WCA September 2014

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

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。

载荷与挠曲

Unprestressed Over-Stressed 29 N

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：

载荷(牛）

• 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

挠曲 ( 毫米 )

❍ 图 1 : 载荷/挠曲特性

❍ 图 2 : 测试弹簧

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

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Wire & Cable ASIA – September/October 2014