對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中某些彈簧內(nèi)容的疑義

發(fā)布時(shí)間：2010/7/10

對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中某些彈簧內(nèi)容的疑義
摘要
　　目前國內(nèi)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中有關(guān)彈簧設(shè)計(jì)與制造的一些指導(dǎo)性論述與實(shí)際應(yīng)用是有一些差異的。本文將對(duì)有關(guān)“手冊(cè)”中的節(jié)錄與筆者根據(jù)實(shí)踐和分析后的結(jié)果做一些闡述。
　　關(guān)鍵詞
　　強(qiáng)壓處理 電拋光處理 截錐形彈簧的設(shè)計(jì)
　　前言
　　應(yīng)出版社的要求，筆者對(duì)近四十年以來國內(nèi)（包括國外譯著）機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中有關(guān)彈簧設(shè)計(jì)與制造方面的內(nèi)容進(jìn)行了研讀，從中注意到這些著作中的一些指導(dǎo)性論述和我們?cè)谏a(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用是有一定的差異的?，F(xiàn)在將這些手冊(cè)中的一些內(nèi)容節(jié)錄，并與筆者根據(jù)實(shí)踐和分析后的結(jié)果闡述如下。
　　一、關(guān)于彈簧的強(qiáng)壓（拉、扭）處理
　　《GB1805 彈簧術(shù)語》對(duì)彈簧強(qiáng)壓（拉、扭）處理作了如下定義：“將彈簧壓縮（拉伸、扭轉(zhuǎn)）至彈簧材料表層產(chǎn)生有益的與工作應(yīng)力反向殘余應(yīng)力，以達(dá)到提高彈簧承載能力和穩(wěn)定幾何尺寸的一種工藝方法” 。
　　化學(xué)工業(yè)出版社出版的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1] 第15章 “彈簧的強(qiáng)化處理及熱處理—強(qiáng)壓（強(qiáng)拉、強(qiáng)扭）處理”一節(jié)中，以理論力學(xué)做了分析后得出結(jié)論認(rèn)為：“以上結(jié)論表明：設(shè)計(jì)彈簧時(shí)，如以彈簧材料扭轉(zhuǎn)屈服極限τ2為設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)力。壓縮彈簧經(jīng)強(qiáng)壓處理后，材料截面表層可能存在近于τ2 / 3的負(fù)殘余應(yīng)力，故彈簧承載時(shí)，截面表層的實(shí)際應(yīng)力比計(jì)算應(yīng)力低約1/3。…故亦相當(dāng)于承載能力提高了1/ 3。” 該手冊(cè)還認(rèn)為：不同類型的彈簧其強(qiáng)壓處理的方法…扭桿彈簧是將扭桿在工作載荷的方向，加以超過扭桿切變彈性極限的扭矩；壓縮彈簧和拉伸彈簧分別加以超過彈簧材料切變彈性極限的壓縮和拉伸載荷；扭轉(zhuǎn)彈簧加以超過彈簧材料極限的扭矩，都可以提高彈簧的承載能力。
　　機(jī)械工業(yè)出版社出版的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 [2]（1993年版）第30篇提出：“經(jīng)過強(qiáng)壓（拉）處理的彈簧，可以提高彈簧的許用應(yīng)力τP，最高可以達(dá)25%……”根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]提供的資料，可以統(tǒng)計(jì)并得到彈簧強(qiáng)壓（拉、扭）處理前和強(qiáng)壓處理后可以達(dá)到的許用應(yīng)力[τ]值。列表如下：
　　彈簧種類 許用應(yīng)力強(qiáng)壓處理后可以達(dá)到的許用應(yīng)力
　　壓縮彈簧Ⅰ類[τ] =（0.35～0.4）σb
　　　　　　Ⅱ類 [τ] =（0.4～0.47）σb
　　　　　?、箢?[τ]=（0.5～0.55）σb
　　　　　　　　[τ] =（0.44～0.532）σb
　　　　　　　　[τ] =（0.50～0.625）σb
　　　　　　　　[τ]=（0.62～0.731）σb
　　拉伸彈簧Ⅰ類 = [τ]（0.28～0.32）σb
　　　　　?、蝾?= [τ]（0.32～0.38）σb
　　　　　?、箢?= [τ]（0.40～0.44）σb
　　　　　　　　[τ] =（0.35～0.425）σb
　　　　　　　　[τ] =（0.40～0.505）σb
　　　　　　　　[τ] =（0.50～0.585）σb
　　扭轉(zhuǎn)彈簧強(qiáng)扭處理前的工作極限彎曲應(yīng)力σf
　　　　　　Ⅱ類[τ] = 0.625σb
　　　　　?、箢怺τ] = 0.80σb
　　　　　　強(qiáng)壓處理后可以達(dá)到的極限彎曲應(yīng)力σf
　　　　　　　　[τ]=（0.78～0.83）σb
　　　　　　　　[τ] =（1.00～1.06）σb
　　注：(1)Ⅰ類載荷(106以上);Ⅱ類載荷(103～105);Ⅲ類載荷(103以下)
　　　　(2)強(qiáng)壓(拉、扭)處理后可以達(dá)到的許用應(yīng)力是按強(qiáng)壓(拉、扭)處理前的許用應(yīng)力的1.25～1.33倍計(jì)算得到的。
　　通過強(qiáng)壓處理能夠使彈簧一下子就提高承載能力25%～33%，這對(duì)于剛剛接觸機(jī)械零件設(shè)計(jì)的技術(shù)人員來說，確實(shí)是一個(gè)有非常吸引人的數(shù)據(jù)。
　　但是，經(jīng)過筆者的實(shí)踐和分析，認(rèn)為：通過強(qiáng)壓（拉、扭）處理來提高彈簧的承載能力是有條件的。因?yàn)樵趶?qiáng)壓處理過程中，只有將彈簧材料表層產(chǎn)生有益的與工作應(yīng)力反向殘余應(yīng)力，才能獲得強(qiáng)壓的效果，并且只有在強(qiáng)壓（拉、扭）時(shí)，使得彈簧材料產(chǎn)生的殘余應(yīng)力即塑性變形越大，彈簧材料的彈性極限提高得就越大。但每種材料的彈性極限都是有一定的限度的，一旦超過這個(gè)極限，材料不僅會(huì)產(chǎn)生塑性變形，而且會(huì)“完全屈服”變形，許多彈簧在強(qiáng)壓（拉）到材料的0.5σb就已經(jīng)“完全屈服”變形。各種材料屈服極限值也有差異，屈服極限值只能通過強(qiáng)度驗(yàn)算和試驗(yàn)后才能確定。另外，強(qiáng)壓（拉、扭）處理的效果與彈簧的外形結(jié)構(gòu)、特性、以及強(qiáng)壓處理的工藝方法都有密切的關(guān)系。就彈簧的外形結(jié)構(gòu)而言，旋繞比大或者螺旋升角小的（壓縮彈簧）就不可能通過強(qiáng)壓處理來提高它的承載能力，旋繞比和螺旋升角究竟多少能達(dá)到目的，需要通過強(qiáng)壓設(shè)計(jì)和試驗(yàn)才能確定。所以，并非僅僅是簡(jiǎn)單的將彈簧壓一壓、拉一拉或者扭一扭，就能夠一下子提高承載能力多少多少的。
　　綜上分析，彈簧強(qiáng)壓處理的壓應(yīng)力τQy或者壓力PQy首先應(yīng)該滿足以下公式要求：τQy=8DPQy/πd3＞τS≥0.5
　　同時(shí)，當(dāng)τQy /σb＞0.8時(shí)，會(huì)使材料達(dá)到屈服極限，彈簧出現(xiàn)永久變形，反而使載荷減少。
　　因此強(qiáng)壓處理的壓應(yīng)力τQy /σb必須在0.5～0.8范圍內(nèi)。從上面表格中可以看出：除非是高應(yīng)力彈簧，一般的壓縮、拉伸和扭轉(zhuǎn)彈簧都不具備強(qiáng)壓（拉、扭）的必備條件，但可以通過對(duì)彈簧進(jìn)行“預(yù)制高”的工藝來創(chuàng)造條件。例如：對(duì)于壓縮彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧，可以通過對(duì)它預(yù)留強(qiáng)壓的“預(yù)制高”和“預(yù)制角”來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：一是使得彈簧材料截面表層可以產(chǎn)生殘余應(yīng)力的“壓縮量”和“扭轉(zhuǎn)量”；二是經(jīng)過強(qiáng)壓處理后彈簧的高度尺寸或角度正好符合設(shè)計(jì)的要求。對(duì)于拉伸彈簧來說第一個(gè)目的就不容易實(shí)現(xiàn)。
　　根據(jù)以上的分析和筆者以往對(duì)截錐形彈簧強(qiáng)壓處理效果的探討[3]，得到對(duì)彈簧強(qiáng)壓處理的意見是：
　　1、在考慮要對(duì)彈簧作強(qiáng)壓處理時(shí)，應(yīng)該先對(duì)彈簧進(jìn)行強(qiáng)壓設(shè)計(jì)，以確定該彈簧是否適合做強(qiáng)壓處理。
　　2、具備強(qiáng)壓處理?xiàng)l件并受高應(yīng)力的壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧等，經(jīng)過強(qiáng)壓處理后力學(xué)性能會(huì)得到明顯的改善。
　　3、有初拉力要求的拉伸彈簧，在強(qiáng)拉處理時(shí)初拉力會(huì)減少甚至消失，這類彈簧不能做強(qiáng)拉處理[4]。而無初拉力要求的拉伸彈簧，是不容易通過強(qiáng)拉處理來提高承載能力的。
　　4、高溫（超過+60℃）及腐蝕條件下工作的彈簧作強(qiáng)壓處理，只能起穩(wěn)定尺寸的作用，不能提高承載能力。
　　5、通過用強(qiáng)壓處理的方法來提高截錐形彈簧的承載能力在實(shí)際上是不可取的[3] ，并以此可以推斷出：對(duì)于各種變剛度的彈簧，是不適合用強(qiáng)壓處理的方法來提高它的承載能力的。
　　二、關(guān)于電拋光處理
　　為了滿足對(duì)要求精密的彈性零件的力學(xué)性能，一些文獻(xiàn)[4]提出：“可以對(duì)用精密合金、銅合金和不銹鋼絲制造的彈簧進(jìn)行電拋光或者化學(xué)拋光處理，以微量削減材料表層，來達(dá)到需要的尺寸和特性。” 筆者經(jīng)過實(shí)踐后認(rèn)為，采用電拋光是可以削減彈簧表層的尺寸的，這對(duì)一些壓縮彈簧、彈簧片和波紋管可以適當(dāng)?shù)牟捎茫菍?duì)拉伸、扭轉(zhuǎn)等無間隙的彈簧，不適合用電拋光來降低其力學(xué)性能。
　　因?yàn)?，電拋光的電流及其電介液（含硫酸、硝酸等）在極短的時(shí)間內(nèi)(拋光的時(shí)間一般2～8秒)不可能均勻地通過彈簧圈與圈之間的縫隙，這樣經(jīng)過電拋光處理后的拉、扭簧材料的截面直徑成了不均勻、不規(guī)則的多棱邊形，這對(duì)精度要求比較高的彈簧來說是不可取的。從電拋光對(duì)彈簧性能的影響考慮出發(fā)，是不宜用過多的時(shí)間去電拋光，因?yàn)樵谒崛芤旱臅r(shí)間過長(zhǎng)，對(duì)彈簧強(qiáng)度的影響是絕對(duì)存在的，而且是有害的。其次，電拋光的溶液使用期較低，工藝參數(shù)變化大，每批彈簧都需要經(jīng)過試驗(yàn)后才能確定，從經(jīng)濟(jì)上考慮也提高了成本。目前各種牌號(hào)各種直徑規(guī)格的彈簧鋼絲都有供應(yīng)，基本上能滿足各種精密要求彈簧的力學(xué)性能。
　　綜上所述對(duì)拉伸彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧，想通過電拋光來削減其微量尺寸，以達(dá)到需要的特性，并不可取的。對(duì)化學(xué)拋光也存在同樣的問題。
　　三、關(guān)于截錐形彈簧的設(shè)計(jì)
　　1982年以后，我國出版的各種機(jī)械工程手冊(cè)中介紹了等螺旋升角截錐形彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，其中都提到等螺旋升角截錐形彈簧所形成的螺旋線，在與彈簧中心線相垂直的支承面上的投影是對(duì)數(shù)學(xué)螺線，即：R＝R1emθ m＝In（R2-R1）/ 2π
　　但是，在實(shí)際介紹這種彈簧的變形和應(yīng)力計(jì)算以及其幾何尺寸時(shí)，又將它和等節(jié)距截錐形彈簧混為一談。這就給有精度要求的等螺旋升角截錐形彈簧的設(shè)計(jì)和制造帶來困難。筆者因?yàn)楣ぷ餍枰?，曾?jīng)推導(dǎo)過等螺旋升角截錐形彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算方法[5]，也曾經(jīng)查閱過國外有關(guān)等螺旋升角截錐形彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，其中前蘇聯(lián)[6]的計(jì)算公式是完全正確的、精確的。
　　另外，等節(jié)距截錐形彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算公式也存在一些問題。今后將在專門的文章里提出討論。
　　在截錐形彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算這個(gè)問題上，對(duì)于《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》這部中國機(jī)械零件設(shè)計(jì)指導(dǎo)性手冊(cè)的正確性和精確性，是否有些小小的遺憾。
　　后語
　　筆者提出的上述觀點(diǎn)對(duì)于專門從事彈簧的技術(shù)人員來說，或許是微不足道的。但是，《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》的對(duì)象是國內(nèi)外廣大從事機(jī)械工程設(shè)計(jì)和制造的科技工作者，《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》是一本具有指導(dǎo)性、權(quán)威性和經(jīng)典的文獻(xiàn)，手冊(cè)中的觀點(diǎn)方法和公式等內(nèi)容，都必須是嚴(yán)密精確的，符合生產(chǎn)實(shí)際的。否則會(huì)給使用單位和使用人員帶去困難和麻煩。
　　最后，我國彈簧的設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)已涉及到許多種類的彈簧，但是截錐形彈簧的設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)還是一個(gè)空白。截錐形彈簧在我國的航空、航天和汽車制造工業(yè)等都在應(yīng)用。是否在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)能制定一個(gè)截錐形彈簧的標(biāo)準(zhǔn)？
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 成大先主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第3卷，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年1月.第11-149頁
　　[2] 徐 灝主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第4卷，機(jī)械工業(yè)出版社，1993年8月.第30篇12頁
　　[3] 朱 炎，截錐形彈簧強(qiáng)壓處理效果探討，全國材料強(qiáng)度及殘余應(yīng)力學(xué)術(shù)會(huì)，1994年
　　[4] 金慧根主編，航空制造工程手冊(cè)—彈性元件工藝， 航空工業(yè)出版社，1994年
　　[5] 朱 炎，引導(dǎo)傘圓錐形彈簧的計(jì)算方法，第二屆全國航空安全救生學(xué)術(shù)討論會(huì)，1984
　　[6] Н?С?阿切爾康，機(jī)械制造者手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出