蝶形彈簧畢業(yè)設(shè)計鄒蓓1

1、1蝶形彈簧1.1蝶形彈簧的簡介及結(jié)構(gòu)類型1.11簡介：一種外形似圓環(huán)墊片樣的，而材質(zhì)不同的金屬的機械配件-特種彈簧。又因外形似碗碟狀，故稱蝶形彈簧。碟形彈簧成圓錐形盤狀，作為密封輔助件，既可以單個使用，又可以多個串聯(lián)或并聯(lián)使用，在上內(nèi)緣和下外緣處承受沿軸向作用的靜態(tài)或動態(tài)載荷，被壓縮后產(chǎn)生變形，直至被壓平，以儲存能量形式作為活載荷，在必要時自動轉(zhuǎn)化為密封所需要的附加壓縮載荷，來降低墊片、填料使用中對上緊的持續(xù)要求，減少不必要的停機維修時間和泄漏損失。一般來說，它是通過相當數(shù)量的疊加來提供足夠彈性伸展，而發(fā)揮作用的。由于有變剛度特性和安裝緊湊等特點，廣泛應(yīng)用于機械設(shè)備工業(yè)、石油工業(yè)、汽車工業(yè)以及

2、航空航天工業(yè)等領(lǐng)域。很大范圍取代了圓柱形螺旋彈簧。1.12結(jié)構(gòu)類型：用金屬帶材，板材或鍛造坯料沖壓而成的截錐形薄片彈簧，它的負荷與變形呈非線性關(guān)系。 一般分為普通的蝶形彈簧，帶徑向溝槽的蝶形彈簧，梯形截面蝶形彈簧。由于單片蝶形彈簧的變形量和負荷值往往不能滿足要求。所以一般組合使用。特點：小變形高承載能力、節(jié)省空間、通過不同的搭配組合可獲得理想的加載特性碟形彈簧(碟簧)的分類與選型： 碟形彈簧(碟簧)按其用途可分為防松碟簧、高溫預(yù)緊碟簧、高扭力預(yù)緊碟簧、緩沖拉伸碟簧，根據(jù)具體工況選擇制作材質(zhì)。1.2蝶形彈簧的分類1.21防松碟簧：防松碟簧主要作用1載荷不是太大，但震動劇烈的螺栓上。2能有效防止螺

3、栓松動、倒絲等現(xiàn)象。3能起到鎖緊的功能，補償了預(yù)緊力，確保密封持久可靠。4防松碟簧對螺栓與設(shè)備均有良好的通用性。1.22高溫預(yù)緊碟簧： 高溫預(yù)緊碟簧適用于1高溫環(huán)境下各種法蘭的螺栓預(yù)緊。2各種管道法蘭、閥門、換熱器。高溫預(yù)緊碟簧適用于3反應(yīng)釜、攪拌器、泵、離心機等的法蘭螺栓預(yù)緊。1.23高扭力預(yù)緊碟簧：該高扭力預(yù)緊碟簧應(yīng)用在大載荷、高扭力場合。高扭力預(yù)緊碟簧的應(yīng)用1 閥門、管道法蘭螺栓預(yù)緊2 風機、泵、離心機的地腳螺栓和法蘭預(yù)緊3 換熱器、反應(yīng)釜、攪拌器的法蘭螺栓預(yù)緊4 離合器、發(fā)電機、管道支吊架裝置的預(yù)緊電力母線螺栓預(yù)緊5 、緩沖裝置、剎車裝置、高壓電纜補償裝置等設(shè)備的各種其他工程應(yīng)用。1.

4、24緩沖拉伸碟簧： 該緩沖拉伸碟簧廣泛應(yīng)用于各行業(yè)中的大型設(shè)備中，如制動器、安全載荷裝置、機械啟動器、工業(yè)電爐、離合器、模具等。1.3碟形彈簧的選材現(xiàn)階段，我國碟形彈簧采用的材料有高質(zhì)量的彈簧鋼60si2mna、50crva或特殊材料，如不銹鋼、鉻鎳鐵合金等。其中特殊材料、不銹鋼、鉻鎳鐵合金等適用于高溫和腐蝕性環(huán)境。然而，我們發(fā)現(xiàn)想找到一種材質(zhì)，同時滿足高強度、耐高溫、耐腐蝕、抗磁場，是不可能的，只能尋求某種性能的最大化，比如高強度或耐高溫、腐蝕。因此用戶在訂購碟簧時，一定要寫清楚工況要求，我們的技術(shù)人員會充分考慮那些最不利的因素，擇其一種合適材質(zhì)，推薦使用。下面我們列出國外比較典型的碟簧材料

5、，供參考：標準應(yīng)用 材料 ck7550crv4x12crni 177x7crnial 177x35crmo17x22crmov 121din標準號 1.1248 1.8159 1.4310 1.4568 1.4122 1.4923 化學(xué)組成(%)c 0.7-0.8 0.47-0.55 0.12 0.09 0.35 0.2 si 0.15-0.35 0.15-0.40 1.5 1 1 0.3 mn 0.6-0.8 0.7-1.1 2 1 1 0.6 p max 0.035 0.035 0.03 0.035 s max 0.035 0.035 0.03 0.035 al 0.75-1.5 cr 0

6、.9-1.2 16-18 16-18 16.5 12 ni 6-9 6.5-7.75 0.6 v 0.1-0.2 0.6 mo 1.15 1 彈性模量(n/mm2)206000 206000 190000 195000 206000 206000 特殊應(yīng)用 材料inconel x750inconel 718nimonic 90a286 alloyfv520bcube2din標準號2.46682.49691.49802.1247化學(xué)組成(%)c0.080.080.090.080.048si0.50.35110.37mn10.35121.05p max0.0150.020s max0.010.01

7、50.0150.014al0.4-10.2-0.81-20.35cr14-1717-2118-2113.5-1616-18ni 7050-55rest24-275.47+co=0.2-0.6v0.1-0.5mo2.8-3.31-1.751.72wti2.25-2.750.65-1.152-31.9-2.30.10be1.95cu0.50.30.22.08restco115-21fe5-92nb0.952 碟形彈簧的設(shè)計與計算(一)2.11碟型彈簧理論碟型彈簧是承受軸向載荷的錐形環(huán)狀盤片。一般情況下，盤片厚度恒定不變，載荷均勻分布在上表面內(nèi)邊緣和下表面外邊緣。碟型彈簧通常用彈簧鋼制成，可以承受靜

8、態(tài)載荷，非交變載荷或動態(tài)載荷，能夠滿足嚴格的疲勞壽命和加載損失的要求。2.12與其它類型彈簧相比，碟型彈簧具有如下特性：小變形，大承載能力 與其它類型彈簧相比，具有較高的空間利用率 正確的尺寸設(shè)計可以獲得高疲勞壽命和低加載損失/蠕變傾向不同的彈簧組合方式可以獲得所需要的載荷特性曲線可以采用各種特殊材料和表面涂層方式采用標準尺寸產(chǎn)品可以降低成本。2.13性能和結(jié)構(gòu) 載荷特性曲線反映碟型彈簧的載荷-變形特性。根據(jù)尺寸情況，載荷特性曲線或多或少都是逐步遞減直至水平狀態(tài)。特殊情況下，也可將其設(shè)計成變形超出水平狀態(tài)。碟型彈簧通常作為模塊化組件使用。一組單片碟型彈簧按照相同方向疊合使用，稱作疊合組合碟型彈

9、簧：反之，一組單片碟型彈簧按照不同方向交替對合使用，稱作對合組合碟型彈簧。疊合組合情況下，碟型彈簧組的變形與單個彈簧相同，給定變形量時的載荷則是單個彈簧的n倍（n=碟型彈簧組內(nèi)單片彈簧片數(shù)）。對合組合情況下，碟型彈簧組變形時彈簧組內(nèi)單片彈簧變形量的總和，載荷則與單片彈簧相同。對于由單片碟型彈簧或彈簧組組成的組合碟型彈簧的變形和載荷計算，上述因素應(yīng)考慮在內(nèi)?？梢酝ㄟ^將由不同片數(shù)碟型彈簧組成疊合組合彈簧或不同厚度的單片碟型彈簧組合成碟型彈簧組來獲得遞增的載荷特性曲線在這種情況下，彈簧組達到壓平位置或極限行程后，單片彈簧或組合彈簧將不再對彈簧的變形量產(chǎn)生影響。2.碟形彈簧的設(shè)計與計算（二）2.21按

10、照din2093分類 碟型彈簧的設(shè)計、檢測和生產(chǎn)已按照din2092標準（碟型彈簧、計算）和din2093標準（碟型彈簧、尺寸、質(zhì)量要求）進行了標準化。按照din2093標準，碟型彈簧可以分為三組：第一組：盤片厚度t小于1.25mm第二組：盤片厚度t 1.25mm至6mm第三組：盤片厚度t大于6mm至14mm第一組和第二組彈簧沒有支撐面，第三組彈簧帶有支撐面下表為din2093標準對碟型彈簧生產(chǎn)的要求組別加工方法表面光潔度 上表面和下表面內(nèi)邊緣1沖壓、冷成形、倒角ra3.2ra12.52沖壓、冷成形、de和di車削，倒角ra6.3ra6.3精密切割、冷成形ra6.3ra3.23冷成形或熱成形，

11、四周切削，倒圓ra12.5ra12.5其它加工方法，如激光束切割、水射流切割等可用于特殊碟型彈簧的生產(chǎn)。除矩形截面，邊緣倒圓的碟型彈簧外，還有以下類型的碟型彈簧：梯形截面碟型彈簧開槽型碟型彈簧開槽型碟型彈簧廣泛用于連軸器和變速箱，而矩形截面碟型彈簧的應(yīng)用則并不常見。2.碟形彈簧的設(shè)計與計算（三）2.31單個碟形彈簧的計算din2092標準詳細闡述了碟型彈簧變形行為的計算公式，該計算過程由alme和laszlo推導(dǎo)。盡管還有其它一些更為精確的分析等式，但該公式的準確性足以滿足實際應(yīng)用的要求。 按照這些分析等式，碟型彈簧的變形行為被假設(shè)為矩形截面圓環(huán)繞轉(zhuǎn)動中心s的一維旋轉(zhuǎn)過程，忽略徑向應(yīng)力，只考慮

12、切向應(yīng)力。不考慮材料塑性變形和變形殘余應(yīng)力，變形過程中橫截面積矩形，載荷終施加內(nèi)外邊緣i和iii處。mubea公司提供碟形彈簧的計算機輔助設(shè)計程序。 2.32按照din加載的無支撐面碟形彈簧說明 碟型彈簧載荷特性曲線的形狀由ho/t值決定。假定在容許的載荷極限內(nèi)彈簧變形不受制，可獲得圖所示的載荷特性曲線。按照din2093標準化的a、b、c三種系列碟形彈簧的載荷特性曲線如下：3.2形彈簧的設(shè)計與計算（四） 2.41加載應(yīng)力 在碟型彈簧加載變形過程中，軸向應(yīng)力很小，可忽略不計，因此其疲勞壽命切向應(yīng)力影響。通常情況下，碟片上表面承受壓應(yīng)力，下表面承受拉應(yīng)力。 實際上，碟型彈簧的計算應(yīng)力與實際應(yīng)力并

13、不一致，這是由于噴丸處理和強壓處理過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力所致，實際應(yīng)力由殘余應(yīng)力和加載應(yīng)力所組成。彈簧的動態(tài)強度主要受碟片下表面的拉應(yīng)力影響，由于生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，碟 型彈簧的計算應(yīng)力高于實際應(yīng)力。基于不同的ho/t值，碟形彈簧橫截面ii點（下表面內(nèi)邊緣）或iii（下表面外邊緣）為最大拉應(yīng)力點。 彈簧上表面內(nèi)邊緣，即橫截面i點為最大壓應(yīng)力點，該應(yīng)力直接影響彈簧的預(yù)壓變形，該變形是由于變形量超出碟形彈簧材料的彈性極限而產(chǎn)生的塑性變形導(dǎo)致，從而使彈簧自由高度減小。如下圖3.6通過縮智短力臂加載的無支撐面碟形彈簧 對于曲線的變形模型來講，載荷通過縮短的力臂加載，獲得給定變形量時所需的力矩與通過

14、橫截面i點和iii點加載時相同，而力臂的縮短則要求對彈簧施加更大的載荷，因此這種情況下獲得的彈簧載荷特性曲線要比正常情況下陡峭。但彈簧計算載荷應(yīng)力不受加載點影響，而只與彈簧錐角大小有關(guān)，如下圖 有支撐面的碟形彈簧 支撐面僅用于厚度大于6mm的碟形彈簧（din2093標準，第三組）。采用支撐面使彈簧承載面積增大，從而減少導(dǎo)向件與彈簧之間的摩擦。承載點也由外邊緣de變?yōu)閐e，由內(nèi)邊緣di變?yōu)閐i。這種變化 導(dǎo)致力臂縮短、載荷特性曲線變陡。如下圖3蝶形彈簧的熱處理 蝶形彈簧是用50crva或60simna鋼版 鋼帶沖壓的截錐形薄板彈簧.熱處理硬度要求hrc4252，剛性很大,主要用于承受大負荷的緩沖

15、和制動裝置.蝶簧常規(guī)熱處理工藝為自由淬火,上夾具回火并校正,經(jīng)氧化后便可裝機使用.在使用過程中,自由高度會降低15%左右,有的甚至達20%以上.所以gb1972-80中規(guī)定,蝶簧應(yīng)全部經(jīng)強壓處理,可一次持續(xù)壓平,并規(guī)定壓平時間 次數(shù)和壓力. 由于增加了強壓工序,改變了蝶簧的工藝和熱處理方法.如實際操作中,不可能使蝶簧高度的預(yù)留量與強壓降低量相等,在加上熱處理后硬度對強壓降低量影響很大,批次與爐次之間,同爐各工件之間又受材料 工藝 操作的影響,不可能達到同一硬度范圍.表中數(shù)據(jù)也說明,不同硬度量,在強壓后磨掉.這就是說在熱處理后增加了磨削工序.因而對某些淬火后平面度不超過磨削余量的較厚中 小型蝶形彈簧就沒有必要上夾具回火了. 下面介紹中型彈簧的熱處理工藝 強壓方法和自由高度預(yù)留量.3.1技術(shù)要求與工藝路線蝶簧材料為60si2mna鋼,熱處理要求為:硬度hrc4247,平面0.2mm.熱處理后經(jīng)強壓處理,短時壓平次數(shù)不少于5次,自由高度應(yīng)保持穩(wěn)定. 工藝路線為沖外圓和內(nèi)孔(&3mm鋼板磨平平面尺寸拉伸或截錐形(自由高度殘余量1.21.6mm)淬火 回火強壓處理磨削自由度到尺寸(平面度0.1mm)氧化裝機