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弹性元件的精密成形技术摘要：弹性元件有形状复杂的表面，用传统加工技术很难达到设计要求，精密成形技术很好的解决了这个问题。根据不同的元件形状，可以选择精密铸造、精密焊接、精密冲裁、精密锻造或快速原型制造技术。这些精密成形技术能快捷方便地制造出要求的弹性元件，且能达到设计的精度要求。关键词：弹性元件精度精密成形快速制造一、概述金属元器件的精密成形，是指零件成形后仅少量加工（即近净成形技术NearNetShapeTechnique）,或不必加工（即净成形技术NetShapeTechnique）,即可作为机械构件使用的成形技术。它是一类先进制造技术，与传统切削加工相比，它具有更省材料、节约工时、提高生产效率、降低成本等优点，是仪器仪表元器件制造的发展方向之一。而现在，在仪器仪表中，弹性元件得到广泛的应用。它是利用材料的弹性特性来完成各种功能的元件。弹性元件的种类很多，根据不同的使用要求，其结构形状和所用的材料也各有差异。在工艺上，制造金属弹性元件应满足以下所列的要求：（一）在一定的工作条件下，具有一定的弹性特性，即在载荷作用下，能产生一定的位移或变形。（二）工作特性不随时间或其他因素（如温度、气候条件等）的改变而变化，即工作特性要具有较好的稳定性。（三）使用寿命要长。根据弹性元件的使用要求，弹性元件的表面不会是简单的圆柱面、圆锥面、平面、及其组合，而是形状复杂的表面，这些表面使用传统的加工技术很难达到要求，所以弹性元件的加工应该优先使用精密成形技术。二、精密成形技术（一）简介机械构件的加工，首先要制造毛坯。再经切削、磨削等工序，才能得到符合设计要求的产品。毛坯到产品的传统加工方法，材料、能源、时间的消耗都很大，还会产生大量的废屑。废液及噪声污染。而精密成形技术可极大的改变这种状况。利用熔化、结晶、塑性变形、扩散、他变等物理化学变化，按预定的设计要求成形机械构件，目的在于使成形的制品，达到或接近最后要求的形状或尺寸——这就是精密成形技术。它是现代技术（计算机技术、新材料技术、精密加工与测量技术）与传统成形技术（铸造、锻压、焊接、切割等）相结合的产物。不仅可以提高材料的利用率，减轻污染，还可使构件材料获得传统方法难以获得的化学成分与组织结构，从而提高产品的质量与性能。精密成形技术是生产高技术产品（如计算机、电于、通讯、宇航、仪表等产品）的关键技术。（二）分类1.精密铸造精密铸造是用精密的造型方法获得精确铸件工艺的总称，包括湿膜精密成形铸造、刚型精密成形铸造、高精度造芯。现在精密铸造常用的工艺方法有熔模铸造、陶瓷型铸造、金属型铸造、压力铸造、消失模铸造。其中较为常用的是熔模铸造,也称失蜡铸造：选用适宜的熔模材料制(如石蜡)造熔模；在熔模上重复沾耐火涂料与撒耐火砂工序，硬化型壳及干燥；再将内部的熔模溶化掉，获得型腔；焙烧型壳以获得足够的强度，及烧掉残余的熔模材料，；浇注所需要的金属材料；凝固冷却,脱壳后清砂，从而获得高精度的成品。根据产品需要或进行热处理与冷加工和表面处理。现在比较普遍的做法是：首先根据产品要求设计制作（可留余量非常小或者不留余量）的模具，用浇铸的方法铸蜡，获得原始的蜡模；在蜡模上重复涂料与撒砂工序，硬化型壳及干燥；再将内部的蜡模溶化掉，是为脱蜡，获得型腔；焙烧型壳以获得足够的强度；浇注所需要的金属材料；脱壳后清沙，从而获得高精度的成品。根据产品需要或进行热处理与冷加工。2.精密焊接业界习惯把焊接点小于1平方毫米面积的焊接，成为精密焊接。精密焊接可以采用多种焊接方式，其中包括：精密电阻焊接机（也叫电子点焊机，微电子点焊机，微点焊），激光焊接机，超声波焊接机，精密氩弧焊等。简化图参考图1。目前实现精密焊接的方法主要有激光焊、电子束焊、固态焊接、扩散焊、熔焊近终成型技术。图表1图表23.精密冲裁精密冲裁是使板料冲裁区处于特殊应力状态，获得精确尺寸和光洁剪切面（可直接做工作面，不需要再切削加工）的冲裁方法，简化图参考图2。采用精密冲裁方法可以提高冲裁切口表面的质量，得到全部光洁和垂直的剪切面。精密冲裁的实质是使冲模刃口附近剪刀变形区内材料处于三向压应力状态，抑制断裂的发生，使材料以塑性变形的方式实现分离。为此在冲裁的外周增加强压力圈,如图2中的V形压边膜,冲模间隙减小或为负间隙（凸模小于凹模）。在批量较小时，或冲裁厚度很小的薄板工件时，常用橡胶或聚氨酯代替冲裁模的一个刃口，用另一个刃口完成分离工作。这种方法称为橡胶冲裁或聚氨酯冲裁。4.精密锻造精密锻造是在精度高、刚性好的锻压设备上使用精密模具制造无切削余量或少切削余量锻件的工艺技术。精密锻压与普通模锻相比，锻件的模锻斜度小(0～3)、表面光洁(6以上)、凹凸圆角半径小、主要尺寸容差小。精密锻压工艺在航空航天工业中用于制造形状复杂、壁薄、要求金属流线分布合理和难切削材料的锻件，例如，整体叶轮、叶片、钛合金和高温合金零件等。采用精密锻压可以节约贵重材料和切削工时，减轻毛坯重量和提高产品性能。航空航天工业中常用的精密锻压方法有精密模锻、等温模锻、超塑性等温模锻和多向模锻等。5.快速原型制造技术快速原型制造技术是综合利用CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光加工技术的技术集成以实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。这种技术是直接根据产品CAD的三维实体模型数据，经计算机数据处理后，将三维实体数据模型转化为许多平面模型的叠加，然后直接通过计算机进行控制以制造一系列的平面模型，然后加以联结，即可形成复杂的三维实体。快速原型制造技术加工是一种加层行为，不需要担心刀具路径。还有，无需使用夹具，节省成本。另外，对于小数量之生产需求，经济效益显著。快速模具制造、电解加工、电铸加工、压力加工均可以运用快速原型制造技术。三、精密成型技术加工弹性元件实例（一）螺旋弹簧的精密成形螺旋弹簧的制造工艺包括：卷制成形；挂钩的制作或端面圈的精加工；热处理；工艺试验及强压处理。1.螺旋拉伸弹簧。其工艺与螺旋压缩弹簧基本相同，不同的只是端部的钩环加工，拉伸弹簧的成形方法如下：用与螺旋压缩弹簧相同的方法，卷绕成形后进行去应力退火，再进行钩环加工，除特殊形状的钩环或要求初拉力很高的螺旋拉伸弹簧用车床有心卷制或手工卷制外，大部分的弹簧是用自动卷簧机卷制。用直尾卷簧机卷制。它是一种心轴垂直的立式有心卷簧机。卷制后进行去应力退火，然后进行钩环加工。螺旋拉伸弹簧的端部结构形式很多，加工方法也很多。常用的有：小型弹簧使用钳子式的专用工具或专用工艺装置进行手工加工；普通的螺旋拉伸弹簧则以弯钩器或模具用手动或自动的操作方法进行加工；长臂钩环的拉伸弹簧，一般是卷绕时留出拉钩所需料长，或者是卷制后留出加工所需的圈数，用拉直工具将两端拉直，然后用专用工具弯制钩环。去应力退火的工艺规范如前所述。弹簧卷制好后先进行去应力退火，然后再切断和进行钩环加工，钩环加工完毕后，一般再要进行了1～2次的去应力退火。为了防止两钩环的相对角度发生变化，故在去应力退火时要使钩环加工完毕后的温度比卷制好后的温度低20～30°C。螺旋拉伸弹簧一般不进行抛丸和强拉处理。2.螺旋扭转弹簧。其工艺和螺旋压缩、拉伸弹簧基本相同，在小批量生产和扭臂比较复杂的情况下，多数采用手工或半自动的有心轴卷簧法成形，然后用工装夹具将扭臂按图样要求进行加工。在大批量生产时，则可在直尾卷簧机和扭簧专用机上卷制，扭臂不能按图样完成的，再分工序用工装、夹具来加工。根据螺旋扭转弹簧的特点，在设计和制造时，还应注意以下两点：2.1螺旋扭转弹簧端部扭臂在制造时应一次弯曲成形，避免加工疵病和校正整形加工。扭臂加工完后应进行第二次去应力退火；2.2目前的螺旋扭转弹簧多为密圈，这样在弹簧圈之间就产生了相当于拉伸弹簧的初拉力类似的压紧力，在加载和卸载时会产生摩擦力而出现滞后现象，当加载与旋向相同或圈数增加时，这种倾向增加；另外也给表面处理工序带来困难。因此在设计和成形时，弹簧圈间应稍留间隙。在大量生产中，制造厂在有条件的情况下，对螺旋拉伸、扭转弹簧的展开、折弯、弯钩等工序可采用液压、气动等方法去加工。（二）波纹管的精密成形加工目前，波纹管成形主要方法有液压成形、机械成形和波纹成形。1.液压成形液压成形和滚压成形是较传统的波纹管成形方法，在小通径的波纹管成形中大都采用液压成形方法；对大通径的波纹管一般则采用液压成形，但滚压成形通常只能滚压单层波纹管。2.机械成形机械胀形是近年来发展起来的较先进的成形方法。与液压成形相比，生产效率提高10倍以上（通径较大的波纹管），劳动强度也大为降低。在成形大通径的多层波这时，端口不用密封，也能保证波纹管层间的清洁。且设备简单，投资小，通径100mm以上的波纹管均能采用机械胀形法。波纹管机械胀形时采用一种圆形内模，它由若干个模瓣组成。波纹管制造工序如下：波纹成形→波纹管端边缝焊→波纹管端口剪切。3.波纹成形将已套装好的管坯套在机械胀形膜具外面，确定第一个波的位置，然后开动液压机，模具的模瓣在液压机（通过模具的锥体上下运动）的作用下向外运动，使管坯成形出波纹，当波纹形状符合图样或工艺卡的要求时，由于模具中的限位装置的作用，模瓣向外运动受到限制不再运动。此时，将液压机开到回程方向，模具中的锥体和模瓣在复位弹簧的作用下，随波压机的回程运动逐渐复位。待完全复位后，将管坯移动一定的距离，再重复上述步骤，成形出第二个波纹。如此往复，直到成形出所要求的波纹数。四、总结现在在弹性元件的制造工艺中，精密成形技术已经是最重要的一部分。由于弹性元件的材料的特殊性，元件形状的不规则性，精密成形技术是目前解决这些困难的比较恰当的方法。精密成形技术具有净成形尺寸及行为精度高，高效、低消耗、低成本的优点。精密成形技术可以方便的、快捷的做出在之前很难做出的弹性结构件，较传统制造方法改善了生产条件，减少了环境污染。所以，对于弹性元件来说，精密成形技术是最佳选择。参考文献1、张福润主编，《机械制造技术基础》。华中理工大学出版社，19992、武汉建筑材料工业学院，《机械设计工艺基础》。中国建筑工业出版社，1979