基于車螺紋原理卷制螺旋彈簧

趙云

（內江職業技術學院 智能制造系,四川 內江641000）

0 引言

彈簧是機器和儀表中的重要零件。由于彈簧的結構特點和所用制作彈簧材料的彈性，在工作時可以產生較大的變形，被用于吸收沖擊能、緩和振動和沖擊、測力、儲存能量，以驅動機件等[1]。本文主要分析彈簧的類型、彈簧材料，并參考車削螺紋的原理研究了螺旋彈簧的卷制工藝。

1 彈簧主要類型

彈簧的種類很多，可分為金屬彈簧和非金屬彈簧。常見非金屬彈簧有空氣彈簧、橡膠彈簧。常見的金屬彈簧有圓柱螺旋壓縮彈簧、圓柱螺旋拉伸彈簧、圓柱螺旋扭轉彈簧、圓錐螺旋彈簧、板彈簧、碟形彈簧、平面蝸卷彈簧、環形彈簧等。其中以圓柱螺旋彈簧應用最為廣泛。各種類型常用彈簧的結構與特點如表1、表2所示（其中F為彈簧載荷，T為轉矩）。

表1 常用非金屬彈簧

2 彈簧材料

由于彈簧主要在交變應力下工作，而且要求在受到較大應力情況下，不產生塑性變形，因此要求彈簧材料具有較高的抗拉強度極限、彈性極限和疲勞極限，不易松弛。同時要求具有高的沖擊韌性，良好的熱處理性能等[1]。

表2 常用金屬彈簧

常用非金屬彈簧材料主要是橡膠、增強塑料等。

常用金屬彈簧材料（其含碳量在0.65%～0.90%范圍內，通過淬火及中溫回火可獲得高的彈性極限）：

1）碳素彈簧鋼絲（Ⅰ、Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ）。如60鋼、75鋼等，這種鋼的優點是價格便宜，缺點是彈性極限較低、淬透性差，適合于制造尺寸較小、彈簧鋼絲直徑d＜12～15 mm的一般用途的彈簧，如螺旋彈簧。

2）合金彈簧鋼絲。以Si、Mn為主要合金元素的彈簧鋼絲，最有代表性的是65Mn和60Si2Mn，這類鋼的市場價格比較低，淬透性明顯優于碳素彈簧鋼，可以制造尺寸較大、鋼絲直徑d≤25 mm的彈簧，如緩沖卷簧等。Si和Mn同時加入的彈簧鋼，比只加入Mn的彈簧鋼性能好得多，在工業中應用最廣；以Cr、V、W為主要合金元素的彈簧鋼絲，最有代表性的是50CrVA。這類鋼的淬透性較好，高溫下性能比較穩定，主要用于制造尺寸大、彈簧鋼絲直徑d≤30 mm、受載大的和工作溫度較高的重要彈簧，如螺旋彈簧、閥門彈簧、扭桿簧等[2]。

3 卷制螺旋彈簧原理

螺旋彈簧有熱成型和冷成型兩種成型方法，大型彈簧（彈簧鋼絲直徑大的）用熱成型制成，然后淬火加中溫回火，一般用途的小型彈簧（彈簧鋼絲直徑d＜12～15 mm）用冷成型法卷制成型，卷成后一般不經淬火處理，只進行低溫回火。

冷卷法卷制螺旋彈簧的原理與在普通車床上車螺紋基本相同：即主軸每轉一周以后車刀得到一個等于彈簧節距大小的縱向移動量，也就是裝有車刀的刀架應當移動一個等于螺紋節距的距離。

螺旋彈簧具有結構簡單、制造方便等特點。特性線一般為直線，剛度穩定，如圖1所示，其中F為彈簧載荷，λ為變形量。

4 螺旋彈簧的種類和各部分名稱

螺旋彈簧根據形狀不同，一般有圓柱形、圓錐形和橄欖形3種，如圖2所示，其中：D1為彈簧內徑；D2為彈簧中徑；D3為錐形彈簧大端內徑；D為彈簧外徑；d為彈簧鋼絲直徑；t為彈簧節距（各圈之間的距離）[3]。

5 卷制螺旋彈簧用的芯軸

芯軸是卷制彈簧的主要工具。芯軸的長短根據彈簧長度決定，但應比彈簧長些。芯軸的直徑（比彈簧內徑小）大小非常重要，如果直徑不準確，那么卷出來的彈簧直徑就不符合要求。確定芯軸直徑也是比較復雜的，因為彈簧卷好后直徑會擴大，由于鋼絲彈性不同和直徑不同，彈簧直徑擴大量也不同。根據過去的實踐經驗，芯軸的直徑可用下面經驗公式計算：

圖1 圓柱螺旋彈簧特性圖

式 中：D0為 芯 軸 直徑；D1為彈簧內徑；d為彈簧鋼絲直徑。

當用中級彈簧鋼絲直徑d＜1 mm時，芯軸系數取下差-0.02，d＞2.5 mm時取上差+0.02；高級彈簧鋼絲d＜2 mm時取下差-0.02，d＞3.5 mm時取上差+0.02。除此之外，可以不考慮。

芯軸直徑確定以后，在芯軸一端外圓上鉆一小孔，直徑較彈簧鋼絲稍大，便于插鋼絲之用。

正式卷制彈簧前，需先進行試驗，即先卷制2～3圈后松開，然后測量彈簧擴大后的內徑是否符合要求，并根據測量結果修正芯軸直徑[4]。

6 卷制螺旋彈簧的步驟

6.1 卷制圓柱螺旋彈簧

卷制圓柱螺旋彈簧時可按下列步驟進行：

1）根據彈簧節距t調走刀箱手柄位置和掛輪（與車螺紋相同）。

2）裝上芯軸，將鋼絲插入芯軸外圓端部的小孔中，如圖3所示。另一端夾在刀架上的槽鐵（把墊鐵片磨成槽夾在刀架上）中，如圖4所示。但不能夾得太緊，只要鋼絲能用力拉出來即可。

3）合上開合螺母，開動車床主軸，進行卷制。當彈簧卷到近卡盤時停車，用鋼絲鉗或弓鋸把鋼絲折斷。最后從芯軸上取下彈簧。為了保證兩端的承壓面與軸線垂直，需在砂輪上將兩端面磨平。

用槽鐵夾鋼絲只適用于單件生產。如工件數量較多，就可以采用帶滾珠軸承的夾鋼絲專用夾具，整個夾具裝夾在刀架上，如圖5所示。

在夾具體6上開有2個穿通腰形槽5，裝滾珠軸承1的2根短軸就裝在腰形槽中，背面用壓板螺釘緊固，另有2個滾珠軸承安裝在夾具體下端，滾珠軸承的外圈能自由轉動。滾珠軸承外圈上有圓弧凹槽，彈簧鋼絲可在槽中通過。當鋼絲直徑變化時，可以松開夾具體背面的螺釘和壓板，調整螺釘4就可以使上面2個滾珠軸承上下移動，以改變上下2個滾珠軸承之間的通道大小。

圖2 螺旋彈簧

圖3 卷制圓柱螺旋彈簧

圖4 槽鐵

圖5 夾鋼絲專用夾具

在夾具體的側面有2個導向板2和3，可以改變和引導鋼絲的運動方向。但它的槽口容易磨損，所以需采用耐磨的材料制作，或者將材料進行淬火處理。此外，彈簧鋼絲應放在專用的放線架上，如圖6所示。放線架的轉軸應安裝在滾動軸承上，使整圈鋼絲套在放線架上能自由轉動。

6.2 卷制錐形螺旋彈簧卷制錐形螺旋彈簧

時，把圓柱形芯軸調換成錐形芯軸，芯軸外圓上車有圓弧形螺旋槽，卷制的方法與圓柱螺旋彈簧相同，如圖7所示。

6.3 卷制橄欖形螺旋彈簧

圖6 鋼絲放線架

圖7 卷制錐形螺旋彈簧

卷制橄欖形螺旋彈簧時，要用一根細長芯棒和一套大小不同的墊圈。先把直徑最大的墊圈放在中間，兩邊分別套入直徑逐一減小的墊圈，并用緊圈固定，然后開始卷制，如圖8所示。卷好以后切斷鋼絲，然后松開緊圈，拉出細長芯棒，并拉長彈簧，這時墊圈就從彈簧縫里落下來。

7 結語

除了上述3種螺旋彈簧以外，根據特殊需要還有其他各種形式，如變節距螺旋彈簧、變徑螺旋彈簧等。基于車螺紋原理卷制螺旋彈簧的方法，主要是為小型企業提供借鑒，它不需要專用的設備和很復雜的專用工裝，只要有普通的車床（如C616、C6140A），就可以卷制需要的螺旋彈簧。方法簡單易學，成本低，特別適合單件、小批量生產。

圖8 卷制橄欖形螺旋彈簧