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弹簧基础知识
1、 概述
1.1弹簧功用
弹簧是利用自身的变形产生力或储存能量的机械零件。其主要功能有：①控制机械的运动：如内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧；②吸收振动和冲击能量，如车辆中的缓冲弹簧、联轴器的吸振弹簧；③储存及输出能量作为动力，如钟表弹簧；④用做测力元件，如测力器和弹簧秤中的弹簧等。
1.2弹簧种类
按照所承受的载荷不同，弹簧可以分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种；按照弹簧的形状不同，弹簧有可以分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、板簧和盘簧等。其中螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的，结构简单且可以根据受载情况制成各种型式，应用最广泛。
1.3弹簧各部分名称及尺寸关系
⑴、 弹簧丝直径d：制造弹簧的钢丝直径。
⑵、 弹簧外径D：彈簧的最大外直径
⑶、 弹簧内径D1：弹簧的最小外径
⑷、 弹簧中径D2：弹簧的平均直径
⑸、 t：除支撑圈外，弹簧相邻两圈对应点在中径上的轴向距离成为节距。
⑹、 支撑圈数n2：为了使弹簧在工作时受力均匀，保证轴线垂直端面、制造时，常将弹簧两端并紧。并紧的圈数仅起支撑作用，一般由1.5d、2d、2.5d,常用的是2d
⑺、 有效支撑圈数n:弹簧能保持相同节距的圈数
⑻、 总圈数n1:有效圈数与支撑圈数的和.
⑼、 自由长度L:弹簧在未受外力作用下的长度.
⑽、 螺旋方向:有左右之分,常用右旋,图纸未注明时用右旋.
⑾、 弹簧刚度E:弹簧的载荷变量与变形变量之比.
⑿、 旋绕比C:也称弹簧指数,C=D2/d,其它条件相同时,C值越小,弹簧内、外侧的应力差越悬殊，材料利用率就越低。所以在设计弹簧时一般规定C>4。
⒀、 螺旋升角α：α=arctgt/πD2,圆拄螺旋压缩弹簧一般应在5°～9°范围内选取。
2、 弹簧使用材料及用途
项目
名称
JIS代码
概略组成
主要用途及特点
单价级别
JIS标准
回火温度
热后颜色
1
不锈钢线
SUS302和WPB
C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)、Ni(镍)、Cr(铬)、Mo(钼)
经过冷加工可得高强度，铁路车辆、输送机螺丝、螺帽、弹簧等，耐热、耐蚀。
中
JISG4314
300~480度之间
米灰色亮白色
SUS304和WPB
广为使用于不锈钢、耐热钢，又用于食品设备，一般仪学设备，原子力，耐热耐蚀。
2
碳钢线
SWC SWB
C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)
硬拉钢线，用于耐蚀性差，要求精度不高，钢性较脆，成形后要表面处理或加防锈油。
低
JISG3521
200~400度之间
淡茶色、茶色、青色、淡蓝色、褐色
3
琴钢线
SWPA SWPB
C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)、Cu(铜)
耐疲劳性佳，要求精度高。一般用于电池弹簧、开关弹簧等、钢性柔韧，成形后要表面处理或加防锈油。
高
JISG3522
200~400度之间
同SWPA、SWPB
4
铍铜线
C1720W
Be(铍)、 Mn(锰)、P(磷)[Cu(铜)+Sn(锡)+P(磷)]Ni(镍)+Co(钴)
耐蚀性佳，于时效硬化处理前，富于展性时效硬化处理后，增加耐疲劳性，导电性时效硬化处理应加工后，可制螺丝弹簧电刷，通讯器具（表面镀银、金）。
特
高
JISH3270
150°~200°
黄色
5
磷青铜
C5191W
Sn(锡)、Zn(锌)、P(磷)
耐疲劳性，耐蚀性、耐磨耗性佳，可制螺丝弹簧、扭簧、扣钮、扎电机、通讯市场适用（镀金、银）。
较
高
JISH3270
150°~200°
黄色
6
其它
如油回火线、白铜线及其它线材，不常用，适用于航天科技。镀镍线等同SWC+Ni。
常需特别制做，造价昂贵。

弹簧材料应具有高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性和良好的热处理性能。在选择弹簧材料时，应考虑到弹簧的使用条件、功用及其重要程度。所谓使用条件时指载荷性质、大小及其循环特性，工作温度和周围介质情况等。目前，钢时最常用的弹簧材料。受力较小而又要求防腐蚀、防磁等特性时，可以采用有色金属如铍铜、磷铜等。非金属弹簧材料主要是
橡胶，近年来正发展用塑料制造弹簧。软木、空气也可以用做弹簧材料。
3、弹簧的制造
弹簧的制造工艺包括：1）卷制；2）端面圈（支撑圈）的精加工；3）热处理；4）工艺试验；5）表面处理
3.1卷制
弹簧的卷绕是把合乎技术条件规定的弹簧丝卷绕在芯棒上。大量生产时，是在万能自动卷簧机上卷制。卷制分冷卷及热卷两种。弹簧丝直径在8㎜以下的用冷卷法，以上的用热卷法。冷态下卷制的弹簧多用冷拉的、经预热处理的优质碳素弹簧钢丝，卷成后一般不再经淬火处理，只经低温回火以消除内应力。热卷时的弹簧温度随弹簧丝的粗细再800～1000℃的范围内选择，热卷的弹簧卷成后必须经过热处理。采用任一种卷饶方法卷制后的弹簧均应视具体情况对弹簧的节距作必要的调整。
3.2端面圈的加工
弹簧两端各有0.75～1.25圈弹簧相接触的支承圈，支承圈不参加弹性变形，其端面应垂直于弹簧轴线。在变载荷的重要过程中，应采用并紧磨平端。磨平长度应不小于一圈弹簧圆周长度的四分之一，末端厚度大约为0.25d。
3.3热处理
弹簧在完成上述工序之后，均应进行热处理。热处理是在固态范围内通过一定的加热、保温以及冷却改变其组织和性能的工艺，常用的热处理方法为淬火及回火，淬火为提高弹簧硬度及刚性；回火是为了消除弹簧加工及淬火过程中产生的内应力，提高弹簧使用寿命。淬火温度根据弹簧丝材质及实际使用要求在800～1100℃之间选择，回火温度在400～600℃之间选择。
对于重要的弹簧还要进行强压处理。强压处理是使弹簧在极限载荷作用下受载持续6～48小时，从而使弹簧丝内部产生塑性变形和有意的残余应力，由于残余应力的符号与工作应力相反，可提高弹簧的承载能力，一次强压处理可提高25%的承载能力。为保持有益的残余应力，强压处理后的弹簧不允许再进行任何热处理也不宜再较高温度和长期振动的环境下使用；由于金属的性质，冷作变形会使腐蚀过程加速，因此在有腐蚀性介质的环境中不宜采用强压处理的弹簧。
3.4工艺试验
弹簧在完成上述工序后必须进行工艺试验和根据弹簧技术条件的规定进行精度、冲击、疲劳等试验，以检验其是否符合技术要求。
3.5表面处理
弹簧的防腐方法一般采用保护层，根据保护层的性质可分为：金属保护层、化学保护、非金属保护层和暂时性保护层。着重介绍前面三种：
不锈钢弹簧和铜线弹簧本身就具有一定的防腐性能，一般不进行防腐处理。
3.5.1弹簧的金属保护层
金属保护层种类很多，就弹簧而言，一般是用电镀金方法以获得金属保护层。电镀保护层不但可以保护不受腐蚀，同时能改善弹簧的外观。有些电镀金属还能改善弹簧的工作性能，例如提高表面硬度，增加抗磨损力，提高热稳定性，防止射线腐蚀等。但如果单纯为了弹簧的腐蚀，一般应选用电镀锌层与电镀镉层。 下表为弹簧常用电镀层及性能表：
NO
表面处理
简单工艺介绍
镀后颜色
用途
镀层厚度
盐雾试验标准
1
镀金(Au)
除油→酸洗→镍底→镀金→烘干
金色
降低接触电阻，耐磨耗，保真效果。
①0.04~0.06μm薄②1.2~1.5μm厚
24H以上
2
镀铬(Cr)
除油→酸洗→打铜底2次(碱铜、酸铜)→镍底→镀铬→烘干
天蓝色
硬度高，耐磨性好，反光能力强，有较好的耐热性。
铬0.5μm薄 15μm以上厚
24H以上
3
镀银(Ag)
除油→酸洗→打镍底→镀银→烘干
银色
导电性(金属中)佳，导热率佳。

连续喷8H,
4
镀镍(Ni)
电解
除油→酸洗→打铜底(必要时)→镀镍(滚镀)
白色
防腐性佳，焊锡，导电耐磨性。
3~5μm
JIS3H(连续喷雾)
无电解
除油→酸洗→镍底(镍磷合金化学分解)
白色
耐蚀性好(较电解)镀层均匀。
3~5μm
JIS 3H(连续喷雾)
5
镀锡(Sn)
除油→酸洗→镍底→镀锡
亮白色
便于焊锡，导电性一般。
3~5μm
24H以上
6
镀锌(Zn)
黑锌
除油→酸洗→镀锌→发黑
黑色
防锈(视产品要求)
5μm 以上
2H
蓝锌
除油→酸洗→镀锌→发蓝
蓝色
防锈(视产品要求)
5μm 以上
2H
五彩锌
除油→酸洗→镀锌→发五彩
五彩(赤橙黄绿青)
防锈(视产品要求)
5μm 以上
2H
白锌
除油→酸洗→镀锌→烘干
白色
防锈(视产品要求)
5μm 以上
2H
3.5.2弹簧的化学保护层
利用化学反应的方法使弹簧表面生成一层致密的保护膜，以防止弹簧腐蚀。通常采用氧化处理与磷化处理。
1）氧化处理：氧化处理成本低、工艺配方较简单、生产效率高、氧化膜有一定的弹性，基本上不影响弹簧的特性曲线，所以氧化处理较广泛地作为成形螺旋弹簧、弹簧垫圈及片弹簧等的防腐和装饰措施。钢的氧化处理亦称发蓝、发黑、煮黑。氧化处理后，弹簧表面生成保护性的磁性氧化铁，此氧化膜一般呈蓝色或黑色，也有时呈黑褐色。其颜色决定于弹簧的表面状态、弹簧材料的化学成分和氧化处理工艺。氧化处理的方法有：咸性氧化法、无碱氧化法和电解氧化法。以采用碱性氧化法为多。
弹簧经氧化处理后的质量检验包括外观检查和抗蚀性检查。
2）磷化处理：弹簧放进含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中，在金属表面形成一层不溶于水的磷酸盐薄膜的方法叫做磷化。磷化膜具有显微孔隙结构，对漆类、油类有良好的吸附能力，因此磷化常与涂漆等涂覆方法配合使用。在磷化后进行重铬酸盐填充、浸油或涂漆，能进一步提高其耐腐蚀性。弹簧在磷化过程中产生大量的氢气，因此经磷化后的弹簧具有氢脆现象。对于关键部位的弹簧，经磷化处理后应进行去氢处理。
3.5.3弹簧的非金属保护层
非金属保护层是在弹簧表面上浸涂或喷涂一层有机物质，如油漆、沥青、塑料等，以保护弹簧免遭腐蚀。非金属保护层，膜层较厚，化学稳定性好，有较好的机械防腐蚀作用，但硬度较低，易于刮伤损坏，同时膜层有老化现象。
4、影响弹簧疲劳强度的因素
1）屈服强度：一般来说，材料的屈服强度越高，疲劳强度也越高。为了提高弹簧的疲劳强度应设法提高弹簧材料的屈服强度，或采用屈服强度和抗拉强度比值高的材料。对同一材料来说，细晶粒组织具有更高的屈服强度。
2）表面状态：最大应力多发生在弹簧材料的表层，所以弹簧的表面质量对疲劳强度的影响很大。弹簧材料轧制、拉拔和卷制过程中造成的裂纹和伤痕等缺陷往往是造成弹簧疲劳断裂的主要原因。材料表面的粗糙度越小，应力集中越小，疲劳强度越高；在同一粗糙度的情况下，不同钢种及不同卷制方法疲劳极限降低程度也不同，如冷卷弹簧降低程度就比热卷弹簧小。因为热卷弹簧及其热处理加热由于氧化使弹簧材料表面变粗糙和产生脱碳现象，降低弹簧的疲劳强度。对材料表面进行磨削、强压、抛丸和滚压等都可以提高弹簧的疲劳强度。
3）腐蚀介质：弹簧在腐蚀介质中工作时，由于表面产生点蚀或表面晶界被腐蚀而成为疲劳源，在交变应力作用下就会产生裂纹而导致断裂。例如在淡水中工作的弹簧钢，疲劳极限仅为空气中的10～25%。
4）温度：碳钢的疲劳强度，从室温到120℃时下降，从120℃到350℃又上升，温度高于350℃又下降，在高温时没有疲劳极限。在高温条件下工作时的弹簧，要考虑采用耐热钢。在低于室温的条件下钢的疲劳极限有所增加。

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