彈簧設計、材料及加工技術的發展

在機電產品中，用量最大的彈簧主要有三大類：

　　1)以汽車為主的機動車輛彈簧；

　　2)以日用電器為主的電子產品彈簧；

　　3)以攝像機、復印機和照相機為主的光學裝置彈簧。

　　機動車輛彈簧主要是向高強度方向發展，以減輕質量；電子產品彈簧主要是向小形化方向發展；而光學裝置彈簧主要向著既要高強度化又要小形化方向發展。相應的彈簧設計方法材料和加工技術等方面均有所發展。

　　一、 彈簧設計的發展

　　目前，廣泛應用的彈簧應力和變形的計算公式是根據材料力學推導出來的，若無一定的實際經驗，很難設計和制造出高精度的彈簧。隨著設計應力的提高，以往的很多經驗不再適用。例如，彈簧的設計應力提高后，螺旋角加大，會使彈簧的疲勞源由簧圈的內側轉移到外側。為此，必須采用精密的解析技術，當前應用較廣的方法是有限元法(FEM)。

　　車輛懸架彈簧的特征是除足夠的疲勞壽命外，其永久變形要小，即抗松弛性能要在規定的范圍內，否則將發生車身重心偏移。同時，要考慮環境腐蝕對其疲勞壽命的影響。隨著車輛保養期的增大，對永久變形和疲勞壽命都提出了更嚴格的要求，為此必須采用高精度的設計方法。有限元法可以詳細預測彈簧應力對疲勞壽命和永久變形的影響，能準確反映材料對彈簧疲勞壽命和永久變形的關系。

　　近年來，彈簧的有限元法設計方法進入實用化階段，出現了不少有實用價值的報告，如螺旋角對彈簧應力的影響；用有限元法計算的應力和疲勞壽命的關系等。

　　另外，在彈簧的設計過程中還引進了優化設計。彈簧的結構較為簡單，功能單純，影響結構和性能的參變量省，所以設計者很早就運用解析法、圖解法或圖解分析法尋求最優設計方案，取得了一定成效。隨著計算技術的發展，利用計算機進行非線性規劃的優化設計，取得了成效。

　　可靠性設計是為了保證所設計的產品的可靠性而采用的一系列分析與設計技術，它的任務是在預測和預防產品可能發生故障的基礎上，使所設計的產品達到規定的可靠性目標值。是傳統設計方法的一種補充和完善。彈簧設計在利用可靠性技術方面取得了一定的進展，但要進一步完善，需要數據的開發和積累。

　　隨著彈簧應用技術的開發，也給設計者提出了很多需要注意和解決的新問題。如材料、強壓和噴丸處理對疲勞性能和松弛性能的影響，設計時難以確切計算；要靠實驗數據來定；又如按現行設計公式求出的圈數，制成的彈簧剛度均比設計剛度值小，需要減少有效圈數，方可達到設計要求。

　　二、彈簧材料的發展

　　彈簧應用技術的發展，對材料提出了更高的要求。主要是在高應力下的提高疲勞壽命和抗松弛性能；其次是根據不同的用途，要求具有耐蝕性、非磁性、導電性、耐磨性、耐熱性等。為此，彈簧材料除開發了新品種外，另外嚴格控制化學成分，降低非金屬夾雜，提高表面質量和尺寸精度等方面也取得了有益的成效。

　　1．合金鋼的發展 氣門彈簧和懸架彈簧已廣泛應用Si-Cr鋼。為了提高疲勞壽命和抗松弛性能，在Si-Cr鋼中添加V、Mo。同時開發了Si-Cr拉拔鋼絲，其在高溫下工作時的抗松弛性能，比琴鋼絲好。隨著發動機高速小型化，抗顫振性能好、質量輕、彈性模量小的Ti合金得到了較為廣泛的應用，其強度可達2000Mpa。

　　2．不銹鋼絲的發展

　　1)奧氏體組織不銹鋼絲強度比鐵素體組織的好，其耐蝕性也優于馬氏體組織，因面應用范圍不斷擴大。

　　2)低溫拔絲或低溫氮化拔絲可提高鋼絲強度。馬氏體受熱時組織不穩定，而在低溫液體氮中拔絲能形成隱針狀馬氏體，可獲得熱態高強度。此種鋼絲在美國和日本已有不少應用，但目前只能處理1mm以下的鋼絲。

　　3)電子設備中的精密彈簧要求非磁性，此種鋼絲在拉拔加工時，不能生成隱針狀馬氏體。為此要添加N、Mn、Ni等元素。為了滿足這方面的需求，美國開發了AUS205(0.15C-17Cr-1Ni-15Mn-0.3N)和YUS(0.17C-21Cr-5Ni-10Mn-0.3N)。由于Mn的含量增加，加工中不會生成隱針狀馬氏體。經固溶處理，強度可達2000Mpa，疲勞性能高，優于SUS304。

　　3．提高材料純度 對高強度材料，嚴格控制夾雜，提高純度以保證其性能。如氣門彈簧材料的含氧量，目前已達20×10ˉ６發展。

　　4．改善表面質量 材料表面質量對疲勞性能影響很大。為了保證表面質量，對有特殊要求的材料采用剝皮工藝將表層0.1mm。對0.5mm深度的缺陷采用渦流探傷。對拔絲過程表面產生的凹凸不平，可用電解研磨，使表面粗糙降到Ra=6.5～3.4μm。

　　5．電鍍鋼絲的發展 在特殊情況下，除要求彈簧特性外，還要求耐蝕、導電等附加性能，大多均采用電鍍工藝解決。 部分不銹鋼絲和琴鋼絲的耐蝕性能相當于鍍鋅的耐蝕性能，若再鍍一層ZnAl(5%)的合金，則耐蝕性可提高約3倍。 對電阻性能有要求的不銹鋼絲或琴鋼絲，鋼絲直徑小于0.4mm的可鍍銅，大于0.4mm的可采用內部是銅，外部是不銹鋼材料。一般琴鋼絲鍍5μm厚的Ni，可提高其導電性。

　　一般來說，能使材料表面硬化形成剩余應力的工藝(如噴丸強化和表面氮化等)均可提高疲勞強度。目前正在研究非電解鍍Ni，通過加熱(300～500℃)可將7%的P以PNi析出,可提高維氏硬度達HV500。噴丸后，若在300℃以下加熱鍍Ni，亦可提高硬度10%。

　　6．形狀記憶合金的開發 目前在彈簧方面有應用前途的單向形狀記憶合金，以50Ti-50Ni性能最好。形狀記憶合金制成的彈簧，受溫度的作用可伸縮。主要用于恒溫、恒載荷、恒變形量的控制系統中。由于是靠彈簧伸縮推動執行機構，所以彈簧的工作應力變化較大。

　　7．陶瓷的應用 陶瓷的彈性模量高，斷裂強度低，適用于變化不大的地方。目前正在開發的有耐熱、耐磨、絕緣性好的陶瓷；應用的有超塑性鋅合金(SPZ)，在常溫下具有高的強度。另外，還有高強度的氮化硅，能耐高溫，可達1000℃。但陶瓷彈簧不適用于在沖擊載荷下工作。

　　8．纖維增強塑料在彈簧中的應用 玻璃纖維增強塑料(GFRP)板彈簧在英、美和日本等國已廣泛應用，除用于橫置懸架外，還可用于特殊輕型車輛，如賽車的縱置懸架。目前又研制成功了碳素纖維增強塑料(CFRP)懸架彈簧，比金屬板簧要輕20%。

　　三、彈簧加工技術的發展

　　目前，機械彈簧的加工設備和加工生產線向著數控(NC)和計算機控制(CNC)化的深度和廣度發展。但隨著彈簧材料和幾何形狀的變化，加工工藝亦有發展。

　　1)變彈簧外徑、變節距和變鋼絲直徑(三變)懸架彈簧實現了無模塑性加工。自三變彈簧開發以來，一直采用錐形鋼棒在數控車床上卷繞加工，但成品北和價格均不理想。現必為加熱狀態下通過卷簧機，控制軋輥速度和拉拔力，獲得所需要的錐體形狀，并用加工余熱進行淬火。

　　2)中空穩定彈簧桿采用低碳硼鋼板，卷制焊接成形。

　　3)扭桿采用高純度的45鋼，經高頻淬火獲得表面的高硬度和較大的剩余壓縮應力，從而提高疲勞壽命和抗松弛能力。

　　4)電子產品廣泛應用的片彈簧基本上采用沖壓和自動彎曲加工成形。目前主要是發展復合材料的接合技術。

　　5)氣門彈簧主要發展多級噴丸和液體氮化工藝，以改善表面剩余壓應力，提高疲勞壽命。