某U型彈簧鋼零件的變形工藝技術分析

魏永星， 高嘉鵬， 魏 超

（山西北方機械制造有限責任公司， 山西 太原 030000）

引言

作為機械零件材料之一，彈簧在許多領域中均有所體現，包括工程機械、運輸工具等，如農用車、鐵路車輛、航空器以及軌道扣件等。值得注意的是，彈簧應用下極易出現熱處理變形與回彈現象，這就要求提高彈簧剛零件強度，使彈簧使用壽命延長。本次研究選擇某U型零件為研究對象，零件彈簧材料為Si-Mn系彈簧鋼材料，生產加工中面臨的問題主要以生產合格率不高、變形量過大等需采用相關的變形工藝技術，使產品合格率提高。

1 關于Si-Mn彈簧片材料基本特征研究

本次研究中，所選擇的彈簧片材料為Si-Mn系，從彈簧片整體結構看，R6、R17為其回彈圓弧，長、寬、厚分別為30 mm、5 mm、0.8 mm，結構如圖1所示。彈簧鋼材料取60Si2MnA，化學成分、力學性能具體如表1、表2所示。從該材料的優勢看，主要表現在有較高的回火穩定性與耐蝕性。需注意材料應用下，存在一定的不足，如不具備較高的冷變形塑性，易出現脫碳情況，若脫碳問題嚴重，彈簧鋼的疲勞極限將會降低。實際加工中，要求配合多種工藝，包括噴丸工藝、熱處理方式等，將表層工作應力消除，避免有裂紋形成于表層，以此使彈簧疲勞極限提高。

圖1 彈簧片尺寸圖（單位：mm）

表1 60Si2MnA彈簧鋼的化學成分 %

表2 60Si2MnA彈簧鋼的力學性能

2 彈簧片變形工藝技術應用研究

由Si-Mn系彈簧鋼材料特征可發現，加工中面臨的問題主要表現在熱處理過程以及可能產生的回彈效應上。因此，本文在研究中提出具體的彈簧片變形工藝技術[1]。

2.1 沖壓回彈效應

工件加工中出現彎曲變形的可能性較大，主要因外彎曲力矩作用產生，如圖2所示，表示M作用力下產生的變形情況。

對于彎曲變形，可細化為彈性變形和塑形變形兩類，若去除彎曲力矩，彈性變形消失，保留板料塑形變形。整個彎曲變化中，彈性變形恢復，可能影響工件彎曲半徑、彎曲角，此時所出現的情況可稱之為彎曲件回彈[2]，具體如圖3所示。

圖2 板料件變形區

圖3 彎曲件的回彈

由圖3可發現，以Δα=α0-α式表示角度回彈值，無法利用理論對該值計算。具體剖析影響該值變化的因素[3]，包含以下幾方面：

1）性能因素。主要表現在機械性能上，以屈服極限為例，性模量E在屈服極限結果σs提高的情況下降低，增加彎曲變形的回彈。

2）彎曲半徑因素。本次研究主要選擇相對彎曲半徑，計算取彎曲半徑r、材料厚度t比值。若比值結果大，說明回彈越大，反之會增加變形程度。

3）彎曲角中心α。彎曲角中心α愈大，表示變形區的長度愈大，回彈的累計值愈大。

4）材料模具。該因素主要體現在生產加工中，受沖壓成型作用力影響，凹模與凸模有間隙形成。這種間隙越大，意味對材料貼膜影響越明顯，成型材料塑性變形變小，這樣出現零件回彈的可能性便越高。因此，若無法控制板料厚度，將面臨回彈值不穩定情況。

5）凹模圓角半徑。加工中需嚴格控制凹模進口圓角半徑，一般要求較大，對板料成型有積極作用，而半徑過小，易出現板料應力過于集中的問題。

6）摩擦力。這種摩擦力體現在面積表面、彎曲板料表面方面，若摩擦力過大，很可能使彎曲毛坯應力狀態出現變化。

7）流動阻力因素。該因素主要表現在彎曲力上，沖壓成型中，有流動阻力形成，其作用在于使塑性變形充分，材料流動合理。需注意的是，若彎曲力過大，將增加板料流動難度，裂紋出現的可能性較高，反之，流動阻力無法對板料起到阻力作用，致使凹模內可能有板料進入。

由上述可知，至今尚無可以準確計算Δα的理論公式，實際中只能查閱有關沖壓設計資料或憑經驗確定故有一定誤差。

2.2 彈簧鋼變形受熱處理工藝

加工生產中，因熱處理工藝使彈簧鋼材料零件可能有復位偏差超標現象。特別在工件加熱過程中，材料內的硅元素作用，易導致表層脫碳可能性增加。另外，加工過程中保持高淬火溫度，盡管有助于加工件力學性能的提高，固溶強化效果明顯，但是會增大奧氏體晶粒體積。

當奧氏體晶粒體積增大，且存在表層脫碳情況下時，將會降低表層力學性能。針對該種問題，在實際解決中，考慮以高頻感應加熱淬火為主，對降低加工件表層脫碳發生率有積極意義，這樣在芯部、表層應力改善情況下，可有效控制彈簧復位偏差問題。

熱處理工藝選擇中，以淬火配合中溫回火方式，使加工件彈性極限提高。具體的工藝參數如表3所示。

表3 熱處理參數

2.3 裂紋問題處理工藝

從60Si2MnA鋼特點分析中可以發現，因其有較高的硬度，出現裂紋的可能性極大。對此，成形加工中，應注意在成形外表面采用冷軋光亮面方式，其對于零件表面細紋、開裂情況的控制有積極作用，使零件的合格率得到保證[4]。

3 結語

彈簧片零件設計工藝是影響其使用性能的關鍵因素。本次研究中所選取的材料在加工中面臨的問題表現在硬度高、裂紋出現可能性大等，實際解決中考慮利用熱處理工藝做復位偏差控制，且給予沖壓回彈效應，這樣在零件尺寸合理情況下，使零件生產效率提高。

[1]肖景榮.沖壓工藝學[M].北京：機械工業出版社，1999.

[2]申勇，申斌，吳靜，等.彈簧鋼的技術發展及工藝現狀[J].金屬制品，2009（3）：22-25.

[3]徐雅冬.U型彎曲回彈預測及優化方法的研究[D].天津：天津理工大學，2008。

[4]程兒澤.60Si2MnA彈簧鋼熱處理工藝與性能的關系[J].理化檢驗（物理分冊），1997（3）：24-30.