一系彈簧工藝研究

徐偉 蔣志斌

摘 要：一系彈簧是某型內燃機車轉向架上的重要零部件，其工作應力高達450MPa，平面度、平行度、垂直度等相關技術參數都高于其它車型同類彈簧。因此，對制造的要求相對較高。鑒于此，工藝裝備在原有生產線的基礎上進行改造，新增數控卷簧機、氣氛保護加熱爐等相關設備以滿足實際生產的需要。

關鍵詞：一系彈簧；逆向工程；余熱淬火

引言

由于主要生產設備狀況未知，因此在工藝設計前采用逆向工程，利用執行標準和圖紙技術要求反推制造工藝。機車一系彈簧執行標準為TB/T 2211-2010《機車車輛懸掛裝置鋼制螺旋彈簧》

1.工藝方案的確定

熱成形彈簧的主要制造工藝為端部加熱制扁、加熱、卷制及校整、熱處理、噴丸處理、立定處理、磨削斷面、檢驗、表面除銹處理 [1] 。一系彈簧的制造和以前的主要區別在端部加熱制扁和卷制上，而工藝試驗的重點則在彈簧剛度和熱處理方面。

2.工藝試驗

2.1 彈簧剛度試驗

根據圓柱螺旋壓縮彈簧的剛度公式 ，D、d、n對彈簧的剛度都有影響。該彈簧內經只有2mm公差，而回彈將近0.5mm，于是內徑取中間值，以方便調整剛度；同一批彈簧的料徑波動很小，工藝上無法用該值調整剛度。因此能改變剛度的只有有效圈，而反映到具體的參數就是展開長度。通過上述公式計算，彈簧的有效圈數為7.8，總圈數為9.3。根據展開長度公式計算，展開長度應為5160。根據PRO-E模擬，兩邊制扁后總長度增加210，因此材料的總長度為4950，取整為5000。根據上述確定的參數進行了試卷制后發現，剛度偏高超過了要求，因此增加圈數修正下料長度。第二次更改下料5040，碾尖后展開總長為5240，進行了試卷制后，剛度符合要求，具體數據見表2。

由于彈簧受壓力壓縮后，彈簧的有效圈會逐漸減少，彈簧的剛度會逐漸增加，因此表2中根據理論計算的第一次剛度試驗偏差都為正偏差，且超過20，即實際測量值大于理論計算值。而根據試驗數據合理的第二次試驗，其有效圈為8，總圈數為9.5。

2.2 彈簧熱處理試驗

該試驗的目的除了完成硬度試驗外，還必須兼顧脫碳層深度的要求。

2.2.1 彈簧硬度

在進行卷簧試驗時發現，卷簧后彈簧的余溫在（790～820）℃之間，仍在奧氏體溫度下，從理論上，存在余熱淬火的可能。根據高溫形變熱處理的理論：將鋼加熱到穩定奧氏體區保持一段時間，在該狀態下形變，隨后進行淬火以獲得馬氏體組織的綜合熱處理工藝【2】。試驗后，確定了保溫溫度為985℃，保溫40min后卷制，卷制后利用余熱淬火，回火溫度為450℃，保溫90min的熱處理制度。單從晶粒度上看，利用余熱進行淬火回火后，晶粒度為8級，而普通的熱處理晶粒度為7級，高溫形變熱處理晶粒更細，強度更高。

2.2.2 脫碳層深度

通常氧化膜是疏松的，尤其是工業條件下形成的氧化膜，因此CO的揮發較為容易。脫碳雖然發生在表面層，但是碳顯然來自于快速的晶界擴散；盡管脫碳是表面現象，膽不存在脫碳層的內邊界。“脫碳深度”的測量在工業上被用來表征鋼的狀態，因此引入主觀因素，需要判斷脫碳層的內邊界。【3】

根據菲克第二定律，將脫碳看作兩端成分不受擴散影響的擴散偶：

初始條件：t=0 ，

邊界條件：t>0 ，

【4】

其中 【4】

D0為2.0×10-5m2s-1，R為8.314Jmol-1K-1，Q為140000Jmol-1【4】，在T=（273.15+985）K計算得出D為3.08×10-11 m2s-1。

從上式可以看出，如果在整個加熱過程中，環境和材料的含碳量一樣，那么將不會發生脫碳現象。實際并非如此，即使使用氣氛保護加熱，在開爐門的瞬間以及受爐子密封性的影響，其環境碳含量會瞬間降低，為了更好的計算，先將環境的含碳量定為0.2%進行計算，將材料含碳量從0.6%將為0.5%定義為脫碳，分別計算保溫10min、20min、30min、40min距離表面0.2mm處的含碳量。計算結果如下：

由上述計算可知，在加熱過程中加熱爐中的碳含量保持在0.3%以上，0.2mm處就不會發生“脫碳現象”，當爐中氣氛在0.2%時，若加熱時間超過20min，就會發生“脫碳”。鑒于此，我們根據爐內碳勢的上升速度，將爐內的碳勢設定為0.6%，將裝爐的碳勢控制在0.2以上，20min以內碳勢增加到0.4以上，這樣可以確保整個加熱過程中，彈簧的脫碳不會超過0.2mm。按上述工藝進行制造的彈簧，其脫碳層深度檢測都小于0.2mm。

3.結論

（1）利用余熱淬火，高溫形變熱處理可以在彈簧熱處理中運用。

（2）高溫形變熱處理對60Si2CrVA的性能和普通淬火相比有區別，目前只能看出晶粒度更細，其他究竟影響多大，還需進一步的試驗。

（3）彈簧剛度理論計算時，應考慮彈簧中徑的回彈及彈簧在壓縮過程中有效圈數的減少。

（4）用菲克第二定律可以定量的估算彈簧脫碳層深度，指導卷簧爐碳勢控制的工藝參數。

參考文獻：

[1]張英會，劉輝航，王德成.彈簧手冊[M].機械工業出版社，2008.

[2]中國機械工程學會熱處理學會.熱處理手冊.第一卷[M].機械工業出版社，2008.

[3]辛力，王文【譯】.金屬高溫氧化導論[M].高等教育出版社，2010.