试述气门弹簧的卷簧成形技术

       关键词： 气门弹簧 卷簧成形

       卷簧成形是弹簧行业中弹簧生产加工过程中最重要的一道生产工序，也是关键工序。如何保证弹簧质量，提高弹簧生产的产能和控制好弹簧的生产成本，卷簧有着举足轻重的地位。尤其是本人从事高精度高可靠性气门弹簧的卷簧成形操作工作（上海通用五菱气门弹簧生产线的卷簧工作），怎样做好卷簧，成形好气门弹簧，首先应了解气门弹簧的基本特性。

气门弹簧属于发动机的配气机构，配气机构的作用是按照发动机各个气缸工作过程的需要，按时的开启和关闭进排气门，使新鲜可燃混合气体及时进入气缸，使废气及时排出气缸。配气机构的各个部件都安装在气缸盖内。因气门弹簧一直处于交变的应力作用，如果质量存在问题可能产生弹簧断裂。当气门弹簧断裂时，会导致气门不能弹回，致使活塞与进排气门干涉，导致气门杆被顶弯，活塞受损，甚至造成缸盖报废。更为重要的是发动机将会突然熄火，容易造成交通事故。气门弹簧的作用是保证气门自动复位而密封，保证气门与气门座有紧密贴合压力等。气门弹簧的工作温度在120℃～150℃之间。

       根据气门弹簧的工作原理及环境等特殊要求，我们在卷簧时必须注意弹簧的内外径，即D_大端圈外径与倒数第二圈的内径，确保内外径都在要求之内。由于高温下工作，弹簧会有松弛性，在成形时长度不能超下差。最重要的是在整个卷簧过程中都要注意弹簧钢丝外表的损伤——剥材料包装皮，送料盘与校正机构滑轮、导板、滚轮、顶针、节距钩，都有可能造成弹簧外表面的损伤。在实际卷簧成形中必须绝对保证弹簧没有因盘绕造成损伤，因为有一只弹簧在使用过程中断裂对弹簧生产企业来说都是致命的。

       弹簧的质量固然重要，但需要产量来体现。只有质量没有产量，没有及时把产品交给客户那一切都是零。作为卷簧成形，产能就体现在能及时匹配其他各工序的生产，不可使卷簧成为整个生产过程的瓶颈。

       对企业来说最终的目的就是利润，所以生产成本是企业的命脉。生产同样弹簧只有比别的企业有更低的生产成本，才能在当今激烈的市场竞争下游刃有余，越来越壮大。

卷簧成形影响弹簧质量、产能及生产成本的地方有很多，下面从三个方面简述。

       1、卷簧成形设备与工装的使用寿命。

        a.卷簧机

       在卷簧机生产的一个循环周期，送线马达要完成启动、运转、制动减速、停止四个过程，由于时间短，加速度会很大，克服加速度的力会很大。在高速运转时，甚至会大于生产弹簧所需的力。要延长卷簧机的使用寿命，关键是控制卷簧机的负荷。而保证产量，生产弹簧所需的负荷是不能改变的。要减小卷簧机的负荷，关键就在减小生产弹簧时的无用功，使程序更合理，卷簧成形的程序要遵循有足够的启动与制动减速时间，尽量减小停止时间来保证降低马达的******速度。在同步运转时要以送线为基准。还有卷簧机在生产时大电流会使马达发热，马达发热会增加导线电阻，导线电阻增加会加快马达发热，造成恶性循环。特别是在卷簧机高速长时间生产时，做好马达的降温是对卷簧机******的保养，当热还要做好卷簧机各运动面的润滑。

       b.工装

       卷簧机的易损工装主要有芯棒、切刀、顶针、节距钩等。工装早期损坏都是因为工作时的应力大于工装的承受应力，所以要增加工装使用寿命除了要增加工装本身的承受应力外，还要通过改变工装使用角度与力距尽可能的减小工作应力。减小工作应力的关键是增加工装工作的面，遵循能用面不用线，能用线不用点，切刀芯棒一般为点接触，顶针节距钩一般为线接触。

       2、卷簧成形的稳定性

       卷簧成形过程的稳定性体现出卷簧工的操作技能水平，直接关系到企业的生产成本和产品质量。   

      卷簧成形的稳定性会受到材料尺寸精度，材料硬度均匀性，材料表面状态，卷簧机精度等的影响。人的作用就是如何去弥补客观因素的影响，使各项不利因素互补而不是叠加。具体到如何提高卷簧成形过程的稳定性在实际的工作中会有很多因素。如料盘转速应为自动转速配合材料外径放线速度与送线速度。补偿转速配合材料内径与送线速度。这样在盘制过程中材料不易翻转，可以提高卷簧成形长度稳定性；材料与前导板肯定有间隙，迫使材料靠紧一个基准面能提高弹簧外径与长度的稳定性；节距钩有较大的力臂，让材料靠住前导板来减小力臂也可以增加弹簧外径与长度的稳定性；顶针的角度与槽的表面粗糙度也直接关系到弹簧尺寸的稳定性。

       3、卷簧成形的工艺合理性

       要提高产能、保证质量和降低生产成本只有过程稳定性是远远不够的，稳定的弹簧可以是全部废品，卷簧成形过程真正要降低生产成本的关键应是充分考虑到为下一道工序及其后各道工序减轻加工制造难度、强度及要求，而又能杜绝不合格品，控制住返修品。

       a.螺旋角

       按标准的螺旋角，端圈的节距为材料的直径，即端头比半圈高钢丝直径，0.25处比0.75处高钢丝直径。这样在磨面为270°时磨削量为圈×2，而若半圈抬高到比端头低钢丝直径，0.75处抬高到低0.25处钢丝直径。这样就大大减小了磨削量，加快磨簧速度，增加砂轮使用寿命，关键是由于减小了弹簧的倾斜度，使磨后的弹簧垂直度更好，提高了弹簧垂直度的合格率。

       b.力与变形量特性线

       一般来讲，气门弹簧的长度公差都较大，工作行程在H1(f1)与H2(f2)之间，理论上H0只是参考要求。然而力的公差体现到长度公差却很小。因此弹簧F1、F2成线性尤为重要。以通用五菱气门弹簧为例，力线性相差0.9N，弹簧长度就没有公差了。弹簧线性拐点的合理性也影响着长度的有效公差。如图：

    
                       图1                                             图2

       正确的拐点应为图2，卷簧成形得到的弹簧特性线是如图1.只要力符合客户图纸要求，那么弹簧是合格的，但这样会减小成品的长度公差，增加生产难度。另外力线性的同一性也很重要。在生产过程中，材料尺寸有公差，硬度有差异，但盘好的弹簧力特性必须同一，因为刚度不一使弹簧长度公差带有相差，混在一起减小了公差，区分生产会给现场管理带来很大压力。总之怎样提高产能、保证质量和降低成本对卷簧成形而言首要的就是对弹簧力特性线的符合性控制到位。

       具体到上海通用五菱气门弹簧的成形，如图3。 
                                   
                                                      图3

       第一档间距的参考值为1.8mm左右， ，加上节距公差会有0.15mm，所以第一档间距必须在1.75mm以上才能保证刚度第一拐点在F1公差带之后，这样就可以减小H1点左右的刚度，用足长度公差，大大方便各道工序的生产加工要求。第二档间距的控制要求同理。

材料会有±0.01的公差：

               
            P+0.01-P-0.01=11.59-11.23=0.36 N/mm

       虽然材料线径相差0.02mm，在其它参数不变的情况下，刚度只相差0.36 N/mm，但表现到F1就有3.6N，另外，由于材料线径差异造成弹簧刚度及应力的差异，会影响到热压时弹簧长度的缩量相差0.4~0.5mm，表现在F1为4N以上，这样在生产过程中不注意材料线径的差异会被吞掉所有的公差。当然弹簧硬度差异也会对热压时弹簧长度的缩量造成很直观的影响。

       总之，小小的弹簧看似简单，但要真正做好就需要我们通过科学合理的卷簧成形来弥补因材料线径、材料硬度、材料表面状态及卷簧机精度对弹簧造成的影响，那么我们学无止境。

参考文献：

1、张英会、刘辉航、王德成主编《弹簧手册》第二版 机械工业出版社 2008年8月

2、弹簧分会行业培训委员会统编行业培训教材《弹簧制造工艺学》（试用本） 2008年10月