CN102458767A - 螺旋弹簧的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种螺旋弹簧的制造方法，对弹簧钢丝(20)进行第一喷丸处理工序(S6)和第二喷丸处理工序(S7)。在第一喷丸处理工序(S6)中，使第一喷丸以第一喷射速度喷射到弹簧钢丝(20)。利用该第一喷丸的较高的动能，在从弹簧钢丝(20)的表面到较深位置的范围中产生压缩残余应力。在第二喷丸处理工序(S7)中，第二喷丸以比第一喷丸慢的第二喷射速度被喷射出。第二喷丸的动能比第一喷丸的动能小。利用该第二喷丸的较低的动能来增加靠近弹簧钢丝(20)表面的部分的压缩残余应力。

Description

螺旋弹簧的制造方法
技术领域
本发明涉及一种在例如车辆的悬架机构等中使用的螺旋弹簧的制造方法，尤其涉及一种喷丸处理条件。
背景技术
目前，已知一种方法：通过对螺旋弹簧进行喷丸处理，在表面附近产生压缩残余应力以提高疲劳强度。在日本专利特开2000-345238号公报或日本专利特开2008-106365号公报中，公开了一种多阶段喷丸处理。在多阶段喷丸处理中，将喷丸处理分为多次来加以执行。另外，作为用于在从弹簧表面到较深位置的范围中产生压缩残余应力的方法，也已知有加载状态喷丸强化、温热喷丸处理(热喷丸处理)。在加载状态喷丸强化中，在将螺旋弹簧压缩后的状态下，喷射出喷丸。在温热喷丸处理中，在将螺旋弹簧加热到250℃左右的状态下，喷射出喷丸。
专利文献1：日本专利特开2000-345238号公报
专利文献2：日本专利特开2008-106365号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
上述加载状态喷丸强化需要用于对螺旋弹簧进行压缩的设备。而且，由于在将螺旋弹簧压缩后的状态下喷射出喷丸，因此，弹簧钢丝间的间隔变得狭小。因此，存在喷丸不易撞击到螺旋弹簧的内侧、弹簧钢丝间这样的问题。由于上述温热喷丸处理在不能恰当地保持温度时不能获得期望的残余应力分布，因此，温度的管理是困难的。
另一方面，也考虑了通过在弹簧钢中添加特定的合金成分来提高螺旋弹簧的疲劳强度。然而，包含特殊的合金成分的弹簧钢价格贵，从而成为螺旋弹簧的成本升高的原因。
因此，本发明的目的在于提供一种能通过两阶段的喷丸处理来进一步提高疲劳强度的螺旋弹簧的制造方法。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的螺旋弹簧的制造方法包括：第一喷丸处理工序；以及在该第一喷丸处理工序之后进行的第二喷丸处理工序。在上述第一喷丸处理工序中，使第一喷丸以第一喷射速度撞击到弹簧钢丝，以产生压缩残余应力，从而在上述弹簧钢丝的内部产生压缩残余应力极值部。在上述第二喷丸处理工序中，使第二喷丸以比上述第一喷射速度慢的第二喷射速度且以比上述第一喷丸的动能小的动能撞击到上述弹簧钢丝。通过该第二喷丸处理工序来使靠近表面的部分的压缩残余应力增加得比上述压缩残余应力极值部大。
在本发明中，上述第二喷丸的尺寸也可比上述第一喷丸的尺寸小。或者，上述第二喷丸的尺寸也可与上述第一喷丸的尺寸相同。不论哪一种情况，都通过使第二喷丸的喷射速度比第一喷丸的喷射速度小(慢)来使第二喷丸的动能比第一喷丸的动能小。另外，还可在150～350℃的处理温度下进行上述第一喷丸处理工序和上述第二喷丸处理工序。
发明效果
根据本发明，通过因第一喷丸以高速撞击而产生的高动能的第一喷丸处理工序和因第二喷丸以低速撞击而产生的低动能的第二喷丸处理工序，能获得对提高螺旋弹簧的疲劳强度更有效的压缩残余应力的分布。另外，在第二喷丸处理工序中，能将叶轮的转速降低得比第一喷丸处理工序低，因此，能减小噪声和振动及耗电量。
附图说明
图1是包括本发明一实施方式的螺旋弹簧的汽车的局部侧视图。
图2是图1所示的螺旋弹簧的立体图。
图3是表示图2所示的螺旋弹簧的制造工序的一例的流程图。
图4是表示图2所示的螺旋弹簧的制造工序的另一例的流程图。
图5是表示本发明实施例1的压缩残余应力分布的图表。
图6是表示本发明实施例2及比较例的压缩残余应力分布的图表。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明一实施方式的螺旋弹簧及其制造方法进行说明。
图1所示的车辆10的悬架机构11包括螺旋弹簧12和减震器13。在图2所示的螺旋弹簧12中，弹簧钢丝20成形为螺旋形。该螺旋弹簧12在沿轴线X方向被压缩的状态下弹性地支承车辆10的负载。
螺旋弹簧12的一例是圆筒螺旋弹簧。弹簧钢丝20的线径d(图2所示)的一例为12.5mm。平均线圈直径D为110.0mm，自由长度(无负载时的长度)为382mm，有效卷数为5.39，弹簧常数为33.3N/mm。螺旋弹簧12的线径为8～21mm是主流的，但也可以是除此以外的线径。另外，还可以是桶形螺旋弹簧、鼓形螺旋弹簧、锥形螺旋弹簧、不等节距螺旋弹簧、负载轴控制螺旋弹簧等各种形式的螺旋弹簧。
[实施例1]
弹簧钢丝20的钢种是高耐腐蚀性弹簧钢(在本说明书中，为了方便而称为弹簧钢S)。弹簧钢S是提高了耐腐蚀性的钢种，化学成分(质量％)为C：0.41、Si：1.73、Mn：0.17、Ni：0.53、Cr：1.05、V：0.163、Ti：0.056、Cu：0.21，其余成分为Fe。
图3表示高温成形螺旋弹簧的制造工序。在加热工序S1中，螺旋弹簧的材料即弹簧钢丝被加热到奥氏体化温度(A3相变点以上，1150℃以下)。被加热后的弹簧钢丝在弯曲工序(卷绕工序)S2中被弯曲成螺旋形。然后，进行淬火工序S3和回火工序S4等热处理。
通过上述热处理，对弹簧钢丝进行调质以使硬度变为50～56HRC。在例如设计最大应力为1300MPa的螺旋弹簧中，进行调质以使硬度达到54.5HRC。在设计最大应力为1200MPa的螺旋弹簧中，进行调质以使硬度达到53.5HRC。此外，在热定形工序S5中，对螺旋弹簧施加规定时间的轴线方向的负载。利用上述热处理后的余热，在温热环境下进行热定形工序S5。
然后，进行第一喷丸处理工序S6。在第一喷丸处理工序S6中，使用喷丸尺寸(颗粒直径)为1.0mm的第一喷丸(铁制的切割线)。在230℃的处理温度下，以速度为76.7m/sec(叶轮转速2300rpm)、动能为12.11×10-3J的条件将该第一喷丸喷射到弹簧钢丝。
喷丸的喷射速度是将由喷丸处理装置的叶轮的直径和转速求出的圆周速度乘以1.3倍后的值。例如，在叶轮直径为490mm、叶轮转速为2300rpm的情况下，喷射速度为1.3×0.49×3.14×2300/60＝76.7m/sec。
在第一喷丸处理工序S6中，使第一喷丸以高速的第一喷射速度撞击到弹簧钢丝。因此，可利用具有较高动能的第一喷丸在从弹簧钢丝的表面至深度方向较深的区域中产生压缩残余应力。第一喷丸处理工序S6处理后的弹簧钢丝的表面粗糙度处于75μm以下是较为理想的。
在进行完第一喷丸处理工序S6之后，进行第二喷丸处理工序S7。在第二喷丸处理工序S7中，使用比上述第一喷丸小的第二喷丸。第二喷丸的喷丸尺寸(颗粒直径)为0.67mm。在200℃的处理温度下，以速度为46m/sec(叶轮转速1380rpm)、动能为1.31×10-3J的条件将该第二喷丸喷射到弹簧钢丝。
这样，在实施例1中，使在第二喷丸处理工序S7中所使用的第二喷丸的动能比在第一喷丸处理工序S6中所使用的第一喷丸的动能小。而且，使第二喷丸的喷射速度比第一喷丸的喷射速度小(慢)。
作为使第二喷丸的喷射速度比第一喷丸的喷射速度小的方法，例如可通过逆变器控制来改变用于使叶轮旋转的电动机的转速。或者，也可使配置于电动机与叶轮之间的减速机构的减速比变化。
表1是对喷丸处理条件的喷丸的动能进行比较后的数据。若喷丸尺寸较大，则即便喷射速度相同，动能也会变大。例如，喷丸尺寸为1mm的大粒喷丸与尺寸为0.87mm的喷丸进行比较，其动能是尺寸为0.87mm的喷丸的动能的大致1.5倍。喷丸尺寸为1.1mm的大粒喷丸与尺寸为0.87mm的喷丸进行比较，其动能是尺寸为0.87mm的喷丸的动能的大致2倍。相反地，喷丸尺寸为0.67mm的小粒喷丸与尺寸为0.87mm的喷丸进行比较，若喷射速度相同，则其动能是尺寸为0.87mm的喷丸的动能的一半以下。对于喷丸尺寸为0.4mm的喷丸，与尺寸为0.67mm的喷丸进行比较，即便使其喷射速度是尺寸为0.67mm的喷丸的喷射速度的大致2倍，其动能也较小。
[表1]
Figure BPA00001481770300051
上述第一喷丸处理工序S6和第二喷丸处理工序S7的处理温度为150～350℃是适宜的。即，是利用了热处理后的余热的温热喷丸处理(热喷丸处理)。而且，第二喷丸处理工序S7是在比第一喷丸处理工序S6的处理温度低的处理温度下进行的。
根据实施例1的喷丸处理工序S6、S7，不会如现有的加载状态喷丸强化那样压缩螺旋弹簧，就能在从表面到较深位置为止的范围中产生较大的压缩残余应力。因此，无需加载状态喷丸强化那样的对螺旋弹簧进行压缩的设备。而且，不会如加载状态喷丸强化那样使弹簧钢丝间的间隔变得狭小，因此，也能使喷丸充分撞击到螺旋弹簧的内侧、弹簧钢丝间。
在进行完上述两阶段的喷丸处理工序S6、S7后，进行预调工序S8和涂装工序S9。随后，为检查螺旋弹簧的外观、特性等而进行检查工序S10。也可省略预调工序S8。
图4表示在低温下将螺旋弹簧卷绕的情况下的制造工序。如图4所示，对卷绕前的弹簧钢丝预先进行淬火工序S11和回火工序S12等热处理。在弯曲工序(卷绕工序)S13中，将该弹簧钢丝在低温下成形为螺旋形。然后，在应力消除退火工序S14中，通过将螺旋弹簧在规定温度的环境气体中放置规定时间，来消除成形时所产生的加工应变。
即便在该冷卷的情况下，也与图3的高温成形螺旋弹簧相同，包括热定形工序S5、第一喷丸处理工序S6、第二喷丸处理工序S7、预调工序S8、涂装工序S9及检查工序S10。上述螺旋弹簧也可被冷卷。另外，还可省略预调工序S8。
图5表示实施例1的螺旋弹簧的压缩残余应力的分布。图5的横轴表示距弹簧钢丝的表面的深度方向上位置。图5的纵轴表示残余应力值，但作为本领域的惯例，压缩残余应力值以负值表示。例如，-400Mpa以上是指绝对值为400Mpa的意思。拉伸残余应力值以正值表示，但在图5中未被描绘出。
如图5所示，实施例1的螺旋弹簧的压缩残余应力具有残余应力增加部T1、高应力部T2、残余应力极值部T3及残余应力减小部T4。在残余应力增加部T1中，压缩残余应力从弹簧钢丝的表面朝弹簧钢丝的内部在深度方向上增加。在高应力部T2中，压缩残余应力被维持在较高的水平。在残余应力极值部T3中，压缩残余应力为最大。在残余应力减小部T4中，压缩残余应力从残余应力极值部T3在弹簧钢丝的深度方向上减小。
如上所述，在实施例1中，进行第一喷丸处理工序S6和第二喷丸处理工序S7的两阶段喷丸处理(温热双喷丸处理)。即，在第一阶段的第一喷丸处理工序S6中，利用以高速喷射出的第一喷丸的高动能，在从表面到较深位置的范围内产生压缩残余应力。
然后，在第二阶段的第二喷丸处理工序S7中，如图5中的箭头h所示，利用以低速喷射出的第二喷丸的低动能，使靠近表面的部分的压缩残余应力增加得比压缩残余应力极值部T3大。这样，能在从表面附近到较深区域的范围内获得压缩残余应力被维持在较高水平的残余应力分布。
如上所述，在第一喷丸处理工序S6中，使用动能较大的第一喷丸，在第二喷丸处理工序S7中，使用动能较小的第二喷丸。而且，使第二喷丸的喷射速度比第一喷丸的喷射速度小。因此，能利用第二喷丸处理工序S7减小因第一喷丸处理工序S6而使表面粗糙度增大了的弹簧钢丝的表面粗糙度，从而可改善弹簧钢丝的表面状态。
[实施例2]
弹簧钢丝的钢种是日本工业规格(JIS)中规定的SUP7。SUP7的化学成分(质量％)为C：0.56～0.64、Si：1.80～2.20、Mn：0.70～1.00、P：0.035以下、S：0.035以下，其余部分为Fe。实施例2的制造工序除了喷丸处理条件以外，其余与实施例1相同。在实施例2中，也进行第一喷丸处理工序和第二喷丸处理工序的两阶段喷丸处理(温热双喷丸处理)。
在实施例2中，在第一喷丸处理工序中，使喷丸尺寸为0.87mm的第一喷丸以第一喷射速度76.7m/sec(叶轮转速2300rpm)撞击到弹簧钢丝。处理温度为230℃。然后，在第二喷丸处理工序中，使喷丸尺寸为0.67mm的第二喷丸以第二喷射速度46m/sec(叶轮转速1380rpm)撞击到弹簧钢丝。处理温度为200℃。这样，实施例2也与实施例1相同，使第二喷丸的喷射速度和动能比第一喷丸的喷射速度和动能小。
图6中的实线A表示实施例2的螺旋弹簧的压缩残余应力分布。实施例2的螺旋弹簧也与实施例1相同，具有残余应力增加部T1、高应力部T2、残余应力极值部T3及残余应力减小部T4。在残余应力增加部T1中，压缩残余应力从弹簧钢丝的表面在深度方向上增加。在高应力部T2中，压缩残余应力被维持在较高的水平。在残余应力极值部T3中，压缩残余应力为最大。在残余应力减小部T4中，压缩残余应力从残余应力极值部T3在弹簧钢丝的深度方向上减小。
实施例2的情况也与实施例1相同，利用第一喷丸处理工序中的第一喷丸的较高的动能，在至弹簧钢丝的较深的区域中产生压缩残余应力。另外，利用第二喷丸处理工序的第二喷丸的低速度、低动能，使弹簧钢丝的表面附近的压缩残余应力增加。
[比较例]
弹簧钢丝的钢种与实施例1相同，为SUP7。制造工序除了第二喷丸处理工序中所使用的第二喷丸的喷射速度以外，其余与实施例2相同。即，在比较例中，在第一喷丸处理工序中，将喷丸尺寸为0.87mm的第一喷丸以第一喷射速度76.7m/sec(叶轮转速2300rpm)喷射至弹簧钢丝。处理温度为230℃。然后，在第二喷丸处理工序中，将喷丸尺寸为0.67mm的第二喷丸以与第一喷丸相同的喷射速度76.7m/sec(叶轮转速2300rpm)喷射至弹簧钢丝。处理温度为200℃。图6中的虚线B表示比较例的压缩残余应力分布。
在空气中对上述实施例2和比较例两者都进行了疲劳试验(735±520MPa)，比较例在大致10万次时断裂，但在实施例2中，在大致20万次时断裂，疲劳寿命延伸至大致两倍。在比较例中，由于使第二喷丸的喷射速度与第一喷丸的喷射速度相同，因此，不能获得实现与实施例2相匹敌的疲劳强度(大气耐久性)这样的残余应力分布。
若将第二喷丸的尺寸减小为例如0.4mm并将其喷射速度增大为例如86.7m/sec(叶轮转速2600rpm)，则能使第二喷丸的动能接近实施例2的第二喷丸的动能。然而，当这样增大喷射速度时，因叶轮的转速变大等，会出现噪声和振动的增加、耗电量的增加及装置的磨损增加等问题。因此，增大喷射速度不适于量产化(实用化)。
与此相对，在实施例1、2中，通过使第二喷丸的喷射速度比第一喷丸的喷射速度小(慢)，提高了表面附近的压缩残余应力。因此，能减小噪声、振动及耗电量，也能减少喷丸处理装置的磨损。由此，能降低制造成本。
而且，在实施例1、2的第二喷丸处理工序中，均使用比第一喷丸处理工序的第一喷丸小的第二喷丸，且使第二喷射速度比第一喷射速度小。因此，能减小弹簧钢丝的表面粗糙度，从而可改善弹簧钢丝的表面状态。这对疲劳强度(在大气中的耐久性)的改善也起到了效果。
也可使在第一喷丸处理工序中所使用的第一喷丸与在第二喷丸处理工序中所使用的第二喷丸的尺寸彼此相同。总之，只要通过使第二喷丸的喷射速度比第一喷丸的喷射速度小(慢)来使第二喷丸的动能比第一喷丸的动能小即可。
工业上的可利用性
可以认为，以上说明的各实施例的效果并不受钢种的影响，具有同样的倾向，使用在悬架用螺旋弹簧中通常所使用的弹簧钢能改善疲劳强度。因此，也具有能抑制螺旋弹簧的材料成本提高的效果。本发明的螺旋弹簧能适用于以汽车为代表的各种车辆的悬架机构中。
(符号说明)
12螺旋弹簧
20弹簧钢丝
T3压缩残余应力极值部

Claims (4)

1.一种螺旋弹簧的制造方法，包括：第一喷丸处理工序(S6)；以及在该第一喷丸处理工序(S6)之后进行的第二喷丸处理工序(S7)，其特征在于，
在所述第一喷丸处理工序(S6)中，使第一喷丸以第一喷射速度撞击到弹簧钢丝(20)，以产生压缩残余应力，从而在所述弹簧钢丝(20)的内部产生压缩残余应力极值部(T3)，
在所述第二喷丸处理工序(S7)中，使第二喷丸以比所述第一喷射速度慢的第二喷射速度且以比所述第一喷丸的动能小的动能撞击到所述弹簧钢丝(20)，从而使靠近表面的部分的压缩残余应力增加得比所述压缩残余应力极值部(T3)大。
2.如权利要求1所述的螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，
所述第二喷丸的尺寸比第一喷丸的尺寸小。
3.如权利要求1所述的螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，
所述第二喷丸的尺寸与第一喷丸的尺寸相同。
4.如权利要求1至3中任一项所述的螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，
所述第一喷丸处理工序(S6)和所述第二喷丸处理工序(S7)是在150～350℃的处理温度下进行的。
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