不产生火花,在大气、海水和淡水中有较高的耐蚀性。

如经过钠盐钝化,耐蚀性可以成倍提高，在低温下无脆性。

但是铍有毒，而且生产工艺复杂，价格较贵，故使用上受到限制。

主要用于制造各种重要用途的弹簧。

如继电器、精密仪表及载荷变化幅度较大的弹性元件。

这种材料常用的型号时ＱBｅ2。

此外，片状弹簧材料为带材,低压电器和继电器都采用片状弹簧片。

第三节:

弹簧的结构型式与参数

一:

压缩弹簧

圆柱螺旋压缩弹簧由于容易生产、工艺简单，所以广泛应用。

这种弹簧多数由园截面材料制成。

但是,有时为了提高其刚度，在一定条件下,采用矩形截面材料。

还有其它类型。

1：

压缩弹簧的端部结构

压缩弹簧端部结构型式较多,根据条件自行设计。

一般常用的有三种:

见表4-1所示。

2：

弹簧的直径

弹簧的中径

是弹簧的公称尺寸，也是各参数计算的依据。

生产和设计时要严格控制外径的偏差，其偏差可由国标中查出。

①：

当弹簧两端固定时,从自由长度压到并紧时，直径的增大值

为:

=0.0５