扭簧絲計算及制造

王海波

（哈爾濱量具刃具集團有限責任公司量具刃具研究所，哈爾濱150040）

扭簧絲計算及制造

王海波

（哈爾濱量具刃具集團有限責任公司量具刃具研究所，哈爾濱150040）

扭簧絲是扭簧比較儀的核心元件，研究其計算及制造工藝關系到新量具生產的精度、可靠性和壽命等各項技術指標。文中介紹了扭簧絲計算及制造中材料、繞制節距、厚寬比等不同時對扭簧的影響。

扭簧絲；材料；放大比

0 引言

扭簧絲是扭簧比較儀的核心元件，對于它的計算及制造工藝的研究不僅關系到新量具生產的精度、可靠性和壽命等各項技術指標，而且也可為促進國內各類扭簧比較儀的發展及生產提供有利的保證。

扭簧絲是采用一條放大比極高、極精確的金屬絲，繞制成左右麻花節，根據其軸向伸長和回轉角呈線性關系的彈性工作原理設計而成。

1 扭簧絲的計算

扭簧絲材料、截面尺寸及繞制節距與扭簧放大比、彈性工作轉圈及拉伸剛度等設計參數的關系如下：

1）現以量儀使用的9 μm×0.15 mm和6 μm×0.12 mm截面尺寸的扭簧絲計算實例，說明材料對扭簧絲設計參數的影響（表1）。

表1 材料對扭簧絲設計參數的影響

2）現以6 μm×0.12 mm截面尺寸的錫鋅青銅扭簧絲計算實例說明扭簧絲繞制節距對扭簧設計參數的影響。計算結果見表2。

表2 扭簧絲繞制節距對扭簧設計參數的影響

扭簧絲繞制節距對放大比、彈性工作轉圈及拉伸剛度影響關系曲線如圖1所示。

3）現以扭簧絲繞制節距為2 mm，厚度為6 μm，當厚寬比為不同數值時對扭簧絲設計參數的影響結果見表3。

扭簧絲截面厚寬比對放大比、彈性工作轉圈及拉伸剛度影響關系曲線如圖2所示。

從上面計算實例分析可知：

圖1 扭簧絲繞制節距對放大比、彈性工作轉圈及拉伸剛度影響關系曲線

表3 扭簧絲厚寬比不同時對扭簧設計參數的影響

圖2 扭簧絲截面厚寬比對放大比、彈性工作轉圈及拉伸剛度影響關系曲線

（1）扭簧絲繞制節距對扭簧絲放大比、彈性工作轉圈及拉伸剛度均有影響；對于截面尺寸6 μm×0.12 mm錫鋅青銅扭簧絲，最佳繞制節距為4～5 mm，此時放大比及彈性工作轉圈最大；繞制節距為3～4 mm其值變化不大，但當繞制節距小于2 mm時，其值下降較快；但最佳繞制節距時，其拉伸剛度也是小的。

（2）扭簧絲厚寬比對放大比、彈性工作轉圈及拉伸剛度亦均有影響；對繞制節距為2 mm時，厚度為6 μm的扭簧絲其最佳厚寬比在1/15～1/20之間，厚寬比小于或大于此值時，對于放大比、彈性工作轉圈均是降低的；而拉伸剛度是隨著厚寬比增加而遞增的。

2 扭簧絲的制造

2.1 扭簧絲材料的物理機械性能

因為扭簧絲是根據軸向延伸值和回轉角度成線性關系的彈性變形原理而設計，它作為量儀的放大元件，在使用性能上要求有足夠的放大比和示值范圍。因而，對材料的要求是選擇一些彈性極限高而剛性小的材料（各類青銅及其它有色金屬合金）即彈性比功大的材料。彈性比功是材料吸收變形而不發生永久變形的能力。

制造扭簧絲選用的材料就材質物理機械性能而言，主要表現在如下幾個參數上：1）彈性模量E。E愈大表示剛性愈大，即在一定的應力下所產生的變形小，表示變形的難易程度，而扭簧絲應選較小E值的材料。2）剪切彈性模量G。G值愈大表示剛性愈大、變形愈難。3）材料彈性極限σy。它是材料抵抗最大變形的極限抗力。從扭簧絲理論分析計算中得知，材料的彈性極限σy與剪切彈性模量G之比值愈大，則扭簧絲的彈性工作轉圈Qnp愈大。可見該比值是影響扭簧絲線性關系的重要原因之一。根據不同分度值的量儀，選擇彈性不同的材料，在材料選定之后，通過材料熱處理工藝提高材料彈性極限。4）材料的硬度愈高，愈難壓延。硬度的選擇主要取決于壓延工藝及設備。5）材料的電阻系數，采取通電定型的扭簧絲電阻的大小及均勻性直接影響定型工藝質量。同時通過電阻均勻性程度也能反映出材料性能方面的變化；試驗表明，由于線材壓延加工狀態不同，電阻差異很大。6）材料的焊接性，扭簧絲應選擇焊接性好的材料。7）材料的抗腐蝕性要好。

2.2 扭簧絲制造中材料的選擇

根據制造扭簧絲選用的幾種材料的物理機械性能可知，滿足扭簧絲性能要求的材料有錫鋅青銅、磷青銅、鈹銅及鉑銀等有色金屬材料：1）錫鋅青銅工藝性最好，它的硬度低，易于壓延。2）磷青銅其性能與錫鋅青銅差不多，但由于工藝性較差，一般不采用。3）鈹銅的材料硬度高于錫鋅青銅，壓延性不如錫鋅青銅，但加工并不困難。4）鉑銀的線性最好，對于高精度分度值（0.01～0.02 μm）的量儀最為適用，其硬度較高，壓延性能較差，但可以壓延。

3 結語

扭簧絲材料的選擇主要應考慮材料線性好，放大比大，彈性工作轉圈多，拉伸剛度小，并且易于壓延、定型處理及焊接等因素而確定。目前鈹青銅是較為理想的材料。鈹青銅的放大比大，彈性工作轉圈僅小于鉑銀，硬度中等，一般設備均可壓延。鈹青銅的電阻系數最小，定型電壓較低。焊接性能雖然較差，但焊接并不困難。鈹青銅材料經多年生產驗證，較適用于生產0.000 5～0.001 mm分度值的量儀。

（編輯黃 荻）

TG 802

B

1002－2333（2014）05－0266－02

王海波（1961—），男，工程師。

2014-02-01