玻璃機械中彈簧疲勞斷裂壽命分析

陶 飛，劉 銳，尉少坤

(中國建材國際工程集團有限公司，蚌埠 233010)

在浮法玻璃實際生產中，切割設備是生產線的重要設備，彈簧是切割設備的重要零件。該零件決定玻璃切裁質量，切割設備使用氣源壓力、抬落刀速度、刀痕質量等相關參數，因此提高彈簧的壽命與穩定性，對于切割設備的穩定、切割精度與玻璃切割質量非常重要。彈簧在實際工作承受交變載荷，疲勞破壞是彈簧的主要失效方式。因此，疲勞壽命就是彈簧質量的關鍵指標。

1 彈簧材料及斷口分析

1.1 彈簧材料及基本參數

彈簧材料選用GB/T4357中直徑為1.6 mm的碳素彈簧C級鋼絲繞制而成，以常用的碳素彈簧鋼65Mn為例，其參數見表1。彈簧的設計參數見表2。

表1 碳素鋼絲許用值

表2 彈簧參數

1.2 斷口形式及原因分析

緩沖彈簧在實際的使用過程中平均連續工作約60 h出現斷裂，斷裂形式見圖1。

對彈簧斷口進行分析，在低倍顯微鏡下觀察斷口，斷口可明顯見到3個斷裂區域：斷裂源區、擴展區和瞬斷區，如圖2、圖3、圖4所示。

根據圖2顯示，斷裂為條紋狀，斷口平整，有撕裂棱和疲勞輝紋。斷裂源區一般位于零件的表面或亞表面的應力集中處,裂紋擴展速率較慢,經過反磨損裂紋在擴展中相遇,匯合形成輻射狀臺階或條紋。

根據圖3顯示，裂紋緩慢擴展，裂紋擴展方向與最大拉應力方向垂直。擴展區的主要微觀特征是疲勞條帶。疲勞條帶有以下特征：1)條帶的形態是起伏或漣波狀；2)由條帶可以斷定裂紋前沿線在前進時的位置；3)條帶有脆性和塑性的。

圖4為瞬斷區，由于有效接觸面積減小，單位面積受力增大，裂紋沿著彈簧拉伸方向呈層狀斷裂，斷口比較粗糙、凹凸不平。在拉伸力作用下，晶粒沿受力方向變長且結合力變弱，最終裂紋擴展速度變快，導致撕裂剝離。

通過對彈簧的斷口分析，可初步判斷彈簧的斷裂為疲勞塑性斷裂，該文將對彈簧的相關參數進行校核。

2 彈簧的強度校核及參數優化

2.1 彈簧的強度校核

彈簧的鋼絲直徑為1.6 mm，中徑為9 mm，可計算彈簧的彈性系數

(1)

彈簧初拉力的確定：根據機械手冊查詢，此種規格的彈簧初拉力為19.1 N。根據GB/T 1239.6初拉力計算公式

(2)

在此，以GB/T 1239.6為準，取P0=14.1 N。

彈簧初始狀態拉力F1

F1=P0+F′×L0=14.1+2.27×7.2=30.4 N

(3)

彈簧工作狀態拉力F2

F2=F1+F′×L=30.4+50×2.27=143.9 N

(4)

F1為最小的工作拉力，其對應彈簧的剪切力為最小剪切力，彈簧最小切應力τmin

(5)

F2為最大的工作拉力，其對應彈簧的剪切力為最大剪切力，彈簧最大切應力τmax

(6)

根據GB/T 23935《圓柱螺旋彈簧設計計算》，使用碳素彈簧鋼絲冷卷為拉伸彈簧，按無限疲勞壽命計算時許用切應力為0.33σb,其中彈簧抗拉強度σb為2 110 MPa,最終計算得出許用切應力為697 MPa。

安全系數S為

(7)

根據GB/T 23935《圓柱螺旋彈簧設計計算》，最小安全系數為1.1～1.3，取1.3。

由式(6)計算可得最大切應力1 342 MPa遠大于許用切應力697 MPa。因而彈簧在最大切應力處存在應力過大而斷裂的風險。

由式(7)計算可得安全系數0.47遠小于許用安全系數1.3。因而可知該款彈簧無法達到無限疲勞壽命。

通過對復位拉伸彈簧疲勞壽命的計算分析可得出結論，彈簧實際工作時最大切應力遠大于許用切應力，彈簧在無限循環載荷作用下安全系數不足，從而造成彈簧斷裂。

2.2 彈簧的參數優化

根據上述計算，若要提高彈簧的疲勞壽命則需降低最大切應力值，可通過增加彈簧中徑、增加有效圈數等方法，該文就以增加中徑為例校核彈簧的疲勞強度，彈簧的中徑增加1 mm為10 mm。優化后的參數見表3。

表3 優化后彈簧參數

通過計算可知：計算彈簧的彈性系數F′為1.04,初拉力計P0為12.7，彈簧初始狀態拉力F1為20.2 N,彈簧工作狀態最大拉力F2為72.2 N，彈簧最小切應力τmin為168.87 MPa，彈簧最大切應力τmax為653.89 MPa，安全系數S為1.23。

彈簧最大切應力小于許用切應力，安全系數也在允許范圍區間。由此可見，通過優化相關參數后，彈簧可以滿足無限疲勞壽命強度，彈簧中徑是彈簧壽命的關鍵因素。在其余條件不變的前提下，中徑增加1 mm可使得彈簧的使用壽命大大增加。

2.3 拉鉤強度校核

考慮彈簧的斷裂位置在拉鉤處，根據GB/T 23935,鉤環位置承受較大的彎曲應力和切應力，對于重要的彈簧，需要校核此處應力。鉤環受力見圖5。在此，直接帶入優化后的參數，驗證是否滿足要求。

彎曲應力

許用彎曲應力[σ]按0.5σb，[σ]=905 MPa，彎曲應力σ<[σ]。

根據上述公式可以得出結論，在不改彈簧關鍵參數的前提下，優化鉤環的彎曲半徑r2、r3可降低鉤環的彎曲應力和切應力，進而實現鉤環的使用壽命。

3 提高彈簧疲勞強度的工藝方法

除優化參數外，還有很多提高疲勞強度的工藝方法：

1)材料的屈服強度。彈簧材料的屈服強度越高，其疲勞強度也越高。設法提高彈簧材料本身的屈服強度或采用屈服強度和抗拉強度比值較高的材料。

2)彈簧材料的表面質量。彈簧材料的表層的應力最大，彈簧的表面質量對其疲勞強度影響很大。例如，考慮實際的加工工藝，彈簧在繞制過程中對材料表面會造成傷痕等缺陷，此類缺陷往往是造成彈簧疲勞斷裂的主要原因。

3)彈簧材料的熱處理。彈簧大部分都會進行熱處理，彈簧熱處理的目的在于充分發揮材料的潛力，使之達到或接近最佳的力學性能，從而保證彈簧在使用狀態下可長期可靠地工作。對于直徑較小的彈簧可采用等溫淬火，減少變形提高強韌性。

4)彈簧材料的表面化學處理。對材料表面進行低溫碳氮共滲，它在一定程度上克服了滲氮層硬度雖高但滲層較淺，而滲碳層雖然深度大，但表面硬度較低的缺點。對于卷簧采用回火與低溫碳氮共滲工藝，可提高彈簧的疲勞壽命及耐蝕性。

5)噴丸處理。噴丸處理是目前應用最廣泛的改善彈簧表面質量的方法之一。彈簧的表面質量，劃痕等缺陷往往會成為彈簧工作時應力集中的地方和疲勞斷裂源，經過噴丸處理，改善彈簧表面質量，提高表面強度，提高彈簧疲勞強度和使用壽命。

6)彈簧的松弛處理。彈簧長時間在外力作用下工作會產生微量的永久塑性變形，使彈簧的精度降低，這對精密彈簧是不允許的。因此，精密彈簧在淬火、回火后應進行松弛處理。

4 結 論

a.通過計算后驗證最大工作應力大于材料的許用應力，彈簧的安全系數不足，無法保證無限疲勞壽命。優化彈簧的關鍵參數可大大提高彈簧疲勞強度和使用壽命。

b.考慮到此次彈簧的斷裂均在鉤環處，通過改變彈簧鉤環的半徑可降低鉤環處的彎曲應力和切應力，增加鉤環的疲勞強度。

c.通過改變彈簧使用材料、彈簧制作加工時的表面質量、材料表面的熱處理和化學處理等工藝方法提高彈簧表面的疲勞強度。