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彈簧技術發展現狀

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彈簧技術發展現狀

發布日期:2015-04-25 00:00 來源:http://www.goinsidetogreetthelight.com 點擊:

在機電產品中,用量最大的彈簧主要有:


    1)以汽車為主的機動車輛彈簧;


    2)以日用電器為主的電子產品彈簧;


    3)以攝像機、複印機和照相機為主的光學裝置彈簧。


    機動車輛彈簧主要是向高強度方向發展,以減輕質量;電子產品彈簧主要是向中形化方向發展;而光學裝置彈簧主要向著既要高強度化又要小形化方向發展。相應的彈簧設計方法、材料和加工技術等方麵均有所發展。


    一、彈簧設計的發展


    目前,廣泛應用的彈簧應力和變形的計算公式是根據材料力學推導出來的,若無一定的實際經驗,很難設計和製造出高精度的彈簧。隨著設計應力的提高,以往的很多經驗不再適用。例如,彈簧的設計應力提高後,螺旋角加大,會使彈簧的疲勞源由簧圈的內側轉移到外側。為此,必須采用精密的解析技術,當前應用較廣的方法是有限元法(FEM)。


    車輛懸架彈簧的特征是除具有足夠的疲勞壽命外,其永久變形要小,即抗鬆弛性能要在規定的範圍內,否則將發生車身重心偏移。同時,要考慮環境腐蝕對其疲勞壽命的影響。隨著車輛保養期的增大,對永久變形和疲勞壽命都提出了更嚴格的要求,為此必須采用高精度的設計方法。有限元法可以詳細預測彈簧應力對疲勞壽命和永久變形的影響,能準確反映對彈簧疲勞壽命和永久變形的關係。


    近年來,彈簧的有限元法設計方法進入實用化階段,出現了不少有實用價值的報告,如螺旋角對彈簧應力的影響;用有限元法計算的應力和疲勞壽命的關係等。


    另外,在彈簧的設計過程中還引進了優化設計。彈簧的結構較為簡單,功能單純,影響結構和性能的參變量少,所以設計者很早就運用解析法、圖解法或圖解分析法尋求最優設計方案,取得了一定成效。隨著計算技術的發展,利用計算機進行非線性規劃的優化設計,取得了成效。


    隨著彈簧應用技術的開發,也給設計者提出了很多需要注意和解決的新問題。如材料、強壓和噴丸處理對疲勞性能和鬆弛性能的影響,設計時難以確切計算,要靠實驗數據來定;又如按現行設計公式求出的圈數,製成的彈簧剛度均比設計剛度值小,需要減少有效圈數,方可達到設計要求。


    二、彈簧材料的發展


    彈簧應用技術的發展,對材料提出了更高的要求。主要是在高應力下的提高疲勞壽命和抗鬆弛性能;其次是根據不同的用途,要求具有耐蝕性、非磁性、導電性、耐磨性、耐熱性等。為此,彈簧材料除開發了新品種外,另外嚴格控製化學成分,降低非金屬夾雜,提高表麵質量和尺寸精度等方麵也取得了有益的成效。


    1.合金鋼絲的發展


    氣門彈簧和懸架彈簧已廣泛應用Si-Cr鋼。為了提高疲勞壽命和抗鬆弛性能,在Si-Cr鋼中添加V、Mo。同時開發了Si-Cr拉拔鋼絲,其在高溫下工作時的抗鬆弛性能,比琴鋼絲好。隨著發動機高速小型化,抗顫振性能好、質量輕、彈性模量小的Ti合金得到了較為廣泛的應用,其強度可達2000MPa。


    2.不鏽鋼絲的發展


    1)奧氏體組織不鏽鋼絲強度比鐵素體組織的好,其耐蝕性也優於馬氏體組織,因而應用範圍不斷擴大。


    2)低溫拔絲或低溫氮化拔絲可提高鋼絲強度。馬氏體受熱時組織不穩定,而在低溫液體氮中拔絲能形成隱針狀馬氏體,可獲得熱態高強度。此種鋼絲在美國和日本已有不少應用,但目前隻能處理1mm以下的鋼


    3)電子設備中的精密彈簧要求非磁性,此種鋼絲在拉拔加工時,不能生成隱針狀馬氏體。為此要添加N、Mn、Ni等元素。為了滿足這方麵的需求,美國開發了AUS205(0.15C-17Cr-1Ni-15Mn-0.3N) 和YUS(0.17C-21Cr-5Ni-10Mn-0.3N)。由於Mn的含量增加,加工中不會生成隱針狀馬氏體。經固溶處理,強度可達2000MPa,疲勞性能高,優於SUS 304。


    3.提高材料純度


    對高強度材料,嚴格控製夾雜,提高純度以保證其性能。如氣門彈簧材料的含氧量,目前已達20-10-6級別。


    4.改善表麵質量


    材料表麵質量對疲勞性能影響很大。為了保證表麵質量,對有特殊要求的材料采用剝皮工藝將表層0.1 mm厚的材料剝掉。對0.5mm深度的缺陷采用渦流探傷。對拔絲過程表麵產生的凹凸不平,可用電解研磨,使表麵粗糙降到Ra=6.5-3.4μm。


    5.電鍍鋼絲的發展


    在特殊情況下,除要求彈簧特性外,還要求耐蝕、導電等附加性能,大多均采用電鍍工藝解決。


    部分不鏽鋼絲和琴鋼絲的耐蝕性能相當於鍍鋅的耐蝕性能,若再鍍一層ZnAI(5%)的合金,則耐蝕性可提高約3倍。


    對電阻性能有要求的不鏽鋼絲或琴鋼絲,鋼絲直徑小於0.4mm的可鍍銅,大於0.4mm的可采用內部是銅,外部是不鏽鋼材料。一般琴鋼絲鍍5μm厚的Ni,可提高其導電性。


    一般來說,能使材料表麵硬化形成殘餘應力的工藝(如噴丸強化和表麵氮化等)均可提高疲勞強度。目前正在研究非電解鍍Ni,通過加熱(300500℃)可將7%的P以PNi析出,可提高維氏硬度達HV 500。噴丸後,若在300℃以下加熱鍍Ni,亦可提高硬度10%。


    6.形狀記憶合金的開發


    目前在彈簧方麵有應用前途的單向形狀記憶合金,以50Ti-50Ni性能最好。形狀記憶合金製成的彈簧,受溫度的作用可伸縮。主要用於恒溫、恒載荷、恒變形量的控製係統中。由於是靠彈簧伸縮推動執行機構,所以彈簧的工作應力變化較大。


    7.陶瓷的應用


    陶瓷的彈性模量高,斷裂強度低,適用於變化不大的地方。目前正在開發的有耐熱、耐磨、絕緣性好的陶瓷;應用的有超塑性鋅合金(SPZ),在常溫下具有高的強度。另外,還有高強度的氮化矽,能耐高溫,可達1000℃。但陶瓷彈簧不適用於在衝擊載荷下工作。


    8.纖維增強塑料在彈簧中的應用


    玻璃纖維增強塑料(GFRP)板彈簧在英、美和日本等國已廣泛應用,除用於橫置懸架外,還可用於特殊輕型車輛,如賽車的縱置懸架。目前又研製成功了碳素纖維增強塑料(CFRP)懸架彈簧,比金屬板簧要輕20%。


    三、彈簧加工技術的發展


    目前,機械彈簧的加工設備和加工生產線向著數控(NC)和計算機控製(CNC)化的深度和廣度發展。但隨著彈簧材料和幾何形狀的變化,加工工藝亦有發展。


    1)變彈簧外徑、變節距和變鋼絲直徑(三變)懸架彈簧實現了無模塑性加工。自三變彈簧開發以來,一直采用錐形鋼棒在數控車床上卷繞加工,但成品率和價格均不理想。現在為加熱狀態下控製軋輥速度和拉拔力;獲得所需要的錐體形狀,再通過卷簧機卷繞成形,並用加工餘熱進行淬火。


    2)中空穩定彈簧杆采用低碳硼鋼板,卷製焊接成形。


    3)扭杆采用高純度的45鋼,經高頻淬火獲得表麵的高硬度和較大的殘餘壓縮應力,從而提高疲勞壽命和抗鬆弛能力。


    4)電子產品廣泛應用的片彈簧基本上采用衝壓和自動彎曲加工成形。目前主要是發展複合材料的接合技術。


    5)氣門彈簧主要發展多級噴丸和液體氮化工藝,以改善表麵殘餘壓應力,提高疲勞壽命。


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