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2013-11-111电器制造工艺学电器制造工艺学（八）弹簧及双金属工艺田新疆高级工程师厦门理工电气工程与自动化学院课程讲义2013年11月一、弹簧概述学习目标二、弹簧用材料三、弹簧工艺及设备四、弹簧的计算五、热双金属元件及其制造工艺六、热双金属的选用一、弹簧概述弹簧（英文spring）是利用材料弹性和弹簧的结构特点，在产生变形时，把机械功或动能转变为变形能活机械功的零部件。在电器产品中弹簧的作用是：（1）施力作用：电器触头压力、电磁系统反力；合闸力、分闸力、自由脱扣力等操作机构动作的作用力；以及线圈或灭弧罩等部件的弹性固定力等。1、弹簧在电器中的用途（2）缓冲和减震作用：电器在分闸及合闸动作时有很大的冲击力，采用弹簧以吸收动能从而起到减少冲击、即缓冲减振的作用。（3）防止连接件松动的作用：电器产品往往经受本身或外界产生的冲击的作用而松动以致连接失效，在连接件之间采用弹簧垫圈等弹性件可以防止松动。2、弹簧的分类弹簧按形状和结构可分为1）圆柱螺旋弹簧这类弹簧多数由圆形截面材料制成，但在同样空间条件下需要更大刚度时，可选用矩形截面弹簧。大致分为三类：（1）圆柱螺旋压缩弹簧：其结构简单、制造方便，特性近于直线型，刚度值较稳定，应用广泛，简称压缩弹簧。（2）圆柱螺旋拉伸弹簧：其性能特点与压缩弹簧相同，其特性线是直线型。由于有初应力和无初应力的区别，故其特性起点各异。多数用圆形截面材料制成，简称为拉伸弹簧。（3）圆柱螺旋扭转弹簧：这种弹簧主要承受扭矩作用，用于压紧、储能及传动系统中，特性呈直线型，多数由圆形截面材料制成，简称为扭转弹簧。2）变径螺旋弹簧包括锥形、双锥形弹簧及不规则变径弹簧，后者应用较少。（1）圆锥形螺旋弹簧：这类弹簧的特点是稳定性好、结构紧凑。其特性线开始是直线，随着载荷的增加，逐渐变成渐增型，有利于缓和冲击和共振。（2）中凸和中凹形弹簧（即双锥弹簧）：这类弹簧的特点相当于圆锥形弹簧。中凸形弹簧在某些场合可代替圆锥弹簧使用；中凹形弹簧主要用作坐垫和床垫。（3）蝶形弹簧：这类弹簧的特点是加载与卸载特性线不重合，在工作过程中有能量消耗、缓冲以及减振能力强。（4）平面蜗卷弹簧：这类弹簧的特点是弹簧圈数多、变形大、储存能量大，多用在仪器和钟表中。（5）片状弹簧：这类弹簧由薄片材料制成，其特点是弹簧结构形状繁多。主要用在仪器和低压电器元件中。3、弹簧的基本性能弹簧的基本性能是在载荷作用下产生变形，卸载时释放能量恢复原形。1）弹簧的特性线载荷P(M)与F(Φ)变形之间的关系曲线称为弹簧的特性线。弹簧特性线有直线型、渐增型和渐减型三种。弹簧的特性线2）弹簧的刚度产生单位变形所需的载荷称为弹簧的刚度。受拉伸和压缩载荷的弹簧，其刚度为弹簧所受负荷除以弹簧的变形量。直线型弹簧的刚度也称为弹簧常数。而扭簧的刚度为扭簧所受的扭矩除以扭簧的扭转角。二、弹簧用材料1、弹簧材料的性能要求弹簧多在交变载荷下工作，应力不允许超过屈服极限，因此对材料要求具有高的抗拉强度和屈服比，以及高的疲劳强度和一定的冲击韧性。对于热成型的大尺寸弹簧要求材料要有良好的淬透性，低的过热敏感性和不易脱碳等；对于制造小尺寸弹簧的冷拉（扎）材料要求有均匀的硬度和一定的弯曲塑性。弹簧的性能和使用寿命在很大程度上取决于材料的表面质量。因此弹簧材料表面不应有裂纹、折迭、结疤、气泡、夹渣、压痕和凹陷等缺陷。弹簧材料具体要求考虑以下几个方面：（1）材料的淬透性能：应根据材料直径或厚度考虑材料的淬透性能。电器用大多数弹簧采用冷拉材料，绕制后不必淬火，淬透性的问题不突出。（2）工作特点和载荷性质：在不同工作条件下使用的弹簧，对材料有不同的要求。（3）工作温度：在高或低温条件下使用的弹簧，应根据其工作温度选择弹簧材料。2、弹簧材料的分类（1）碳素弹簧钢丝：它主要有碳素弹簧钢丝和琴钢丝等两大品种。这类材料可以在-40～120℃条件下正常工作，其性能特点是强度高、性能好、价格便宜、易于生产和加工，但淬透性能差，使用时须经表面电镀或发蓝处理。适合做电器中的小弹簧。碳素弹簧钢丝C组在低压电器中用于较高应力的弹簧。琴钢丝在低压电器中使用最广，可用于制造具有重要用途的、不经热处理或经低温回火处理的弹簧。（2）合金弹簧钢丝：这种材料由于在钢中加入了硅、锰元素，从而提高了机械强度、淬透性及回火稳定性。其主要性能特点是强度高、耐冲击。适合制造高负荷及冲击频率高的各种重要弹簧。合金弹簧钢丝主要有三种，即：①硅锰合金弹簧钢丝；②铬硅合金弹簧钢丝；③铬钒合金弹簧钢丝。（3）弹簧用不锈钢丝：弹簧用不锈钢丝按组织可分为三大类：①奥氏体不锈钢（线径6mm以下），这类材料耐腐蚀性能较好，而且具有耐高温及耐低温的特点。其中的1Cr18Ni19和0Cr19Ni10。在低压电器中被广泛使用。②超高强度沉淀硬化不锈钢，具有很高的强度和韧性，可承受很高的应力；在奥氏体状态下加工性能好，耐高温、耐腐蚀、可冷成形，但价格昂贵。其代表材料是0Cr17Ni8Al。③马氏体不锈钢，主要用作耐高温、耐腐蚀的较大弹簧，要经过高温淬火和回火处理。其代表材料是3Cr13和4Cr13。（4）青铜材料：弹簧用青铜材料主要有硅青铜、锡青铜和铍青铜。它们共同的性能特点是强度和弹性好、无磁性、导电性能好、耐磨、耐蚀及耐低温。①硅青铜，价格便宜，但成型后长期存放会自行开裂，所以应及时回火处理。②锡青铜，可焊性比较好，且具有良好的耐碱性。③铍青铜，具有极好的综合性能，但价格高及有毒，只用于重要用途。三、弹簧工艺及设备1、弹簧的制造弹簧的绕制是弹簧生产过程中的主要工序，绕制方法和精度决定着弹簧的几何尺寸、各种参数、材料利用率及生产效率。（1）螺旋弹簧的绕制计算机控制CNC弹簧绕制机，采用人机对话方式输入数据，首先确定弹簧的类型，配置相应的工装，然后将制造的弹簧几何尺寸及材料的物理性能输入绕簧机的计算机中，绕簧机就能自动完成弹簧的绕制。若发现弹簧有偏差，可在弹簧数据对话中进行弹簧数据调整，此时不需要调整绕簧机的机械部分，绕簧机就能自动完成调整。若配置相应的传感器，绕簧机在绕制过程中就能实现自行补偿，自动调整弹簧体长度、角度等。接触器的机械寿命要求高达1000万次，这就要求弹簧的性能保持长久稳定。因此应非常重视弹簧的回火处理和立定处理，如触头弹簧常采取多次立定处理和回火处理。CNC-8HS功能：￠0.2-￠0.8各种压力弹簧CNC-26HS功能：￠0.8-￠3.0各种弹簧CNC-620功能：￠0.2-￠2.3各种异形弹簧。（2）片状弹簧的制造对于用弹簧钢制造的片状弹簧应注意防止二次回火脆性和电镀氢脆的问题，一般在中温回火时，应提高回火冷却速度，为防止氢脆可在镀前和镀后进行驱氢处理。对于铍青铜制造的片状弹簧，应严格控制铍青铜的固溶处理质量和时效处理质量。2、弹簧的热处理弹簧的热处理有：①预备热处理，正火、退火及固溶处理等；②强化处理，淬火+回火、时效前强化处理及时效等；③稳定化处理，消应力回火。弹簧加工过程中，对于类型不同、材料不同、加工方法不同的弹簧，其热处理的目的、要求和方法也不同。对于直径小于8mm，且经过强化处理的硬状态弹簧钢丝，冷卷成型的中、小型弹簧，因其性能已基本达到技术条件的要求，故不需要进行淬火及中温回火处理。但应进行低温回火，以消除因冷成型所产生的内应力，并起到定型的作用，还可以使其弹性极限和刚度有所提高。弹簧的立定处理，是将热处理后的压缩弹簧压缩到工作极限载荷下的高度或压并高度（拉伸弹簧拉伸到工作极限载荷下的长度，扭转弹簧扭转到工作极限扭转角），一次或多次短暂压缩（拉伸、扭转）以达到稳定弹簧几何尺寸为主要目的的一种工艺方法。弹簧立定处理的目的（1）稳定几何参数尺寸；（2）增强耐疲劳强度，延长弹簧寿命。立定处理机热处理回火炉功能：回火处理（1）消除弹簧淬火后的内应力（2）稳定弹簧的组织和几何参数尺寸（3）获得所需要的机械性能3、弹簧的端部加工（1）并圈：为了使压缩弹簧端面受力均匀，工作时不产生纵向弯曲，必须保证弹簧在端面磨平后的垂直度，即必须进行并圈。（2）端面磨平：弹簧端面磨平的目的是增加弹簧使用时的稳定性，并改善垂直度。磨平机功能：端面磨平（1）增强弹簧垂直度和平整度（2）消除工作负荷影响因素4、弹簧的表面处理（1）电镀电镀是获得金属表面保护层的有效方法，也是弹簧防腐的主要方法。电镀有镀锌、镀铬、镀镍等多种镀层，应用最普遍的是镀锌。弹簧镀锌后要经过钝化和去氢处理，以提高防腐能力和避免氢脆。特别是小弹簧更易发生氢脆，在酸洗和电镀时要特别注意。（2）氧化处理弹簧表面氧化处理也称发蓝或发黑处理。氧化处理后，弹簧表面生成保护性的磷性氧化铁，厚度约为0.6～2μm。氧化处理具有成本低、工艺配方简单、生产效率高、不影响弹簧特性等优点。但由于氧化膜薄且多孔隙，所以其保护能力较差。因此，氧化处理只能用于在腐蚀性不强的介质中工作的弹簧防腐。（3）弹簧的有机溶剂清洗主要是用于不锈钢弹簧钢丝制作的弹簧，其作用有：（1）脱脂（2）除油污（3）增强质感和美观有机溶剂清洗机5、弹簧的检验（1）弹簧的外观质量和几何尺寸检验外观质量一般用目测，检查是否有锈蚀斑点、划痕、毛刺等。几何尺寸检验项目主要有弹簧直径、自由高度等。一般用游标卡尺等长度测量工具，对于精度高的尺寸，一般采用坐标投影仪等检测。坐标投影仪功能：尺寸测试（2）弹簧的特性及永久变形检验对于压缩弹簧和拉伸弹簧，一般在精度不低于1%的弹簧试验机或检测仪上进行，并且所测负荷应在试验机量程的20%～80%范围内。将压缩弹簧的成品用试验负荷压缩三次后，测量第二次与第三次的自由高度变化值，该值即为永久变形，不得大于自由高度的0.3%。拉伸弹簧和扭转弹簧如无特殊要求，不做该测试。压缩、拉伸荷重测试机功能：力度测试（3）弹簧的疲劳试验可在弹簧的疲劳试验机或直接装在产品上进行。在所要求的工作压力下，经过规定次数的交变负荷试验后，检验弹簧是否出现断裂、永久变形等现象。弹簧的疲劳试验机四、弹簧的计算1、弹簧的常用参数术语（1）材料直径：也叫线径，用字母d表示，单位：mm（2）中径：弹簧外径和内径的平均值，用字母D表示，单位：mm（3）外径：弹簧外部卷尺寸，用字母D2或OD表示，单位：mm（4）内径：弹簧内部卷制尺寸，用字母D1或ID表示，单位：mm（5）节距（pitch）：弹簧两相邻有效圈截面中心线的轴向距离，用字母t表示，单位mm（6）绕旋比：弹簧中径与钢丝直径的比值，用字母C表示，C=D/d（范围5～10mm易生产），单位：mm（7）自由高度（长度）：Freelength是指在没有负荷时的高度（长度），用字母Ho（Lo）表示，单位：mm（8）工作高度（长度）Worklength是指在承受负荷时的高度（长度），用字母Hi（Li）表示，（i=1.2.3……)，单位：mm（9）压并高度：压缩SP.在压至各圈接触时的理论高度，用字母Hb表示，单位：mm（10）展开长度：弹簧材料展开的总长度，用字母L表示，单位：mm（11）螺旋角：弹簧圈卷制的角度，用a或θ表示，单位：°（12）初拉力：弹簧是指拉伸SP.在卷制时开成的内力，用字母Po表示，单位：N或kgf（13）弹簧钢度：是指单位变形量的工作负荷，用字母P或M表示，单位：N/mm或kgf/cm（14）自由角度：扭转弹簧没有负荷时的角度，用θ表示，单位：°（15）工作角度：扭转弹簧承受负荷的角度，用θi表示，单位：°压缩弹簧的计算拉伸弹簧的计算扭转弹簧的计算五、热双金属元件及其制造工艺1、热双金属在电器中的用途热双金属是由两层不同膨胀系数的金属（或合金）组元彼此牢固结合而能成的复合材料。其中热膨胀系数较高的一层成为主动层；热膨胀系数较低的一层成为被动层。有时为了获得特殊的性能，还可以复合第三层、甚至第四层，但习惯上仍成为双金属。热双金属和热双金属元件在电器产品中兼作感测和动作执行作用而得到了广泛的应用，例如热继电器、小型断路器和塑壳断路器等常用热双金属作过载脱扣驱动元件。2、热双金属的分类热双金属按性能特点可分为通用型、高灵敏型、高温型、低温型、耐腐蚀型、特殊型以及电阻系列双金属等。（