一系彈簧工藝研究

徐偉 蔣志斌

摘 要：一系彈簧是某型內(nèi)燃機(jī)車轉(zhuǎn)向架上的重要零部件，其工作應(yīng)力高達(dá)450MPa，平面度、平行度、垂直度等相關(guān)技術(shù)參數(shù)都高于其它車型同類彈簧。因此，對(duì)制造的要求相對(duì)較高。鑒于此，工藝裝備在原有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，新增數(shù)控卷簧機(jī)、氣氛保護(hù)加熱爐等相關(guān)設(shè)備以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

關(guān)鍵詞：一系彈簧；逆向工程；余熱淬火

引言

由于主要生產(chǎn)設(shè)備狀況未知，因此在工藝設(shè)計(jì)前采用逆向工程，利用執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和圖紙技術(shù)要求反推制造工藝。機(jī)車一系彈簧執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為TB/T 2211-2010《機(jī)車車輛懸掛裝置鋼制螺旋彈簧》

1.工藝方案的確定

熱成形彈簧的主要制造工藝為端部加熱制扁、加熱、卷制及校整、熱處理、噴丸處理、立定處理、磨削斷面、檢驗(yàn)、表面除銹處理 [1] 。一系彈簧的制造和以前的主要區(qū)別在端部加熱制扁和卷制上，而工藝試驗(yàn)的重點(diǎn)則在彈簧剛度和熱處理方面。

2.工藝試驗(yàn)

2.1 彈簧剛度試驗(yàn)

根據(jù)圓柱螺旋壓縮彈簧的剛度公式 ，D、d、n對(duì)彈簧的剛度都有影響。該彈簧內(nèi)經(jīng)只有2mm公差，而回彈將近0.5mm，于是內(nèi)徑取中間值，以方便調(diào)整剛度；同一批彈簧的料徑波動(dòng)很小，工藝上無(wú)法用該值調(diào)整剛度。因此能改變剛度的只有有效圈，而反映到具體的參數(shù)就是展開長(zhǎng)度。通過(guò)上述公式計(jì)算，彈簧的有效圈數(shù)為7.8，總?cè)?shù)為9.3。根據(jù)展開長(zhǎng)度公式計(jì)算，展開長(zhǎng)度應(yīng)為5160。根據(jù)PRO-E模擬，兩邊制扁后總長(zhǎng)度增加210，因此材料的總長(zhǎng)度為4950，取整為5000。根據(jù)上述確定的參數(shù)進(jìn)行了試卷制后發(fā)現(xiàn)，剛度偏高超過(guò)了要求，因此增加圈數(shù)修正下料長(zhǎng)度。第二次更改下料5040，碾尖后展開總長(zhǎng)為5240，進(jìn)行了試卷制后，剛度符合要求，具體數(shù)據(jù)見表2。

由于彈簧受壓力壓縮后，彈簧的有效圈會(huì)逐漸減少，彈簧的剛度會(huì)逐漸增加，因此表2中根據(jù)理論計(jì)算的第一次剛度試驗(yàn)偏差都為正偏差，且超過(guò)20，即實(shí)際測(cè)量值大于理論計(jì)算值。而根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理的第二次試驗(yàn)，其有效圈為8，總?cè)?shù)為9.5。

2.2 彈簧熱處理試驗(yàn)

該試驗(yàn)的目的除了完成硬度試驗(yàn)外，還必須兼顧脫碳層深度的要求。

2.2.1 彈簧硬度

在進(jìn)行卷簧試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，卷簧后彈簧的余溫在（790～820）℃之間，仍在奧氏體溫度下，從理論上，存在余熱淬火的可能。根據(jù)高溫形變熱處理的理論：將鋼加熱到穩(wěn)定奧氏體區(qū)保持一段時(shí)間，在該狀態(tài)下形變，隨后進(jìn)行淬火以獲得馬氏體組織的綜合熱處理工藝【2】。試驗(yàn)后，確定了保溫溫度為985℃，保溫40min后卷制，卷制后利用余熱淬火，回火溫度為450℃，保溫90min的熱處理制度。單從晶粒度上看，利用余熱進(jìn)行淬火回火后，晶粒度為8級(jí)，而普通的熱處理晶粒度為7級(jí)，高溫形變熱處理晶粒更細(xì)，強(qiáng)度更高。

2.2.2 脫碳層深度

通常氧化膜是疏松的，尤其是工業(yè)條件下形成的氧化膜，因此CO的揮發(fā)較為容易。脫碳雖然發(fā)生在表面層，但是碳顯然來(lái)自于快速的晶界擴(kuò)散；盡管脫碳是表面現(xiàn)象，膽不存在脫碳層的內(nèi)邊界?！懊撎忌疃取钡臏y(cè)量在工業(yè)上被用來(lái)表征鋼的狀態(tài)，因此引入主觀因素，需要判斷脫碳層的內(nèi)邊界。【3】

根據(jù)菲克第二定律，將脫碳看作兩端成分不受擴(kuò)散影響的擴(kuò)散偶：

初始條件：t=0 ，

邊界條件：t>0 ，

【4】

其中 【4】

D0為2.0×10-5m2s-1，R為8.314Jmol-1K-1，Q為140000Jmol-1【4】，在T=（273.15+985）K計(jì)算得出D為3.08×10-11 m2s-1。

從上式可以看出，如果在整個(gè)加熱過(guò)程中，環(huán)境和材料的含碳量一樣，那么將不會(huì)發(fā)生脫碳現(xiàn)象。實(shí)際并非如此，即使使用氣氛保護(hù)加熱，在開爐門的瞬間以及受爐子密封性的影響，其環(huán)境碳含量會(huì)瞬間降低，為了更好的計(jì)算，先將環(huán)境的含碳量定為0.2%進(jìn)行計(jì)算，將材料含碳量從0.6%將為0.5%定義為脫碳，分別計(jì)算保溫10min、20min、30min、40min距離表面0.2mm處的含碳量。計(jì)算結(jié)果如下：

由上述計(jì)算可知，在加熱過(guò)程中加熱爐中的碳含量保持在0.3%以上，0.2mm處就不會(huì)發(fā)生“脫碳現(xiàn)象”，當(dāng)爐中氣氛在0.2%時(shí)，若加熱時(shí)間超過(guò)20min，就會(huì)發(fā)生“脫碳”。鑒于此，我們根據(jù)爐內(nèi)碳勢(shì)的上升速度，將爐內(nèi)的碳勢(shì)設(shè)定為0.6%，將裝爐的碳勢(shì)控制在0.2以上，20min以內(nèi)碳勢(shì)增加到0.4以上，這樣可以確保整個(gè)加熱過(guò)程中，彈簧的脫碳不會(huì)超過(guò)0.2mm。按上述工藝進(jìn)行制造的彈簧，其脫碳層深度檢測(cè)都小于0.2mm。

3.結(jié)論

（1）利用余熱淬火，高溫形變熱處理可以在彈簧熱處理中運(yùn)用。

（2）高溫形變熱處理對(duì)60Si2CrVA的性能和普通淬火相比有區(qū)別，目前只能看出晶粒度更細(xì)，其他究竟影響多大，還需進(jìn)一步的試驗(yàn)。

（3）彈簧剛度理論計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮彈簧中徑的回彈及彈簧在壓縮過(guò)程中有效圈數(shù)的減少。

（4）用菲克第二定律可以定量的估算彈簧脫碳層深度，指導(dǎo)卷簧爐碳勢(shì)控制的工藝參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張英會(huì)，劉輝航，王德成.彈簧手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì).熱處理手冊(cè).第一卷[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]辛力，王文【譯】.金屬高溫氧化導(dǎo)論[M].高等教育出版社，2010.