彈簧退火與切變模量

1、謅議彈簧鋼的切變模量取值作者：沈?qū)W忠金屬?gòu)椈刹牧戏N類繁多，現(xiàn)在大量使用的是彈簧鋼。在選用彈簧鋼進(jìn)行彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，要用到材料的切變模量或彈性模量。目前，國(guó)內(nèi)外幾乎所有的設(shè)計(jì)資料和有關(guān)教科書1以及gbt12396-92圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算等對(duì)金屬?gòu)椈刹牧系那凶兡Ａ慷家远ㄖ到o出。但其中的圓柱螺旋彈簧、蝸卷彈簧、非線性特性線螺旋彈簧、多股螺旋彈簧等，如按上述傳統(tǒng)設(shè)計(jì)資料中給出的切變模量取值，那么，計(jì)算的彈簧變形量與其實(shí)際測(cè)量的變形量有較大的誤差?，F(xiàn)以我廠生產(chǎn)的nyl-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)上使用的測(cè)力彈簧為例試述如下。 1設(shè)計(jì)計(jì)算的彈簧伸長(zhǎng)量與實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)量 大、小測(cè)力彈簧(由上海中國(guó)彈簧廠加工)是普通圓

2、柱螺旋拉伸彈簧。彈簧材料為60si2mna，熱處理4550hrc。其部分設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。 表1 名稱鋼絲直徑(mm)彈簧中徑(mm)有效圈數(shù)額定載荷(n)大測(cè)力彈簧16100125000小測(cè)力彈簧129112.52000如按表1中的設(shè)計(jì)參數(shù)，并取傳統(tǒng)的切變模量值g8104 mpa4，計(jì)算的大、小測(cè)力彈簧在額定載荷下的伸長(zhǎng)量分別為91.55 mm和90.85 mm。彈簧伸長(zhǎng)量公式4： 式中：p額定載荷；d彈簧中徑；n彈簧有效圈數(shù)； d彈簧鋼絲直徑；g材料切變模量。 上述只是設(shè)計(jì)計(jì)算的彈簧伸長(zhǎng)量。眾所周知，由于加工后的成品彈簧，特別是熱繞成形并需經(jīng)熱處理的彈簧，不可避免地存在著一定的尺寸偏差。如彈

3、簧鋼絲直徑、彈簧中徑等都可能與設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)不同，甚至偏差很大4。這就導(dǎo)致了彈簧的實(shí)際伸長(zhǎng)量與設(shè)計(jì)計(jì)算的伸長(zhǎng)量存在著一定的誤差。表2就是筆者根據(jù)檢驗(yàn)時(shí)測(cè)量的彈簧的有關(guān)尺寸，再按傳統(tǒng)的材料切變模量取值計(jì)算的伸長(zhǎng)量與其實(shí)際測(cè)量的伸長(zhǎng)量比較。 表2 單位：mm 序號(hào)彈簧外徑(d2)彈簧鋼絲直徑(d)彈簧中徑(d)額定載荷下的伸長(zhǎng)量(f)實(shí)測(cè)值按實(shí)測(cè)尺寸代入的計(jì)算值計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之差大測(cè)力彈簧1116.515.75100.759699.723.722113.515.897.78789.792.793116.215.3100.9108112.484.48小測(cè)力彈簧410211.990.187.591.19

4、3.695103.2103.511.7591.697100.803.806103.511.4692.04109113.014.01注：額定載荷下計(jì)算的伸長(zhǎng)量取g8104mpa。 從表2中可以看出，額定載荷下的伸長(zhǎng)量，其中按實(shí)際測(cè)量的彈簧有關(guān)尺寸計(jì)算的伸長(zhǎng)量，要比設(shè)計(jì)計(jì)算的伸長(zhǎng)量分別大(-1762093) mm和(0342216) mm。而仍與其實(shí)測(cè)值相差321415。為什么設(shè)計(jì)計(jì)算的彈簧伸長(zhǎng)量與其實(shí)測(cè)值相差如此之大?正如彈簧中提出：“彈簧的特性線，即使是最精確和最仔細(xì)的計(jì)算，其結(jié)果和實(shí)際的數(shù)值總有一定程度的差異，這是由于制成的彈簧不可避免的存在著一定的工藝誤差，以及材料組織非絕對(duì)均勻所造成”。

5、又“由于尺寸誤差和材料因素的影響，計(jì)算的特性線與實(shí)測(cè)值有一定的差異”?！耙虼?，對(duì)特性線有較嚴(yán)格要求的彈簧應(yīng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，反復(fù)修改有關(guān)尺寸后，方可成批生產(chǎn)”1?？梢?jiàn)，彈簧變形量的實(shí)測(cè)值與其設(shè)計(jì)計(jì)算值的確存在著一定的誤差。然而，即使按實(shí)際測(cè)量的彈簧尺寸代入計(jì)算的伸長(zhǎng)量為什么仍與其實(shí)測(cè)值有較大的誤差呢?筆者認(rèn)為，除去彈簧的“尺寸誤差”(含測(cè)量誤差)和“材料因素”(內(nèi)部組織非絕對(duì)均勻)的影響，彈簧的實(shí)際伸長(zhǎng)量與按其實(shí)測(cè)尺寸計(jì)算的伸長(zhǎng)量之間存在的誤差，主要原因是由于彈簧材料經(jīng)過(guò)熱處理后的切變模量發(fā)生了變化而造成的。 2熱處理后的彈簧鋼的切變模量 為了使彈簧能獲得較高的屈服極限、彈性極限、高的屈強(qiáng)比和疲勞強(qiáng)度

6、，彈簧一般都要經(jīng)過(guò)熱處理。而經(jīng)過(guò)熱處理的彈簧材料的彈性模量和切變模量卻發(fā)生了變化。其中，切變模量變化較大，如常用的彈簧鋼60si2mna經(jīng)過(guò)淬火和不同溫度回火處理的彈性模量和切變模量抄于表3。 表3彈性模量與切變模量 回火溫度350400450480ekg/mm220270(360回火)2082320960(440回火)20860g814382458316注：回火前先經(jīng)860淬火 表3說(shuō)明彈簧材料經(jīng)過(guò)淬火，回火處理后的切變模量g變化較大，在一定范圍內(nèi)隨回火溫度的升高而增大，并不再是傳統(tǒng)的8104 mpa等。 3取熱處理后的切變模量值計(jì)算的彈簧伸長(zhǎng)量與其實(shí)測(cè)值比較 如取表3中450回火后的切變模

7、量值83160 mpa，硬度約為47hrc，再按表2中測(cè)力彈簧的實(shí)測(cè)尺寸代入公式計(jì)算的結(jié)果列于表4。 表4單位：mm 序號(hào)額定載荷下的彈簧伸長(zhǎng)量實(shí)測(cè)值取g=83160 mpa的計(jì)算值計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差(%)1969593-0072878638-0713108108.210.21487.587.720.2559796.97-0.036109108.72-0.26注：序號(hào)同表2。 顯然，表4中按熱處理后的切變模量取值計(jì)算的彈簧伸長(zhǎng)量與其實(shí)測(cè)值較為接近。其中最大的誤差為-071。這說(shuō)明當(dāng)彈簧尺寸、載荷等相同時(shí)，其伸長(zhǎng)量決定于材料的切變模量。或者在不考慮其它條件時(shí)，僅因熱處理改變了材料的切變模量，

8、如60si2mna經(jīng)450回火處理后的切變模量83160 mpa與傳統(tǒng)的8104 mpa相比就可使彈簧的變形量相差約395；而與gbt12396-92中規(guī)定的78103 nmm2則相差662。如果彈簧材料為鉻釩鋼，如50crva，取其600回火時(shí)(硬度約為475hrc)的切變模量g值為86600 mpa6g8104 mpa和78103 nmm2相比較，分別相差825和1103。亦即，當(dāng)彈簧材料、鋼絲直徑、彈簧中徑、有效圈數(shù)以及結(jié)構(gòu)、載荷等都保持不變時(shí)，只是由于材料經(jīng)過(guò)熱處理后的切變模量值改變，將使彈簧的變形量早在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)就已產(chǎn)生了先天性誤差395或662，甚至更達(dá)825或1103。這個(gè)誤差并不是由于彈簧尺寸和材料內(nèi)部的組織不均勻所造成的，而是人為的誤處理或忽略了熱處理對(duì)材料切變模量的影響。因?yàn)?，切變模量不僅僅是材料本身固有的特性，而且還與熱處理狀態(tài)有關(guān)，并決定彈簧的變形量與載荷之間的關(guān)系。為此，筆者認(rèn)為，在對(duì)特性線要求較高的螺旋彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，似應(yīng)根據(jù)彈簧的服役條件，如工作溫度、載荷等，且考慮熱處理對(duì)其切變模量的影響。即按熱處理后的彈簧材料的切變模量取值，而不是傳統(tǒng)的給定值。即使對(duì)于特性線要求不高的螺旋彈