魏永星， 高嘉鵬， 魏 超

（山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司， 山西 太原 030000）

引言

作為機(jī)械零件材料之一，彈簧在許多領(lǐng)域中均有所體現(xiàn)，包括工程機(jī)械、運(yùn)輸工具等，如農(nóng)用車、鐵路車輛、航空器以及軌道扣件等。值得注意的是，彈簧應(yīng)用下極易出現(xiàn)熱處理變形與回彈現(xiàn)象，這就要求提高彈簧剛零件強(qiáng)度，使彈簧使用壽命延長。本次研究選擇某U型零件為研究對象，零件彈簧材料為Si-Mn系彈簧鋼材料，生產(chǎn)加工中面臨的問題主要以生產(chǎn)合格率不高、變形量過大等需采用相關(guān)的變形工藝技術(shù)，使產(chǎn)品合格率提高。

1 關(guān)于Si-Mn彈簧片材料基本特征研究

本次研究中，所選擇的彈簧片材料為Si-Mn系，從彈簧片整體結(jié)構(gòu)看，R6、R17為其回彈圓弧，長、寬、厚分別為30 mm、5 mm、0.8 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。彈簧鋼材料取60Si2MnA，化學(xué)成分、力學(xué)性能具體如表1、表2所示。從該材料的優(yōu)勢看，主要表現(xiàn)在有較高的回火穩(wěn)定性與耐蝕性。需注意材料應(yīng)用下，存在一定的不足，如不具備較高的冷變形塑性，易出現(xiàn)脫碳情況，若脫碳問題嚴(yán)重，彈簧鋼的疲勞極限將會降低。實際加工中，要求配合多種工藝，包括噴丸工藝、熱處理方式等，將表層工作應(yīng)力消除，避免有裂紋形成于表層，以此使彈簧疲勞極限提高。

圖1 彈簧片尺寸圖（單位：mm）

表1 60Si2MnA彈簧鋼的化學(xué)成分 %

表2 60Si2MnA彈簧鋼的力學(xué)性能

2 彈簧片變形工藝技術(shù)應(yīng)用研究

由Si-Mn系彈簧鋼材料特征可發(fā)現(xiàn)，加工中面臨的問題主要表現(xiàn)在熱處理過程以及可能產(chǎn)生的回彈效應(yīng)上。因此，本文在研究中提出具體的彈簧片變形工藝技術(shù)[1]。

2.1 沖壓回彈效應(yīng)

工件加工中出現(xiàn)彎曲變形的可能性較大，主要因外彎曲力矩作用產(chǎn)生，如圖2所示，表示M作用力下產(chǎn)生的變形情況。

對于彎曲變形，可細(xì)化為彈性變形和塑形變形兩類，若去除彎曲力矩，彈性變形消失，保留板料塑形變形。整個彎曲變化中，彈性變形恢復(fù)，可能影響工件彎曲半徑、彎曲角，此時所出現(xiàn)的情況可稱之為彎曲件回彈[2]，具體如圖3所示。

圖2 板料件變形區(qū)

圖3 彎曲件的回彈

由圖3可發(fā)現(xiàn)，以Δα=α0-α式表示角度回彈值，無法利用理論對該值計算。具體剖析影響該值變化的因素[3]，包含以下幾方面：

1）性能因素。主要表現(xiàn)在機(jī)械性能上，以屈服極限為例，性模量E在屈服極限結(jié)果σs提高的情況下降低，增加彎曲變形的回彈。

2）彎曲半徑因素。本次研究主要選擇相對彎曲半徑，計算取彎曲半徑r、材料厚度t比值。若比值結(jié)果大，說明回彈越大，反之會增加變形程度。

3）彎曲角中心α。彎曲角中心α愈大，表示變形區(qū)的長度愈大，回彈的累計值愈大。

4）材料模具。該因素主要體現(xiàn)在生產(chǎn)加工中，受沖壓成型作用力影響，凹模與凸模有間隙形成。這種間隙越大，意味對材料貼膜影響越明顯，成型材料塑性變形變小，這樣出現(xiàn)零件回彈的可能性便越高。因此，若無法控制板料厚度，將面臨回彈值不穩(wěn)定情況。

5）凹模圓角半徑。加工中需嚴(yán)格控制凹模進(jìn)口圓角半徑，一般要求較大，對板料成型有積極作用，而半徑過小，易出現(xiàn)板料應(yīng)力過于集中的問題。

6）摩擦力。這種摩擦力體現(xiàn)在面積表面、彎曲板料表面方面，若摩擦力過大，很可能使彎曲毛坯應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)變化。

7）流動阻力因素。該因素主要表現(xiàn)在彎曲力上，沖壓成型中，有流動阻力形成，其作用在于使塑性變形充分，材料流動合理。需注意的是，若彎曲力過大，將增加板料流動難度，裂紋出現(xiàn)的可能性較高，反之，流動阻力無法對板料起到阻力作用，致使凹模內(nèi)可能有板料進(jìn)入。

由上述可知，至今尚無可以準(zhǔn)確計算Δα的理論公式，實際中只能查閱有關(guān)沖壓設(shè)計資料或憑經(jīng)驗確定故有一定誤差。

2.2 彈簧鋼變形受熱處理工藝

加工生產(chǎn)中，因熱處理工藝使彈簧鋼材料零件可能有復(fù)位偏差超標(biāo)現(xiàn)象。特別在工件加熱過程中，材料內(nèi)的硅元素作用，易導(dǎo)致表層脫碳可能性增加。另外，加工過程中保持高淬火溫度，盡管有助于加工件力學(xué)性能的提高，固溶強(qiáng)化效果明顯，但是會增大奧氏體晶粒體積。

當(dāng)奧氏體晶粒體積增大，且存在表層脫碳情況下時，將會降低表層力學(xué)性能。針對該種問題，在實際解決中，考慮以高頻感應(yīng)加熱淬火為主，對降低加工件表層脫碳發(fā)生率有積極意義，這樣在芯部、表層應(yīng)力改善情況下，可有效控制彈簧復(fù)位偏差問題。

熱處理工藝選擇中，以淬火配合中溫回火方式，使加工件彈性極限提高。具體的工藝參數(shù)如表3所示。

表3 熱處理參數(shù)

2.3 裂紋問題處理工藝

從60Si2MnA鋼特點分析中可以發(fā)現(xiàn)，因其有較高的硬度，出現(xiàn)裂紋的可能性極大。對此，成形加工中，應(yīng)注意在成形外表面采用冷軋光亮面方式，其對于零件表面細(xì)紋、開裂情況的控制有積極作用，使零件的合格率得到保證[4]。

3 結(jié)語

彈簧片零件設(shè)計工藝是影響其使用性能的關(guān)鍵因素。本次研究中所選取的材料在加工中面臨的問題表現(xiàn)在硬度高、裂紋出現(xiàn)可能性大等，實際解決中考慮利用熱處理工藝做復(fù)位偏差控制，且給予沖壓回彈效應(yīng)，這樣在零件尺寸合理情況下，使零件生產(chǎn)效率提高。

[1]肖景榮.沖壓工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]申勇，申斌，吳靜，等.彈簧鋼的技術(shù)發(fā)展及工藝現(xiàn)狀[J].金屬制品，2009（3）：22-25.

[3]徐雅冬.U型彎曲回彈預(yù)測及優(yōu)化方法的研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2008。

[4]程兒澤.60Si2MnA彈簧鋼熱處理工藝與性能的關(guān)系[J].理化檢驗（物理分冊），1997（3）：24-30.