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工艺设计对弹簧残余应力状态的影响

 放大 放大字体 缩小 缩小字体    发布日期:2015-09-11  浏览次数:148
核心提示:弹簧加工过程中,簧内会引入不同状态的残余应力,不同状态的残余应力对弹簧的疲劳强度会有直接的影响,在生产过程中通过合理的工艺编排,可以消除冷加工时引入簧内有害的残余拉应力,保持并加强簧内有益的残余压应力,以使弹簧获得最佳的疲劳强度

王卫刚
浙江美力科技股份有限公司
【摘要】弹簧加工过程中,簧内会引入不同状态的残余应力,不同状态的残余应力对弹簧的疲劳强度会有直接的影响,在生产过程中通过合理的工艺编排,可以消除冷加工时引入簧内有害的残余拉应力,保持并加强簧内有益的残余压应力,以使弹簧获得最佳的疲劳强度
【关键词】弹簧 加工工艺   残余应力状态   疲劳强度
1. 引言
       随着国家对汽车行业三包新政策的强制实施,汽车行业主机厂对各零部件厂商提供的零部件的要求也越来越高、越来越严,弹簧作为汽车零部件的功能件,其疲劳寿命更是被关注焦点,生产出高疲劳性能的弹簧是各弹簧生产家不懈追求的目标之一。与弹簧疲劳强度密切相关的除了材料选用和应力设计水平等因素以外,在加工过程中各工序引入的残余应力状态也是最为关键的因素之一,所以控制每道工序中弹簧内的残余应力状态是控制弹簧抗疲劳能力的重中之重。
      2.弹簧加工工艺过程残余应力状态的变化及其对疲劳寿命的影响
      2.1 弹簧成形加工工艺过程
       弹簧材料通过不同的加工工艺,由一根钢丝变成用户所要求的不同形状的弹簧,在此过程中弹簧材料经历了不同形状的塑性变形,由于弹簧各部位塑性变形不均匀,在弹簧的内部残留了一定数值的内应力,这些残余应力有些是有害的,有些是有利的。作为一个弹簧设计工作者,在设计弹簧生产工艺时,首先必须要知道什么样的残余应力对提高疲劳寿命有利,什么样的残余应力对提高疲劳寿命有害,其次要了解在生产过程各道工序中弹簧将会引入什么样的残余应力状态。我们在工艺设计中,就要考虑降低或消除有害的那部分残余应力,对于有利的那部分残余应力,我们应予以保持或通过适当的措施予以加强。熟悉了这些工艺设计准则,在设计工艺时,才能编制合理的工艺路线和工艺参数,使弹簧获得一个优化的残余应力,从而使弹簧具备高的疲劳寿命。所以在某种意义上讲,在工艺设计上,我们是通过控制每道工序引入弹簧的残余应力状态,来控制弹簧的尺寸和疲劳寿命,要做好这一点,弹簧设计者在进行工艺设计时首先就要考虑每一道工艺是如何影响弹簧内部残余应力的变化的。
冷卷成圆或折弯成圆弧的过程中,圆弧的内表面与外表面的残余应力状态是不一样的,成形后内圆表面的残余应力为拉应力,外表面的残余应力为压应力,材料外表面的残余应力最大,材料芯部残余应力最小。残余应力的大小还与材料抗拉强度有关,抗拉强度越高的材料,其冷卷后材料内部引入的残余应力越大。残余应力的大小还与弹簧的旋绕比有关,同等材料下随着旋绕比的变大而减小。了解了残余应力的影响因素及应力状态以后,我们还需了解残余应力对弹簧疲劳强度所造成的影响是什么,众所周知圆柱螺旋弹簧在受力时,最大应力作用于内圆表面,当卷簧时引入内表面的残余拉应力没有被去除时,二者相叠加后应力水平将加快弹簧的疲劳断裂,所以我们需通过去应力退火工艺来最大限度消除这部分有害的残余拉应力,使其对弹簧的疲劳强度影响降到最低⑴。
      2.2 弹簧成形加工后的去应力退火
      弹簧的去应力退火(有时也称回火)工艺通常紧接在卷簧或折弯等工序后,这些工序的特点是在这些工序中材料都发生了塑性变形,材料的内部都积聚了一定强度的残余内应力。回火的目的就是通一定的温度,将材料发生塑性变形后引入内部的那部分有害的残余拉应力进行消除。去除残余应力的效果与回火的温度和时间有关,通常回火温度越高,回火的时间越长,去应力的效果会越好,但随着温度的升高,材料的抗拉强度会下降,不同的材质其影响程度不一样,所以针对不同的材料须采用不同的回火温度和回火时间才能达到最好的回火效果,但是不论用何种去应力回火工艺,其残余应力不可能完全消除,图1为温度和时间对去应力效果的影响图例,供参考。                 
      手册中对于常用弹簧材料的去应力回火温度和时间都有介绍,技术人员在设计回火工艺时可以参考。一般来说冷拔强化材料的回火温度不要超过350℃,否则会极大地降低通过冷拔而得来的抗拉强度,对于油淬火回火钢丝回火温度不宜超过450℃,最高不能超达该材料在淬火时的回火温度,否则会影响材料的抗拉强度。
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1 温度、时间与去应力之间的关系图
       总之在设定回火温度和回火时间时需根据材料本身的特点及线径大小,结合经济效益来考虑,以求达到既能消除簧内的残余应力又能兼顾生产企业的经济效益的目的。弹簧回火处理的另一个作用是稳定弹簧的几何尺寸,回火处理能使因加工时塑性变形而引起的非稳态的亚结构组织向稳态的组织结构转变,从而使弹簧的尺寸趋于稳定,但此过程会引起弹簧尺寸的前后变化,这里需通过调整回火前卷簧参数,回火前后的参数变化量可以参照手册中的经验公式进行理论计算,并通过首样试验来确定卷簧参数,使其回火后能满足图纸规定的尺寸要求。
       2.3弹簧的喷丸强化处理
      喷丸处理是通过在弹簧表面引入有益的残余压应力来提高弹簧的疲劳抗力,其原理是以高速的弹丸流喷射到弹簧表面,使弹簧表面发生塑性变形而形成一定厚度的强化层,此强化层会形成较高的残余压应力,这部分残余压应力可抵消弹簧受载荷作用下的一部分拉应力,从而提高了弹簧的疲劳强度⑵。另外喷丸处理还可清理弹簧表面的微小缺陷,从而减少弹簧表面的应力集中点,进而减少了弹簧的疲劳源。喷丸的强度与提高弹簧的抗疲劳性能有直接的关系,而喷丸的强度与丸粒具备的动能有关,也就与丸粒的大小和速度有关系,为获得足够的喷丸强度,就需采用丸粒较粗的钢丸,但较粗的丸粒又会使弹簧表面较粗糙,这就降低了弹簧的疲劳强度,影响了喷丸的效果,为此可以采用二次喷丸的方法,二次喷丸的强度和采用的钢丸相对一次喷丸时要小,经过二次喷丸的弹簧表面会较一次喷丸时光滑,因此降低了一次喷丸时因表面粗糙而引起的应力集中,同时二次喷丸还可以提高弹簧最表层的残余压应力水平,使弹簧疲劳抗力获得进一步提高。所以针对疲劳寿命要求较高的弹簧,如气门弹簧、悬架弹簧,通常都采用二次喷丸的工艺。
       3.通过弹簧加工工艺改进来改善疲劳寿命的实例
       了解了以上内容,就能合理编制工艺,使弹簧成品的残余应力处于最佳状态,从而使产品达到最佳的疲劳抗力水平。以下通过具体的例子来说明这一点。
       某产品为拉簧,客户要求拉簧的疲劳寿命在规定的试验规范下达到5万次,第一次试样后,当拉簧在客户处组装完后,将弹簧拉至最大工作点时,弹簧就发生了断裂,断簧图片如图2,从断口宏观位置分析,断裂处在拉簧簧钩的内侧位置,从拉簧受力后的应力分布情况分析,此处同时受到弯曲应力和拉伸应力的作用,从加工后的残余应力状态分析,折弯成形后,簧钩内侧分布的是残余拉应力。以上几点的综合,在簧钩内侧形成了拉簧受力后的最大应力集中点,最终导致了拉簧簧钩瞬时断裂。我们经过对断簧及其工艺过程的分析,发现工艺编排的不合理,是导致弹簧断裂的主要原因,第一次的加工工艺流程:卷簧→回火→折弯→表面处理→包装,拉簧的简图及成形过程中的弹簧简图如图3、图4和图5。
             QQ图片20150911102303
                         2 断簧图片
         QQ图片20150911102315    QQ图片20150911102326
        3 拉簧简图                                                                                  图4 卷簧后产品形状
                               QQ图片20150911102339
                                     
5 折角后产品形状
       根据各工序引入簧内的残余应力分析,在卷簧中引入的残余应力分布如下,簧圈及簧钩内侧的残余应力为拉应力,此应力有损弹簧的疲劳强度,经过400度30分钟回火后,簧圈及簧钩内侧的残余拉应力得到降低,由于拉簧不是一次性成形,拉簧另一端簧钩成形处在第一次回火之后,折弯后没有经过去应力回火,所以簧钩内侧的残余拉应力仍然存在,当拉簧被拉至最大工作位置时,簧钩内侧所受的工作应力与加工时的残余拉应力相叠加,导致了拉簧钩的瞬时断裂。接到客户质量反馈后,工程技术人员对拉簧的断裂原因进行了分析,并及时对工艺过程进行了调整,修改后的工艺过程如下:卷簧→回火→折弯→二次回火→表面处理→包装。本次工艺过程中在折弯后增加了二次回火,回火温度、回火时间与卷簧时相同,新工艺生产的产品重新送客户试装,当拉簧被拉至最大工作位置时,簧钩没有发生断裂,但当做台架耐久试验时,只经历了3.5万次左右就断裂了,不符合5万次的寿命设计要求。为增加弹簧的抗疲劳强度,工艺人员再次调整了工艺流程,修改后的工艺过程如下:卷簧→回火→折弯→二次回火→喷丸处理→表面处理→包装。本次工艺中增加了喷丸工艺(由于本产品的表面处理为电泳,其烘干温度为220℃,时间20分钟,故此处省略了喷丸后的回火定形工艺),改进后的拉簧经疲劳试验,达到了5万次的设计要求。以上是典型的例子,通过改变簧内残余应力状态,去除有害的残余拉应力,引入有益的残余压应力,提高了弹簧的抗疲劳强度
        4. 结论
       弹簧工艺设计人员,在设计弹簧加工工艺时,须熟知各工序中弹簧簧内残余应力状态的变化情况,对于冷加工时引入簧内内表面的残余拉应力须通过回火工艺加以消除,对于疲劳寿命要求较高的弹簧可以引入适当的强化工艺,如喷丸强化工艺,在弹簧表层引入残余压应力的方法来提高弹簧的抗疲劳强度。总之对疲劳强度有害的残余拉应力须予以消除,对疲劳强度有益的残余压应力须加以保持和加强,最终达到提高弹簧抗疲劳强度的目的。

  参 考 文 献
     1 弹簧手册(第二版) 张英会 刘辉航 王德成 主编 机械工业出版社 2008年2月
     2 王仁智:残余应力与弹簧的疲劳性能,《理化检验-物理分册》2005年第41卷11期
 
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