CN107502727A - 一种零长弹簧的制造方法及零长弹簧 - Google Patents

一种零长弹簧的制造方法及零长弹簧 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种零长弹簧的制造方法及零长弹簧，涉及海空重力仪领域。其中零长弹簧的制造方法包括：通过固溶强化处理工艺调整丝材的微观组织结构，其中，丝材为恒弹性丝材；对固溶丝材进行成型处理；采用反向旋转方式对第一弹簧施加预拉力；对第二弹簧进行回火处理。本发明提供的零长弹簧的制造方法更系统、更科学、高精度，能够使零长弹簧的零长误差：Δl≤1毫米，日漂移量：δ≤10‑2μ/日，刚度误差:K≤0.01克力/毫米，克服传统工艺无法解决的物理零长的难题。

Description

一种零长弹簧的制造方法及零长弹簧
技术领域
本发明涉及海空重力仪领域，具体而言，涉及一种零长弹簧的制造方法及零长弹簧。
背景技术
重力加速度是一个基本的物理学常数，准确测量重力加速度在地球科学、资源勘探等领域都具有重要意义。
随着现代化科技的飞速发展，弹簧作为重要的弹性元件被广泛的用于精密科学仪器中。但是普通的正长弹簧灵敏度低、作为动态测量敏感元件难以克服横向加速度扰动的能力、蠕变松弛量大等缺点，限制了其在微重力测量领域的应用。而金属零长弹簧作为微位移测量的敏感核心元件，具有结构简单、可靠，相对尺寸小、灵敏度高等优势，通过分析零长弹簧受重力加速度变化引起弹性变形量(直观表现为弹簧的伸缩量)，从而可以间接的计算出重力变化。而弹簧式重力仪则是零长弹簧的典型和特殊应用，鉴于该种零长弹簧的特殊性和高精度要求，采用一般的研制工艺是难以实现，研究和探索一种特殊的、基于理论指导的、满足仪器精度设计指标的科学工艺显得至关重要，至少目前在我国该工艺的研究对于发展自研弹簧式海空重力仪及便携式重力仪有重要意义，因为对于我国这样一个有着大量勘探、军事及科研需求的国家，不能单纯的依靠进口价格昂贵的海空重力仪来满足需求，这对我国国防建设、资源勘探和地球物理研究都有重要意义。
金属零长弹簧是一根具有特殊预拉力且密排并圈的拉伸弹簧。像普通弹簧一样，同样满足几何尺寸与弹性特性关系：
其中：K－弹簧刚度，d－弹簧丝径，D2－弹簧中径，n－有效圈数，G－剪切弹性模量。
此外，具有预拉力的弹簧，其受力与伸长之间的对应关系为：
P－PO＝KL－KLO
其中P为施加于弹簧的外力，P0为预应力，L为P作用下弹簧的总长，L0为初始长度。将(2)式改为：
P－KL＝PO－KLO
若Po－KLo＝0则P－KL＝0。其物理意义：若P＝0，即不施加外力时，弹簧长度为零，此时没有初始长度。这是一种理想，实际上弹簧总是有一定长度，根据重力仪的精度要求其零长误差小于1mm。
因此，零长弹簧就是能同时满足弹簧特性关系及力与变形关系的拉伸弹簧，也即其弹性特性关系线通过坐标原点。
由于海空重力仪设计对零长弹簧提出了0.1微米/毫伽(1微伽＝10－6伽，1伽＝1cm/s－2)，Δl≤1毫米，日漂移量：δ≤10-2μ/日，刚度误差:K≤0.01克力/毫米，因此对加工工艺的高要求也使得众多研究者望而却步。国内仅有的研究也限于国家地震局地震研究所陈志远等人于1990年前后，研究用于其研制的DZW型静态台站式重力仪的等效零长弹簧(本质为负长弹簧，两端连接拉丝等效为零长状态，非真正意义上的零长弹簧)，其研制工艺中采用的弹簧材料是高弹模量的弹性合金(代号为3J53)，该合金材料的弹性模量温度系数较窄，限制了重力仪使用的环境温度，显然这是动态海空重力仪所不能容忍的。同时其翻簧工艺后得到的弹簧是负长弹簧，不具有克服横向扰动的能力(横向扰动加速度会引起弹簧偏离垂向位置一定角度，造成垂直方向的长度改变，从而引入重力测量误差，该误差远大于海空重力仪1毫伽的精度设计)，因此也无法在动态重力仪及便携式重力仪中得到实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种零长弹簧的制造方法，其旨在提高零长弹簧的精度，减少零长弹簧的误差。
本发明的目的在于提供一种零长弹簧，其旨在提高零长弹簧的精度，减少零长弹簧的误差。
本发明提供一种技术方案：
一种零长弹簧的制造方法，包括：
通过固溶强化处理工艺调整丝材的微观组织结构，其中，所述丝材为恒弹性丝材；
对固溶丝材进行成型处理；
采用反向旋转方式对第一弹簧施加预拉力；
对第二弹簧进行回火处理。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，通过固溶强化处理工艺使所述丝材的机械品质因数Q＝10000～15000。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述通过固溶强化处理工艺调整所述丝材的微观组织结构的步骤包括：将所述丝材经固溶温度、固溶时间的固溶处理得到所述固溶丝材。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述固溶温度为850-950℃，所述固溶时间为15-20min。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述固溶温度为550℃-650℃，所述固溶时间为2h-3h。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述采用反向旋转方式对第一弹簧施加预拉力的步骤包括：采用反向旋转装置200对所述第一弹簧加工，使第一弹簧的旋向相反。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述对第二弹簧进行回火处理的步骤包括：
计算预设温度；
在高真空炉中将所述第二弹簧在所述预设温度下进行预设时间的回火处理，即可实现弹簧零长状态，形成零长弹簧。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述计算预设温度的步骤包括：依据P＝CP0 ATB出所述预设温度；
其中，P为处理后的预应力，P0为初始预应力，T为去应力回火温度，A为初始预应力影响系数，B为去应力回火温度系数，C为常数。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述对固溶丝材进行成型处理的步骤包括：
将固溶丝材冷拉成型；
对第三弹簧进行退火处理，稳定所述第三弹簧的尺寸。
一种零长弹簧，采用零长弹簧的制造方法制成。所述零长弹簧的制造方法包括：
通过固溶强化处理工艺调整丝材的微观组织结构，其中，所述丝材为恒弹性丝材；
对固溶丝材进行成型处理；
采用反向旋转方式对第一弹簧施加预拉力；
对第二弹簧进行回火处理。
本发明提供的零长弹簧的制造方法及零长弹簧的有益效果是：对丝材进行固溶强化处理，得到固溶丝材，对固溶丝材进行成型处理对第三弹簧进行退火处理，稳定第三弹簧的尺寸，得到第一弹簧。采用反向旋转方式对第一弹簧施加预拉力，使第一弹簧的旋向相反形成第二弹簧，对第二弹簧进行回火处理，形成零长弹簧。本发明提供的零长弹簧的制造方法更系统、更科学、高精度，能够使零长弹簧的零长误差：Δl≤1毫米，日漂移量：δ≤10-2μ/日，刚度误差:K≤0.01克力/毫米，克服传统工艺无法解决的物理零长的难题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的冷拉成型装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的反向旋转装置的第一视角的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的反向旋转装置的第二视角的结构示意图。
图标：100-冷拉成型装置；110-机架；120-送丝装置；130-传送装置；132-第一滑轮组；134-第二滑轮组；140-调整装置；200-反向旋转装置；210-固定架；220-压紧装置；222-第一滑轮；224-第二滑轮；226-第三滑轮；228-空腔；230-固定装置；232-紧螺母；234-紧垫片；240-施压装置；242-压紧螺母；244-调力弹簧；246-支撑支座；248-调整支座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
Ni44CrTiAl合金元素成分
Ni44CrTiAl恒弹性钢丝物理性能与力学性能
抗拉强度σbMN/m2 1374(140)(时效强化)
比例极限σbMN/m2 755(77)(时效强化)
延伸率δ％ 7(时效强化)
硬度HRC 42
弹性后效％ ～0.02
膨胀系数α×10-6/oC 8.1
居里点TCOC 130～190
弹性模量EGN/m2 181.4～196(18500～20000)
弹性模量温度系数β×10-6/oc ≤5
机械品质因素Q 10000～15000
疲劳次数n次 108(容许应力σ的25％～30％)
耐腐蚀 抗工艺气氛不锈
电阻率ρμΩ*m 1.0～1.2
实施例一
请参阅图1，本实施例提供了一种零长弹簧的制造方法，本实施例提供的零长弹簧的制造方法更系统、更科学、高精度，能够使零长弹簧的零长误差：Δl≤1毫米，日漂移量：δ≤10-2μ/日，刚度误差:K≤0.01克力/毫米，克服传统工艺无法解决的物理零长的难题。
零长弹簧的制造方法包括通过固溶强化处理工艺调整丝材的微观组织结构，其中，丝材为恒弹性丝材；对固溶丝材进行成型处理；采用反向旋转方式对第一弹簧施加预拉力；对第二弹簧进行回火处理。
在本实施例中，首先恒弹性丝材为Fe-Ni合金(Ni44CrTiAl)丝材，该材质加工性能好，可制成复杂形状的弹性元件；弹性模量和强度高，时效强化后抗拉强度可达137.3MPa；弹性后效小，抗腐蚀性好；相较于3J53高弹性合金，其合金的居里点更高，恒弹性的温度范围更广(3J53的温度范围-60℃-100℃，Ni44CrTiAl的则为-100℃-200℃)，是复杂温度环境工作的动态海空重力仪弹性系统敏感元件理想的选材。
在本实施例中，Fe-Ni合金是面向大众需求，部分材料性能难以满足零长弹簧的工艺需求，需要通过固溶强化处理工艺来调整丝材的微观组织结构，使丝材的机械品质因数Q＝10000～15000。并获得在室温接近零的温度系数，低弹性后效，有利于后续的加工成型。丝材通过固溶强化处理工艺后得到固溶丝材。
在本实施例中，将丝材经过固溶温度、固溶时间的固溶处理得到固溶丝材。
在本实施例中，固溶温度为850-950℃，固溶时间为15-20min。
需要说明的是，在本实施例中，固溶温度为850-950℃，固溶时间为15-20min。但是不限于此，在本发明的其他实施例中，固溶温度可以为550℃-650℃，固溶时间可以为2h-3h。与本实施例等同的方案，能够达到本实施例的效果的，均在本发明的保护范围内。
在本实施例中，对固溶丝材进行成型处理的步骤包括：将固溶丝材冷拉成型；对第三弹簧进行退火处理，稳定第三弹簧的尺寸。
在本实施例中，采用冷拉成型装置100对固溶丝材冷拉成型，得到第三弹簧，对第三弹簧进行退火处理，稳定第三弹簧的尺寸，得到第一弹簧。
在采用冷拉成型装置100对固溶丝材冷拉成型之前需要先对固溶丝材进行清洗。
在本实施例中，采用丙酮对固溶丝材进行清洗。
请参阅图1，在本实施例中，冷拉成型装置100包括机架110、送丝装置120、传送装置130、调整装置140及成型装置(图未示)，送丝装置120、传送装置130及调整装置140均与机架110连接。
传送装置130包括第一滑轮组132及第二滑轮组134，第一滑轮组132位于机架110的上方，第二滑轮组134位于机架110的下方。
调整装置140位于第一滑轮组132及第二滑轮组134之间。
在本实施例中，调整装置140为第三滑轮组。
成型装置包括第一机床及第一芯轴，第一芯轴安装于第一机床上，可在第一机床的带动下转动。
在本实施例中，第一芯轴材料选用Fe-Ni合金(Ni44CrTiAl)与丝材一致，保证在随后加工和热处理时两者变形的一致性，第一芯轴除要求精磨外还需在绕制初始端加工螺纹第一导向槽，确保弹簧螺旋角的准确度，第一芯轴两端设计定位销，以压紧钢丝的始末端，使得冷拉后弹簧不会散开，达到定型目的。
在本实施例中，固溶丝材由送丝装置120送出，送丝装置120用于依据零长弹簧的长度来控制固溶丝材的长度，稳定固溶丝材的拉力。固溶丝材由送丝装置120送出后依据经过第一滑轮组132及第二滑轮组134，第一滑轮组132及第二滑轮组134固溶丝材加工变形应力。固溶丝材经过第二滑轮组134到调整装置140，调整装置140用于对固溶丝材进行终端清洁及调整弹簧螺旋角，经过调整装置140后的固溶丝材绕制在第一芯轴上，将软态的丝材经过匀速转动作用下在精密第一芯轴上进行加工硬化，实现弹簧精密绕制的功能，得到第三弹簧。上述的弹簧冷拉成型工艺，不仅保证了弹簧的精度，而且成品率高达95％以上。
为完全消除弹簧绕制过程产生的内应力，精确控制弹簧的几何尺寸，获得良好的表面质量。需要对第三弹簧进行退火处理，稳定第三弹簧的尺寸。为此，将冷拉的弹簧连同精密第一芯轴一起放在定制的高真空炉中(VSF-4)中温退火处理，炉温控制精度在±5℃。中温退火处理工艺的设计准则是：精确尺寸定型；获得良好的表面质量；获得良好的机械性能，如高抗拉强度。
在本实施例中，对第三弹簧进行退火处理，稳定第三弹簧的尺寸的步骤包括：在高真空炉中将第三弹簧经过6h升温至800℃，保温1.5小时，真空度达到为10-4Pa的中温退火处理形成所述第一弹簧。
对于选用Ni44CrTiAl合金冷拉的弹簧，其最佳的处理工艺为：6h升温至800℃，保温1.5小时，真空度达到为10-4Pa。
在本实施例中，经过中温回火处理后形成的第一弹簧，其预应力基本全部丧失，需要是第一弹簧获得高预加力是加工零长弹簧的关键。
在本实施例中，采用反向旋转装置200对第一弹簧加工，使第一弹簧获得高预加力，形成第二弹簧。
请参阅图2及图3，在本实施例中，反向旋转装置200包括固定架210、压紧装置220、固定装置230、施压装置240及旋转装置(图未示)，施压装置240、固定装置230及压紧装置220均与固定架210连接。
在本实施例中，压紧装置220包括第一滑轮222、第二滑轮224及第三滑轮226，第一滑轮222靠近施压装置240，第二滑轮224与第三滑轮226在同一条直线上。第一滑轮222与第二滑轮224及第三滑轮226之间形成空腔228。空腔228与旋转装置配合。
在本实施例中，施压装置240包括压紧螺母242、调力弹簧244、支撑支座246及调整支座248。调力弹簧244分别与压紧螺母242及调整支座248连接，压紧螺母242、调力弹簧244、支撑支座246与支撑支座246固定连接，支撑支座246与固定架210连接，调整支座248与第一滑轮222连接。
在本实施例中，调整压紧螺母242，通过调力弹簧244及调力支座对第一滑轮222施加压力。
在本实施例中，固定装置230包括锁紧螺母232及锁紧垫片234，锁紧螺母232及锁紧垫片234用于固定第一滑轮222、第二滑轮224及第三滑轮226。
在本实施例中，旋转装置包括第二机床(图未示)及第二芯轴(图未示)，第二芯轴与第二机床连接，第二芯轴可在第二机床的带动下旋转，第二芯轴与空腔228配合。
在本实施例中，第二芯轴上设置有第二导向槽(图未示)，第二导向槽设置在第一弹簧反向的起点处，精确控制弹簧反向旋转后的螺旋角。
在本实施例中，第一滑轮222、第二滑轮224及第三滑轮226将第一弹簧压紧在第二芯轴上，第二芯轴在第二机床的带动下匀速转动，第一弹簧通过第二导向槽，第一滑轮222、第二滑轮224及第三滑轮226由第二芯轴的另一端旋出，第一弹簧旋向发生变化，与原来的旋向相反，形成第二弹簧。
在本实施例中，该反向旋转回弹工艺的要求：获得高预拉力；不得破坏原有的表面质量；保持原有的几何尺寸精度。
传统工艺机构采用无导向、悬臂弹簧压紧装置220来完成这一工艺工序，结果不理想，因为无导向不易保证螺旋的精度，废品率较高，悬臂弹簧压紧装置220与弹簧表面是滑动摩擦，因而损伤弹簧的表面质量。该工艺通过在第二芯轴轴上增加第二导向槽，将悬臂弹簧压紧装置220改为压紧装置220，第一弹簧与第一滑轮222、第二滑轮224及第三滑轮226的摩擦状态为滚动摩擦，使得第二弹簧精度、表面质量、成品率大大提高。
第二弹簧经过反向旋转工艺后具有高预应力状态，即负长弹簧，同时反向的过程对第二弹簧是一次加工硬化过程，第二弹簧内部有较大的残余应力，大大降低第二弹簧的尺寸稳定性和性能稳定性，干扰第二弹簧正常的蠕变规律，造成第二弹簧零漂过大，装配于重力仪中会引起重力仪的掉格，造成仪器无法正常工作。因此，需要对第二弹簧进行回火处理，去掉第二弹簧内部的残余应力。
在本实施例中，对第二弹簧进行回火处理的步骤包括：
计算预设温度；
在高真空炉中将第二弹簧在预设温度下进行预设时间的回火处理，即可实现弹簧零长状态，形成零长弹簧。
在本实施例中，依据P＝CP0 ATB计算出第二弹簧的预设温度。
其中，P为处理后的预应力，P0为初始预应力，T为去应力回火温度，A为初始预应力影响系数，B为去应力回火温度系数，C为常数。
在本实施例中，第二弹簧的初始预应力即满足原长所需要的预应力F＝KX，即P0＝KX0，可求得初始预应力。
在本实施例中，在高真空炉中将第二弹簧在预设温度下进行预设时间的回火处理，即可实现弹簧零长状态，形成零长弹簧。
在本实施例中，预设时间为120min。
该步骤可实现弹簧零长状态。同时该工艺的实施能将弹簧预应力的离散度控制在1.5％以下，完全满足设计精度需求，也使得弹簧内部的应力进一步均匀化，提高了弹簧的尺寸稳定性、零漂等性能。
本实施例提供的零长弹簧的制造方法的工作原理：在本实施例中，首先对丝材进行固溶强化处理，得到固溶丝材，对固溶丝材进行冷拉成型处理，得到第三弹簧，对第三弹簧进行退火处理，稳定第三弹簧的尺寸，得到第一弹簧。采用反向旋转方式装置对第一弹簧施加预拉力，使第一弹簧的旋向相反形成第二弹簧，对第二弹簧进行回火处理，形成零长弹簧。
综上所述，本实施例提供的零长弹簧的制造方法更系统、更科学、高精度，能够使零长弹簧的零长误差：Δl≤1毫米，日漂移量：δ≤10-2μ/日，刚度误差:K≤0.01克力/毫米，克服传统工艺无法解决的物理零长的难题。
实施例二
本实施例提供的一种零长弹簧，本实施例提供的零长弹簧更系统、更科学、高精度，能够使零长弹簧的零长误差：Δl≤1毫米，日漂移量：δ≤10-2μ/日，刚度误差:K≤0.01克力/毫米，克服传统工艺无法解决的物理零长的难题。
本实施例提供的零长弹簧，采用实施例一提供的零长弹簧的制造方法制成。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种零长弹簧的制造方法，其特征在于，包括：
通过固溶强化处理工艺调整丝材的微观组织结构，其中，所述丝材为恒弹性丝材；
对固溶丝材进行成型处理；
采用反向旋转方式对第一弹簧施加预拉力；
对第二弹簧进行回火处理。
2.根据权利要求1所述的零长弹簧的制造方法，其特征在于，通过固溶强化处理工艺使所述丝材的机械品质因数Q＝10000～15000。
3.根据权利要求1所述的零长弹簧的制造方法，其特征在于，所述通过固溶强化处理工艺调整所述丝材的微观组织结构的步骤包括：将所述丝材经固溶温度、固溶时间的固溶处理得到所述固溶丝材。
4.根据权利要求3所述的零长弹簧的制造方法，其特征在于，所述固溶温度为850-950℃，所述固溶时间为15-20min。
5.根据权利要求3所述的零长弹簧的制造方法，其特征在于，所述固溶温度为550℃-650℃，所述固溶时间为2h-3h。
6.根据权利要求1所述的零长弹簧的制造方法，其特征在于，所述采用反向旋转方式对第一弹簧施加预拉力的步骤包括：采用反向旋转装置对所述第一弹簧加工，使所述第一弹簧的旋向相反。
7.根据权利要求1所述的零长弹簧的制造方法，其特征在于，所述对第二弹簧进行回火处理的步骤包括：
计算预设温度；
在高真空炉中将所述第二弹簧在所述预设温度下进行预设时间的回火处理。
8.根据权利要求7所述的零长弹簧的制造方法，其特征在于，所述计算预设温度的步骤包括：依据公式P＝CP0 ATB计算出所述预设温度；
其中，P为处理后的预应力，P0为初始预应力，T为去应力回火温度，A为初始预应力影响系数，B为去应力回火温度系数，C为常数。
9.根据权利要求1所述的零长弹簧的制造方法，其特征在于，所述对固溶丝材进行成型处理的步骤包括：
将固溶丝材冷拉成型；
对第三弹簧进行退火处理，稳定所述第三弹簧的尺寸。
10.一种零长弹簧，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的零长弹簧的制造方法制成。
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