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弹簧强化处理


什么是弹簧的强化处理
作用在弹簧上的应力:螺旋压缩、拉伸弹簧主要是切应力;螺旋扭转弹簧、板弹簧和片弹簧主要是弯曲应力,但不论受切应力还是弯曲应力或二者合成应力的弹簧,都是在材料的表层产生最大的应力。
弹簧材料中的剩余应力如果与工作应力方向相反,则可提高弹簧的承载能力;如果与工作应力方向相同,则降低弹簧的承载能力。在弹簧的制作过程中,由于卷制和冷加工所产生的残余应力,即内应力多为后占种情况,因此,要采用去应力退火处理来消除这种内应力,这在前面已经阐明。在弹簧制造巾所采用的立定处理、强压(拉、扭)处理、抛丸处理和滚压处理等机械强化工艺,使弹簧材料表面内产生有利的剩余应力,从血可提高弹簧的承载能力。立定、强压(拉、扭)、抛丸处理在螺旋弹簧及其他些类型的弹簧(如碟簧、板弹簧、片弹簧的生产中,应用广泛。本节主要介绍这三种强化处理方法。并以螺旋弹簧的强化处理为主。弹簧的立定处理、强压(强拉、强扭)处理
1.立定处理对压缩弹簧,是把弹簧压缩到工作极限高度或并紧高度数次,般是3~表次;对拉伸弹簧,是把弹簧长度拉至工作极限长度数次;扭转弹簧.是把弹簧顺工作方向扭转至工作极限扭转角数次。
2.强压(强拉、强扭)处理对压缩弹簧是把弹簧压至材料层的应力超过屈服点.使表面产生负剩余应力。心部产生正剩余应力。
其工艺方法有两种,•种是静强压,把弹簧压币要求高度,停放6-48h.然后放开口这种方法占用工艺装置及设备较多,占用场地一也较大。性能较稳定,宜用于一些小弹簧。
另一种方法是用较慢速度(约1min)把弹簧压至规定高度,然后缓慢放开(约1min),使弹簧产生塑性变形。随后在该高度阿进行立定处理。这种方法与静强压有同样效果,适用于各类大弹簧。
在强压处理过程中,螺旋压缩弹簧材料横截面上的应力分布情况。弹簧处于自由状态(即强压处理前),材料截面应力为零。图奋功是弹簧受到载荷F:作用,此载荷小厂材料的弹性极限,材料内受到不均匀的切应力,其最大值在材料的表面处,材料中心应力为零。弹簧继续加载荷至f,把弹簧压并,这时材料表面应力如超过材料的弹性极限则产生了塑性变形,在靠近材料心部所受的力逐渐增加,达到材料弹性极限,应力分布改变了线性关系。当弹簧上的载荷凡卸掉后,材料内层的弹性变形部分开始恢复,但由丁受材料外层塑性变形的影响,不能完全恢复。这样在材料的内外层留下剩余切应力,剩余应力的方向是:材料外表层处与工作切应力方向相反;靠近材料心部处与工作切应力方向相同。再次将弹簧加载荷至额定工作载荷F(低于强压载荷)时,材料受切应力的情况,此时材料心部工作切应力和剩余切应力相加后应力增大,表层工作应力与剩余切应力方向相反,切应力减小。这种应力分布的变化,充分发挥了材料心部的潜力。
不同类型的弹簧其强压处理的方法也不一样。扭杆弹簧是将扭杆在工作载荷的方向,加以超过扭杆切变弹性极限的扭拒。压缩和拉伸弹簧分别加以超过弹簧材料切变弹性极限的压缩和拉伸载荷。扭转弹簧加以超过弹簧材料弹性极限的扭矩。总之,在处理时所加的载荷与弹簧所受的非载荷类型和方向应一致。剩余应力是由剩余变形的程度来确定的,而剩余变形使得弹簧的尺寸公差难以控制,所以处理载荷的大小,必须在设计时考虑,计算方法见各种弹簧的设计。
如果强化处理适当,在同样的毛作条件下,弹簧的疲劳寿命可以提高表30%。反之,如果处理不当,如预加载荷过大,反会使疲劳寿命下降;另外,弹簧经过一定时间的工作之后,随着剩余变形和弹簧性能的变化,会使弹簧的正常工作遭到破坏。

在高温条件下工作的弹簧,为了防止蠕变和松弛,应进行加温强压处理或蠕变回火。加温强压处理是将弹簧在高于工作温度的条件下进行的强压处理。在加载荷的状态一下(一般为工作时的变形状态或并圈状态)进行低温回火的工艺叫蠕变回火。两者的主要区别在于应力和保温时间,它们都具有强化和去应力退火的双重作用。这对于在温度稍高的环境工作的弹簧是有利的,一方面可以防止弹簧的松弛,另一方面可提高疲劳强度,
加温强压处理和蠕变回火,主要使用在冷加工成形的螺旋弹簧上。它们的处理条件(温度、应力、时间)根据弹簧的设计要求来选择。一般常用的钢质弹簧,温度多在200~400度蠕变回火时间为30min左右,加温强压处理的保持时间可为2~6h。对于耐热弹簧材料,温度可再高一些,时间可再长一些。
立定或强压处理后,如进行低温回火,弹簧的比例极限和承受载荷的能力将有所提高,尤其是对于精密的弹簧和使用温度稍高的弹簧,在改善弹簧性能和提高合格率方面有着明显的效果。
立定或强压后的低温回火,考虑到加工中金属晶格间微观的剩余应变和不使强化的宏观剩余应力的下降,回火温度应稍低于去应力退火的~谧度。一般来说,铜弹簧的回火温度为160~200度,保温1h;钢弹簧的回火温度为200---400度,保温30min左右。
3.弹簧的预制高度的计算弹簧经过立定处理、强压处理后自由高度要降低。为了要使弹簧达到图样上规定的自由高度,在卷簧时的卷制高度除自由高度外要留出变形量,这个高度就叫预制高度。因为立定和强压处理影响的因素较多,故变形量不能很精确的计算。
4.弹簧的抛丸处理
抛丸处理俗称喷丸处理或喷丸强化。‘它是提高机械零件疲劳寿命的有效方法之一,在弹簧制造业中广泛应用。
抛丸处理的原理:抛丸处理就是以高速弹丸流喷射弹簧表面,使弹簧表层发生塑性变形,而形成了一定厚度的表面强化层。从应力状态来看,强化层内形成了较高的剩余压应力。由于材料表面剩余压应力的存在,当弹簧在承受变载荷时,可以抵消一部分变载荷作用下的最大拉应力,从而提高弹簧的疲劳强度。从组织结构看,强化层内形成了密度极高的位错,在随后的变应力、温度、或二者同时的作用下,位错逐渐排列规则,形成多边形,强化层内逐渐形成更加微小的亚晶粒(亚结构)。这种表面层冷作硬化的结果,同徉也具有增加疲劳强度的作用。
另外,抛丸处理还能清除弹簧表面的疵点(微小的缺陷、脱碳),减少应力集中等,从而消除或减少了疲劳源。
弹丸抛丸效果与弹丸的材料、硬度、尺寸、形状、速度和密度以及曝抛持续时间、碰撞角度等有关。弹丸有三种,即铸铁丸、铸钢丸、切割钢丝丸。
铸铁丸价格低廉,由于质脆,容易破碎而导致锐利的棱角,致使被抛表而产生伤痕,成为应力集中点,而成为疲劳破坏源。故在弹簧抛丸处理中应用较少。铸钢丸价格比铸铁丸高一些,但它不容易破碎,使用寿命比铸铁丸高。
切割钢丝九价格较贵,使用寿命长。新的钢丝丸是有角的圆柱体,但是在使用中角会磨去变圆,成为直径与原钢丝直径差不多的球体,由于切割钢丝丸的棱角会使弹簧表面划伤,从而影响抛丸对改善疲劳性能的效果,所以在使用新钢丝丸时,应先抛不合格的零件或废弹簧数小时后(待棱角去除变圆),再加入抛丸机内抛正常的弹簧。
弹丸的直径一般常用的规格0.表-1.表mm范围内。制造者可根据弹簧具体情况选择合适的弹丸尺寸。
除上述二种类型的弹丸外,还有使用玻璃丸的,但目前在弹簧制造业尚少使用。当弹簧簧丝直径小于2mm时,在抛丸后变形大,满足不了弹簧尺寸公差要求的情况下,可选用玻璃丸来进行抛丸处理,玻璃丸的直径小于0.表mme玻璃丸一般用于军工和航空上的小弹簧表面强化处理。
 

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