CN104624876A - 一种异形弹簧的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异形弹簧的制造方法，包括加工弹簧半成品以及对弹簧半成品进行热处理强化、定型；其中弹簧半成品是指通过机加工形成的螺旋间隙大于工艺要求的弹簧螺旋间隙的螺旋状工件；在完成弹簧半成品的加工后，先通过弹簧压缩定型夹具将弹簧半成品压缩，并在弹簧半成品的螺旋间隙放入定型薄片压紧，所述定型薄片的厚度等于工艺要求的异形弹簧螺旋间隙，然后将弹簧半成品进行真空热处理定型，热处理步骤包括真空淬火和二次回火。本发明采用数控技术结合热处理加工异形弹簧，生产效率高且加工精度有保障，提升了异形弹簧，特别是变截面异形弹簧的生产效率。

Description

一种异形弹簧的制造方法

技术领域

本发明属于机械制造领域，涉及一种利用数控技术与热处理工艺相结合加工变截面异形弹簧的制造方法。

背景技术

目前，弹簧的加工方法主要是卷制成型法，所用到的设备主要是自动卷簧机、断料机、磨簧机等。卷制成型法加工弹簧：把弹簧钢丝送入已调好的自动卷簧机进行卷簧，根据所需弹簧的展开长度适时切断弹簧钢丝，然后进行弹簧断头磨削、弹簧整形、热处理等工序。但对于具有变截面弹簧丝、变节距、不等径弹簧圈特点的异形弹簧无法采用卷制成型法加工，如附图1中所示的异形弹簧，该种类变截面异形弹簧的特点是：两端部分为等螺距，中间部分变螺距，弹簧两端部分的内、外径相等且略大于中间部分的内外径，其内、外径变化量不相等、不同步，形成不等径弹簧圈。

上述该种变截面异形弹簧可应用于离合器等产品，目前缺少一种低成本、高精度的生产此类异形弹簧的有效制造方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对变截面异形弹簧难加工、加工精度难保证的缺陷，提供一种结合数控加工和热处理工艺的变截面异形弹簧的制造方法。

本发明采用如下技术方案实现：一种异形弹簧的制造方法，包括加工弹簧半成品以及对弹簧半成品进行热处理强化、定型；其中弹簧半成品是指通过机加工形成的螺旋间隙大于工艺要求的弹簧螺旋间隙的螺旋状工件；在完成弹簧半成品的加工后，先通过弹簧压缩定型夹具将弹簧半成品压缩，并在弹簧半成品的螺旋间隙放入定型薄片压紧，所述定型薄片的厚度等于工艺要求的异形弹簧螺旋间隙，然后将弹簧半成品进行真空热处理定型，热处理步骤包括真空淬火和二次回火。

进一步的，所述弹簧半成品通过数控加工中心进行加工，具体步骤如下：

(1)、加工弹簧坯料以及芯轴，根据异形弹簧的截面以及内、外径尺寸加工筒形的弹簧坯料，根据异形弹簧的内径截面加工芯轴，所述芯轴过盈装配于弹簧坯料内孔中，用于装夹弹簧坯料；

(2)、生成模拟刀头沿异形弹簧螺旋间隙运动的螺旋展开线，并根据该螺旋展开线生成数控刀路，选取直径大于异形弹簧螺旋间隙的刀头，编写适合数控加工中心的加工程序；

(3)、通过芯轴装夹弹簧坯料于数控加工中心的工作台上，选择合适的刀具，同时输入步骤(2)中的加工程序将弹簧坯料加工成弹簧半成品；

具体的，所述步骤(1)中首先根据异形弹簧的外径和长度车削弹簧坯料，加工弹簧坯料外径至尺寸，平端面加工弹簧坯料长度至尺寸；然后，根据异形弹簧截面及内径，通过钻孔或/和镗孔，加工弹簧坯料内表面异型孔至尺寸；所述芯轴加工成分段式芯轴，从弹簧坯料的内孔两端过盈装入，所述芯轴两端留有余量，芯轴端面钻中心孔，作为弹簧半成品加工的支撑和装夹定位。

具体的，所述步骤(2)中，模拟刀头的是指刀头沿着异形弹簧螺旋间隙的轨迹运动，具体过程如下，弹簧半成品绕轴线X轴旋转，并沿X轴移动或刀头在X轴方向移动，刀头在弹簧半成品上加工出螺旋槽。

具体的，所述刀具选用铣刀。

进一步的，所述弹簧压缩定型夹具包括同轴设置的两个夹具体，两个夹具体从弹簧半成品的内孔两端装入，并通过螺纹连接分别对弹簧半成品两端面挤压，实现调节压缩距离。

进一步的，所述夹具体装入异形弹簧内孔与弹簧半成品的内孔匹配契合。

进一步的，所述定型薄片为与工艺要求的异形弹簧螺旋间隙厚度和形状匹配的弧形薄片。

在本发明中，所述真空热处理是对弹簧半成品进行强化、定型，首先进行真空淬火，在790℃±15℃预热后，将零件在真空条件下加热至1000-1030℃，按1.2min/mm保温一段时间后油淬；再将零件放入熔融盐浴或空气炉中进行两次回火处理，回火温度为530-560℃，保温一段时间后空冷。

根据变截面异形弹簧的使用性能选择合适的弹簧钢毛坯，将毛坯加工(包括车外表面、钻孔、镗孔)成待进一步切螺旋槽的弹簧坯料，同时加工两端芯轴，过盈装入坯料内孔中；在四轴数控机床上，采用直径大于最终工艺要求的弹簧螺旋间隙尺寸的刀具(如采用与弹簧螺旋间隙最终尺寸相同的刀具，由于直径太小，容易断刀，影响加工质量与效率)，加工出弹簧半成品；同时加工符合弹簧间隙要求的定型薄片和一套弹簧压缩定型夹具，将定型薄片塞入弹簧半成品的螺旋间隙中，利用弹簧压缩定型夹具夹紧弹簧两端；将装夹好的弹簧进行热处理强化、定型，取下夹具和薄片后即可得到符合精度要求的变截面异形弹簧。

本发明采用新的技术思路进行弹簧加工，通过数控技术对弹簧的异形螺旋间隙进行去除材料加工，根据变截面异形弹簧的使用性能选择合适的弹簧坯料，由于本方法是数控切削弹簧成型，保证加工余量的情况下，选用的弹簧钢棒料作为坯料，然后将坯料加工成待进一步切螺旋槽的弹簧坯料(包括车坯料外表面、钻孔、镗孔)，同时加工芯轴便于装配弹簧半成品；根据所建立的三维模型，生成变截面异形弹簧的螺旋展开线，将螺旋展开线利用插补的方法切割成小直线段，再应用CAM软件根据所得的螺旋展开线生成用小直线段拟合的数控刀路，进行数控编程；在四轴数控机床上，利用弹簧半成品中的芯轴进行装夹、定位，把已编辑的数控加工程序导入机床控制器中，使用加工刀具为数控铣刀，启动运转，加工出符合精度要求的变截面异形弹簧。

由上所述，本发明采用数控机床结合热处理工艺加工异形弹簧，生产效率高且加工精度有保障。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明

附图说明

图1为实施例中变截面异形弹簧成品剖面示意图。

图2为实施例中变截面异形弹簧的弹簧坯料剖视图。

图3为实施例中变截面异形弹簧的弹簧坯料与芯轴的装配示意图。

图4为实施例中变截面异形弹簧的外部主视图。

图5为实施例中模拟刀头移动的三维螺旋线。

图6为图5中三维螺旋线的展开线。

图7为实施例中加工的弹簧半成品剖面示意图。

图8为实施例中弹簧压缩定型夹具与弹簧半成品装配示意图。

图9为实施例中定型薄片示意图。

图中标号：1-变截面异形弹簧成品，1’-弹簧半成品，2-弹簧螺旋间隙，2’-加工螺旋槽，3-弹簧坯料，4-第一芯轴，5-第二芯轴，6-第一夹具体，7-第二夹具体，8-螺母。

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中为两端部分为等螺距，且两端等螺距的螺旋圈数相等，弹簧中间部分为变螺距的变截面异形弹簧。变截面异形弹簧成品1的两端部分的内、外径相等且略大于中间部分的内外径，其内、外径变化量不相等不同步，形成不等径弹簧圈。根据使用具体设计要求设置各参量的值，本例中图1所示弹簧两端部分螺旋圈数为14、螺距为5mm，两端部分的外径为44mm，内径为28mm，弹簧螺旋间隙2为0.5mm，越往弹簧中间，螺距逐渐增大。

根据本发明的技术方案，首先需要加工出图7所示的弹簧半成品1’。

根据设计要求，选择的合金弹簧钢(棒料、直径为52mm等)为变截面异形弹簧的毛坯，然后将坯料加工成进一步切螺旋槽的弹簧坯料3(包括车削坯料外表面、钻孔、镗孔)，同时加工两段能够过盈装入弹簧半成品内孔中的芯轴4，用于辅助装夹弹簧坯料3；根据所建立的三维模型，生成变截面异形弹簧1的螺旋展开线，将螺旋展开线利用插补的方法切割成小直线段，再应用CAM软件根据所得的螺旋展开线生成用小直线段拟合的数控刀路，进行数控编程；在四轴数控机床上，利用弹簧坯料3中插装的芯轴4进行装夹、定位，把已编辑的数控加工程序导入机床控制器中，本例使用加工刀具为1.5mm的数控铣刀，启动运转，加工出符合精度要求的变截面异形弹簧半成品1’。

根据上述的技术思路，本实施例在加工过程中的具体实施步骤为：

步骤(1)、弹簧半成品的外形加工

根据实际工况选择材料合金弹簧钢棒料，根据异形弹簧的截面以及内、外径尺寸，车削弹簧钢棒料外表面，加工弹簧外径至尺寸，平端面加工弹簧长度至尺寸；通过钻孔、镗孔，加工弹簧内表面异型孔至尺寸，即加成处如附图2所示的弹簧坯料3。

选用45钢棒料为芯轴的坯料，根据弹簧坯料3的内孔尺寸车削芯轴外径，芯轴采用分段式芯轴，包括第一芯轴4和第二芯轴5，轴外端面钻中心孔，分别从弹簧坯料3的内孔两端过盈装入弹簧坯料3的内孔，如附图3所示，两段芯轴之间可同轴加工出螺纹孔和螺纹轴实现固定连接，芯轴4两端留有适度余量，作为后序弹簧螺旋加工的支撑和装夹定位。

步骤(2)、生成模拟铣刀运动的螺旋展开线

如图4所示，以变截面异形弹簧成品1的轴线为X轴，变截面异形弹簧横截面上分布着Y、Z轴，根据右手定则，建立笛卡尔直角坐标系如图所示。

1、生成三维螺旋线：模拟铣刀加工时的运动，为使铣刀沿着弹簧螺旋间隙运动，异形变截面弹簧绕X轴旋转、并沿X轴移动(或者铣刀相对于变截面异形弹簧向X轴方向移动)，从而形成三维螺旋线，如图5所示。

2、生成螺旋展开线：参见图6，将弹簧绕X轴的旋转运动展开，铣刀沿X轴的位移量与弹簧绕X轴旋转转角的关系曲线，用一般函数关系表达为：

S＝f(φ)

式中：S为铣刀运动位移，单位为毫米；φ为弹簧旋转转角，单位为度，根据螺旋展开线，可以确定加工时铣刀的具体位置。

用通用CAM软件，对模拟铣刀运动的螺旋展开线进行编程控制，以铣刀沿着弹簧螺旋间隙运动，完成变截面异形弹簧的加工成型。对生成的加工刀路进行后置处理，得到数控程序，并对其进行编辑，利用插补法的方式编写加工程序指令，程序编写完成后，转换成四轴数控机床适用的程序，机床的A轴的旋转运动即为弹簧绕X轴的旋转运动，机床X轴的运动即为铣刀相对于弹簧沿X轴的运动，手工编写机床Z轴方向的进刀、退刀，即可得到用于变截面异形弹簧加工的数控程序。

步骤(3)、数控加工中心加工变截面异形弹簧

选用四轴数控机床或加工中心对变截面异形弹簧进行加工，根据使用四轴数控机床的特点，四轴分别为X、Y、Z、A轴，其中X、Y轴为数控机床工作台在水平面上的运动，Z轴为数控铣刀的垂直方向的运动，A轴为工件轴的旋转运动。通过芯轴装夹弹簧坯料3于数控加工中心的工作台上，选择合适的铣刀头作为加工刀具，同时输入步骤(2)中的加工数控程序将弹簧坯料加工成弹簧半成品。

当完成螺旋槽加工深度H的加工后，弹簧半成品1’的几何结构完全成型，拆卸芯轴即可取下弹簧半成品1’，如图7所示，此时弹簧半成品1’上的加工螺旋槽2’的宽度为铣刀的直径1.5mm，要大于工艺要求的弹簧螺旋间隙2所要求的0.5mm，此时在将弹簧半成品1’装夹到图8所示的弹簧压缩定型夹具上，进行热处理。

具体参见图8，弹簧压缩定型夹具包括第一夹具体6和第二夹具体7，其中，第一夹具体上7沿轴线设有一通孔，第二夹具体7同轴线设有螺杆，第一夹具体6和第二夹具体7分别从弹簧半成品1’的内孔两端插装，其中第二夹具体7上的螺杆穿过第一夹具体6上的通孔，并与螺母9螺接，通过调节螺母实现两个夹具体的分别将弹簧半成品1’的两端压缩，所述夹具体装入异形弹簧内孔的外表面与弹簧半成品的内孔匹配契合，防止在压缩弹簧的过程中弹簧产生形变。在弹簧半成品1’的加工螺旋槽2’内设置图9所示的弧形定型薄片8，定型薄片8的厚度等于工艺要求的弹簧螺旋间隙2的尺寸，为0.5mm，利用厚度为0.5mm的薄板线切制成，通过弹簧压缩定型夹具将弹簧半成品1’的螺旋槽内放置的定型薄片夹紧即可，装甲后的效果如图8所示。

将装夹好的弹簧半成品进行真空热处理，实现结构的强化、定型，首先进行真空淬火，在790℃±15℃预热后，将弹簧半成品在真空条件下加热至1000-1030℃，按1.2min/mm保温一段时间后油淬；再将弹簧半成品放入熔融盐浴或空气炉中进行两次回火处理，回火温度为530-560℃，保温一段时间后空冷，保温时间分别为25min和20min。

弹簧热处理强化、定型后，几何结构完全成型，此时只需将弹簧压缩夹具和定型薄片取下，即可获得成型的符合要求的变截面异形弹簧。

以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种异形弹簧的制造方法，其特征在于包括加工弹簧半成品以及对弹簧半成品进行热处理；

其中弹簧半成品是指通过机加工形成的螺旋间隙大于工艺要求的弹簧螺旋间隙的螺旋状工件；

在完成弹簧半成品的加工后，先通过弹簧压缩定型夹具将弹簧半成品压缩，并在弹簧半成品的螺旋间隙放入定型薄片压紧，所述定型薄片的厚度等于工艺要求的异形弹簧螺旋间隙，然后将弹簧半成品进行真空热处理，实现弹簧的强化、定型，热处理步骤包括真空淬火和二次回火。

2.根据权利要求1所述的一种异形弹簧的制造方法，所述弹簧半成品通过数控加工中心进行加工，具体步骤如下：

(1)、加工弹簧坯料以及芯轴，根据异形弹簧的截面以及内、外径尺寸加工筒形的弹簧坯料，根据异形弹簧的内径截面加工芯轴，所述芯轴过盈装配于弹簧坯料内孔中，用于装夹弹簧坯料；

(2)、生成模拟刀头沿异形弹簧螺旋间隙运动的螺旋展开线，并根据该螺旋展开线生成数控刀路，选取直径大于异形弹簧螺旋间隙的刀头，编写适合数控加工中心的加工程序；

(3)、通过芯轴装夹弹簧坯料于数控加工中心的工作台上，选择合适的刀具，同时输入步骤(2)中的加工程序将弹簧坯料加工成弹簧半成品。

3.根据权利要求2所述的一种异形弹簧的制造方法，所述步骤(1)中首先根据异形弹簧的外径和长度车削弹簧坯料，加工弹簧坯料外径至尺寸，平端面加工弹簧坯料长度至尺寸；然后，根据异形弹簧截面及内径，通过钻孔或/和镗孔，加工弹簧坯料内表面异型孔至尺寸；所述芯轴加工成分段式芯轴，从弹簧坯料的内孔两端过盈装入，所述芯轴两端留有余量，芯轴端面钻中心孔，作为弹簧半成品加工的支撑和装夹定位。

4.根据权利要求2所述的一种异形弹簧的制造方法，所述步骤(2)中，模拟刀头沿着异形弹簧螺旋间隙的轨迹运动，具体模拟过程如下，弹簧半成品绕轴线X轴旋转，并沿X轴移动或模拟刀头在X轴方向移动，模拟刀头在弹簧半成品上形成的三维螺旋线，将该三维螺旋线展开，展开螺旋线的一般函数关系表达式为

s＝f(φ)  ①

其中，φ为弹簧半成品绕轴线X轴的转动角度，S为模拟刀头在X轴轴向的运动位移；

对模拟刀头运动的螺旋展开线进行编程控制，利用插补法编写加工程序指令，程序编写完成后，转换成对应数控机床适用的程序。

5.根据权利要求2所述的一种异形弹簧的制造方法，所述刀具选用铣刀。

6.根据权利要求1所述的一种异形弹簧的制造方法，所述弹簧压缩定型夹具包括同轴设置的两个夹具体，两个夹具体从弹簧半成品的内孔两端装入，并通过螺纹连接分别对弹簧半成品两端面挤压，实现调节压缩距离。

7.根据权利要求6所述的一种异形弹簧的制造方法，所述夹具体装入异形弹簧内孔的外表面与弹簧半成品的内孔截面匹配契合。

8.根据权利要求7所述的一种异形弹簧的制造方法，所述定型薄片为与工艺要求的异形弹簧螺旋间隙厚度和形状匹配的弧形薄片。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种异形弹簧的制造方法，所述真空热处理首先进行真空淬火，在790℃±15℃预热后，将零件在真空条件下加热至1000-1030℃，按1.2min/mm保温一段时间后油淬；再将零件放入熔融盐浴或空气炉中进行两次回火处理，回火温度为530-560℃，按4.7min/mm保温一段时间后空冷。