弹簧选材及计算

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弹簧选材及计算弹簧的材料、选材与制造

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1 弹簧材料为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。表20-2列出了几种主要弹簧材料及其使用性能。实践中应用最广泛的就是弹簧钢，其品种又有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。图20-2给出了碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限。
图20-2 碳素钢丝直径与强度的关系
表20-2 主要弹簧材料及其许用应力
类别 代号 许用扭应力[tT] 许用弯曲应力[σb]/MPa 切变模量G/GPa 弹性模量E/GPa 推荐硬度范围HRC 推荐使用温度°C 特性及用途
Ⅰ类弹簧 Ⅱ类弹簧 Ⅲ类弹簧 Ⅰ类弹簧 Ⅱ类弹簧
钢丝 碳素弹簧钢丝Ⅰ，Ⅱ，Ⅱa，Ⅲ 0.3σb 0.4σb 0.5σb 0.5σb 0.625σb 81.5～78.5 204～202 - -40～120 强度高，性能好，适于做小弹簧
60Si2Mn60Si2MnA 471 627 785 785 981 78.5 197 45～50 -40～200 弹性好，回火稳定，易脱碳，适于做受大载荷的弹簧
65Si2MnWA60Si2CrVA 560 745 931 931 1167 47～52 -40～250 强度好，耐高温，弹性好
30W4Cr2VA 442 588 735 735 920 43～47 -40～350 高温强度好，淬透性好。
50CrVA 45～50 -40～210 高疲劳强度，淬透性和回火稳定性好
不锈钢 1Cr18Ni9Ti 324 432 540 540 677 71.5 193 - -250～300 耐腐蚀，耐高温，适于做小弹簧
4Cr13 442 588 735 735 920 75.5 215 48～53 -40～300 耐腐蚀，耐高温，适于做大弹簧
Co40CrNiTiMo 500 666 834 834 1000 76.5 197 -40～500 耐腐蚀，高强度，无磁，低后效，高弹性
青铜丝 Qsi-3 265 353 442 442 550 40.2 93 HB90～120 -40～120 耐腐蚀，防磁好
QSn4-3 39.2
Qbe2 353 442 550 550 735 42.2 129.5 37～40 耐腐蚀，防磁，导电性及弹性好
注：1.按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：Ⅰ类N>106；Ⅱ类N103～105以及受冲击载荷的诚；Ⅲ类N<103。2.碳素弹簧钢丝按机械性能不同分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ四组，Ⅰ组强度最高，依次为Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ组。3.弹簧的工作极限应力tlim：Ⅰ类1.67[t]；Ⅱ类1.25[t]；Ⅲ类1.12[t]。4.轧制钢材的机械性能与钢丝相同。5.碳素钢丝的切变模量和弹性模量对0.5～4mm直径有效，>4mm取下限。2 材料选择弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、重要程度与所受的载荷性质、大孝循环特性、工作温度、周围介质等使用条件，以及加工、热处理和经济性等因素，以便使选择结果与实际要求相吻合。钢是最常用的弹簧材料。当受力较小而又要求防腐蚀、防磁等特性时，可以采用有色金属。此外，还有用非金属材料制做的弹簧，如橡胶、塑料、软木及空气等。3 弹簧制造螺旋弹簧的制造工艺过程如下：①绕制；②钩环制造；③端部的制作与精加工；④热处理；⑤工艺试验等，对于重要的弹簧还要进行强压处理。弹簧的绕制方法分冷卷法与热卷法两种。（1）冷卷法：簧丝直径d≤8mm的采用冷卷法绕制。冷态下卷绕的弹簧常用冷拉并经预先热处理的优质碳素弹簧钢丝，卷绕后-般不再进行淬火处理，只须低温回火以消除卷绕时的内应力。（2）热卷法：簧丝直径较大（d>8mm）的弹簧则用热卷法绕制。在热态下卷制的弹簧，卷成后必须进行淬火、中温回火等处理。

对于重要的弹簧，还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验。为提高弹簧的承载能力，可将弹簧在超过工作极限载荷下进行强压处理，以便在簧丝内产生塑性变形和有益的残余应力，由于残余应力的符号与工作应力相反，因而弹簧在工作时的最大应力（见图所示）比未经强压处理的弹簧校 (