弹簧的材料和成型工艺

引言：

弹簧是通过弹性变形吸收外力并恢复原状的弹性元件，其核心功能包括缓冲减震、储能恢复、控制运动等等。自工业革命以来，弹簧的设计和材料不断革新，实现的应用技术的飞速进步。

1. 弹簧的类型

1.1 弹簧依功能区分：

压缩弹簧： 抵抗轴向压力拉伸弹簧：承受轴向拉力扭转弹簧：通过扭转力矩工作涡卷弹簧：通过材料扭转

1.2 弹簧依形状来分：

① 圆柱型：圆形截面弹簧、矩形截面弹簧、不等节距弹簧 、多股弹簧、拉伸弹簧、扭转弹簧② 非圆柱型：塔簧、截锥涡卷弹簧 、中凹弹簧、中凸弹簧、组合弹簧、非圆形弹簧③ 其它类型弹簧：扭杆弹簧、蝶形弹簧、环形弹簧、片弹簧、多板弹簧、膜片弹簧、压力管弹簧、橡胶弹簧、空气弹簧

2. 弹簧的材料

弹簧的制造材料的选择要根据弹簧的性能、寿命、和应用范围进行选取材料，

常用的有碳钢、合金钢、不锈钢（耐腐蚀& 食品级）特殊合金（极端环境、镍合金 Inconel718、铜合金 C17200、钛合金 Ti-6AL-4V）

碳素弹簧钢 60、70、72A、80、82B、85、65Mn、70Mn、T9A、T8MnA

3. 弹簧的主要功能：

① 缓冲或减振，如破碎机的支承弹簧和车辆的悬架弹簧等② 机械的储能，如钟表和自动控制机构上的原动弹簧③ 控制运动，如气门、离合器、制动器和各种调节器上的弹簧④ 测力装置，如弹簧秤和动力计上的弹簧

4. 弹簧选材的原则是：a. 满足功能要求，b. 满足强度要求，c. 考虑经济性。

碳钢具有成本低，加工容易、但耐腐蚀性差、需要经过表面处理（如镀锌或磷化）

合金钢比碳钢具有更高的强度、任性和耐热性，但成品较高。

常用的材质有碳素钢线（SWC）、不锈钢线（SUS）、琴钢线（SWP-A/B）、镀镍线（SWIC）、镀锌线（Zn-SWC）、磷铜线（PBW（ 磷青铜线 C5191））、合金弹簧钢丝（55CrSi（GB/T 18983）/SWOSC-V（JIS G3561））

5. 弹簧的工艺：

5.1 冷加工→直接将棒材或者钢丝卷制成型，一般用于较小的弹簧。

① 螺旋压缩弹簧：绕制成型——去应力退货——两断面磨削——（抛丸）——（校整）——（去应力退火）——立定或强压处理——表面防腐处理—包装② 螺旋拉伸弹簧 / 螺旋扭转弹簧：绕制成型——去应力退货——立定处理——表面防腐处理——包装

5.2 热加工→ 先将棒材或钢丝退火，再进行卷制成型，然后还要淬火和中温回火，大部分还要经过淬铅处理。

5.3 常见工艺：抛丸

改善了金属零件的表面状态及性能，尤其能够显著地提高零件的屈服强度和耐疲劳性，从而有效地延长其使用寿命

在任何情况下都应避免喷丸工艺对表面粗糙度引起明显的增高。

回火可以使金属材料的晶粒重新长大并均匀分布 ， 从而提高材料的韧性和延展性。此外，回火还可以消除喷丸过程中产生的应力集中区域 ， 减少材料的应力腐蚀敏感性， 提高其耐腐蚀性能

5.4 立定或压强处理：

弹簧在理想的情况下应符合胡克定律，即在弹性范围内应力和应变呈直线关系。但由于实际弹簧钢是多相多晶体材料，存在成分、组织、弹性等特性的不一致性，在弹性范围内应力和应变偏离直线关系 ， 这称之为弹性不完整性或滞弹性。弹簧回火后进行稳定化处理可以减少弹性不完整性，在现场一般将稳定化处理称为立定处理。

对压缩弹簧，是把弹簧压缩到工作极限高度或并紧高度数次；对拉伸弹簧，是把弹簧长度拉至工作极限长度数次；对扭转弹簧，是把弹簧顺工作方向扭转至工作极限扭转角数次。如此作用 7 次之后，弹簧将趋于稳定，现场操作，一般取 3 -5 次。强压处理对弹簧也有稳定化的作用。

5.5 表面防腐处理：

5.5.1 化学保护层：

① 氧化处理（也称发蓝或发黑）：碱性氧化法（膜厚约为 0.6-2um ）、无碱性法、电解氧化法② 磷化处理（膜厚约为 5^～15um 、抗腐蚀能力也远远超氧化处理、缺点是硬度低有脆性、弯曲变形 180^∘ 容易出现裂痕要进行去氢处理）

5.5.2 金属保护层：

镀锌 / 镀铬：去油 / 去锈、电镀（推荐膜厚在 6-24um. ）、去氢处理（200-215℃ /1-2H 或 2H 以上）

5.5.3 非金属保护层：

① 浸涂法：生产效率高，油漆发挥快、且含有重质颜料以及双组份漆料不宜使用、油漆膜不够平整、易产生上薄下厚、边缘流挂的现象② 喷涂法：功效高、施工方便、适应力强、且漆厚比较均匀、平整、光滑，有效利用率仅为 70%～80% 左右、溶剂挥发快、损耗大、还容易造成环境污染③ 静电喷涂法 适宜流水线作业、产品品质好、漆膜厚度均匀、附着力好5.5.4 暂时性保护层：常用的暂时性保护层有浸蜡、涂防锈油、包防锈纸或可剥性塑料等

6. 弹簧理论计算：

理论寿命校核系数τmax/σb ：

① 压簧和拉簧 τmax/σb ⩽0.45 ， τ max/σ b=0.45 是不产生永久变形的极限值② 扭簧 τmax/σ _）⩽0.70 ，τmax/ Ib=0，70 是不产生永久变形的极限值弹簧主要参数：① 材质，规格② 总圈、效圈、旋向、自由长③ 力值要求④ 两端端面要求（如闭合端磨，闭合不端磨等，主要针对压簧）⑤ 表面处理要求⑥ 寿命要求

7. 结论：

弹簧作为基础机械元件，其设计与应用持续推动工程创新。未来，材料科学与制造技术的进步将进一步拓展弹簧的功能边界。

参考文献

GB/T 1239.6------92

[1]ISO 2768  一般为车制与冲压产品的未注公差标准

[2]GB 1239-1、2一般为螺旋压缩弹簧及拉伸簧的检测要求及标准