單片閉式波形彈簧加工工藝研究

牛晉波，常 濤，李智軍，梁 偉

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

單片閉式波形彈簧加工工藝研究

牛晉波，常 濤，李智軍，梁 偉

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

基于有限元ABAQUS軟件平臺對單片閉式波形彈簧進行了彎曲回彈數(shù)值仿真模擬與分析，研究了單片閉式波形彈簧母材厚度與沖壓力和圓角處的回彈量與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系，得出了沖壓模具設(shè)計規(guī)范和波形彈簧加工工藝規(guī)范，采用該工藝規(guī)范制造的單片閉式波形彈簧已經(jīng)用于無人機發(fā)動機之中，該發(fā)動機已通過地面試車考核，由此表明：單片閉式波形彈簧加工工藝是合理、正確和有效的。

波形彈簧；沖壓成型；加工工藝；仿真分析

0 引言

波形彈簧是一種彈性元件，具有安裝空間小，彈力調(diào)控性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工等領(lǐng)域。單片閉式波形彈簧為封閉結(jié)構(gòu)，無開口，圈數(shù)為1，沿圓周方向有若干均布波形，常用于機械密封中，為石墨靜環(huán)組件提供軸向靜態(tài)預(yù)緊力，機械密封工作時，為石墨靜環(huán)組件提供彈力補償和緩沖作用，保證機械密封端面比壓穩(wěn)定，同時克服輔助密封、傳動件的摩擦、動環(huán)的慣性作用，從而保證密封端面摩擦副能夠處于良好的貼合狀態(tài)、動環(huán)能夠處于良好的動態(tài)追隨狀態(tài)，以確保密封有效；波形彈簧的剛度值要求處于一定的范圍之內(nèi)，若波形彈簧的剛度值太小，則支反力較小，密封比壓亦較小，在機械密封中起不到有效密封的作用，若波形彈簧的剛度值太大，則支反力較大，由此增大了機械密封靜環(huán)組件石墨環(huán)的磨損量，減少了機械密封的工作壽命。單片閉式波形彈簧通常采用模具沖壓成型，在單片閉式波形彈簧的加工過程中，單片閉式波形彈簧的材料會發(fā)生不可避免的回彈效應(yīng)，由此造成了單片閉式波形彈簧波形形狀的控制難度增大，單片閉式波形彈簧波形形狀的差異性易導(dǎo)致軸端密封力方向發(fā)生偏斜，同時單片閉式波形彈簧剛度值亦不易控制，當(dāng)單片閉式波形彈簧剛度值變化范圍較大時，極易導(dǎo)致機械密封密封比壓特性發(fā)生變化，從而影響密封效果、密封性能、密封穩(wěn)定性、密封可靠性和密封壽命，本文采用有限元ABAQUS軟件平臺進行了單片閉式波形彈簧彎曲回彈數(shù)值仿真分析模擬，由此得出了單片閉式波形彈簧模具設(shè)計和沖壓成型的制造工藝規(guī)范，采用該工藝規(guī)范，有效控制了單片閉式波形彈簧波形形狀和剛度值散布范圍，單片閉式波形彈簧已經(jīng)應(yīng)用于中國科學(xué)院青島動力研究所無人機發(fā)動機的機械密封之中，該發(fā)動機已通過了地面試車考核，單片閉式波形彈簧工作正常和穩(wěn)定。

1 波形彈簧設(shè)計技術(shù)要求

單片閉式波形彈簧結(jié)構(gòu)如圖1所示，單片閉式波形彈簧材料為高溫合金GH4169帶材，材料狀態(tài)為固溶態(tài)，該材料具有良好的機械加工性能和長期的組織穩(wěn)定性，20℃時抗拉強度和延伸率較高，即常溫塑性較好，適合用于沖壓力較大情況下的彎曲成型，而不會因為材料發(fā)生較大塑性變形造成材料使用性能發(fā)生較大變化，其力學(xué)性能見表1。單片閉式波形彈簧設(shè)計技術(shù)和一般性能參數(shù)范圍見表2，本文研究的單片閉式波形彈簧的設(shè)計要求為：外徑D=Φ95.6 mm，內(nèi)徑d=Φ86.6 mm，壁厚δ=0.25 mm，波高 H=5.5 mm，波數(shù)N=5；剛度要求為：當(dāng)單片閉式波形彈簧波高由H=5.5 mm壓縮至H=1.62 mm時，所施加的作用力F=19.6 N；單片閉式波形彈簧的波形為：由直線+彎角 (彎角的圓角半徑為R)構(gòu)成的曲面，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 GH4169帶材力學(xué)性能（固溶態(tài)，20℃）Tab.1 Mechanical properties of GH4169 strip-shape material(solid solution at 20℃)

表2 單片閉式波形彈簧設(shè)計技術(shù)要求和性能參數(shù)范圍Tab.2 Design requirements and performance parameters of single-piece closed wave-shape spring

2 波形彈簧數(shù)值仿真模擬與分析

單片閉式波形彈簧的外形結(jié)構(gòu)為：內(nèi)徑、外徑、厚度、波高、波峰半徑、波谷半徑及波形軌跡，5個波峰與波谷沿圓周均布，波形軌跡為直線，波峰與波谷之間夾角為60°，波形為由直線+彎角構(gòu)成的曲面。本文使用有限元分析中的ABAQUS軟件平臺對波形彈簧進行彎曲回彈數(shù)值仿真模擬分析，仿真模擬分析過程由3個步驟組成：前處理 (建立幾何模型，創(chuàng)建材料和界面屬性，定義裝配件，設(shè)置分析步，定義邊界條件和載荷及網(wǎng)格劃分)、有限元分析計算和后處理。仿真模擬時材料參數(shù)與表1中GH4169帶材力學(xué)性能（固溶態(tài)，20℃）參數(shù)一致，采用殼單元計算，首先運用Explicit動態(tài)顯示算法模擬沖壓彎曲過程，將凹模固定，使用指定壓力向下壓凸模，再抬起凸模；然后運用Standard靜態(tài)隱式算法模擬回彈過程，去除凸凹模，只留下彎曲件，將沖壓彎曲的應(yīng)力場加載在彎曲件上，完成回彈過程仿真模擬分析。波形彈簧彎曲回彈仿真分析假設(shè)、物性參數(shù)、相關(guān)定義和殼單元網(wǎng)格劃分方式是：凸、凹模設(shè)定為剛體，波形彈簧設(shè)定為變形體；GH4169材料設(shè)為彈塑性材料，塑性變形服從Mises屈服準(zhǔn)則，硬化方程為冪指數(shù)函數(shù)形式σˉ=kεn，GH4169 材料狀態(tài)為固溶態(tài)，泊松比λ=0.3，密度 γ=8.24×103kg/m3，彈性模量 E=204 GPa，屈服強度σs=520 MPa，抗拉強度σb=915 MPa，延伸率δ=22%，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可得：硬化指數(shù)K=1115.8，強度系數(shù)n=0.123；摩擦力符合庫倫摩擦定律，摩擦系數(shù)μ=0.1～0.14；定義波形彈簧與沖壓模具的接觸面為“面-面”法向摩擦接觸類型；施加載荷讓凸模發(fā)生運動，載荷作用力的方向與凸模運動的位移方向一致；仿真模型采用S4R殼單元網(wǎng)格劃分，單元網(wǎng)格大小為1×1。影響波形彈簧回彈的主要因素是沖壓力大小、凸模圓角半徑、波形彈簧與沖壓模具間的摩擦系數(shù)，3個因素從不同方面分別影響波形彈簧沖壓成型后回彈量的大小，而且3個因素彼此之間相互獨立，為此，采用基于有限元模型的單因素法，研究沖壓力、凸模圓角半徑、波形彈簧與沖壓模具

式中：F為彎曲力，kN；σb為材料抗拉強度，MPa；b1為彎曲線長度，mm。代入數(shù)值，可求得施加在凸模上的初始彎曲力為F=13.5 kN。之間的摩擦系數(shù)對波形彈簧沖壓成型后回彈量的影響情況，以獲得各個因素的最優(yōu)解。波形彈簧計算機數(shù)值仿真模擬流程如圖2所示。在波形彈簧計算機數(shù)值仿真模擬分析時，施加在凸模上的初始彎曲力

根據(jù)圖2波形彈簧計算機數(shù)值仿真模擬流程框圖和波形彈簧彎曲回彈仿真分析假設(shè)、物性參數(shù)、相關(guān)定義和殼單元網(wǎng)格劃分方式，可得出沖壓力、凸模圓角半徑、波形彈簧與沖壓模具間的摩擦系數(shù)與波形彈簧沖壓成型后回彈量之間的關(guān)系。經(jīng)過計算機仿真模擬分析可知，沖壓力與波形彈簧回彈量和母材厚度減薄率有關(guān)，表3給出了不同沖壓力下波形彈簧回彈后波形高度值的模擬結(jié)果，由表3可見，沖壓力越大，反彈量越小，沖壓后波形彈簧回彈后的波形高度值則越大，當(dāng)沖壓力過大時，被沖壓件則會出現(xiàn)大面積塑性變形，將會導(dǎo)致無回彈甚至出現(xiàn)負(fù)回彈現(xiàn)象，波形彈簧完成沖壓制造后會在其內(nèi)部殘存應(yīng)力、應(yīng)變，在使用過程中會出現(xiàn)波形高度值縮小的現(xiàn)象，為此，波形彈簧沖壓成型時要將其波形高度值比設(shè)計值增大0.2～0.5 mm，波形彈簧波形高度設(shè)計要求值為5.5 mm，初步選取沖壓力為17～18 kN。波形彈簧沖壓過程導(dǎo)致的塑性變形直接表現(xiàn)為波形彈簧母材厚度發(fā)生了減薄，圖3是波形彈簧沖壓成型后母材厚度與沖壓力之間的關(guān)系曲線，由圖3可見，沖壓力越大，波形彈簧母材厚度就越小，若波形彈簧厚度較小時，會造成波形彈簧發(fā)生斷裂現(xiàn)象，影響使用壽命，為此，初步選取沖壓力為9～17 kN。綜上所述，選取沖壓力為17 kN是合理的。沖壓模具凸凹模圓角半徑對波形彈簧沖壓成型后的回彈量亦有影響，凸凹模是配套使用的，僅需研究凸模或凹在對其施加17kN沖壓力后，其回彈后的圓角半徑值即可，為此，選取凸模作為研究對象，在沖壓力為17 kN的情況下分別選取凸模圓角半徑值分別為4.5 mm，5 mm，5.5 mm及6 mm進行計算機數(shù)值仿真模擬分析，計算機數(shù)值仿真模擬分析結(jié)果見表4，由表4可見，凸模圓角半徑設(shè)定值越大，則圓角半徑回彈量就越小，凸模圓角半徑回彈模擬結(jié)果波動范圍的變化較小，為此，選取凸模圓角半徑為5.5 mm較為合理，凸模圓角半徑值的改變主要影響彎曲成型回彈后的波形彈簧的外徑和內(nèi)徑值，對波形彈簧母材厚度的影響可以忽略不計。波形彈簧沖壓過程中，沖壓模具與被沖壓的波形彈簧材料之間會發(fā)生摩擦作用，摩擦力的大小除了與沖壓力、接觸力有關(guān)外，還與界面間的表面狀態(tài)、潤滑狀態(tài)有關(guān)，波形彈簧材料彎曲變形過程中，內(nèi)、外表面分別產(chǎn)生壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，摩擦力的作用可增大拉應(yīng)力變形區(qū)，使內(nèi)、外表面的應(yīng)力狀態(tài)趨向一致，摩擦力越大，波形彈簧圓角處的回彈量就越減小，圖4波形彈簧圓角處的回彈量與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系曲線就表明了這一變化關(guān)系，由圖4可見，摩擦系數(shù)較大時，波形彈簧圓角處的回彈量較小，若摩擦系數(shù)大，則摩擦力亦大，此時，極易磨損波形彈簧帶材表面，加之波形彈簧母材厚度較小，為了確保波形彈簧表面質(zhì)量和使用強度，摩擦系數(shù)不能太大，為此，在沖壓模具表面粗糙度較小的情況下，通過增大沖壓力或減小凸模圓角半徑等方法來補償和抵消由摩擦系數(shù)引起的波形彈簧回彈量的增加。綜上所述，波形彈簧沖壓過程中，工藝規(guī)范和模具參數(shù)為：沖壓力為17 kN，凸、凹模圓角半徑5.5 mm；摩擦系數(shù)0.1。

表3 波形彈簧回彈后的波形高度值仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results for springback height of wave-shape spring under different impact pressures

表4 凸模圓角彎曲回彈仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of springback under different fillet radius

3 波形彈簧加工工藝

波形彈簧加工工藝主要工序有：下料、沖壓、熱處理和校形。波形彈簧毛坯尺寸下料精度對波形彈簧成型后的結(jié)構(gòu)、內(nèi)外徑尺寸起著重要的影響作用，采用激光切割機下料，下料尺寸可通過圖5波形彈簧彎曲展開件一個波峰的展開長度的計算公式來求得，波形彈簧彎曲半徑與其厚度的比值R/t=28＞10，波形彈簧彎曲展開件可按展開件的中軸尺寸來進行計算，取加工過程材料的延伸率ε=1%，波形彈簧彎曲展開件一個波峰的展開長度

波形彈簧彎曲展開件周長

波形彈簧彎曲展開件毛坯半徑

對于本文研究的波形彈簧，經(jīng)計算可得：波形彈簧毛坯外徑R=97.15 mm，內(nèi)徑R1=88.15 mm。

波形彈簧波形的外形結(jié)構(gòu) (即波形軌跡)由沖壓成型工序完成，通過設(shè)計計算、加工控制沖壓模具的圓角半徑、波形高度等結(jié)構(gòu)尺寸和沖壓力的大小等工藝因素以完成波形彈簧波形外形結(jié)構(gòu)的精確控制，沖壓模具凸模的圓角半徑

式中：rT為凸模圓角半徑，mm；r為彎曲件圓角半徑，mm；σs為彎曲件材料屈服強度，MPa；E為材料拉壓彈性模量，MPa；t為材料厚度，mm。代入數(shù)值，可得初始的凸模圓角半徑。

沖壓模具三維模型圖見圖6，沖壓模具采用HRC≥42的模具鋼制造，模具垂直度≤0.05，模具平面度≤0.05，模具限位環(huán)與凸凹模配合間隙≤0.05，模具波峰、波谷圓角半徑均為5.5 mm，在WDW-850型、量程為50 kN的壓力機上進行波形彈簧彎曲成型，沖壓力為17 kN，沖壓成型過程中要求沖壓模具水平放置，模具上表面水平跳動量≤0.02，緩慢下壓，壓速≤2 m/s；完成沖壓成型工序后的波形彈簧裝入校形模具進行真空固溶、時效、熱處理，調(diào)整波形彈簧的剛度和校正波形彈簧波形的外形尺寸，將其調(diào)整到最佳值，以符合設(shè)計要求；影響波形彈簧剛度的主要因素有：結(jié)構(gòu)、母材的力學(xué)性能、母材厚度減薄率等因素，通過真空熱處理方法和溫度曲線來調(diào)整母材的晶粒度、硬度和組織結(jié)構(gòu)，進而調(diào)整波形彈簧的剛度；沖壓成型時，沖壓接觸點附近母材厚度的減薄率亦影響著波形彈簧剛度值的大小，當(dāng)沖壓力較大時，接觸點附近母材厚度的減薄率則較大，此時，波形彈簧的剛度值較小，當(dāng)沖壓力較小時，接觸點附近母材的減薄率則較小，此時，波形彈簧的剛度值則較大，由此，通過調(diào)整沖壓力的大小，控制接觸點附近母材厚度的減薄率，從而可達到控制和調(diào)整波形彈簧剛度值范圍之目的。

4 波形彈簧試驗驗證

采用上述工藝方法和工藝規(guī)范，生產(chǎn)制造了單片閉式波形彈簧20件，單片閉式波形彈簧尺寸和剛度試驗檢測結(jié)果見表5。

表5 波形彈簧尺寸和剛度檢測結(jié)果Tab.5 Detected results of wave-shape spring dimensions

單片閉式波形彈簧剛度是在TLS-W2000型壓力機上完成試驗測試的，由表5可知，單片閉式波形彈簧波形和結(jié)構(gòu)尺寸滿足設(shè)計技術(shù)要求，波高最大偏差＜0.1 mm，剛度最大偏差為1.2 N(＜7%)，單片閉式波形彈簧已經(jīng)用于中國科學(xué)院青島動力研究所無人機發(fā)動機的機械密封之中，該發(fā)動機已通過地面試車考核，單片閉式波形彈簧工作狀態(tài)正常，剛度穩(wěn)定，發(fā)動機端面密封比壓滿足設(shè)計技術(shù)要求，由此表明：單片閉式波形彈簧加工工藝是合理、正確和有效的。

5 結(jié)論

本文基于限元ABAQUS軟件平臺對單片閉式波形彈簧進行了彎曲回彈數(shù)值仿真模擬與分析，研究了了影響波形彈簧波形和剛度的因素、波形彈簧母材厚度與沖壓力和圓角處的回彈量與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系，得出了沖壓模具設(shè)計規(guī)范和單片閉式波形彈簧加工工藝規(guī)范，采用該工藝規(guī)范制造的單片閉式波形彈簧已經(jīng)用于中國科學(xué)院青島動力研究所無人機發(fā)動機的機械密封之中，該發(fā)動機已通過地面試車考核，單片閉式波形彈簧工作狀態(tài)正常，剛度穩(wěn)定，發(fā)動機端面密封比壓滿足設(shè)計技術(shù)要求，由此表明：單片閉式波形彈簧加工工藝是合理、正確和有效的。

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（編輯：馬 杰）

Study on machining technology of single-piece closed wave-shape spring

NIU Jinbo,CHANG Tao,LI Zhijun,LIANG Wei
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

Based on the finite element ABAQUS software platform,the numerical simulation and analysis of the single-piece closed wave-shape spring are carried out.The relationship among thickness of spring material,punching force,friction coefficient and springback value at circular angle are studied.The design specifications of stamping die and processing technic specifications of wave-shape spring were obtained.The single-piece closed wave-shape spring manufactured with these specifications has been used in a kind of UAV engine.The engine has been passed the ground test.This shows that the processing technology of the single-piece closed wave-shape spring is reasonable,correct and effective.

wave-shape spring;stamping forming;processing technic;simulated analysis

V261-34

A

1672-9374(2017)04-0070-06

2016-12-11；

2017-06-21

牛晉波（1990—），男，碩士，研究領(lǐng)域為金屬密封工藝