螺旋彈簧熱處理變形控制與預(yù)防措施

蔣克全，趙興德，巢昺軒

(昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

彈簧熱處理后幾何形狀和尺寸變化的主要原因是熱處理加熱過(guò)程和淬火時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。另外，彈簧殘余應(yīng)力的釋放、彈簧的自重均可能導(dǎo)致彈簧熱處理變形，材料本身存在的合金成分偏析或者脫碳等因素也會(huì)加大彈簧的熱處理變形。彈簧冷卻時(shí)，由于彈簧不同部位的冷卻速度不同，會(huì)形成熱應(yīng)力而使彈簧變形，即使冷卻速度相同，表面冷卻快心部冷卻慢，而產(chǎn)生相變應(yīng)力。熱處理變形特別是淬火變形，由于熱應(yīng)力及組織應(yīng)力的存在，產(chǎn)生變形是無(wú)法避免[1]。應(yīng)盡可能地減小熱處理變形，或在熱處理后對(duì)零件進(jìn)行校正以達(dá)到零件的熱處理變形要求[2]。

彈簧零件是在成形后再進(jìn)行熱處理，熱處理的方式主要有兩種。一種是淬火+中溫回火，熱處理回火后組織為回火托氏體，這種組織的彈性極限和屈服極限高，并有一定的韌性。對(duì)于絲徑較大的彈簧零件熱處理后校正較困難。熱處理變形控制主要選擇在淬火階段和回火階段實(shí)施，比如在淬火階段可采用適當(dāng)?shù)膴A具或合理的綁扎，在回火階段采用合適的模具進(jìn)行定型回火校正[3]。

另一種是彈簧成形后進(jìn)行去應(yīng)力回火，該種彈簧熱處理的變形主要體現(xiàn)在應(yīng)力消除后彈簧制件尺寸會(huì)略有變化，會(huì)影響彈簧的最終尺寸，可能造成零件的超差。這種彈簧的變形處理措施主要是縮小彈簧制造公差或預(yù)留熱處理變形公差來(lái)滿足最終圖紙尺寸要求。

1 淬火、回火熱處理變形控制

1.1 螺旋壓縮彈簧的熱處理變形控制

50CrVA鋼壓縮彈簧，鋼絲直徑為φ9.0 mm，熱處理后硬度要求為45～54 HRC。該彈簧采用鹽浴爐淬火，空氣爐回火，熱處理工藝參數(shù)為：850 ℃淬火8～12 min，油冷；370～400 ℃回火40～50 min，空冷。

該類彈簧在熱處理過(guò)程中容易發(fā)生直線度超差、節(jié)距不均勻及支撐圈張開(kāi)等問(wèn)題，該零件鋼絲直徑較大，熱處理后變形校正困難，因此，需要嚴(yán)格控制熱處理變形。主要采取的措施是：彈簧兩端頭支撐圈位置用細(xì)鐵絲綁扎緊，彈簧穿心軸橫向吊掛入爐，熱處理前進(jìn)行預(yù)熱，回火時(shí)平直擺放，不堆放，如圖1所示。彈簧橫向入爐，主要是減少?gòu)椈勺灾貙?duì)節(jié)距的影響，支撐圈扎緊可有效預(yù)防支撐圈張開(kāi)。彈簧回火時(shí)，彈簧擺放平直，不堆放，減少變形。采用上述措施后，可顯著減少?gòu)椈傻淖冃?，但仍需要在熱處理后進(jìn)行一定量的校正。為進(jìn)一步減少?gòu)椈蔁崽幚碜冃危趶椈蔁崽幚砬斑M(jìn)行消除應(yīng)力退火，回火時(shí)采用專用回火校正工裝等措施。

圖1 壓縮彈簧淬火綁扎(a)和吊掛(b)Fig.1 Compressing spring quenching strapping(a) and hanging(b)

1.2 扭力彈簧的熱處理變形控制

某扭力彈簧安裝在直升機(jī)操縱系統(tǒng)上，在使用過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生干涉的問(wèn)題，影響飛行安全。經(jīng)分析該彈簧主要存在直線度和節(jié)距超差的問(wèn)題，其直接原因也是彈簧在熱處理過(guò)程中發(fā)生變形，且校正后難以完全滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。彈簧材料為50CrVA-冷拉，鋼絲直徑為φ5.5 mm，熱處理后硬度要求為45～50 HRC。該彈簧采用鹽浴爐淬火，空氣爐回火，熱處理工藝參數(shù)為：850 ℃淬火6～8 min，油冷；370～420 ℃回火30～40 min，空冷。為防止熱處理變形，該零件在熱處理時(shí)，彈簧穿心軸橫向吊掛入爐。為防止節(jié)距變化，根據(jù)節(jié)距大小，中間插入相同絲徑的鋼絲，并將彈簧扎緊?；鼗饡r(shí)，擰入專用回火校正芯軸，這樣可很好地保證彈簧的節(jié)距和直線度。如圖2所示，經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)后的扭簧，直線度和節(jié)距滿足設(shè)計(jì)要求，后續(xù)使用過(guò)程中未再發(fā)生裝配干涉的問(wèn)題。

圖2 扭力彈簧的淬火綁扎(a)、吊掛(b)及回火校正工裝(c)Fig.2 Torsion spring quenching binding(a),hanging(b) and tempering correction equipment(c)

2 冷拉鋼絲彈簧熱處理變形控制

彈簧制造前其材料狀態(tài)為形變硬化，彈簧制件熱處理的目的是為了消除應(yīng)力，但消除應(yīng)力的同時(shí)會(huì)影響彈簧的尺寸。在彈簧制件消除應(yīng)力處理時(shí)應(yīng)注意擺放，避免彈簧制件熱處理后變形，影響直線度。

2.1 彈簧外徑變形趨勢(shì)

消除應(yīng)力后彈簧制件尺寸會(huì)略有變化。繞在心軸上的彈簧制件經(jīng)熱處理后卸下心軸，其直徑方向的尺寸會(huì)稍有漲大；自由狀態(tài)的碳素鋼絲彈簧制件熱處理后直徑有收縮減小趨勢(shì)；自由狀態(tài)的不銹鋼彈簧制件熱處理后直徑有漲大趨勢(shì)。溫度越高，漲大或減小的趨勢(shì)就越明顯[4]。

2.2 應(yīng)對(duì)彈簧直徑超差采取的措施

針對(duì)彈簧去應(yīng)力后直徑變化的趨勢(shì)，在加工時(shí)彈簧直徑公差應(yīng)留有一定的余量，或縮小公差帶，防止彈簧在去應(yīng)力前尺寸合格，而在去應(yīng)力后尺寸超差的情況。在實(shí)際生產(chǎn)中，存在表面處理前彈簧尺寸合格而在表面處理后尺寸超差的情況，彈簧屬于超過(guò)強(qiáng)度鋼，鍍前必須進(jìn)行消除應(yīng)力處理，同時(shí)在電鍍后也必須進(jìn)行除氫處理[5]，因此表面處理后對(duì)彈簧外徑也產(chǎn)生一定影響。所以，在彈簧繞制時(shí)應(yīng)考慮加工過(guò)程中各種應(yīng)力消除工序可能會(huì)對(duì)外徑所產(chǎn)生的影響。

3 結(jié)論

采用淬火工裝、合理的綁扎、吊掛可有效減少淬火變形，采用回火定型工裝能夠有效地矯正彈簧變形，對(duì)冷拉鋼絲彈簧在繞制時(shí)應(yīng)考慮去應(yīng)力處理對(duì)彈簧外徑的影響。