弹簧轻量化的技术发展方向

                               上海中国弹簧制造有限公司总工程师   张  俊                                                             

       摘 要:当今绿色生活的环保理念引领人们应用产品更加注重节能减排，对弹簧零件及其总成部件的轻量化提出了更高的要求，这也成为弹簧专业设计和制造企业努力创新、不懈追求的目标。笔者希望通过高强度原材料的合理应用、弹簧产品精细化设计、制造过程强化工艺不断优化和创新以及对最终产品使用状态的精心保护等，以实现产品轻量化。

       关键词：轻量化  高应力弹簧  紧凑型设计  有限元分析 Pswt应力

       1．高强度原材料的优先应用

       好的产品肯定要有好品质的、最适合的材料，高应力产品缺少不了高强度材料。各类弹簧用料在冶炼工艺上总的趋势是从普通冶炼轧制材料不断优化提升到连铸、精炼、大方胚轧制、高速轧制线材等，以进一步提高钢铁材料的内在品质和表面质量。材料的化学成分上也从碳素钢向合金钢、锰钢、硅锰钢、铬钒钢、铬锰钢等发展，再向更高强度的硅铬钢发展。现在高应力弹簧普遍应用的材料有55SiCr、55SiCrV、60Si2Cr、60Si2CrV、65SiCrV，当然也有多合金元素的高强度材料，如Si-Cr-V-Mo-Ni-Re系列特种材料。弹簧主要有冷成形和热成形两大基本制造工艺。在冷成形制造工艺上弹簧成品的强度主要基于原材料的强度，形状复杂的异形弹簧更趋于采用更高抗拉强度的韧化处理钢丝（Patent Heat Treatment Wire），目前这类异形弹簧采用的非合金钢韧化处理钢丝其抗拉强度Rm1300~MPa。甚至也采用VD等级的油淬火回火线材（GB/T18983）。常用的高应力气门弹簧、离合器弹簧、悬架弹簧、机械弹簧等采用更高抗拉强度的油淬火回火线材（OTW，ITW）。目前气门弹簧和离合器弹簧已用到Rm2200~MPa等级线材，悬架弹簧已用到Rm2000~MPa等级及以上的线材了。

      高强度的Si-Cr-V-Mo-Ni-Re系列特种材料，由于其成本昂贵而不适合于大批量生产。钛合金材料也因其成本太贵且强度有限，虽然轻质但也不适合批量生产。

      2．非金属新型轻质材料的应用

      产品轻量化的另一重要途径是采用全新的非金属轻质材料，目前主要趋势是碳纤维或纤维增强型材料的运用。碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等纤维增强型材料的不断创新，在强度提升和弹簧制造工艺方面的不断进步，现在不仅在片型弹簧上得到了应用，而且在螺旋弹簧方面也已有突破，其制造成本也得到了控制。例如汽车悬架用螺旋弹簧，随着车辆主机厂商的认可接受和应用，纤维增强型材料螺旋弹簧由于其优异的轻质和不腐蚀特性，可能将是未来轻量化弹簧的重要发展方向。

       弹簧产品紧凑设计（Compacted Design)开发是基于对产品的功能和形状的精细设计；基于充分用足材料等工作应力的精细设计。

      1．产品功能设计上更加完美和简练

      在产品形状上更加紧凑, 不只体现在弹簧产品本身功能和形状上，而且也体现在弹簧及其相关零部件总成及系统的功能和形状上实施优化合成， 如变刚度弹簧、组合弹簧、主动式或被动式的弹性部件总成、储能部件总成、减震部件总成等等，以达到整个功能系统的轻量化。现在已涌现出变刚度弹簧、偏心力弹簧、弧形力弹簧、变扭矩弹簧等等，当然这些弹簧设计也必须要考虑产品实现的制造工艺和成本。

      2．设计弹簧产品充分用足材料应力

      现在弹簧专业设计和制造企业基本上都具备较强的计算机辅助设计（CAD）能力，有些弹簧企业具有较强的计算机辅助工程(CAE)能力，从而能够从事更精细的有限元计算设计验算，在产品设计上尽量消除应力集中现象，消除累赘结构用料，充分用足材料，从而实现产品的轻量化。例如变径线材鼓型悬架弹簧（Mini-Block Spring）、卵型截面钢丝气门弹簧、变厚薄壁空心稳定杆等等。

       弹簧制造过程中的各种强化工艺对实现产品轻量化和维持高品质起到关键的作用。常用强化工艺主要在热处理方面、热强压方面、喷丸强化方面等。

      1．热处理的强化工艺

      弹簧热处理是一个发挥材料特性的基本强化工艺，无论是热成形或冷成形弹簧制造工艺，热处理工序只不过是在线材上进行还是在弹簧上进行而已。

      1).基础热处理趋向获得更高强度和更高韧性的金相结构组织、更细化的晶粒、无氧化脱碳的表面质量、杜绝回火脆等。如形变热处理、快速加热感应热处理等。

      2).基于弹簧服役载荷方式和失效模式的特殊热处理强化工艺。例如若弹簧受高频动载荷，疲劳寿命主要依靠其裂纹萌生寿命的弹簧，就要采用特殊的表面强化热处理，如高频感应加热淬火热处理，表面氮化热处理等；若弹簧受非高频载荷的交变或脉动载荷，表现为疲劳或应力腐蚀疲劳失效模式，就要采用均匀化基体、细化晶粒、针对性的组织形貌等来提高弹簧基体的韧性，提高抗疲劳裂纹扩展能力。如超高温加热热处理、中频感应热处理、回火后的快速冷却等。

      3).消除制造工序中产生的缺陷的热处理。消除弹簧上的缺陷也是提高产品品质的重要工艺。弹簧冷成形工序后存在极其有害的残余拉应力，必须有效、精准地进行去应力回火，包括利用SOF工艺技术等，防止应力腐蚀开裂，稳定产品形状，提高疲劳寿命。

      2．热强压方面的强化工艺

      弹簧通过热强压可在弹簧基体上产生密集位错，在温度作用下时效攀移形成亚晶结构，细化晶粒和组织，从而提高弹簧基体的抗疲劳强度和抗松弛能力。这是一个生产率高的强化工艺。目前高应力悬架弹簧、气门弹簧、离合器弹簧等均采用热强压工艺，对于高应力高精度弹簧则采用更为先进的全自动智能热强压工艺。

      3．喷丸方面的强化工艺

      弹簧产品是典型受循环载荷的功能件，主要的失效模式是疲劳。喷丸强化对这类产品的疲劳寿命及可靠性影响甚大，为此弹簧专业设计和制造厂家都非常重视。

      喷丸工艺的强化机理主要有两大方面，首先是通过喷丸工序获得了针对载荷应力的有益残余压应力及分布（或称******残余应力场），常用的评价指标是******载荷应力方向上的表面压应力值、残余压应力峰值和深度以及残余压应力的******深度。有了******的残余应力场，能够有效提高疲劳裂纹萌生需要的能量，阻止疲劳裂纹产生，降低疲劳裂纹的扩展速度，从而高效地提高疲劳寿命，为此目前高应力弹簧产品都有其喷丸工艺技术指标，如表1所示。所有技术指标均要求在产品上测试其残余压应力值及分布。其次近年来对喷丸强化的研究表明，通过对弹簧表面的强力喷丸，使表层材料结构组织发生了变化，这种致密的变异的组织结构同样起到了阻止疲劳裂纹的产生和扩展，从而也提高了弹簧的疲劳寿命。 

      喷丸工序实施的好坏评价，主要通过阿尔门试片的弧高值（喷丸强度）及表面覆盖率来评定。

      弹簧的正常失效模式是疲劳，轻量化高应力弹簧的正常失效模式更多为应力腐蚀疲劳。为此除了材料内在品质抵抗应力腐蚀外，弹簧表面的保护尤为重要。目前比较好的表面保护有热镀锌、锌镍合金、锌铝合金、双粉末涂层等。高应力异形弹簧或夹箍类等产品倾向于热镀锌、水基/乙醇基锌铝合金镀层，达克罗（Dacromet 或Delta-tone）等，高应力悬架弹簧和稳定杆则倾向于采用双粉末涂层，其主要目的是针对弹簧的服役环境，如动力总成系统中弹簧的受湿热腐蚀，汽车底盘弹簧稳定杆受盐碱泥沙冲击、气候温差湿热腐蚀等等，采用不同镀层和涂层技术从而有效防止氢脆、防止在使用过程中弹簧基体受到腐蚀。同时这些镀层或涂层方法的技术创新也包括在绿色环保材料的应用和安全生产实施上，如消除有毒有害的材料，高低阶游离铬元素、重金属废酸、有毒粉末、乙醇基安全生产环境等方面。

       综合高应力弹簧产品服役要求以及制造工艺的实现，本文揭示了我们技术研发重点可以在产品设计开发中的精心设计、制造过程中强化工艺的不断创新、使用状态的更完美保护等作为主要方向来实现弹簧产品轻量化，从而实现节能减排的绿色环保生活理念。