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Wire & Cable ASIA – September/October 2014
www.read-wca.com摘要
在弹簧生产商的诸多问题推动下，
2013
年实施的一项工作将
碳钢和不锈钢弹簧线制成了拉伸弹簧，并对这些弹簧进行了
测量和负重测试，以评估它们的初始张力和弹性极限。结果
指向修订
EN 13906
‐
2
的必要性。
1
背景
弹簧生产商知道生产过程中对拉伸弹簧实施应力消除热处理
有以下效应：
•
外径改变，由此弹簧劲度系数改变
•
初始张力，盘绕时的卷曲能力降低
•
一些人可能也知道弹性限度将增加
根据
EN
13906-2
，拉伸弹簧的最大(未修正的)设计应力为
45% Rm
。即就是说，你可以给拉伸弹簧增加负荷，直到外
加应力作用达到钢丝抗拉强度的
45%
，都不会发生塑性变
形。这假定弹簧在卷绕后进行了应力消除。作者的观点是弹
性限度的这种定义常常过高。本项研究的设计目的是探讨弹
性限度，以及热处理温度怎样对它产生影响。同时，借此机
会研究热处理温度对外直径、初始张力和弹簧劲度系数的影
响。大部分拉伸弹簧就像本调研图
1
中研究的测试弹簧一样，
都有理论载荷/变形特性。我们假设，当拉伸弹簧载荷超过它
的弹性限度(图
1
中为
29
牛)时，所有塑性变形发生在弹簧主
体内部，表现为比初始张力缩小。大部分拉伸弹簧有钩子，
钩子被制作成与弹簧主体拥有同样的标称外直径，这也适用
于本研究所制作的弹簧，参见图
2
。所有国际拉伸弹簧设计
标准的假定是钩子完全钢性，不会发生弹性挠曲或达到它们
最大设计张力的塑性挠曲。这一假定是不正确的，但是对于
主体线圈超过
20
转的拉伸弹簧来说，忽略钩子挠曲引起的误
差实际上非常小。绝大多数拉伸弹簧要么依据
EN 10270-1
由
碳素钢拉伸制成(有时采用镀锌或锌/铝涂层)，要么依据
EN
10270-3
由不锈钢拉拔而成，等级
1.4310
或
302
型。因此本文
研究了这两种材料。
2
弹簧
本研究所用的弹簧经由英国诺丁汉迈进(
2
)公司提供。弹簧和
钩子经自动机器卷绕同时形成，卷好后作者很快拿到弹簧，
以便卷绕后不过多迟延地在仔细控制的条件下进行热处理。
弹簧由
0.71
毫米钢丝制成，标称外直径为
6.03
毫米，
19.5
圈，
初始张力相对较大，英式或交叉末端钩子。碳素钢的抗拉强
度为
2465
兆帕，而不锈钢的抗拉强度为
1981
兆帕。碳素钢弹
簧的设计以
SCP
(
3
)为代表，采用
EN13906-2
作为设计方法，
见图
3
。
3
热处理
弹簧被置于
IST
(
4
)提供的烤箱中进行热处理，烤箱的温度可
以设定并保持在
±5°C
以内，热处理总时长通常为
20
分钟。放
置在弹簧中间的热电偶显示，它们被放入烤箱两分钟之内就达
到了与烤箱设定温度同样的温度。一共有
20
支弹簧经过热处
热处理对拉伸弹簧性
能的影响
作者：英国谢菲尔德弹簧技术研究院技术顾问
Mark Hayes
理——碳素钢的处理温度在
150
、
200
、
250
、
300
和
350°C
，
不锈钢的处理温度在
200
、
250
、
300
、
350
、
400
和
450°C
4
载荷测试
我们采用了
IST
(
4
)提供的下列方法对弹簧进行载荷测试。我
们用载荷测试仪测量了弹簧的自由长度(事实上是载荷为
0.1
牛时的长度)，然后测量了
30
毫米时的载荷。经查看，
30
毫
米时的负荷对自由长度没有影响；然后通过逐步加大长度对
弹簧进行了载荷测试，每次还原时检测自由长度没有显著变
化，然后重新测量
30
毫米时的负荷。测试一直进行到
30
毫米
时载荷减损至少
2%
以上。典型的一组结果参见表
1
。每个热
处理温度下测试
2
到
5
支弹簧，结果取平均值。碳素钢的结果
汇总见表
2
。
很明显，热处理对于拉伸弹簧的性能大有裨益，因此国际设
计标准总是假定卷绕后进行了热处理是正确的。对这些结果
的进一步考察表明，热处理温度越高，外直径越小，正如预
期的,弹簧劲度系数越大，但是由于理论忽视了钩子的弹性挠
曲，弹簧劲度系数常常比理论预测值更低(见图
3
)。然而，外
直径为
6.13
毫米的弹簧的理论劲度系数是
0.834
牛/毫米，外
直径为
6.03
毫米的弹簧的理论劲度系数是
0.882
牛/毫米。这
表明弹簧劲度系数结果与热处理中弹簧直径变化几乎一致。
理论不仅忽视了钩子的弹性挠曲，也忽视了主体线圈达到弹
性限度之前发生的塑性变形。如果将主体线圈的弹性限度定
❍
图
1
:
载荷/挠曲特性
载荷与挠曲
载荷(牛）
挠曲
(
毫米
)
Unprestressed
Over-Stressed 29 N
❍
图
2
:
测试弹簧