微型机械加工技术发展现状和趋势及其关键技

摘要:目前国内机械设计手册中有关弹簧设计与制造的一些指导性论述与实际应用是有一些差异的。本文将对有关“手册”中的节录与笔者根据实践和分析后的结果做一些阐述。

前言

应出版社的要求,笔者对近四十年以来国内(包括国外译著)机械设计手册中有关弹簧设计与制造方面的内容进行了研读,从中注意到这些著作中的一些指导性论述和我们在生产实际中的应用是有一定的差异的。现在将这些手册中的一些内容节录,并与笔者根据实践和分析后的结果阐述如下。

一、关于弹簧的强压(拉、扭)处理

《GB1805弹簧术语》对弹簧强压(拉、扭)处理作了如下定义:“将弹簧压缩(拉伸、扭转)至弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余应力,以达到提高弹簧承载能力和稳定几何尺寸的一种工艺方法”。

化学工业出版社出版的《机械设计手册》第15章“弹簧的强化处理及热处理—强压(强拉、强扭)处理”一节中,以理论力学做了分析后得出结论认为:“以上结论表明:设计弹簧时,如以弹簧材料扭转屈服极限τ2为设计计算应力。压缩弹簧经强压处理后,材料截面表层可能存在近于τ2/3的负残余应力,故弹簧承载时,截面表层的实际应力比计算应力低约1/3。…故亦相当于承载能力提高了1/3。”该手册还认为:不同类型的弹簧其强压处理的方法…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矩；压缩弹簧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极限的扭矩,都可以提高弹簧的承载能力。

机械工业出版社出版的《机械设计手册》(1993年版)第30篇提出:“经过强压(拉)处理的弹簧,可以提高弹簧的许用应力τP,最高可以达25%……”根据《机械设计手册》提供的资料,可以统计并得到弹簧强压(拉、扭)处理前和强压处理后可以达到的许用应力[τ]值。列表如下:

弹簧种类许用应力强压处理后可以达到的许用应力

压缩弹簧

Ⅰ类[τ]=(0.35～0.4)σb

Ⅱ类[τ]=(0.4～0.47)σb

Ⅲ类[τ]=(0.5～0.55)σb

[τ]=(0.44～0.532)σb

[τ]=(0.50～0.625)σb

[τ]=(0.62～0.731)σb

拉伸弹簧

Ⅰ类=[τ](0.28～0.32)σb

Ⅱ类=[τ](0.32～0.38)σb

Ⅲ类=[τ](0.40～0.44)σb

[τ]=(0.35～0.425)σb

[τ]=(0.40～0.505)σb

[τ]=(0.50～0.585)σb

扭转弹簧

强扭处理前的工作极限弯曲应力σf

Ⅱ类[τ]=0.625σb

Ⅲ类[τ]=0.80σb

强压处理后可以达到的极限弯曲应力σf

[τ]=(0.78～0.83)σb

[τ]=(1.00～1.06)σb

注:(1)Ⅰ类载荷(106以上)；Ⅱ类载荷(103～105)；Ⅲ类载荷(103以下)(2)强压(拉、扭)处理后可以达到的许用应力是按强压(拉、扭)处理前的许用应力的1.25～1.33倍计算得到的。

通过强压处理能够使弹簧一下子就提高承载能力25%～33%,这对于刚刚接触机械零件设计的技术人员来说,确实是一个有非常吸引人的数据。

但是,经过笔者的实践和分析,认为:通过强压(拉、扭)处理来提高弹簧的承载能力是有条件的。因为在强压处理过程中,只有将弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余应力,才能获得强压的效果,并且只有在强压(拉、扭)时,使得弹簧材料产生的残余应力即塑性变形越大,弹簧材料的弹性极限提高得就越大。但每种材料的弹性极限都是有一定的限度的,一旦超过这个极限,材料不仅会产生塑性变形,而且会“完全屈服”变形,许多弹簧在强压(拉)到材料的0.5σb就已经“完全屈服”变形。各种材料屈服极限值也有差异,屈服极限值只能通过强度验算和试验后才能确定。另外,强压(拉、扭)处理的效果与弹簧的外形结构、特性、以及强压处理的工艺方法都有密切的关系。就弹簧的外形结构而言,旋绕比大或者螺旋升角小的(压缩弹簧)就不可能通过强压处理来提高它的承载能力,旋绕比和螺旋升角究竟多少能达到目的,需要通过强压设计和试验才能确定。所以,并非仅仅是简单的将弹簧压一压、拉一拉或者扭一扭,就能够一下子提高承载能力多少多少的。

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