强化处理工艺影响膜片弹簧载荷变形关系的分析_张铁山

（h-
R-r L-l
λ1）（h-0.5
R-r L-l
λwenku.baidu.com）+t2
（1）
式中，R、r 为碟形部分外半径和内半径；L、l 为外 支
撑半径和内支撑半径 ；F1 为载荷；h 为内截锥高度； λ1 为变形量；t 为板厚；E 为弹性模量；μ 为泊松比。
从图 2 可看出， 强化作用对试件的载荷变形特
性有明显的影响。3 类试件经 A-L 公式计算的峰值、
可信的。 切向应力可根据 A-L 公式法求解， 也可采用
仿真方法求解。 本试验根据仿真计算得到的切向应 力为 1 500~1 600 MPa，一些文献的试验数据[3，8，12，13] 为1 500~2 000 MPa，而图 4 和图 5 中的切向残余应 力小于 1 000 MPa， 即切向残余应力为计算切向应 力的 30%~50%。
喷丸方向
0
3 2 1
拉应力
压应力
喷丸方向
1.残余应力 2.外载计算应力 3.合成实际应力 图 6 喷丸处理后切向应力分布情况
强压处理的情况与喷丸处理情况有所不同。 由 于膜片（或碟形）弹簧试件是结构非线性件，因此 强压后弹簧各部位材料的强化程度相差较大。 根 据 文 献[3]，强压处理后切向残余应力的分布如图 7 所示。 图 7 中，I 点~Ⅲ点分别为凸面、凹面的内半径 位置点和外半径位置点。 由于结构非线性， 切向残 余应力没有对称性。
2 膜片弹簧载荷变形特性试验
2.1 试验准备 选择常用结构型式的 A 类、B 类、C 类 3 种规
格的膜片弹簧为试件，其中 B 类外径最大，C 类外 — 58 —
径 最 小 ，A 类 为 长 圆 形 D 型 孔 ，B 类 和 C 类 为 T 形 D 型孔而锥角 α 大小有较大差别，图 1 为 A 类 试件的结构图。 在专用的试验设备上进行试件的 载荷变形特性检测， 试验用检测夹具按弹性试件 设计要求制作， 测试系统自动记录弹性元件的载 荷与变形。
从图 4 可看出径向残余应力沿厚度方向的变化 规律：径向残余应力从表面至材料内部先增大，达到 最大值后再减小；从图 5 可看出径向残余应力在凸、 凹 2 个表面沿半径方向的变化规律： 凸面沿半径方 向从外径向内径处径向残余应力逐渐减小， 凹面沿 半径方向径向残余应力变化不大。 图 4 和图 5 的径 向残余应力分布是 2 种强化处理的残余应力叠加的 结果。 根据前述分析， 弹簧使用时产生的径向应力 很小，而径向残余应力较大，这就导致弹簧载荷变形 关系的改变。
— 59 —
·材料·工艺·设备· 值都比较小，为 50~100 MPa。 对比图 4 和图 5 的数 据可知，径向残余应力比计算的径向应力大很多，这 将导致弹簧弹性特性的改变。
4 强化处理影响载荷变形特性探讨
4.1 影响因素分析 如前所述，强化处理后采用 A-L 公式计算的
载荷变形关系出现了问题。 A-L 公式中包括几何 结构参数、材料特性参数等，如果喷丸与强压使这 些参数改变，则 A-L 公式的计算结果将出现很大 误差。
从图 4 可看出切向残余应力沿厚度方向的变化 规律：从表面至材料内部先增大，达到最大值后再减 小。 从图 5 可看出切向残余应力在凸、 凹 2 个表面 沿半径方向的变化规律： 凸面沿半径方向从外径向 内径处切向残余应力逐渐减小， 凹面沿半径方向切 向残余应力变化不大。 根据图 6 和图 7 中残余应力 分布可看出， 切向残余应力的分布是 2 种强化处理 后的残余应力叠加的结果， 叠加后的切向残余应力 的分布形式并不对称于中性面。 非对称的切向残余 应力将使弹簧使用中总的切向应力以及分布改变， 引起弹簧载荷变形关系改变。
— 60 —
1
σtI
2
3
σ′tI
σ′tⅣ
σtⅣ Ⅳ
压应力 I
Ⅲ σtⅢ σ′tⅢ
Ⅱ 拉应力
σ′tⅡ σtⅡ
1.残余应力 2.外载计算应力 σt 3.合成实际应力 σt′ 图 7 强压处理后切向应力分布情况
一般情况下，膜片（或碟形）弹簧均是经喷丸和 强压 2 种强化处理后才使用， 因此必须分析 2 种强 化处理共同作用后的综合效果。
图 3 子午截面上测点位置示意 2012 年 第 4 期
残余应力 σ/MPa
靠近内径处径向应力 靠近内径处切向应力 中径处径向应力
中径处切向应力 靠近外径处径向应力 靠近外径处切向应力
200
-1.5
1.0
-0.5
0 -200
0
0.5
-400
-600
-800 -1 000
1.0 1.5
厚度位置 t/mm 横坐标原点为板厚中心处
谷值中误差较大的超过了 20%。 通过对 3 类试件试
验结果的分析发现， 强化作用可使相同变形下载荷
减小。
3 膜片弹簧残余应力的测试与分析
3.1 残余应力测试 由于试件强化作用结果是以残余应力的形式体
现， 而残余应力在构件使用中也将成为总应力的一 部分，因此，对试件进行强化结果试验检测时应检测 试件的残余应力。 测量金属材料构件残余应力的方 法有多种[12]，本试验采用 X-350 型 X 射线应力测定 仪检测残余应力。
虽然经喷丸和强压强化处理后弹簧结构参数改 变了，但结构参数的改变不会影响 A-L 公式计算结 果，因 A-L 公式中使用的是强化处理后的参数。 几 何结构不规则性可能对使用 A-L 公式计算带来误 差，这点文献[6]已经做了讨论。 由于试验用弹簧样 件的几何结构规则性良好， 所以几何结构不规则产 生的误差较小。
0
0
5
10
15
20
-200
-400
-600
-800
-1 000
径向位置 r/mm 横坐标原点为碟形部分内半径处
图 5 残余应力沿膜片弹簧径向分布示意
3.2 残余应力测试结果分析 由图 4 和图 5 可看出残余应力沿径向和深度
方 向 的 变 化 规 律 ， 其 切 向 残 余 应 力 与 文 献 [10] 的 形式及数量级一致。 文献[3]和文献[8]是将喷丸与 强压的残余应力分别描述的， 将两者按照合成的 方式处理后，其残余应力与本试验检测数值相近， 即从同类试验研究结果可证明本试验研究结果是
Zhang Tieshan, Tian Naili （Nanjing University of Science and Technology） 【Abstract】The mechanism of strengthened processing affecting diaphragm(disc) spring load deformation characteristic was studied in the paper. By analyzing the relationship between strengthening processing including load deformation and forced pressure, it is founded that residual stress is the main representation of enhanced treatment. Residual stress test is made to specimen with X-ray stress analyzer and distribution rule of residual pressure is analyzed, it is found that residual stress and change of local material characteristic are main factors affecting load deformation, primary solution is given in the paper.
·材料·工艺·设备·
强化处理工艺影响膜片弹簧载荷变形关系的分析
张铁山 田乃利
（南京理工大学）
【摘要】研 究 了 强 化 处 理 工 艺 对 膜 片 （碟 形 ）弹 簧 载 荷 变 形 特 性 的 影 响 机 理 ，并 进 行 了 载 荷 变 形 特 性 试 验 ，通 过 试 验数据分析载荷变形与喷丸、强压等强化处理工艺的关系，发现残余应力是强化处理效果的主要表现形式。 采用 X 射线应力仪对样件进行了残余应力测试，分析了残余应力的分布规律，发现残余应力和局部材料特性改变是影响载 荷变形的主要因素，由此给出了初步解决方案。
经喷丸和强压强化处理后材料中形成残余应 力，若试件的凸、凹 2 个表面均采用喷丸处理，则 材料产生的切向残余压应力沿深度分布如图 6 所 示[4，5]。 从 图 6 可 看 出 ，2 个 表 面 的 切 向 残 余 应 力 基 本上对称于某个面，这与喷丸的对称性相符。按照 喷丸处理的情况， 切向残余应力和径向残余应力 沿 直 径 方 向 不 变 ， 文 献 [11] 给 出 的 测 量 值 也 是 这 个规律。
A类试件强化处理后的实测值
C类 试 件A-L公 式 计 算 值
B类试件强化处理后的实测值
8
A类试件强化处理前的实测值 B类试件强化处理前的实测值
C类试件强化处理后的实测值
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
变 形 量 λ1/mm
图 2 3 类试件的载荷-变形关系曲线
A-L 公式为：
! " F1=
πEtλ11n（R/r） 6（1-μ2）（L-l）2
t h re r0
R
α
rF
l
L
r rx
bx δ1
δ2
长圆形 D 型孔
图 1 A 类膜片弹簧结构示意
2.2 载荷变形特性试验结果 图 2 为 3 类试件的载荷变形特性关系曲线。
汽车技术
·材料·工艺·设备·
载 荷P/kN
A类 试 件A-L公 式 计 算 值
C类试件强化处理前的实测值
B类 试 件A-L公 式 计 算 值
考虑到试件的结构具有轴对称性， 按照径向残 余应力、 切向残余应力及它们沿深度方向的分布情 况进行残余应力检测。 图 3 为试件的子午截面及检 测点位置示意图，在凸、凹 2 个表面上，沿径向布置 3 个测点，沿厚度方向布置 3 个测点。 A 类试件检测 结果如图 4 和图 5 所示。
为测点位置
凸面
凹面
Key words：Diaphragm Spring， Strengthening processing， Load， Deformation
1 前言
膜片（碟形）弹簧广泛应用于汽车等机电产品 上。 实际工程中使用的膜片（碟形）弹簧一般均进 行喷丸和强压等强化处理， 以增强构件的疲劳寿 命。 然而， 强化处理是否对载荷变形特性产生影 响 ， 目 前 没 有 这 方 面 的 相 关 文 献 ， 多 数 文 献 [1~8] 更 多 地 关 注 对 疲 劳 寿 命 的 影 响 ，即 目 前 采 用 AlmenLaszlo 推 导 公 式 （下 称 A-L 公 式 ）计 算 载 荷 变 形 关 系时未考虑喷丸和强压的影响。 由于膜片（碟形） 弹簧的载荷变形弹性特性是其重要的设计指标， 因此， 必须研究喷丸和强压等强化处理对载荷变 形关系的影响。
图 4 残余应力沿厚度方向分布示意
残余应力 σ/MPa
200
凸面径向应力 凹面径向应力 凸面切向应力 凹面切向应力
凸 面 深0.04 mm处 径 向 应 力 凹 面 深0.04 mm处 径 向 应 力 凸 面 深0.04 mm处 切 向 应 力 凹 面 深0.04 mm处 切 向 应 力
凸 面 深0.15 mm处 径 向 应 力 凹 面 深0.15 mm处 径 向 应 力 凸 面 深0.15 mm处 切 向 应 力 凹 面 深0.15 mm处 切 向 应 力
主题词：膜片弹簧 强化处理 载荷 变形 中图分类号：U467.3 文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2012）04－0058－04
A Study on Strengthened Processing Affecting the Load Deformation Properties of Diaphragm Spring
从图 4 和图 5 的实测数据可看出， 径向残余应 力与切向残余应力是同数量级的数值。 虽然有关文 献给出 了 径 向 应 力 计 算 方 法[18]，但 由 于 大 挠 度 问 题 难于求解， 所以目前还没有一个实际中可使用的解 算公式。 为获得径向应力及其分布规律， 可采用仿 真计算方法求解。 经仿真计算发现， 一般径向应力