微型機械技術加工管理論文範文
摘要
目前國內機械設計手冊中有關彈簧設計與製造的一些指導性論述與實際應用是有一些差異的。本文將對有關“手冊”中的節錄與筆者根據實踐和分析後的結果做一些闡述。
關鍵詞
強壓處理電拋光處理截錐形彈簧的設計
前言
應出版社的要求，筆者對近四十年以來國內（包括國外譯著）機械設計手冊中有關彈簧設計與製造方面的內容進行了研讀，從中注意到這些著作中的一些指導性論述和我們在生產實際中的應用是有一定的差異的。現在將這些手冊中的一些內容節錄，並與筆者根據實踐和分析後的結果闡述如下。
一、關於彈簧的強壓（拉、扭）處理
《GB1805彈簧術語》對彈簧強壓（拉、扭）處理作了如下定義：“將彈簧壓縮（拉伸、扭轉）至彈簧材料表層產生有益的與工作應力反向殘餘應力，以達到提高彈簧承載能力和穩定幾何尺寸的一種工藝方法”。
化學工業出版社出版的《機械設計手冊》第15章“彈簧的強化處理及熱處理—強壓（強拉、強扭）處理”一節中，以理論力學做了分析後得出結論認為：“以上結論表明：設計彈簧時，如以彈簧材料扭轉屈服極限τ2為設計計算應力。壓縮彈簧經強壓處理後，材料截面表層可能存在近於τ2/3的負殘餘應力，故彈簧承載時，截面表層的實際應力比計算應力低約1/3。…故亦相當於承載能力提高了1/3。”該手冊還認為：不同型別的彈簧其強壓處理的方法…扭杆彈簧是將扭杆在工作載荷的方向，加以超過扭杆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。
機械工業出版社出版的《機械設計手冊》（1993年版）第30篇提出：“經過強壓（拉）處理的彈簧，可以提高彈簧的許用應力τP，最高可以達25%……”根據《機械設計手冊》提供的資料，可以統計並得到彈簧強壓（拉、扭）處理前和強壓處理後可以達到的許用應力[τ]值。列表如下：
彈簧種類許用應力強壓處理後可以達到的許用應力
壓縮彈簧
Ⅰ類[τ]=（0.35～0.4）σb
Ⅱ類[τ]=（0.4～0.47）σb
Ⅲ類[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
Ⅱ類=[τ]（0.32～0.38）σb
Ⅲ類=[τ]（0.40～0.44）σb
[τ]=（0.35～0.425）σb
[τ]=（0.40～0.505）σb
[τ]=（0.50～0.585）σb
扭轉彈簧
強扭處理前的工作極限彎曲應力σf
Ⅱ類[τ]=0.625σb
Ⅲ類[τ]=0.80σb
強壓處理後可以達到的極限彎曲應力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）強壓（拉、扭）處理後可以達到的許用應力是按強壓（拉、扭）處理前的許用應力的1.25～1.33倍計算得到的。
透過強壓處理能夠使彈簧一下子就提高承載能力25%～33%，這對於剛剛接觸機械零件設計的技術人員來說，確實是一個有非常吸引人的資料。
但是，經過筆者的實踐和分析，認為：透過強壓（拉、扭）處理來提高彈簧的承載能力是有條件的。因為在強壓處理過程中，只有將彈簧材料表層產生有益的與工作應力反向殘餘應力，才能獲得強壓的效果，並且只有在強壓（拉、扭）時，使得彈簧材料產生的殘餘應力即塑性變形越大，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，一旦超過這個極限，材料不僅會產生塑性變形，而且會“完全屈服”變形，許多彈簧在強壓（拉）到材料的0.5σb就已經“完全屈服”變形。各種材料屈服極限值也有差異，屈服極限值只能透過強度驗算和試驗後才能確定。另外，強壓（拉、扭）處理的效果與彈簧的外形結構、特性、以及強壓處理的工藝方法都有密切的關係。就彈簧的外形結構而言，旋繞比大或者螺旋升角小的（壓縮彈簧）就不可能透過強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到目的，需要透過強壓設計和試驗才能確定。所以，並非僅僅是簡單的將彈簧壓一壓、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，彈簧強壓處理的壓應力τQy或者壓力PQy首先應該滿足以下公式要求：τQy=8DPQy/πd3＞τS≥0.5
同時，當τQy/σb＞0.8時，會使材料達到屈服極限，彈簧出現永久變形，反而使載荷減少。
因此強壓處理的壓應力τQy/σb必須在0.5～0.8範圍內。從上面表格中可以看出：除非是高應力彈簧，一般的壓縮、拉伸和扭轉彈簧都不具備強壓（拉、扭）的必備條件，但可以透過對彈簧進行“預製高”的工藝來創造條件。例如：對於壓縮彈簧和扭轉彈簧，可以透過對它預留強壓的“預製高”和“預製角”來實現兩個目的：一是使得彈簧材料截面表層可以產生殘餘應力的“壓縮量”和“扭轉量”；二是經過強壓處理後彈簧的高度尺寸或角度正好符合設計的要求。對於拉伸彈簧來說第一個目的就不容易實現。
根據以上的分析和筆者以往對截錐形彈簧強壓處理效果的探討，得到對彈簧強壓處理的意見是：
1、在考慮要對彈簧作強壓處理時，應該先對彈簧進行強壓設計，以確定該彈簧是否適合做強壓處理。
2、具備強壓處理條件並受高應力的壓縮彈簧、扭轉彈簧等，經過強壓處理後力學效能會得到明顯的改善。
3、有初拉力要求的拉伸彈簧，在強拉處理時初拉力會減少甚至消失，這類彈簧不能做強拉處理。而無初拉力要求的拉伸彈簧，是不容易透過強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壓處理，只能起穩定尺寸的作用，不能提高承載能力。
5、透過用強壓處理的方法來提高截錐形彈簧的承載能力在實際上是不可取的，並以此可以推斷出：對於各種變剛度的彈簧，是不適合用強壓處理的方法來提高它的承載能力的。
二、關於電拋光處理
為了滿足對要求精密的彈性零件的力學效能，一些文獻提出：“可以對用精密合金、銅合金和不鏽鋼絲製造的彈簧進行電拋光或者化學拋光處理，以微量削減材料表層，來達到需要的尺寸和特性。”筆者經過實踐後認為，採用電拋光是可以削減彈簧表層的尺寸的，這對一些壓縮彈簧、彈簧片和波紋管可以適當的採用，但是對拉伸、扭轉等無間隙的彈簧，不適合用電拋光來降低其力學效能。
因為，電拋光的電流及其電介液（含硫酸、硝酸等）在極短的時間內（拋光的時間一般2～8秒）不可能均勻地透過彈簧圈與圈之間的'縫隙，這樣經過電拋光處理後的拉、扭簧材料的截面直徑成了不均勻、不規則的多稜邊形，這對精度要求比較高的彈簧來說是不可取的。從電拋光對彈簧效能的影響考慮出發，是不宜用過多的時間去電拋光，因為在酸溶液的時間過長，對彈簧強度的影響是絕對存在的，而且是有害的。其次，電拋光的溶液使用期較低，工藝引數變化大，每批彈簧都需要經過試驗後才能確定，從經濟上考慮也提高了成本。目前各種牌號各種直徑規格的彈簧鋼絲都有供應，基本上能滿足各種精密要求彈簧的力學效能。
綜上所述對拉伸彈簧和扭轉彈簧，想透過電拋光來削減其微量尺寸，以達到需要的特性，並不可取的。對化學拋光也存在同樣的問題。
三、關於截錐形彈簧的設計
1982年以後，我國出版的各種機械工程手冊中介紹了等螺旋升角截錐形彈簧的設計計算方法，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數學螺線，即：R＝R1emθm＝In（R2-R1）/2π
但是，在實際介紹這種彈簧的變形和應力計算以及其幾何尺寸時，又將它和等節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計和製造帶來困難。筆者因為工作需要，曾經推導過等螺旋升角截錐形彈簧的設計計算方法，也曾經查閱過國外有關等螺旋升角截錐形彈簧的設計計算方法，其中前蘇聯的計算公式是完全正確的、精確的。
另外，等節距截錐形彈簧的設計計算公式也存在一些問題。今後將在專門的文章裡提出討論。
在截錐形彈簧的設計計算這個問題上，對於《機械設計手冊》這部中國機械零件設計指導性手冊的正確性和精確性，是否有些小小的遺憾。
後語
筆者提出的上述觀點對於專門從事彈簧的技術人員來說，或許是微不足道的。但是，《機械設計手冊》的物件是國內外廣大從事機械工程設計和製造的科技工作者，《機械設計手冊》是一本具有指導性、權威性和經典的文獻，手冊中的觀點方法和公式等內容，都必須是嚴密精確的，符合生產實際的。否則會給使用單位和使用人員帶去困難和麻煩。
最後，我國彈簧的設計與製造標準已涉及到許多種類的彈簧，但是截錐形彈簧的設計與製造標準還是一個空白。截錐形彈簧在我國的航空、航天和汽車製造工業等都在應用。是否在適當的時機能制定一個截錐形彈簧的標準？
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