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弹簧发展历史与制造工艺

时间:2019-04-30 09:21:00 浏览次数:105次

  弹簧是一种在外力作用下改变其形状的装置,当力被移除时,它恢复到原来的形状。弹簧变形时所消耗的能量储存在弹簧中,当弹簧恢复到原来的形状时可以恢复。

  通常,形状变化的量与施加的力的大小直接相关。然而,如果施加太大的力,弹簧将永久变形,并且永远不会恢复到原来的形状。

  | 背景

  弹簧主要有以下几种类型。其中,最常见的一种由缠绕成圆柱形或圆锥状的丝构成。一个拉伸弹簧是一个螺旋弹簧,其线圈通常相互接触。

  当力被施加以拉伸弹簧时,线圈分离。相反,压缩弹簧是在连续线圈之间具有空间的螺旋弹簧;当施加力以缩短弹簧时,线圈被挤在一起。

  第三种螺旋弹簧,称为扭力弹簧,使外力将线圈扭转成更紧密的螺旋形。扭力弹簧的常见例子出现在剪贴板和蝴蝶发夹中。

  螺旋弹簧的另一种变化是手表弹簧,它被盘绕成扁平的螺旋盘而不是圆柱体或圆锥体。弹簧的一端位于螺旋的中心,另一端位于其外缘。

  有些弹簧并不是用线圈做成的。最常见的例子是钢板弹簧,它形状像一个浅拱,通常用于汽车悬架系统。另一种类型是碟形弹簧,一种类似于截锥形的垫圈状装置。开放式实芯圆柱体、弹性材料也可以起弹簧作用。非螺旋弹簧一般起压缩弹簧的作用。

  | 历史

  非常简单的,非螺旋弹簧在历史上一直被使用。即使是弹性的树枝也可用作弹簧。更复杂的弹簧装置可以追溯到青铜时代,眉毛镊子在几种文化中是比较常见的。公元前三世纪,希腊亚历山大市的工程师CtsiiBius通过增加锡在铜合金中的比例,开发出一种制造“弹性青铜”的工艺,铸造零件,并用锤击硬化它来制造。他试图使用钢板弹簧来操作军用弹射器,但它们力量不足。公元前二世纪,另一位弹射器工程师拜占庭的Philo建造了一个类似的装置,显然取得了一些成功。挂锁在古罗马帝国中被广泛使用,至少有一种挂锁是使用弯曲的金属叶来保持装置关闭,直到金属叶被钥匙压缩锁才能被打开。

  弹簧历史上的下一个重大发展是在中世纪。Valadde Hunnururt设计的一个功率锯用一个水轮将锯片向一个方向推,同时弯曲一个杆;当杆返回到它的未弯曲状态时,它将锯片拉向相反的方向。

  螺旋弹簧是在十五世纪初发展起来的。通过取代重力系统,使用弹簧机构为钟表提供动力,钟表制造商能够制造可靠的便携式计时装置。这一进步为远洋舰船的精确天文导航提供了可能。

  十八世纪,工业革命推动了大规模生产弹簧技术的发展。在17世纪80年代,英国锁匠JosephBramah在他的工厂里使用了弹簧缠绕机。显然它是一台车床改装的,机器用一排线代替了一个切削头。卷轴上的金属线缠绕在车床上固定的杆上。丝杠的速度,使卷轴平行于螺旋杆,可以调整,以改变弹簧线圈的间距。

  当前常见的使用弹簧例子是支持手机触摸板上的键的小线圈,到支撑整个建筑物并保护它们免受地震振动的巨大线圈.

  | 原料

  铁合金是最常用的弹簧材料。最受欢迎的合金有,高碳材料(如吉他弦用的钢丝)、油淬回火的低碳、铬硅、铬钒和不锈钢。有时用来制造弹簧的其他金属有铍铜合金、磷青铜和钛。橡胶或氨基甲酸乙酯可用于圆柱形,非螺旋弹簧。在非常高温的环境中,已经开发了用于螺旋弹簧的陶瓷材料。一维玻璃纤维复合材料正在测试是否可以用于弹簧。

  | 设计

  已经开发出了各种数学方程来描述弹簧的特性,基于诸如线材成分和尺寸、弹簧圈直径、线圈数量和预期外力的量等因素。这些方程已被纳入计算机软件,以简化设计过程。

  | 制造

  下面着重介绍是钢制螺旋弹簧的制造工艺。

  冷卷。直径为0.75(18毫米)的金属丝可以在室温下用两种基本技术中的一种来盘绕。围着一个被称为轴或心轴的轴来缠绕。这可以在专用的弹簧缠绕机、车床、带有夹在夹头上的心轴的电动手钻或由手摇动操作的卷绕机上完成。一种导向机构,如车床上的丝杠,必须在绕芯棒缠绕时,将线对准所需的螺距(连续线圈之间的距离)。另一种情况是,金属丝可以不带芯棒盘绕。这种通常是用中央导航计算机(CNC)机来完成的。将金属丝推到支撑块上,使其朝向一个有槽的头部,使线偏斜,迫使其弯曲。头部和支撑块可以在五个方向上彼此相对移动,以控制正在形成的弹簧的直径和节距。对于拉伸或扭转弹簧,在卷绕操作完成后,端部弯曲成所需的环、钩或直段。

  热卷。如果金属被加热以使其变软,则可以将较粗的金属丝或棒料盘绕成弹簧。标准工业卷取机可以处理直径为75毫米的钢线。据报道,某些定制弹簧由150毫米的棒材制成。钢被加热后缠绕在心轴上。然后立即从卷取机上取出,放入油中,迅速冷却并硬化。在这个阶段钢过于脆不能起到弹簧的作用,必须随后进行回火。

  热处理。无论钢是热卷的还是冷卷的,这个过程都会在材料中产生应力。为了释放这种应力,并使钢保持其特有的弹性,弹簧必须通过回火热处理。弹簧在炉中被加热,在适当的温度下保持预定时间,然后允许缓慢冷却。例如,一根由金属丝制成的弹簧被加热到500°F(260°C)保温一小时。

  磨削。如果设计要求弹簧上的端部是平的,则在制造过程的这一阶段对端部进行磨削。弹簧安装在夹具中,以确保磨削过程中取向是正确的,并将其控制在旋转的砂轮上,直到获得所需的平整度。当使用高度自动化的设备时,弹簧被保持在套筒中,并且两端同时接地,首先由粗砂轮,然后由较细的砂轮。适当的流体(水或油基物质)可以用来冷却弹簧,润滑砂轮,并在研磨过程中带走颗粒。

  喷丸处理。这一过程中,强化了钢在反复弯曲时的疲劳寿命,抵抗金属疲劳和开裂。弹簧的整个表面都暴露在一连串的小钢球上,锤击它使其平滑并压缩位于表面以下的钢,使其获得残余压应力。

  整定。为了永久地固定弹簧的长度和节距,它将被完全压缩,使所有的线圈相互接触。一些制造商会多次重复这一过程。

  涂层。为了防止腐蚀,弹簧的整个表面被涂漆保护,浸渍在液体橡胶中,或者用另一种金属涂覆,如锌或铬。其中一种工艺叫机械镀膜法,包括用金属粉末、水、促进剂和玻璃微珠将容器中的弹簧翻滚,将金属粉末压在弹簧表面上。或者,在电镀中,弹簧浸入导电液体中,这会腐蚀电镀金属而不是弹簧。一个负电荷被施加到弹簧上。电镀金属溶解在液体中,并且它被赋予正电荷。当镀敷金属溶解在液体中时,它释放带正电荷的分子,这些分子被吸引到带负电的弹簧上,在那里它们形成化学键合。电镀会使碳钢弹簧脆化,因此电镀后不久(小于四小时),它们必须在325-375°F(160~190°C)烘烤四小时以抵消脆化。其根本原因是电镀会引起氢脆。

  包装。特定数量的弹簧可以简单地散装在盒子或塑料袋中。然而,已经开发了其他形式的包装,以减少弹簧的损坏或缠结。例如,它们可以单独装袋,捆扎在电线或棒上,封闭在管中,或粘贴在粘性纸上。

  | 质量控制

  采用各种测试装置检验已完成的弹簧是否符合规范。测试装置测量金属的硬度和弹力以及在已知载荷下的变形量。不符合规格的弹簧将被丢弃。测试结果的统计分析可以帮助制造商识别生产问题和改进工艺,从而产生更少的缺陷弹簧。

  大约三分之一的缺陷弹簧是由生产问题引起的。另外三分之二是由弹簧丝线中的缺陷引起。1998年,研究人员报道了一种弹簧线性测试有一份,它可以用于筛选出不合格的线材。

  计算机操作卷绕机可以用两种方式提高质量。首先,它们比手动操作更精确地控制弹簧的直径和节距。其次,通过使用压电材料,其尺寸随电流输入而变化,卷绕头可以实时精确地调节弹簧特性的测量值。因此,这些智能机器减少了不符合规格而必须被抛弃的弹簧。

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