趙云

（內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造系,四川 內(nèi)江641000）

0 引言

彈簧是機(jī)器和儀表中的重要零件。由于彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所用制作彈簧材料的彈性，在工作時(shí)可以產(chǎn)生較大的變形，被用于吸收沖擊能、緩和振動(dòng)和沖擊、測(cè)力、儲(chǔ)存能量，以驅(qū)動(dòng)機(jī)件等[1]。本文主要分析彈簧的類型、彈簧材料，并參考車削螺紋的原理研究了螺旋彈簧的卷制工藝。

1 彈簧主要類型

彈簧的種類很多，可分為金屬?gòu)椈珊头墙饘購(gòu)椈?。常?jiàn)非金屬?gòu)椈捎锌諝鈴椈?、橡膠彈簧。常見(jiàn)的金屬?gòu)椈捎袌A柱螺旋壓縮彈簧、圓柱螺旋拉伸彈簧、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧、圓錐螺旋彈簧、板彈簧、碟形彈簧、平面蝸卷彈簧、環(huán)形彈簧等。其中以圓柱螺旋彈簧應(yīng)用最為廣泛。各種類型常用彈簧的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)如表1、表2所示（其中F為彈簧載荷，T為轉(zhuǎn)矩）。

表1 常用非金屬?gòu)椈?/p>

2 彈簧材料

由于彈簧主要在交變應(yīng)力下工作，而且要求在受到較大應(yīng)力情況下，不產(chǎn)生塑性變形，因此要求彈簧材料具有較高的抗拉強(qiáng)度極限、彈性極限和疲勞極限，不易松弛。同時(shí)要求具有高的沖擊韌性，良好的熱處理性能等[1]。

表2 常用金屬?gòu)椈?/p>

常用非金屬?gòu)椈刹牧现饕窍鹉z、增強(qiáng)塑料等。

常用金屬?gòu)椈刹牧希ㄆ浜剂吭?.65%～0.90%范圍內(nèi)，通過(guò)淬火及中溫回火可獲得高的彈性極限）：

1）碳素彈簧鋼絲（Ⅰ、Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ）。如60鋼、75鋼等，這種鋼的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是彈性極限較低、淬透性差，適合于制造尺寸較小、彈簧鋼絲直徑d＜12～15 mm的一般用途的彈簧，如螺旋彈簧。

2）合金彈簧鋼絲。以Si、Mn為主要合金元素的彈簧鋼絲，最有代表性的是65Mn和60Si2Mn，這類鋼的市場(chǎng)價(jià)格比較低，淬透性明顯優(yōu)于碳素彈簧鋼，可以制造尺寸較大、鋼絲直徑d≤25 mm的彈簧，如緩沖卷簧等。Si和Mn同時(shí)加入的彈簧鋼，比只加入Mn的彈簧鋼性能好得多，在工業(yè)中應(yīng)用最廣；以Cr、V、W為主要合金元素的彈簧鋼絲，最有代表性的是50CrVA。這類鋼的淬透性較好，高溫下性能比較穩(wěn)定，主要用于制造尺寸大、彈簧鋼絲直徑d≤30 mm、受載大的和工作溫度較高的重要彈簧，如螺旋彈簧、閥門彈簧、扭桿簧等[2]。

3 卷制螺旋彈簧原理

螺旋彈簧有熱成型和冷成型兩種成型方法，大型彈簧（彈簧鋼絲直徑大的）用熱成型制成，然后淬火加中溫回火，一般用途的小型彈簧（彈簧鋼絲直徑d＜12～15 mm）用冷成型法卷制成型，卷成后一般不經(jīng)淬火處理，只進(jìn)行低溫回火。

冷卷法卷制螺旋彈簧的原理與在普通車床上車螺紋基本相同：即主軸每轉(zhuǎn)一周以后車刀得到一個(gè)等于彈簧節(jié)距大小的縱向移動(dòng)量，也就是裝有車刀的刀架應(yīng)當(dāng)移動(dòng)一個(gè)等于螺紋節(jié)距的距離。

螺旋彈簧具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便等特點(diǎn)。特性線一般為直線，剛度穩(wěn)定，如圖1所示，其中F為彈簧載荷，λ為變形量。

4 螺旋彈簧的種類和各部分名稱

螺旋彈簧根據(jù)形狀不同，一般有圓柱形、圓錐形和橄欖形3種，如圖2所示，其中：D1為彈簧內(nèi)徑；D2為彈簧中徑；D3為錐形彈簧大端內(nèi)徑；D為彈簧外徑；d為彈簧鋼絲直徑；t為彈簧節(jié)距（各圈之間的距離）[3]。

5 卷制螺旋彈簧用的芯軸

芯軸是卷制彈簧的主要工具。芯軸的長(zhǎng)短根據(jù)彈簧長(zhǎng)度決定，但應(yīng)比彈簧長(zhǎng)些。芯軸的直徑（比彈簧內(nèi)徑?。┐笮》浅Ｖ匾绻睆讲粶?zhǔn)確，那么卷出來(lái)的彈簧直徑就不符合要求。確定芯軸直徑也是比較復(fù)雜的，因?yàn)閺椈删砗煤笾睆綍?huì)擴(kuò)大，由于鋼絲彈性不同和直徑不同，彈簧直徑擴(kuò)大量也不同。根據(jù)過(guò)去的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，芯軸的直徑可用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

圖1 圓柱螺旋彈簧特性圖

式 中：D0為 芯 軸 直徑；D1為彈簧內(nèi)徑；d為彈簧鋼絲直徑。

當(dāng)用中級(jí)彈簧鋼絲直徑d＜1 mm時(shí)，芯軸系數(shù)取下差-0.02，d＞2.5 mm時(shí)取上差+0.02；高級(jí)彈簧鋼絲d＜2 mm時(shí)取下差-0.02，d＞3.5 mm時(shí)取上差+0.02。除此之外，可以不考慮。

芯軸直徑確定以后，在芯軸一端外圓上鉆一小孔，直徑較彈簧鋼絲稍大，便于插鋼絲之用。

正式卷制彈簧前，需先進(jìn)行試驗(yàn)，即先卷制2～3圈后松開(kāi)，然后測(cè)量彈簧擴(kuò)大后的內(nèi)徑是否符合要求，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果修正芯軸直徑[4]。

6 卷制螺旋彈簧的步驟

6.1 卷制圓柱螺旋彈簧

卷制圓柱螺旋彈簧時(shí)可按下列步驟進(jìn)行：

1）根據(jù)彈簧節(jié)距t調(diào)走刀箱手柄位置和掛輪（與車螺紋相同）。

2）裝上芯軸，將鋼絲插入芯軸外圓端部的小孔中，如圖3所示。另一端夾在刀架上的槽鐵（把墊鐵片磨成槽夾在刀架上）中，如圖4所示。但不能夾得太緊，只要鋼絲能用力拉出來(lái)即可。

3）合上開(kāi)合螺母，開(kāi)動(dòng)車床主軸，進(jìn)行卷制。當(dāng)彈簧卷到近卡盤(pán)時(shí)停車，用鋼絲鉗或弓鋸把鋼絲折斷。最后從芯軸上取下彈簧。為了保證兩端的承壓面與軸線垂直，需在砂輪上將兩端面磨平。

用槽鐵夾鋼絲只適用于單件生產(chǎn)。如工件數(shù)量較多，就可以采用帶滾珠軸承的夾鋼絲專用夾具，整個(gè)夾具裝夾在刀架上，如圖5所示。

在夾具體6上開(kāi)有2個(gè)穿通腰形槽5，裝滾珠軸承1的2根短軸就裝在腰形槽中，背面用壓板螺釘緊固，另有2個(gè)滾珠軸承安裝在夾具體下端，滾珠軸承的外圈能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。滾珠軸承外圈上有圓弧凹槽，彈簧鋼絲可在槽中通過(guò)。當(dāng)鋼絲直徑變化時(shí)，可以松開(kāi)夾具體背面的螺釘和壓板，調(diào)整螺釘4就可以使上面2個(gè)滾珠軸承上下移動(dòng)，以改變上下2個(gè)滾珠軸承之間的通道大小。

圖2 螺旋彈簧

圖3 卷制圓柱螺旋彈簧

圖4 槽鐵

圖5 夾鋼絲專用夾具

在夾具體的側(cè)面有2個(gè)導(dǎo)向板2和3，可以改變和引導(dǎo)鋼絲的運(yùn)動(dòng)方向。但它的槽口容易磨損，所以需采用耐磨的材料制作，或者將材料進(jìn)行淬火處理。此外，彈簧鋼絲應(yīng)放在專用的放線架上，如圖6所示。放線架的轉(zhuǎn)軸應(yīng)安裝在滾動(dòng)軸承上，使整圈鋼絲套在放線架上能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

6.2 卷制錐形螺旋彈簧卷制錐形螺旋彈簧

時(shí)，把圓柱形芯軸調(diào)換成錐形芯軸，芯軸外圓上車有圓弧形螺旋槽，卷制的方法與圓柱螺旋彈簧相同，如圖7所示。

6.3 卷制橄欖形螺旋彈簧

圖6 鋼絲放線架

圖7 卷制錐形螺旋彈簧

卷制橄欖形螺旋彈簧時(shí)，要用一根細(xì)長(zhǎng)芯棒和一套大小不同的墊圈。先把直徑最大的墊圈放在中間，兩邊分別套入直徑逐一減小的墊圈，并用緊圈固定，然后開(kāi)始卷制，如圖8所示。卷好以后切斷鋼絲，然后松開(kāi)緊圈，拉出細(xì)長(zhǎng)芯棒，并拉長(zhǎng)彈簧，這時(shí)墊圈就從彈簧縫里落下來(lái)。

7 結(jié)語(yǔ)

除了上述3種螺旋彈簧以外，根據(jù)特殊需要還有其他各種形式，如變節(jié)距螺旋彈簧、變徑螺旋彈簧等?；谲嚶菁y原理卷制螺旋彈簧的方法，主要是為小型企業(yè)提供借鑒，它不需要專用的設(shè)備和很復(fù)雜的專用工裝，只要有普通的車床（如C616、C6140A），就可以卷制需要的螺旋彈簧。方法簡(jiǎn)單易學(xué)，成本低，特別適合單件、小批量生產(chǎn)。

圖8 卷制橄欖形螺旋彈簧