扭簧丝计算及制造

王海波

（哈尔滨量具刃具集团有限责任公司量具刃具研究所，哈尔滨150040）

扭簧丝计算及制造

王海波

（哈尔滨量具刃具集团有限责任公司量具刃具研究所，哈尔滨150040）

扭簧丝是扭簧比较仪的核心元件，研究其计算及制造工艺关系到新量具生产的精度、可靠性和寿命等各项技术指标。文中介绍了扭簧丝计算及制造中材料、绕制节距、厚宽比等不同时对扭簧的影响。

扭簧丝；材料；放大比

0 引言

扭簧丝是扭簧比较仪的核心元件，对于它的计算及制造工艺的研究不仅关系到新量具生产的精度、可靠性和寿命等各项技术指标，而且也可为促进国内各类扭簧比较仪的发展及生产提供有利的保证。

扭簧丝是采用一条放大比极高、极精确的金属丝，绕制成左右麻花节，根据其轴向伸长和回转角呈线性关系的弹性工作原理设计而成。

1 扭簧丝的计算

扭簧丝材料、截面尺寸及绕制节距与扭簧放大比、弹性工作转圈及拉伸刚度等设计参数的关系如下：

1）现以量仪使用的9 μm×0.15 mm和6 μm×0.12 mm截面尺寸的扭簧丝计算实例，说明材料对扭簧丝设计参数的影响（表1）。

表1 材料对扭簧丝设计参数的影响

2）现以6 μm×0.12 mm截面尺寸的锡锌青铜扭簧丝计算实例说明扭簧丝绕制节距对扭簧设计参数的影响。计算结果见表2。

表2 扭簧丝绕制节距对扭簧设计参数的影响

扭簧丝绕制节距对放大比、弹性工作转圈及拉伸刚度影响关系曲线如图1所示。

3）现以扭簧丝绕制节距为2 mm，厚度为6 μm，当厚宽比为不同数值时对扭簧丝设计参数的影响结果见表3。

扭簧丝截面厚宽比对放大比、弹性工作转圈及拉伸刚度影响关系曲线如图2所示。

从上面计算实例分析可知：

图1 扭簧丝绕制节距对放大比、弹性工作转圈及拉伸刚度影响关系曲线

表3 扭簧丝厚宽比不同时对扭簧设计参数的影响

图2 扭簧丝截面厚宽比对放大比、弹性工作转圈及拉伸刚度影响关系曲线

（1）扭簧丝绕制节距对扭簧丝放大比、弹性工作转圈及拉伸刚度均有影响；对于截面尺寸6 μm×0.12 mm锡锌青铜扭簧丝，最佳绕制节距为4～5 mm，此时放大比及弹性工作转圈最大；绕制节距为3～4 mm其值变化不大，但当绕制节距小于2 mm时，其值下降较快；但最佳绕制节距时，其拉伸刚度也是小的。

（2）扭簧丝厚宽比对放大比、弹性工作转圈及拉伸刚度亦均有影响；对绕制节距为2 mm时，厚度为6 μm的扭簧丝其最佳厚宽比在1/15～1/20之间，厚宽比小于或大于此值时，对于放大比、弹性工作转圈均是降低的；而拉伸刚度是随着厚宽比增加而递增的。

2 扭簧丝的制造

2.1 扭簧丝材料的物理机械性能

因为扭簧丝是根据轴向延伸值和回转角度成线性关系的弹性变形原理而设计，它作为量仪的放大元件，在使用性能上要求有足够的放大比和示值范围。因而，对材料的要求是选择一些弹性极限高而刚性小的材料（各类青铜及其它有色金属合金）即弹性比功大的材料。弹性比功是材料吸收变形而不发生永久变形的能力。

制造扭簧丝选用的材料就材质物理机械性能而言，主要表现在如下几个参数上：1）弹性模量E。E愈大表示刚性愈大，即在一定的应力下所产生的变形小，表示变形的难易程度，而扭簧丝应选较小E值的材料。2）剪切弹性模量G。G值愈大表示刚性愈大、变形愈难。3）材料弹性极限σy。它是材料抵抗最大变形的极限抗力。从扭簧丝理论分析计算中得知，材料的弹性极限σy与剪切弹性模量G之比值愈大，则扭簧丝的弹性工作转圈Qnp愈大。可见该比值是影响扭簧丝线性关系的重要原因之一。根据不同分度值的量仪，选择弹性不同的材料，在材料选定之后，通过材料热处理工艺提高材料弹性极限。4）材料的硬度愈高，愈难压延。硬度的选择主要取决于压延工艺及设备。5）材料的电阻系数，采取通电定型的扭簧丝电阻的大小及均匀性直接影响定型工艺质量。同时通过电阻均匀性程度也能反映出材料性能方面的变化；试验表明，由于线材压延加工状态不同，电阻差异很大。6）材料的焊接性，扭簧丝应选择焊接性好的材料。7）材料的抗腐蚀性要好。

2.2 扭簧丝制造中材料的选择

根据制造扭簧丝选用的几种材料的物理机械性能可知，满足扭簧丝性能要求的材料有锡锌青铜、磷青铜、铍铜及铂银等有色金属材料：1）锡锌青铜工艺性最好，它的硬度低，易于压延。2）磷青铜其性能与锡锌青铜差不多，但由于工艺性较差，一般不采用。3）铍铜的材料硬度高于锡锌青铜，压延性不如锡锌青铜，但加工并不困难。4）铂银的线性最好，对于高精度分度值（0.01～0.02 μm）的量仪最为适用，其硬度较高，压延性能较差，但可以压延。

3 结语

扭簧丝材料的选择主要应考虑材料线性好，放大比大，弹性工作转圈多，拉伸刚度小，并且易于压延、定型处理及焊接等因素而确定。目前铍青铜是较为理想的材料。铍青铜的放大比大，弹性工作转圈仅小于铂银，硬度中等，一般设备均可压延。铍青铜的电阻系数最小，定型电压较低。焊接性能虽然较差，但焊接并不困难。铍青铜材料经多年生产验证，较适用于生产0.000 5～0.001 mm分度值的量仪。

（编辑黄 荻）

TG 802

B

1002－2333（2014）05－0266－02

王海波（1961—），男，工程师。

2014-02-01