陶 飛，劉 銳，尉少坤

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，蚌埠 233010)

在浮法玻璃實(shí)際生產(chǎn)中，切割設(shè)備是生產(chǎn)線的重要設(shè)備，彈簧是切割設(shè)備的重要零件。該零件決定玻璃切裁質(zhì)量，切割設(shè)備使用氣源壓力、抬落刀速度、刀痕質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)，因此提高彈簧的壽命與穩(wěn)定性，對(duì)于切割設(shè)備的穩(wěn)定、切割精度與玻璃切割質(zhì)量非常重要。彈簧在實(shí)際工作承受交變載荷，疲勞破壞是彈簧的主要失效方式。因此，疲勞壽命就是彈簧質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

1 彈簧材料及斷口分析

1.1 彈簧材料及基本參數(shù)

彈簧材料選用GB/T4357中直徑為1.6 mm的碳素彈簧C級(jí)鋼絲繞制而成，以常用的碳素彈簧鋼65Mn為例，其參數(shù)見(jiàn)表1。彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 碳素鋼絲許用值

表2 彈簧參數(shù)

1.2 斷口形式及原因分析

緩沖彈簧在實(shí)際的使用過(guò)程中平均連續(xù)工作約60 h出現(xiàn)斷裂，斷裂形式見(jiàn)圖1。

對(duì)彈簧斷口進(jìn)行分析，在低倍顯微鏡下觀察斷口，斷口可明顯見(jiàn)到3個(gè)斷裂區(qū)域：斷裂源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，如圖2、圖3、圖4所示。

根據(jù)圖2顯示，斷裂為條紋狀，斷口平整，有撕裂棱和疲勞輝紋。斷裂源區(qū)一般位于零件的表面或亞表面的應(yīng)力集中處,裂紋擴(kuò)展速率較慢,經(jīng)過(guò)反磨損裂紋在擴(kuò)展中相遇,匯合形成輻射狀臺(tái)階或條紋。

根據(jù)圖3顯示，裂紋緩慢擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展方向與最大拉應(yīng)力方向垂直。擴(kuò)展區(qū)的主要微觀特征是疲勞條帶。疲勞條帶有以下特征：1)條帶的形態(tài)是起伏或漣波狀；2)由條帶可以斷定裂紋前沿線在前進(jìn)時(shí)的位置；3)條帶有脆性和塑性的。

圖4為瞬斷區(qū)，由于有效接觸面積減小，單位面積受力增大，裂紋沿著彈簧拉伸方向呈層狀斷裂，斷口比較粗糙、凹凸不平。在拉伸力作用下，晶粒沿受力方向變長(zhǎng)且結(jié)合力變?nèi)酰罱K裂紋擴(kuò)展速度變快，導(dǎo)致撕裂剝離。

通過(guò)對(duì)彈簧的斷口分析，可初步判斷彈簧的斷裂為疲勞塑性斷裂，該文將對(duì)彈簧的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校核。

2 彈簧的強(qiáng)度校核及參數(shù)優(yōu)化

2.1 彈簧的強(qiáng)度校核

彈簧的鋼絲直徑為1.6 mm，中徑為9 mm，可計(jì)算彈簧的彈性系數(shù)

(1)

彈簧初拉力的確定：根據(jù)機(jī)械手冊(cè)查詢，此種規(guī)格的彈簧初拉力為19.1 N。根據(jù)GB/T 1239.6初拉力計(jì)算公式

(2)

在此，以GB/T 1239.6為準(zhǔn)，取P0=14.1 N。

彈簧初始狀態(tài)拉力F1

F1=P0+F′×L0=14.1+2.27×7.2=30.4 N

(3)

彈簧工作狀態(tài)拉力F2

F2=F1+F′×L=30.4+50×2.27=143.9 N

(4)

F1為最小的工作拉力，其對(duì)應(yīng)彈簧的剪切力為最小剪切力，彈簧最小切應(yīng)力τmin

(5)

F2為最大的工作拉力，其對(duì)應(yīng)彈簧的剪切力為最大剪切力，彈簧最大切應(yīng)力τmax

(6)

根據(jù)GB/T 23935《圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算》，使用碳素彈簧鋼絲冷卷為拉伸彈簧，按無(wú)限疲勞壽命計(jì)算時(shí)許用切應(yīng)力為0.33σb,其中彈簧抗拉強(qiáng)度σb為2 110 MPa,最終計(jì)算得出許用切應(yīng)力為697 MPa。

安全系數(shù)S為

(7)

根據(jù)GB/T 23935《圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算》，最小安全系數(shù)為1.1～1.3，取1.3。

由式(6)計(jì)算可得最大切應(yīng)力1 342 MPa遠(yuǎn)大于許用切應(yīng)力697 MPa。因而彈簧在最大切應(yīng)力處存在應(yīng)力過(guò)大而斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

由式(7)計(jì)算可得安全系數(shù)0.47遠(yuǎn)小于許用安全系數(shù)1.3。因而可知該款彈簧無(wú)法達(dá)到無(wú)限疲勞壽命。

通過(guò)對(duì)復(fù)位拉伸彈簧疲勞壽命的計(jì)算分析可得出結(jié)論，彈簧實(shí)際工作時(shí)最大切應(yīng)力遠(yuǎn)大于許用切應(yīng)力，彈簧在無(wú)限循環(huán)載荷作用下安全系數(shù)不足，從而造成彈簧斷裂。

2.2 彈簧的參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述計(jì)算，若要提高彈簧的疲勞壽命則需降低最大切應(yīng)力值，可通過(guò)增加彈簧中徑、增加有效圈數(shù)等方法，該文就以增加中徑為例校核彈簧的疲勞強(qiáng)度，彈簧的中徑增加1 mm為10 mm。優(yōu)化后的參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化后彈簧參數(shù)

通過(guò)計(jì)算可知：計(jì)算彈簧的彈性系數(shù)F′為1.04,初拉力計(jì)P0為12.7，彈簧初始狀態(tài)拉力F1為20.2 N,彈簧工作狀態(tài)最大拉力F2為72.2 N，彈簧最小切應(yīng)力τmin為168.87 MPa，彈簧最大切應(yīng)力τmax為653.89 MPa，安全系數(shù)S為1.23。

彈簧最大切應(yīng)力小于許用切應(yīng)力，安全系數(shù)也在允許范圍區(qū)間。由此可見(jiàn)，通過(guò)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)后，彈簧可以滿足無(wú)限疲勞壽命強(qiáng)度，彈簧中徑是彈簧壽命的關(guān)鍵因素。在其余條件不變的前提下，中徑增加1 mm可使得彈簧的使用壽命大大增加。

2.3 拉鉤強(qiáng)度校核

考慮彈簧的斷裂位置在拉鉤處，根據(jù)GB/T 23935,鉤環(huán)位置承受較大的彎曲應(yīng)力和切應(yīng)力，對(duì)于重要的彈簧，需要校核此處應(yīng)力。鉤環(huán)受力見(jiàn)圖5。在此，直接帶入優(yōu)化后的參數(shù)，驗(yàn)證是否滿足要求。

彎曲應(yīng)力

許用彎曲應(yīng)力[σ]按0.5σb，[σ]=905 MPa，彎曲應(yīng)力σ<[σ]。

根據(jù)上述公式可以得出結(jié)論，在不改彈簧關(guān)鍵參數(shù)的前提下，優(yōu)化鉤環(huán)的彎曲半徑r2、r3可降低鉤環(huán)的彎曲應(yīng)力和切應(yīng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉤環(huán)的使用壽命。

3 提高彈簧疲勞強(qiáng)度的工藝方法

除優(yōu)化參數(shù)外，還有很多提高疲勞強(qiáng)度的工藝方法：

1)材料的屈服強(qiáng)度。彈簧材料的屈服強(qiáng)度越高，其疲勞強(qiáng)度也越高。設(shè)法提高彈簧材料本身的屈服強(qiáng)度或采用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比值較高的材料。

2)彈簧材料的表面質(zhì)量。彈簧材料的表層的應(yīng)力最大，彈簧的表面質(zhì)量對(duì)其疲勞強(qiáng)度影響很大。例如，考慮實(shí)際的加工工藝，彈簧在繞制過(guò)程中對(duì)材料表面會(huì)造成傷痕等缺陷，此類缺陷往往是造成彈簧疲勞斷裂的主要原因。

3)彈簧材料的熱處理。彈簧大部分都會(huì)進(jìn)行熱處理，彈簧熱處理的目的在于充分發(fā)揮材料的潛力，使之達(dá)到或接近最佳的力學(xué)性能，從而保證彈簧在使用狀態(tài)下可長(zhǎng)期可靠地工作。對(duì)于直徑較小的彈簧可采用等溫淬火，減少變形提高強(qiáng)韌性。

4)彈簧材料的表面化學(xué)處理。對(duì)材料表面進(jìn)行低溫碳氮共滲，它在一定程度上克服了滲氮層硬度雖高但滲層較淺，而滲碳層雖然深度大，但表面硬度較低的缺點(diǎn)。對(duì)于卷簧采用回火與低溫碳氮共滲工藝，可提高彈簧的疲勞壽命及耐蝕性。

5)噴丸處理。噴丸處理是目前應(yīng)用最廣泛的改善彈簧表面質(zhì)量的方法之一。彈簧的表面質(zhì)量，劃痕等缺陷往往會(huì)成為彈簧工作時(shí)應(yīng)力集中的地方和疲勞斷裂源，經(jīng)過(guò)噴丸處理，改善彈簧表面質(zhì)量，提高表面強(qiáng)度，提高彈簧疲勞強(qiáng)度和使用壽命。

6)彈簧的松弛處理。彈簧長(zhǎng)時(shí)間在外力作用下工作會(huì)產(chǎn)生微量的永久塑性變形，使彈簧的精度降低，這對(duì)精密彈簧是不允許的。因此，精密彈簧在淬火、回火后應(yīng)進(jìn)行松弛處理。

4 結(jié) 論

a.通過(guò)計(jì)算后驗(yàn)證最大工作應(yīng)力大于材料的許用應(yīng)力，彈簧的安全系數(shù)不足，無(wú)法保證無(wú)限疲勞壽命。優(yōu)化彈簧的關(guān)鍵參數(shù)可大大提高彈簧疲勞強(qiáng)度和使用壽命。

b.考慮到此次彈簧的斷裂均在鉤環(huán)處，通過(guò)改變彈簧鉤環(huán)的半徑可降低鉤環(huán)處的彎曲應(yīng)力和切應(yīng)力，增加鉤環(huán)的疲勞強(qiáng)度。

c.通過(guò)改變彈簧使用材料、彈簧制作加工時(shí)的表面質(zhì)量、材料表面的熱處理和化學(xué)處理等工藝方法提高彈簧表面的疲勞強(qiáng)度。