影响圆柱螺旋弹簧疲劳寿命的因素分析

译文：

影响圆柱螺旋弹簧疲劳寿命的因素分析

[摘要]为提高圆柱螺旋弹簧疲劳强度，从消除、减小疲劳破坏的外因及内因入手，合理设计零件参数与材料是完全必要的。在加工制造时合理安排工艺流程，保护和提高弹簧表面状态，严格控制热处理过程，使之基体得到强化。采用抛丸处理等表面强化手段，使弹簧表面获得对提高疲劳极限有利的压应力，同时消除产生裂纹源的表面缺陷，达到提高疲劳寿命之目的。

[关键词]疲劳强度疲劳寿命金相组织裂纹表面强化

一、概述

弹簧作为储能和减震零件，被广泛用于各种机械设备中，随着这些机械设备对高可靠性的要求，对其使用的弹簧疲劳强度及稳定性提出了更高要求。要求弹簧制造厂从设计、制造、热处理、表面处理等过程加以控制，确保弹簧的可靠性。笔者将多年从事机械制造、热处理实际工作的经验与大家分享，以期对读者提高弹簧设计、制造工艺有帮助。

二、疲劳强度的影响因素

疲劳强度的影响因素很多，这里只对与设计、制造有关的因素进行探讨。（一）材料表面粗糙度的影响

交变载荷下金属不均匀滑移主要集中在金属的表面，使疲劳裂纹常常产生在表面上，所以材料表面粗糙度对疲劳强度影响很大。表面划伤、裂纹都会产生应力集中，使疲劳强度下降。因此材料表面粗糙度的影响应引起重视。

（二）表面强化及表面应力的影响

螺旋弹簧不管是受压或受拉，其承受的应力主要是扭转应力，在弹簧的内表面，应力最大。因此，采用表面强化，使弹簧表面残余应力为压应力对提高疲劳极限很有利。表面强化提高疲劳极限的原因在于：表面强化后不仅直接提高了表面层强度，从而提高了表面层的疲劳极限，而且由于强化层的存在，使表层产生压应力，这样就降低了表面层的拉应力，使疲劳裂纹不易产生和扩展。

（三）材料合金成分及组织的影响

弹簧材料成分和组织对疲劳极限的影响主要表现在对强度、热处理工艺性、晶粒大小的影响上。材料成分中影响疲劳极限的主要元素是碳，碳含量的增加，

淬火回火后的硬度及强度提高，其疲劳极限也提高。而合金元素对疲劳极限的影响主要是通过提高钢的淬透性及改善钢的韧性来实现的。另外合金元素的作用还在于改善金相组织、细化晶粒，进而影响热处理工艺性。晶粒细化后能够减小不均匀滑移的程度，从而推迟疲劳裂纹的产生。根据疲劳裂纹扩展机理，当裂纹扩展到晶界时，被迫改变方向，这里晶界对疲劳裂纹的扩展起到阻碍作用。因此，细化晶粒就延长了疲劳寿命。淬火弹簧由于淬火加热或保温不充分而残留有未溶解的铁素体，或热处理不当存在过多的残余奥氏体，都会使疲劳极限下降。（四）绕制及热处理工艺的影响

绕制工艺：选择冷绕比热绕对提高疲劳极限更有利，加热后无疑会使材料表面状态恶化；另外反复加热会造成材料表面脱碳从而降低弹簧的表面强度，最终导致疲劳极限的降低。热处理工艺的影响主要是通过对组织和晶粒度的影响而实现的，这里不再赘述。

（五）表面处理的影响

机械设备中弹簧常用的表面处理工艺有：镀锌、涂漆、达可罗、发蓝、电泳涂漆。涂漆和电泳涂漆对疲劳寿命无不良影响；镀锌处理时应严格去氢处理，否则会造成氢脆；达可罗和发蓝对压缩弹簧的性能无不良作用，但达克罗对有初应力的拉伸弹簧的拉力值会有所降低。

三、提高疲劳强度的对策

要提高弹簧的疲劳强度，应从设计计算、选材、制造工艺、热处理、表面处理等方面合理搭配，才能达到防止或减少非正常的疲劳失效，从而提高零件的疲劳寿命。

（一）设计计算的正确性、结构的合

理性及选材的适应性提高弹簧疲劳强度的基础工作在于正确分析工作应力，合理选取安全系数。小马拉大车要达到高的疲劳寿命就无从谈起。其次，合理选材兼顾成型工艺性、热处理工艺性，才能达到物尽其用，扬长避短之目的。一般说来小线径螺旋弹簧设计时宜选用高强度的冷拉碳素弹簧钢丝，这样绕制成型后，只需去应力回火即可。这样可避免淬火加热对原材料表面状态的破坏，尤其对于直径小于4mm 的钢丝，如选择要淬火的合金弹簧钢丝，在自动淬火条件不具备的情况下，热处理后往往达不到理想的效果。中等截面的弹簧宜选用需淬火的硅锰弹簧钢丝，常用的如60Si2MnA。这类钢中硅含量较高，硅能显著提高弹性极限和屈强比，锰可以减轻脱碳倾向，对提高疲劳寿命较有利。大截面的弹簧，选材时要考虑成型工艺的影响。这样的弹簧需要热绕成型，比中等截面弹簧多一次加热，

因此要选用硅铬钒弹簧钢。常用的如60Si2CrVA。这种钢加热时没有晶粒长大倾向，有高的淬透性，适用于制造承受高负荷的耐热、耐冲击弹簧。结构的合理性不容忽视，对于带有构环的拉伸弹簧及扭转弹簧，直臂与圆柱部位的过渡圆角要设计合理，否则制造时易形成裂纹等隐患。

（二）制造工艺的合理安排

设计参数、材料确定之后，合理安排制造工艺成为提高弹簧疲劳寿命的主要措施。对于热绕弹簧，安排抛丸处理可以去除表面脱碳、氧化等缺陷，消除疲劳裂纹源；另外，抛丸后在弹簧表面形成压应力，起到表面强化的作用。对于截面直径大于20 毫米的弹簧，绕制前还要安排磨削加工，优化表面状态。对于拉伸弹簧、扭转弹簧加工直臂与圆柱过渡圆角时，要合理利用夹具，避免出现裂纹源。（三）制订合理的热处理工艺并严格过程控制

前面已阐述热处理对组织和表面状态的影响，因此应制订合理的热处理工艺并严格贯彻执行。合理的热处理工艺能保证选用材料发挥最大潜力，避免热处理缺陷，使其获得优异的组织状态。有了合理的工艺，严格贯彻执行，注意每个细节，才能达到预期效果。

（四）选择适宜的表面处理工艺

为了保护弹簧表面在使用过程中不被腐蚀，应根据工作条件选择适宜的表面处理工艺。表面为金属镀层时，电镀后要进行去氢处理。

（五）完工检验及试验手段的有效

利用产品质量的优劣是靠制造过程保证的，但这并不否认完工检验及试验手段的独特作用。我们清楚弹簧制造的批量较大，完工检验就要严格执行抽检方案，对要求的检验项目要不折不扣执行。弹簧试验利用得好，会为保证产品质量立下汗马功劳，尤其是永久变形试验，可起到把关的作用。

四、结语

提高弹簧疲劳强度需要统筹考虑设计选材、制造工艺、制造厂现有工艺条件等因素。只有合理利用现有工艺条件，消除降低疲劳强度的影响因素，才能充分发挥材料的潜力，避免表面疲劳裂纹源的产生，达到提高疲劳寿命之目的。