浅谈弹簧失效

浅谈弹簧失效

摘要作为弹簧专业制造者，如何解决确保生产出大于使用寿命要求的弹簧产品，避免生产出的弹簧产品出现早期失效，这是一个值得探讨研究的课题。本文就从材料因素失效、设计因素失效和伤痕因素失效这3方面进行探讨论述。

关键词弹簧失效；材料因素；设计因素；伤痕因素

随着社会的进步，新的工业产品的不断出现和应用，给人类创造了更加舒适、安逸的生活环境。作为机械基本元件之一的弹簧，在我们生活的环境里以其独特的魅力发挥着特有的功能。同时也由于弹簧的早期失效，给我们美好的生活带来诸多烦恼和麻烦，有的甚至危及到我们的生命财产安全。

研究弹簧失效案例告诫我们：优质的弹簧材料、合理有效的设计、制造工艺的把关特别是弹簧成形伤痕的控制，与弹簧疲劳失效关系十分密切，这三大因素显得尤为重要。

1 材料因素失效

目前为止，我国弹簧钢标准GB1222-2007中共15个钢种，其中碳钢3种、锰钢7种，含硼钢2种、铬锰钢2种、硅铬钢3种、铬钒钢2种，各钢种的化学成分、力学性能和综合机械性能各有特点。根据弹簧应力要求、工作环境要求、使用寿命要求、合理正确选择弹簧材料十分重要。我国和我国常用的世界其它国家，如美、日、德、韩等国家的材料级别一般把抗拉强度Rm分为三个级别，即按高、中、低分别给出标准。我国《弹簧用不锈钢丝》YB（T）-1983中按A、B、C给出三个抗拉强度标准，其中B组最高，C组居中，A组最低，生产中如果我们用低强度的弹簧材料来生产承载高应力的弹簧，其一、工作负荷会出现下偏现象；其二，弹簧也容易产生永久变形而失效。反之，如用高强度的弹簧材料生产要求高疲劳寿命的弹簧产品，则增加了弹簧在承载高应力条件下的脆断失效趋向。比如：我厂DR用户的YC101压缩弹簧，要求：旋向：右旋，材料：φ0.4不锈钢SUS304（0Cr18Ni9Ti），外径：φ4.6±0.1、总圈数6.5圈、有效圈5圈，自由高度H0=12±0.4，当压缩剩7.5mm时工作负荷P1=3.06N±0.3N,当压缩剩3mm 时P2=6.12N±0.6N。生产过程中，工作负荷又是调整非常顺利，但有时却超出上差，尽管技术人员利用外径公差和自由长度公差去修正也没有办法保证，生产技术人员深感疑惑。问题反馈后，经验算理论值合理，查以往合格品，各值保证均良好。为什么材料直径、材质、包括供应商均未改变的情况下而材料力学性能上有如此区别呢？后经对材质报告单和各捆材料小标签的力学参数分析发现，主要是由于批次不一样，弹簧材料的抗拉强度组别不一样导致弹簧力值出现较大波动，采用A组时弹簧产品生产各参数和工作负荷P1 P2值均保证良好，当采用B 组时尽管利用公差来弥补修正，P1 P2值仍然超差，A组与B组抗拉强度按《弹簧用不锈钢丝》YB（T）-1983标准相差500N/mm2左右。因为材料抗拉强度越高截面应力越高，一款承载低应力的弹簧用高应力的材料来生产，P值出现超上差现象便不足为怪。

不仅如此，同时也会影响弹簧疲劳寿命，因为弹簧材料的强度越高，材料产生脆断的趋向就越大。所以正确合理选择力学性能适中的弹簧材料，不仅能使弹簧工作载荷优良，更重要的是高疲劳寿命下拥有优异的工作性能。所以，弹簧失效与弹簧材料关系密切并且意义重大。

弹簧在工作时，材料截面的应力分布是不均匀的，最大应力都出现在材料表面。弹簧发生疲劳断裂时，其疲劳源于材料表面。当弹簧表面有缺陷时，它往往是形成疲劳源的位置。因此材料除了线径均匀合格外，其表面质量的好坏对弹簧的工作寿命起着至关重要的作用。要保证弹簧良好的工作寿命，首先要保证弹簧材料的合格，表面应光滑，不得有上述说到的裂纹、划痕和拉丝、氧化皮及表面锈蚀等有害缺陷。除此之外，弹簧要有良好的疲劳寿命，更应该要有标准所要求的力学性能和综合机械性能。有的弹簧材料在生产加工过程中，就出现一定比例的裂纹或断裂，是典型的综合机械性能不合格的体现。这类材料一旦采用是肯定会出现显著的弹簧疲劳断裂失效的。

2 设计因素失效

众所周知，好的产品是设计出来的，弹簧的良好疲劳寿命同样也不例外。设计一款具有无限疲劳寿命的弹簧涉及多方面的知识和学科。由于弹簧设计制造专业的综合性和特殊性，加之弹簧属基础件，是由主机厂和配套厂主体产品具体要求而定，所以它的设计一般不能由弹簧专业厂自行设计的特点。成品图纸大多都是主机厂或各行业主体产品研发设计人员设计制定，因此设计弹簧时，缺乏了解弹簧良好疲劳寿命所必需具备的条件，很多弹簧产品由于设计参数不合理，装机后使用初期便产生永久变形，失去弹性导致失效。三、伤痕因素失效弹簧在制造过程中成形、冲压、折弯，如果不严格控制会对弹簧材料产生一定的损伤，有些是明显的、有些是隐形的，特别是拉簧、扭簧及其它异型弹簧。

前面阐述过弹簧材料截面应力的分布，最大应力在弹簧材料表面，弹簧疲劳断裂往往是从弹簧材料表面的某一微小的表面缺陷开始，在交变载荷作用下逐渐过渡、扩展直至断裂失效的。由此不难看出加工伤痕哪怕十分微小的一道“折痕”都是一个导致弹簧应力疲劳失效的隐患。经过一定应力循环后，都会导致弹簧疲劳失效。工作频率越高越显著。弹簧失效是在最大应力值小于材料的屈服强度并在承受交变应力的条件下发生的，所以加工过程中的每一道伤痕，都会在在承受交变应力条件下，逐渐凸现出来。特别是在加工生产拉簧拉钩和扭簧扭臂的折弯处，最容易出现所述的疲劳失效。

综上所述，弹簧卓越的疲劳性能与弹簧材料、设计、伤痕三大因素关系密切，相互制约、互相影响、厚此薄彼，都会对弹簧良好的疲劳性能产生不利影响。弹簧的设计和弹簧材料的选用及生产过程伤痕的控制，无论是设计者还是制造者都应该以科学、严谨的态度来对待它重视他。一款弹簧产品无论静态要求怎样，最终满足的还是弹簧在特定环境下所必有合理的选料、科学的设计、严谨的制造、弹簧的良好疲劳性能才能最终实现。才能真正展示其特有的弹性魅力。

参考文献

[1]张英会，刘辉航，王德成.弹簧手册[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]李璠.某圆柱压缩弹簧裂纹分析[D].全国第五届航空航天装备失效分析会议论文集，2006.