螺旋彈簧熱處理變形控制與預(yù)防措施

蔣克全，趙興德，巢昺軒

(昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

彈簧熱處理后幾何形狀和尺寸變化的主要原因是熱處理加熱過程和淬火時產(chǎn)生的熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。另外，彈簧殘余應(yīng)力的釋放、彈簧的自重均可能導(dǎo)致彈簧熱處理變形，材料本身存在的合金成分偏析或者脫碳等因素也會加大彈簧的熱處理變形。彈簧冷卻時，由于彈簧不同部位的冷卻速度不同，會形成熱應(yīng)力而使彈簧變形，即使冷卻速度相同，表面冷卻快心部冷卻慢，而產(chǎn)生相變應(yīng)力。熱處理變形特別是淬火變形，由于熱應(yīng)力及組織應(yīng)力的存在，產(chǎn)生變形是無法避免[1]。應(yīng)盡可能地減小熱處理變形，或在熱處理后對零件進(jìn)行校正以達(dá)到零件的熱處理變形要求[2]。

彈簧零件是在成形后再進(jìn)行熱處理，熱處理的方式主要有兩種。一種是淬火+中溫回火，熱處理回火后組織為回火托氏體，這種組織的彈性極限和屈服極限高，并有一定的韌性。對于絲徑較大的彈簧零件熱處理后校正較困難。熱處理變形控制主要選擇在淬火階段和回火階段實施，比如在淬火階段可采用適當(dāng)?shù)膴A具或合理的綁扎，在回火階段采用合適的模具進(jìn)行定型回火校正[3]。

另一種是彈簧成形后進(jìn)行去應(yīng)力回火，該種彈簧熱處理的變形主要體現(xiàn)在應(yīng)力消除后彈簧制件尺寸會略有變化，會影響彈簧的最終尺寸，可能造成零件的超差。這種彈簧的變形處理措施主要是縮小彈簧制造公差或預(yù)留熱處理變形公差來滿足最終圖紙尺寸要求。

1 淬火、回火熱處理變形控制

1.1 螺旋壓縮彈簧的熱處理變形控制

50CrVA鋼壓縮彈簧，鋼絲直徑為φ9.0 mm，熱處理后硬度要求為45～54 HRC。該彈簧采用鹽浴爐淬火，空氣爐回火，熱處理工藝參數(shù)為：850 ℃淬火8～12 min，油冷；370～400 ℃回火40～50 min，空冷。

該類彈簧在熱處理過程中容易發(fā)生直線度超差、節(jié)距不均勻及支撐圈張開等問題，該零件鋼絲直徑較大，熱處理后變形校正困難，因此，需要嚴(yán)格控制熱處理變形。主要采取的措施是：彈簧兩端頭支撐圈位置用細(xì)鐵絲綁扎緊，彈簧穿心軸橫向吊掛入爐，熱處理前進(jìn)行預(yù)熱，回火時平直擺放，不堆放，如圖1所示。彈簧橫向入爐，主要是減少彈簧自重對節(jié)距的影響，支撐圈扎緊可有效預(yù)防支撐圈張開。彈簧回火時，彈簧擺放平直，不堆放，減少變形。采用上述措施后，可顯著減少彈簧的變形，但仍需要在熱處理后進(jìn)行一定量的校正。為進(jìn)一步減少彈簧熱處理變形，在彈簧熱處理前進(jìn)行消除應(yīng)力退火，回火時采用專用回火校正工裝等措施。

圖1 壓縮彈簧淬火綁扎(a)和吊掛(b)Fig.1 Compressing spring quenching strapping(a) and hanging(b)

1.2 扭力彈簧的熱處理變形控制

某扭力彈簧安裝在直升機(jī)操縱系統(tǒng)上，在使用過程中經(jīng)常發(fā)生干涉的問題，影響飛行安全。經(jīng)分析該彈簧主要存在直線度和節(jié)距超差的問題，其直接原因也是彈簧在熱處理過程中發(fā)生變形，且校正后難以完全滿足設(shè)計圖紙要求。彈簧材料為50CrVA-冷拉，鋼絲直徑為φ5.5 mm，熱處理后硬度要求為45～50 HRC。該彈簧采用鹽浴爐淬火，空氣爐回火，熱處理工藝參數(shù)為：850 ℃淬火6～8 min，油冷；370～420 ℃回火30～40 min，空冷。為防止熱處理變形，該零件在熱處理時，彈簧穿心軸橫向吊掛入爐。為防止節(jié)距變化，根據(jù)節(jié)距大小，中間插入相同絲徑的鋼絲，并將彈簧扎緊。回火時，擰入專用回火校正芯軸，這樣可很好地保證彈簧的節(jié)距和直線度。如圖2所示，經(jīng)過工藝改進(jìn)后的扭簧，直線度和節(jié)距滿足設(shè)計要求，后續(xù)使用過程中未再發(fā)生裝配干涉的問題。

圖2 扭力彈簧的淬火綁扎(a)、吊掛(b)及回火校正工裝(c)Fig.2 Torsion spring quenching binding(a),hanging(b) and tempering correction equipment(c)

2 冷拉鋼絲彈簧熱處理變形控制

彈簧制造前其材料狀態(tài)為形變硬化，彈簧制件熱處理的目的是為了消除應(yīng)力，但消除應(yīng)力的同時會影響彈簧的尺寸。在彈簧制件消除應(yīng)力處理時應(yīng)注意擺放，避免彈簧制件熱處理后變形，影響直線度。

2.1 彈簧外徑變形趨勢

消除應(yīng)力后彈簧制件尺寸會略有變化。繞在心軸上的彈簧制件經(jīng)熱處理后卸下心軸，其直徑方向的尺寸會稍有漲大；自由狀態(tài)的碳素鋼絲彈簧制件熱處理后直徑有收縮減小趨勢；自由狀態(tài)的不銹鋼彈簧制件熱處理后直徑有漲大趨勢。溫度越高，漲大或減小的趨勢就越明顯[4]。

2.2 應(yīng)對彈簧直徑超差采取的措施

針對彈簧去應(yīng)力后直徑變化的趨勢，在加工時彈簧直徑公差應(yīng)留有一定的余量，或縮小公差帶，防止彈簧在去應(yīng)力前尺寸合格，而在去應(yīng)力后尺寸超差的情況。在實際生產(chǎn)中，存在表面處理前彈簧尺寸合格而在表面處理后尺寸超差的情況，彈簧屬于超過強(qiáng)度鋼，鍍前必須進(jìn)行消除應(yīng)力處理，同時在電鍍后也必須進(jìn)行除氫處理[5]，因此表面處理后對彈簧外徑也產(chǎn)生一定影響。所以，在彈簧繞制時應(yīng)考慮加工過程中各種應(yīng)力消除工序可能會對外徑所產(chǎn)生的影響。

3 結(jié)論

采用淬火工裝、合理的綁扎、吊掛可有效減少淬火變形，采用回火定型工裝能夠有效地矯正彈簧變形，對冷拉鋼絲彈簧在繞制時應(yīng)考慮去應(yīng)力處理對彈簧外徑的影響。