CN111745099A - 一种3j68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法及工装 - Google Patents

一种3j68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法及工装 Download PDF

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Abstract

一种3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法及工装，加工方法包括将丝材在1080～1150℃的环境下进行真空固溶处理，确定车床缠绕转速和阶梯式缠绕芯棒的尺寸，进行工件的缠绕；将缠绕好的工件放入800±10℃的真空环境中保温，再冷却至700±10℃保温，最后冷却到室温的条件下进行时效处理；对工件进行钳加工以及弹力测量，将工件装配成平整的环形结构；对环形结构工件进行加温加荷时效处理，将工件从加温加荷时效工装上取出，检测平面度≤0.5mm即可。本发明同时提供了一种弹力检测工装和一种加温加荷时效工装。本发明能够使工件保持优良的力学性能，减少工件的变形开裂，并有效降低缠绕应力、稳定工件尺寸。

Description

一种3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法及工装
技术领域
本发明属于弹簧制造领域，具体涉及一种3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法及工装。
背景技术
小直径环形螺旋弹簧属于弹簧的一种，该弹簧使用3J68高温弹性合金丝材制造，钢丝直径为0.8±0.02mm，该弹簧展开小头外径为Φ2.5mm×4.8mm，大头内径为Φ2.2mm×524mm的长条形，使用时需将小头拧入大头，拧入后的环形平面度≤0.5mm，且不允许有扭转。
现有加工方法是：领取3J68高温弹性合金丝材，使用车床缠绕成形，然后通过退火稳定尺寸。但对于直径为0.8±0.02mm的3J68材料高温弹性合金冷拔态丝材，计算变形量达30％～35％，其冷作硬化效果剧烈、晶格畸变严重，缠绕成形时易引起断裂，无法满足图纸要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中小直径环形螺旋弹簧在材料以及结构要求的限制下加工不易的问题，提供一种3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法及工装，能够使工件保持优良的力学性能，减少工件的变形开裂，并有效降低缠绕应力、稳定工件尺寸。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法，包括以下步骤：
步骤一、将3J68高温弹性合金丝材在1080～1150℃的环境下进行真空固溶处理，消除材料的冷作硬化效果，降低材料硬度，为车床缠绕做好准备；
步骤二、确定车床缠绕转速和阶梯式缠绕芯棒的尺寸，进行工件的缠绕；
通过进行车床缠绕转速和芯棒尺寸的正交对比试验，测试工件内径及平面度，得出适合的车床转速和芯棒尺寸，利用相应尺寸的阶梯式缠绕芯棒在车床上进行工件的缠绕；
步骤三、将缠绕好的工件放入800±10℃的真空环境中保温，再冷却至700±10℃保温，最后冷却到室温的条件下进行时效处理，以此改变工件组织，达到最终使用性能要求；
步骤四、对工件进行钳加工以及弹力测量；
通过钳加工改变弹簧圈数和大头长度来调整弹力值，采用弹力检测工装测量工件的弹力值，使之达到要求大小；磨平工件的端面，去除工件端面上的毛刺；
步骤五、装配；
将工件的小头拧入大头，使工件变成平整的环形结构；
步骤六、将环形结构工件套在加温加荷时效工装上，在400～450℃的环境中保温，然后冷却至室温，再在室温下放置不少于24小时进行加荷时效处理，模拟工件的使用工况；
步骤七、将工件从加温加荷时效工装上取出，检测平面度≤0.5mm即可。
作为本发明加工方法的一种优选实施例，步骤一所述的真空固溶处理过程在真空炉中进行，将卷曲直径≤600mm的整盘丝材平放在陶瓷板上装入真空炉内，装炉温度≤50℃，使丝材在1080～1150℃下保温1小时又6分。
作为本发明加工方法的一种优选实施例，所述真空炉的初始压力低于6.65×10- 2Pa；
以10℃/分将炉温升到800℃，保温到工件温度达800℃，并在800℃分压至6.65～10.64Pa，以6℃/分将炉温升至1100℃，保温至工件温度到达1080～1150℃，保温1小时又6分；
充氩气至0.8～1bar，打开风扇，将工件冷却到80℃以下出炉。
作为本发明加工方法的一种优选实施例，车床缠绕转速采用800转/分，阶梯式缠绕芯棒小头直径为Φ0.86mm，大头直径为Φ2.16mm。
作为本发明加工方法的一种优选实施例，步骤三将工件在800±10℃保温1小时又6分，冷却至700±10℃保温2小时又12分。
作为本发明加工方法的一种优选实施例，步骤三将缠绕好的工件平放在料筐内装入真空炉中进行，装炉温度≤50℃，以10℃/分钟将炉温升至600℃，保温到工件温度达600℃，再以6℃/分钟将炉温升至800℃，保温到工件温度达800℃±10℃；最后充氩气至0.8～1bar，打开风扇，将工件冷却到80℃以下出炉。
作为本发明加工方法的一种优选实施例，步骤六将套在加温加荷时效工装上的工件放入热处理炉，在400～450℃保温24小时又15分。
作为本发明加工方法的一种优选实施例，步骤七如果工件的平面度不满足要求，通过钳加工对工件的平面度进行修正。
本发明同时提供了一种弹力检测工装，用于实现所述加工方法中的弹力测量步骤，包括连接工件两端的两个吊钩，其中，第一吊钩通过螺杆与工件的大头相连，第二吊钩通过螺母套与工件的小头相连；通过两个吊钩对工件施加拉力并读出工件反馈的弹力值。
本发明同时提供了一种加温加荷时效工装，用于实现所述加工方法中的加荷时效处理步骤，包括本体，本体为周面加工螺纹面的圆柱体，本体的底面设有凸缘，本体的顶面安装压板；环形结构的工件套在本体的螺纹面上，本体的直径大于工件内径，工件在本体的支撑作用下张紧，工件的上下两个端面固定在本体底面的凸缘与顶面的压板之间。
相较于现有技术，本发明3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法，在不改变工件最终使用性能的前提下，设计增加固溶处理以降低材料初始硬度，同时设计阶梯式缠绕芯棒、控制车床转速以便缠绕加工时避免断裂，而后再进行时效处理达到所需性能要求；将缠绕后的退火处理改为加荷时效处理，设计加荷时效工装，有效降低缠绕应力、稳定工件尺寸。
(1)本发明的小直径环形螺旋弹簧加工方法将丝材经过固溶、时效、加荷时效后，工件材料能够达到最终使用状态，使工件能保持优良的力学性能。
(2)本发明的加工方法小直径环形螺旋弹簧在缠绕之前增加固溶处理，消除材料冷作硬化效果，降低材料硬度，为车床缠绕做组织准备，有效减少工件变形开裂。
(3)确定适合的车床缠绕转速和阶梯式缠绕芯棒的尺寸，设计阶梯式缠绕芯棒、控制车床转速以便缠绕加工时避免断裂，而后再进行时效处理达到所需性能要求。
(4)将缠绕后的退火处理改为加荷时效处理，将环形结构工件套在加温加荷时效工装上，模拟工件的使用工况，有效降低缠绕应力、稳定工件尺寸。
相较于现有技术，本发明的弹力检测工装解决了两端封闭、直径不同的螺旋弹簧拉伸试验的难题，为小直径环形螺旋弹簧进行钳加工调整弹力值，提供了测量途径和依据。
相较于现有技术，本发明的加温加荷时效工装能够对套在其上的环形结构工件提供固定以及张紧作用，进而可以模拟工件使用过程中的实际工况，经加温加荷时效处理之后，降低3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧的缠绕应力、稳定工件的尺寸。
附图说明
图1本发明弹力检测工装的结构示意图；
图2本发明加温加荷时效工装的结构示意图；
图3本发明实施例1零件加工尺寸位置示意图；
图4本发明实施例2零件加工尺寸位置示意图；
图5本发明实施例3零件加工尺寸位置示意图。
附图中：1-吊钩；2-螺母套；3-螺杆；4-本体；5-压板。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明小直径环形螺旋弹簧使用3J68高温弹性合金丝材制造，3J68高温弹性合金丝材的化学成分符合《3J68冷拉丝材技术条件》Q/15BY(S)1019-2004，具体如下表所示：
元素 C Cr W Co Al Ti Mn Ni
含量 ≤0.05 18.0-20.0 9.00-10.5 5.50-6.70 1.30-1.80 2.70-3.20 ≤0.40 余
元素 Si P S Fe Cu Ce B
含量 ≤0.40 ≤0.015 ≤0.010 ≤1.00 ≤0.07 ≤0.05 ≤0.003
注：1、铌和钒的允许残余含量各不大于0.20％；
2、合金中B、Ce均按计算量加入，报实测；
3、化学成分偏差按GB/T222执行。
供应状态：冷拔丝材，计算变形量30％～35％。
时效：800±10℃，1h+6′，冷却至700±10℃，2h+12′，空冷。
本发明采用C6140车床进行缠绕。
实施例1
参见图3，针对该弹簧的加工尺寸要求，本发明的加工方法如下：
(1)真空固溶处理：将卷曲直径≤600mm的整盘丝材平放在料筐内的陶瓷板上装入真空炉内，装炉温度≤50℃；将炉子抽真空，使其压力低于6.65×10-2Pa；
以10℃/分将炉温升到800℃，保温到零件温度达800℃，并在800℃分压至6.65～10.64Pa，以6℃/分将炉温升至1100℃，保温至零件温度到达1100±10℃，保温时间：1h+6′；
充氩气至0.8～1bar，打开风扇，将零件冷却到80℃以下出炉。
(2)车床缠绕：将阶梯式缠绕芯棒装夹在车床卡盘上，将丝材端头折弯(150mm)，将折弯部位紧贴芯棒装夹部位装夹在车床卡盘上，车床转速为800转/分，将丝材紧密缠绕在芯棒上，小头尺寸符合图示标注，大头长度≥580mm；
(3)真空时效处理：将缠绕好的工件平放在料筐内装入真空炉，装炉温度≤50℃；
以10℃/分钟将炉温升至600℃，保温到零件温度达600℃，以6℃/分钟将炉温升至800℃，保温到零件温度达800℃±10℃；将零件真空冷却至700±10℃，保温时间2h+12′；
充氩气至0.8～1bar，打开风扇，将零件冷却到80℃以下出炉。
(4)钳加工、测量弹力：
分别按
Figure BDA0002562800620000051
(直径
Figure BDA0002562800620000052
)、524(直径
Figure BDA0002562800620000053
)切去余料，磨平端面，去除毛刺，采用弹力检测工装按图检测弹力值，允许改变弹簧圈数和大头长度。
(5)装配：将工件小头拧入大头直到顶住，装配成环形，不允许有扭转。
(6)加荷时效：将环形结构工件套在加温加荷时效工装上，装入普通热处理炉内，在430±10℃，保温24h+15′，空冷后在室温下放置≥24h。
(7)拆卸工装，检测平面度：
将工件从工装内取出，检测平面度≤0.5mm，可通过钳加工修正弹簧平面度。
实施例2
参见图4，针对该弹簧的加工尺寸要求，本发明的加工方法如下：
(1)真空固溶处理：卷曲直径≤600mm的整盘丝材平放在料筐内的陶瓷板上装入真空炉内，装炉温度≤50℃；将炉子抽真空，使其压力低于6.65×10-2Pa；
以10℃/分将炉温升到800℃，保温到零件温度达800℃，并在800℃分压至6.65～10.64Pa，以6℃/分将炉温升至1080℃，保温至零件温度到达1080±10℃，保温时间：1.5h；
充氩气至0.8～1bar，打开风扇，将零件冷却到80℃以下出炉。
(2)车床缠绕：将阶梯式缠绕芯棒装夹在车床卡盘上，将丝材端头折弯(150mm)，将折弯部位紧贴芯棒装夹部位装夹在车床卡盘上，车床转速为800转/分，将丝材紧密缠绕在芯棒上，小头尺寸符合图示，大头长度≥420mm；
(3)真空时效处理：将缠绕好的工件平放在料筐内装入真空炉，装炉温度≤50℃；
以10℃/分钟将炉温升至600℃，保温到零件温度达600℃，以6℃/分钟将炉温升至800℃，保温到零件温度达800℃±10℃；将零件真空冷却至700±10℃，保温时间2h+12′；
充氩气至0.8～1bar，打开风扇，将零件冷却到80℃以下出炉。
(4)钳加工、测量弹力：
分别按
Figure BDA0002562800620000061
(直径Φ2.5±0.2)、393(直径
Figure BDA0002562800620000062
)切去余料，磨平端面，去除毛刺，采用弹力检测工装按图检测弹力值，允许改变弹簧圈数和大头长度。
(5)装配：将工件小头拧入大头直到顶住，装配成环形，不允许有扭转。
(6)加荷时效：将环形结构工件套在加温加荷时效工装上，装入普通热处理炉内，在400±10℃，保温24h+15′，空冷后在室温下放置≥24h。
(7)拆卸工装，检测平面度：
将工件从工装内取出，检测平面度≤0.5mm，可通过钳加工修正弹簧平面度。
实施例3
参见图5，针对该弹簧的加工尺寸要求，本发明的加工方法如下：
(1)真空固溶处理：卷曲直径≤600mm的整盘丝材平放在料筐内的陶瓷板上装入真空炉内，装炉温度≤50℃；将炉子抽真空，使其压力低于6.65×10-2Pa；
以10℃/分将炉温升到800℃，保温到零件温度达800℃，并在800℃分压至6.65～10.64Pa，以6℃/分将炉温升至1150℃，保温至零件温度到达1150±10℃，保温时间：1h；
充氩气至0.8～1bar，打开风扇，将零件冷却到80℃以下出炉。
(2)车床缠绕：将阶梯式缠绕芯棒装夹在车床卡盘上，将丝材端头折弯(150mm)，将折弯部位紧贴芯棒装夹部位装夹在车床卡盘上，车床转速为800转/分，将丝材紧密缠绕在芯棒上，小头尺寸符合图示，大头长度≥600mm；
(3)真空时效处理：将缠绕好的工件平放在料筐内装入真空炉，装炉温度≤50℃；
以10℃/分钟将炉温升至600℃，保温到零件温度达600℃，以6℃/分钟将炉温升至800℃，保温到零件温度达800℃±10℃；将零件真空冷却至700±10℃，保温时间2h+12′；
充氩气至0.8～1bar，打开风扇，将零件冷却到80℃以下出炉。
(4)钳加工、测量弹力：
分别按
Figure BDA0002562800620000071
(直径Φ2.5±0.2)、584(直径
Figure BDA0002562800620000072
)切去余料，磨平端面，去除毛刺，采用弹力检测工装按图检测弹力值，允许改变弹簧圈数和大头长度。
(5)装配：将工件小头拧入大头直到顶住，装配成环形，不允许有扭转。
(6)加荷时效：将环形结构工件套在加温加荷时效工装上，装入普通热处理炉内，在450±10℃，保温24h+15′，空冷后在室温下放置≥24h。
(7)拆卸工装，检测平面度：
将工件从工装内取出，检测平面度≤0.5mm，可通过钳加工修正弹簧平面度。
参见图1，本发明加工方法中弹力测量步骤所用到的弹力检测工装，包括连接工件两端的两个吊钩1，其中，第一吊钩通过螺杆3与工件的大头相连，第二吊钩通过螺母套2与工件的小头相连。采用螺杆3与工件的大头相连，将工件的小头伸入到螺母套2，利用了小直径环形螺旋弹簧的结构特点，装配方便，连接可靠。两个吊钩1与弹力检测仪器相连，通过两个吊钩1对连接在中间的工件施加拉力，并读出工件反馈的弹力值。
参见图2，本发明加工方法中加温加荷时效处理步骤所用到的工装，包括本体4，本体4采用周面加工螺纹面的圆柱体，本体4的底面设有凸缘，本体4的顶面安装压板5；环形结构的工件套在本体4的螺纹面上，本体4的直径大于工件内径，工件在本体4的支撑作用下张紧，工件的上下两个端面固定在本体4底面的凸缘与顶面的压板5之间。
本发明的弹力检测工装解决了两端封闭、直径不同的螺旋弹簧拉伸试验的难题。
本发明3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法，在不改变工件最终使用性能的前提下，设计增加固溶处理以降低材料初始硬度，同时设计阶梯式缠绕芯棒、控制车床转速以便缠绕加工时避免断裂，而后再进行时效处理达到所需性能要求；将传统缠绕后的退火处理改为加荷时效处理，设计加荷时效工装，有效降低缠绕应力、稳定工件尺寸。
以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将3J68高温弹性合金丝材在1080～1150℃的环境下进行真空固溶处理，消除材料的冷作硬化效果，降低材料硬度，为车床缠绕做好准备；
步骤二、确定车床缠绕转速和阶梯式缠绕芯棒的尺寸，进行工件的缠绕；
通过进行车床缠绕转速和芯棒尺寸的正交对比试验，测试工件内径及平面度，得出适合的车床转速和芯棒尺寸，利用相应尺寸的阶梯式缠绕芯棒在车床上进行工件的缠绕；
步骤三、将缠绕好的工件放入800±10℃的真空环境中保温，再冷却至700±10℃保温，最后冷却到室温的条件下进行时效处理，以此改变工件组织，达到最终使用性能要求；
步骤四、对工件进行钳加工以及弹力测量；
通过钳加工改变弹簧圈数和大头长度来调整弹力值，采用弹力检测工装测量工件的弹力值，使之达到要求大小；磨平工件的端面，去除工件端面上的毛刺；
步骤五、装配；
将工件的小头拧入大头，使工件变成平整的环形结构；
步骤六、将环形结构工件套在加温加荷时效工装上，在400～450℃的环境中保温，然后冷却至室温，再在室温下放置不少于24小时进行加荷时效处理，模拟工件的使用工况；
步骤七、将工件从加温加荷时效工装上取出，检测平面度≤0.5mm即可。
2.根据权利要求1所述的3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法，其特征在于：步骤一所述的真空固溶处理过程在真空炉中进行，将卷曲直径≤600mm的整盘丝材平放在陶瓷板上装入真空炉内，装炉温度≤50℃，使丝材在1080～1150℃下保温1小时又6分。
3.根据权利要求2所述的3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法，其特征在于：
所述真空炉的初始压力低于6.65×10-2Pa；
以10℃/分将炉温升到800℃，保温到工件温度达800℃，并在800℃分压至6.65～10.64Pa，以6℃/分将炉温升至1100℃，保温至工件温度到达1080～1150℃，保温1小时又6分；
充氩气至0.8～1bar，打开风扇，将工件冷却到80℃以下出炉。
4.根据权利要求1所述的3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法，其特征在于：车床缠绕转速采用800转/分，阶梯式缠绕芯棒小头直径为Φ0.86mm，大头直径为Φ2.16mm。
5.根据权利要求1所述的3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法，其特征在于：步骤三将工件在800±10℃保温1小时又6分，冷却至700±10℃保温2小时又12分。
6.根据权利要求5所述的3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法，其特征在于：步骤三将缠绕好的工件平放在料筐内装入真空炉中进行，装炉温度≤50℃，以10℃/分钟将炉温升至600℃，保温到工件温度达600℃，再以6℃/分钟将炉温升至800℃，保温到工件温度达800℃±10℃；最后充氩气至0.8～1bar，打开风扇，将工件冷却到80℃以下出炉。
7.根据权利要求1所述的3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法，其特征在于：步骤六将套在加温加荷时效工装上的工件放入热处理炉，在400～450℃保温24小时又15分。
8.根据权利要求1所述的3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法，其特征在于：步骤七如果工件的平面度不满足要求，通过钳加工对工件的平面度进行修正。
9.一种弹力检测工装，其特征在于：用于实现权利要求1所述3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法的弹力测量步骤，包括连接工件两端的两个吊钩(1)，其中，第一吊钩通过螺杆(3)与工件的大头相连，第二吊钩通过螺母套(2)与工件的小头相连；
通过两个吊钩(1)对工件施加拉力并读出工件反馈的弹力值。
10.一种加温加荷时效工装，其特征在于：用于实现权利要求1所述3J68功能合金材料小直径环形螺旋弹簧加工方法的加荷时效处理步骤，包括本体(4)，本体(4)为周面加工螺纹面的圆柱体，本体(4)的底面设有凸缘，本体(4)的顶面安装压板(5)；环形结构的工件套在本体(4)的螺纹面上，本体(4)的直径大于工件内径，工件在本体(4)的支撑作用下张紧，工件的上下两个端面固定在本体(4)底面的凸缘与顶面的压板(5)之间。
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