塑料彈簧制造和設計

塑料彈簧能夠節(jié)省費用在設計中改用塑料制作塑料彈簧能夠簡化結構、節(jié)省費用，但不能簡單地套用金屬彈簧的設計方法。一般來說，塑料只能用于不需瞬時恢復的彈簧。塑料彈簧最好是間歇工作，即彈簧產生一個短時間規(guī)定的力，而其他時間處于松弛狀態(tài)。塑料彈簧的彈性恢復時間應至少等于處于載荷下的時間。塑料彈簧的應用并未因此而受到限制，因為大多數(shù)彈簧都是非連續(xù)使用的。在著手塑料產品設計時，必須考慮這個問題。雖然如此，塑料彈簧在某些產品設計中的應用是非常成功的，例如，轉鎖中的彈簧只用于調節(jié)轉動應力。圖1所示的鎖扣，僅靠彈簧實現(xiàn)鎖緊和松開，在這種情況下采用塑料彈簧是十分合理的。1塑料彈簧的優(yōu)勢金屬的特性對塑料來說是不可比擬的。例如，鋼的彎曲模數(shù)是常用注塑成型塑料彈簧的30到100倍?？墒?，塑料彈簧有其特定的應用空間，它與金屬彈簧相比其優(yōu)點如下：零件整體化：在這一點上可與金屬彈簧競爭，金屬彈簧與塑料彈簧存在著整合性差別。也就是說，設計師可以創(chuàng)造性地使用塑料彈簧。零件整體化意味著結構簡化，易于安裝、成本更低，重量更輕。可回收性：帶有金屬彈簧的零件，如果質量、規(guī)格不合格，常常會報廢。塑料彈簧允許全部零件回收利用。耐腐蝕，“不生銹”。自然光順，具有模塑上色的便利。相對機械加工來說制造成本降低。1.1彈簧及其蠕變對于塑料制造的彈簧，要注意金屬和塑料的彎曲模數(shù)的差異?？晒┻x擇的樹脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚脂、ABS、尼龍和硫化聚乙烯。材料的回彈性是重要的選擇因素。比起金屬來，用最好的樹脂做的彈簧在持續(xù)載荷下會很快老化失效。乙?；酆衔镌?000小時（大約6周）后失去原有彈力的50%，10,000小時后（大約1年），失去原有彈力的60%，而100,000小時后（大約11年）失去原有彈力的三分之二⑵。通常，結晶乙酰基和硫化聚苯撐比聚乙烯和ABS有更好的抗蠕變性。如果模具溫度過低的話，在注塑成型過程的最后階段，結晶材料的蠕變率將顯著上升。1.2材料的選擇彈簧的材料選擇取決于所需要的特性。需考慮的因素有抗蠕變性、載荷、疲勞極限和耐化學侵蝕性。乙?；酆衔锸亲畛Ｓ玫牟牧?。其它可用材料及它們的特性如下：l聚乙烯和聚丙烯便宜，但拉伸恢復性差，抗蠕變性差。它們只能用于短期負荷，其疲勞響應中等，但抗化學侵蝕性好。l?；簿畚镙^昂貴，但持續(xù)載荷特性好、抗蠕變性好，但它不適合在小于4PH值的酸性環(huán)境下工作。l線性硫化聚亞苯基材料比乙?；簿畚锔?，更適合高負荷、小位移的應用。它有好的抗蠕變性、好的抗疲勞特性，并能在高溫下保持其韌性。當它暴露在化學侵蝕條件下也能長期正常的工作。l尼龍在干燥條件下比較耐磨，但當它暴露在50%的相對濕度下時，其剛性下降達25%。l對于簡單、偶爾使用的彈簧來說，選用ABS是合適的，但其抗蠕變性較差。在材料中使用填充物可改善彈簧的特性。在材料中填充玻璃纖維增加了剛性和強度，但其撓度受到限制。環(huán)境溫度也影響塑料彈簧的性能。多數(shù)塑料在室溫下特性最好，環(huán)境溫度越高彈簧的材料越接近軟化點。此外，要考慮防紫外線問題。如果塑料彈簧安裝在產品內部，或者安裝在背光處，可以避免紫外線輻射引起的塑料老化問題。對那些戶外使用的產品，例如園林工具和體育運動設備，紫外線的照射可以破壞彈簧功效。在這種條件下，必須根據(jù)材料的抗紫外線典型數(shù)據(jù)決定所選材料能否在紫外線暴露下工作。2板型塑料彈簧的設計在通常的機械設計中，金屬彈簧往往是一個獨立的標準零件。制造彈簧的材料與其它裝配零件的材料有所不同，不論是螺旋彈簧或板簧，其制作材料有較好的恢復性和抗疲勞特性。從制造方法上來看，以沖壓或彎卷最為普遍。與金屬彈簧不同，塑料彈簧往往與零件的其它部分一起注塑成型。因此，其彈性體部分與其它部分是同一種材料。很明顯，塑料零件的強度、抗剪強度遠不如金屬，即便是在塑料被廣泛使用的年代，塑料還不能完全取代金屬制造彈簧。從塑料成型的特殊性來看，板簧比螺旋彈簧更易于制造，因此，塑料板型彈簧優(yōu)先被選用。2.1懸臂梁和簡支梁彈簧在比較兩種類型彈簧載荷和應力方程（參見圖2和圖3）時，可以看到，相同的截面（W與t的乘積）和有效跨距（L）下，懸臂梁的應力載荷為簡支梁的16倍。然而，在同樣撓度下，簡支梁彈簧的應力是懸臂梁彈簧的4倍。從彈簧材料的有效用量上比較，這兩種類型的彈簧的差別可以忽略不計。在同樣的載荷下，簡支梁彈簧可以設計較大的跨距和較薄的截面。圖2.懸臂梁彈簧圖3.簡支梁彈簧2.2設計公式式中P=載荷（Kg），E=彈性模量（Kg/cm2），Y=撓度（cm），t=厚度（cm），L=有效長度（cm），w=寬度（cm），g=彎曲應力（Kg/cm2）例如，設計一個洗衣機傳動系統(tǒng)的棘輪的懸臂彈簧。材料是CelconM90（乙縮醛共聚物），其彎曲模數(shù)在41°C是22,145Kg/cm2,活動長度是3.20cm，寬度是0.65cm。在防倒轉棘齒通過時，其載荷是0.250Kg，撓度是0.65cm。（1） 板簧的厚度計算變換公式（1），計算懸臂梁彈簧的厚度解為：（2） 應力校核對于懸臂梁彈簧，用公式（2）求解的應力值為：CelconM90在41°C的抗拉強度是618Kg/cm2。但是它在41°C耐彎曲疲勞的極限強度是232Kg/cm2。由于應力校核計算強度是320Kg/cm2,所以應當把許用應力減少到232Kg/cm2或更低。在這個例子里，假設彈性梁的長度和寬度可以增加，而厚度不能減少。變換公式（2），計算彈簧懸臂梁的長度為：變換公式（1），可以計算同一載荷下的彈簧寬度：3注塑成型工藝問題在彈簧制品設計和選擇合適的材料之后，還要注意注塑成型工藝對彈簧質量的影響。在設計模具型腔時，要特別注意選擇正確的澆口位置。也就是說要避免澆口或熔接縫出現(xiàn)在彈簧或彈簧的運動部位。因為熔接縫引起的薄弱部位，會使彈簧的性能大大受影響。利用注塑成型分析軟件，可以很方便地通過注塑成型模擬，獲得熔體的流動前沿動態(tài)視圖。透過模具內部，可以檢查所指點的任一點模具溫度和壓力，給設計者進入整個加工過程的真實感受［3］。通過注塑成型流動模擬，不但可以分析塑料制品在模具型腔中的溫度場、壓力場，還可以預測熔接縫和氣穴的形成部位。針對模擬分析存在的問題，可以借助于3D計算機造型系統(tǒng)修改制品設計，或修改模具設計［4］。利用先進的CAE工具，可以提高塑料彈簧制品的質量，避免模具返工和修改設計方面，節(jié)省時間和金錢。圖4.利用HSCAE3DRF5.0軟件分