碟形弹簧技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

1、原材料选取

按照新版碟形弹簧国家标准GB1972-2005，碟簧材料可以选择60Si2Mn或50CrV4。从原材料特性来看，硅锰钢系列材料中的硅能固溶于铁素体和奥氏体中，可提高钢的硬度、强度、弹性极限、屈强比和疲劳强度，还能提高材料的回火稳定性和抗氧化性；锰能提高材料的淬透性。但硅含量容易产生石墨化现象和增加表面脱碳倾向，并在钢种易生成硅酸盐夹杂物，该夹杂物在晶界析出，易导致淬火开裂现象。即便淬火过程中没有出现开裂，其开裂倾向也会在弹簧加载过程中逐渐放大，导致弹簧寿命降低，最终失效原因为开裂或碎裂。50CrV4中铬和钒能提高钢的韧性、强度和弹性极限，降低钢的过热敏感性和脱碳倾向，从而改善了碟簧表面质量，提高材料的疲劳强度。其淬透性也比硅锰钢要好。此外铬钒钢回火稳定性较高，500℃-550℃回火后仍有较高的强度和弹性极限，工作环境允许达200℃。因此，铬锰钢是碟形弹簧材料的首选钢种，也是DIN2093标准规定的标准原材料。作为大型碟形弹簧生产厂德国Mubea公司原材料的冷轧和热处理是在公司内进行的，这样最大可能的保证了原材料质量.

2、加工精度

随着转数的提高碟形弹簧的加工精度直接影响主轴的稳定性和使用寿命。过大的弹簧内径造成主轴高速转动时弹簧过多的向外滑动，由此形成的离心力(F=mω2r)相应变大，轴承和主轴的负担加重.较小的平面度和平行度保证弹簧组内单片弹簧受力均匀，弹簧横向位移变小，弹簧组的垂直性更好。对于碟形弹簧在主轴拉刀机构的应用Mubea公司专门开发了高精度碟形弹簧.通过它的特殊边缘结构导向杆和弹簧之间的摩擦被降低，弹簧疲劳寿命也相应增加。

3、喷丸处理

碟形弹簧为中空的锥形环片，由于其特殊的形状，加工过程中弹簧上下表面具有不同的应力状态。通常来讲，上表面为压应力状态，下表面为拉应力状态。按照DIN2093标准和中国国家标准要求，承受动态载荷的碟形弹簧必须进行喷丸处理以改变弹簧表面的应力状态，使弹簧下表面残余应力为压应力状态，以提高碟形弹簧的疲劳寿命。因此，成品碟形弹簧不允许进行任何的后续机械加工。目前，国内主轴维修时经常遇到购买的标准型号碟形弹簧尺寸不能满足主轴安装空间的要求，因而维修商甚至是制造商会对弹簧进行后续的车削或磨削加工。这种额外的机械加工严重改变了碟形弹簧表面或者是内外径边缘处的应力状态，从而导致应力集中，造成弹簧开裂。几乎所有的慕贝尔碟形弹簧都在工厂内经过喷丸处理，从而使产品具有高出DIN2093规定的疲劳寿命。

4、装配

在装配过程中应注意以下问题：

碟形弹簧组装配时，弹簧组两端要保证弹簧外径（而不是内径）与安装空间附件相接触，如受设计要求所限，至少要保证受力端是弹簧外径与安装空间附件相接触。

导向杆或导向套与弹簧组间保留一定间隙，具体要求可查询DIN2093标准或中国国家标准GB1972-2005。
导向件导向表面以及与碟形弹簧组两端相接触的安装空间附件表面须做硬化和抛光处理，表面硬度不小于55HRC，表面粗糙度Ra<3.2。

安装于主轴内的碟形弹簧组随主轴高速旋转，越靠近弹簧组中间部位的单片弹簧，由于受离心力的作用，就越容易偏离弹簧组轴线位置。主轴长度越大，弹簧组总高度也越大，这种现象也越为明显，这也是导致主轴产生振动的关键原因之一。建议按照下面的公式来选择弹簧组的高度：

L0≤3De

其中：L0-弹簧组高度

De-碟形弹簧外径

如受主轴行程和推拉刀载荷的限制，弹簧组高度无法满足上式要求的话，建议在弹簧组中间增加垫片，使垫片间的弹簧组高度满足上式要求，垫片表面处理与导向件相同。

虽然影响主轴精度和寿命的因素有很多，但从其维修工作的现状来看，碟形弹簧的更换工作仍占有相当大的比重，这也从另外一个侧面反映了主轴制造过程中和国外厂家相比关于碟形弹簧组的设计选型和装配工作仍亟待进一步的完善和提高。

第二节 产品工艺特点或流程

目前，我国各专业弹簧生产厂家生产的碟形弹簧同德国厂家生产的同类产品相比，质量稳定性较差，废品率也高，无论是在加工精度和外观，还是在热处理质量等方面均有较大差距。如德国厂家生产的碟形弹簧硬度为HRC46～55，承载力为600～800N，而我国厂家生产的碟形弹簧硬度为HRC42～50，承载力为550～600N。因此，提高碟形弹簧热处理质量是提高我国制造业的性能和质量的重要措施。

碟形弹簧材料为65Mn，用1.2～1.5miTt厚的钢板冲压成形，车制刃口后，进行热处理。要求热处理后硬度为HRC48～53，圆周平面翘曲变形量≤0.2mm。

1、原工艺及处理后存在的问题

原工艺为：采用简单卡具在860±10℃的盐浴炉中加热30S后，平稳地进入260～280℃的硝盐炉中淬火，保温30S，取出后空冷至室温。，采用这种工艺淬火存在的问题，一是热处理后圆周平面翘曲变形量为0.5～1.0mm，变形严重超差；二是硬度偏低。产生以上问题的原因，可能是夹具设计不合理、淬火加热温度偏低或校正不彻底。

2、工艺改进试验及结果

碟形弹簧的壁厚仅为1.2～1.5mm，淬火过程中很容易产生翘曲变形，因此工艺改进的思路是：在淬火工序中，适当提高淬火加热温度，缩短保温时间，并设计一套专用夹具，在保证满足硬度要求的前提下，尽可能减少变形。实践表明，要想在淬火过程中完全解决变形问题是困难的，如果再利用钢材的相变超塑性原理，通过回火校正，则可以进一步减小变形。

1）淬火工艺

为提高生产效率，适应大批量生产的需要，可以制做了一批专用淬火夹具，每个夹具上可以装碟形弹簧20件左右，两件之间保持15mnq左右的距离。采用盐浴炉加热，分级淬火。即在910+-10℃的盐浴炉中快速加热20S左右，迅速而平稳地进入200～230℃的硝盐炉中淬火，保温30S后，取出空冷至室温。经这样的工艺处理后，对其进行金相组织和硬度检查，碟形弹簧整个截面均已淬透，且组织均匀一致，硬度达到HRC50～66。

2）回火工艺

碟形弹簧分级淬火后连同夹具一起放人沸水中洗掉盐污，然后逐个拆卸下来并擦去污渍，装入回火专用夹具，借助于压力机压紧并拧紧螺帽，在井式回火炉中350℃回火3h，出炉空冷，即在夹紧状态下加热回火。如果淬火变形太大，则须在回火中途取出夹具，仍借助于压力机再次压紧并拧紧螺母，重新人炉继续回火。需要强调的是在回火过程中取出夹具再次拧紧螺母时，必须注意掌握好时机。若相变已完成，再返回炉中继续回火，校正变形已无任何意义。经以上淬火、回火工艺处理后，碟形弹簧的硬度为HRC48～53，圆周平面翘曲变形量≤0.2mm，变形



量和硬度均控制在了技术要求范围，其变形量合格率达到98％。

第三节 国内外技术未来发展趋势 分析

碟形弹簧产品技术发展趋势是向轻量化、高可靠性方面发展。

1、开展实用的、低成本、高效率的修整技术 研究 。当前的碟形弹簧制造法或多或少的都存在着制造成本高、效率低、装置复杂、操作不易掌握等局限性，所以开发低成本、高效率、适应性广、工业化应用程度高的碟形弹簧技术已成当务之急。

2、开发碟形弹簧的在线检测、监控、故障自诊断技术。利用声信号来判断工况，对滚轮质量进行评估，应用计算机对制造过程进行控制，开发检测、处理、质量评估、控制一体化的制造系统。

3、应用自适应控制技术和专家系统技术、实现碟形弹簧的智能化修整。模糊数学、数据库、以范例和模型为基础的决策系统、专家系统等理论与技术的发展及其在制造业中的成功应用，为碟形弹簧技术的智能化提供了可靠的技术基础。

4、开发远程控制系统。应用网络技术对制造过程进行远程操作、管理、临控与诊断。