基于车螺纹原理卷制螺旋弹簧

赵云

（内江职业技术学院 智能制造系,四川 内江641000）

0 引言

弹簧是机器和仪表中的重要零件。由于弹簧的结构特点和所用制作弹簧材料的弹性，在工作时可以产生较大的变形，被用于吸收冲击能、缓和振动和冲击、测力、储存能量，以驱动机件等[1]。本文主要分析弹簧的类型、弹簧材料，并参考车削螺纹的原理研究了螺旋弹簧的卷制工艺。

1 弹簧主要类型

弹簧的种类很多，可分为金属弹簧和非金属弹簧。常见非金属弹簧有空气弹簧、橡胶弹簧。常见的金属弹簧有圆柱螺旋压缩弹簧、圆柱螺旋拉伸弹簧、圆柱螺旋扭转弹簧、圆锥螺旋弹簧、板弹簧、碟形弹簧、平面蜗卷弹簧、环形弹簧等。其中以圆柱螺旋弹簧应用最为广泛。各种类型常用弹簧的结构与特点如表1、表2所示（其中F为弹簧载荷，T为转矩）。

表1 常用非金属弹簧

2 弹簧材料

由于弹簧主要在交变应力下工作，而且要求在受到较大应力情况下，不产生塑性变形，因此要求弹簧材料具有较高的抗拉强度极限、弹性极限和疲劳极限，不易松弛。同时要求具有高的冲击韧性，良好的热处理性能等[1]。

表2 常用金属弹簧

常用非金属弹簧材料主要是橡胶、增强塑料等。

常用金属弹簧材料（其含碳量在0.65%～0.90%范围内，通过淬火及中温回火可获得高的弹性极限）：

1）碳素弹簧钢丝（Ⅰ、Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ）。如60钢、75钢等，这种钢的优点是价格便宜，缺点是弹性极限较低、淬透性差，适合于制造尺寸较小、弹簧钢丝直径d＜12～15 mm的一般用途的弹簧，如螺旋弹簧。

2）合金弹簧钢丝。以Si、Mn为主要合金元素的弹簧钢丝，最有代表性的是65Mn和60Si2Mn，这类钢的市场价格比较低，淬透性明显优于碳素弹簧钢，可以制造尺寸较大、钢丝直径d≤25 mm的弹簧，如缓冲卷簧等。Si和Mn同时加入的弹簧钢，比只加入Mn的弹簧钢性能好得多，在工业中应用最广；以Cr、V、W为主要合金元素的弹簧钢丝，最有代表性的是50CrVA。这类钢的淬透性较好，高温下性能比较稳定，主要用于制造尺寸大、弹簧钢丝直径d≤30 mm、受载大的和工作温度较高的重要弹簧，如螺旋弹簧、阀门弹簧、扭杆簧等[2]。

3 卷制螺旋弹簧原理

螺旋弹簧有热成型和冷成型两种成型方法，大型弹簧（弹簧钢丝直径大的）用热成型制成，然后淬火加中温回火，一般用途的小型弹簧（弹簧钢丝直径d＜12～15 mm）用冷成型法卷制成型，卷成后一般不经淬火处理，只进行低温回火。

冷卷法卷制螺旋弹簧的原理与在普通车床上车螺纹基本相同：即主轴每转一周以后车刀得到一个等于弹簧节距大小的纵向移动量，也就是装有车刀的刀架应当移动一个等于螺纹节距的距离。

螺旋弹簧具有结构简单、制造方便等特点。特性线一般为直线，刚度稳定，如图1所示，其中F为弹簧载荷，λ为变形量。

4 螺旋弹簧的种类和各部分名称

螺旋弹簧根据形状不同，一般有圆柱形、圆锥形和橄榄形3种，如图2所示，其中：D1为弹簧内径；D2为弹簧中径；D3为锥形弹簧大端内径；D为弹簧外径；d为弹簧钢丝直径；t为弹簧节距（各圈之间的距离）[3]。

5 卷制螺旋弹簧用的芯轴

芯轴是卷制弹簧的主要工具。芯轴的长短根据弹簧长度决定，但应比弹簧长些。芯轴的直径（比弹簧内径小）大小非常重要，如果直径不准确，那么卷出来的弹簧直径就不符合要求。确定芯轴直径也是比较复杂的，因为弹簧卷好后直径会扩大，由于钢丝弹性不同和直径不同，弹簧直径扩大量也不同。根据过去的实践经验，芯轴的直径可用下面经验公式计算：

图1 圆柱螺旋弹簧特性图

式 中：D0为 芯 轴 直径；D1为弹簧内径；d为弹簧钢丝直径。

当用中级弹簧钢丝直径d＜1 mm时，芯轴系数取下差-0.02，d＞2.5 mm时取上差+0.02；高级弹簧钢丝d＜2 mm时取下差-0.02，d＞3.5 mm时取上差+0.02。除此之外，可以不考虑。

芯轴直径确定以后，在芯轴一端外圆上钻一小孔，直径较弹簧钢丝稍大，便于插钢丝之用。

正式卷制弹簧前，需先进行试验，即先卷制2～3圈后松开，然后测量弹簧扩大后的内径是否符合要求，并根据测量结果修正芯轴直径[4]。

6 卷制螺旋弹簧的步骤

6.1 卷制圆柱螺旋弹簧

卷制圆柱螺旋弹簧时可按下列步骤进行：

1）根据弹簧节距t调走刀箱手柄位置和挂轮（与车螺纹相同）。

2）装上芯轴，将钢丝插入芯轴外圆端部的小孔中，如图3所示。另一端夹在刀架上的槽铁（把垫铁片磨成槽夹在刀架上）中，如图4所示。但不能夹得太紧，只要钢丝能用力拉出来即可。

3）合上开合螺母，开动车床主轴，进行卷制。当弹簧卷到近卡盘时停车，用钢丝钳或弓锯把钢丝折断。最后从芯轴上取下弹簧。为了保证两端的承压面与轴线垂直，需在砂轮上将两端面磨平。

用槽铁夹钢丝只适用于单件生产。如工件数量较多，就可以采用带滚珠轴承的夹钢丝专用夹具，整个夹具装夹在刀架上，如图5所示。

在夹具体6上开有2个穿通腰形槽5，装滚珠轴承1的2根短轴就装在腰形槽中，背面用压板螺钉紧固，另有2个滚珠轴承安装在夹具体下端，滚珠轴承的外圈能自由转动。滚珠轴承外圈上有圆弧凹槽，弹簧钢丝可在槽中通过。当钢丝直径变化时，可以松开夹具体背面的螺钉和压板，调整螺钉4就可以使上面2个滚珠轴承上下移动，以改变上下2个滚珠轴承之间的通道大小。

图2 螺旋弹簧

图3 卷制圆柱螺旋弹簧

图4 槽铁

图5 夹钢丝专用夹具

在夹具体的侧面有2个导向板2和3，可以改变和引导钢丝的运动方向。但它的槽口容易磨损，所以需采用耐磨的材料制作，或者将材料进行淬火处理。此外，弹簧钢丝应放在专用的放线架上，如图6所示。放线架的转轴应安装在滚动轴承上，使整圈钢丝套在放线架上能自由转动。

6.2 卷制锥形螺旋弹簧卷制锥形螺旋弹簧

时，把圆柱形芯轴调换成锥形芯轴，芯轴外圆上车有圆弧形螺旋槽，卷制的方法与圆柱螺旋弹簧相同，如图7所示。

6.3 卷制橄榄形螺旋弹簧

图6 钢丝放线架

图7 卷制锥形螺旋弹簧

卷制橄榄形螺旋弹簧时，要用一根细长芯棒和一套大小不同的垫圈。先把直径最大的垫圈放在中间，两边分别套入直径逐一减小的垫圈，并用紧圈固定，然后开始卷制，如图8所示。卷好以后切断钢丝，然后松开紧圈，拉出细长芯棒，并拉长弹簧，这时垫圈就从弹簧缝里落下来。

7 结语

除了上述3种螺旋弹簧以外，根据特殊需要还有其他各种形式，如变节距螺旋弹簧、变径螺旋弹簧等。基于车螺纹原理卷制螺旋弹簧的方法，主要是为小型企业提供借鉴，它不需要专用的设备和很复杂的专用工装，只要有普通的车床（如C616、C6140A），就可以卷制需要的螺旋弹簧。方法简单易学，成本低，特别适合单件、小批量生产。

图8 卷制橄榄形螺旋弹簧