CN113609740B - 一种高刚度线性压缩弹簧的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高刚度线性压缩弹簧的制造方法，首先对弹簧进行三维模型建立，之后采用ANSYS有限元分析软件对三维模型进行分析，确认满足要求后使用四轴加工中心方法按照图纸加工，制作出来后再按照标准要求进行验收。

Description

一种高刚度线性压缩弹簧的制造方法
技术领域
本发明涉及合成材料技术领域，特别是涉及GB 36246-2018《中小学合成材料面层运动场地》中对合成材料面层冲击吸收测试仪核心部件压缩弹簧的制造方法。
背景技术
塑胶跑道又称全天候田径运动跑道，它由聚氨酯预聚体、混合聚醚、废轮胎橡胶、EPDM橡胶粒或PU颗粒、颜料、助剂、填料组成。塑胶跑道具有平整度好、抗压强度高、硬度弹性适当、物理性能稳定的特性，有利于运动员速度和技术的发挥，有效地提高运动成绩，降低运动损伤风险。塑胶跑道是由聚氨酯橡胶等材料混合而成的，具有一定的弹性和色彩，具有一定的抗紫外线能力和耐老化力性能，是国际上公认的最佳全天候室外运动场地坪材料。
我国在近几年快速发展体育事业，承办各类大型国际体育赛事，大兴开展各类体育场馆建设。塑胶跑道作为人才培育的基础设施，这些场馆和跑道都使用了新型的塑胶合成材料，为了保证体育赛事的正常举办和学校正常的体育教学，对新建、翻建或修建的塑胶跑道就必须先进行各项检测，确保符合各项标准要求。
塑胶跑道的强制性国家标准GB 36246-2018《中小学合成材料面层运动场地》由教育部牵头组织，数十家科研院所和检测机构参与起草，历经两年多的修订，于2018年11月1日开始实施，该标准中提到对合成材料面层冲击吸收的检测方法以及对检测装置的要求。而设备中的关键部件就是冲击时下面测定最大冲击吸收力值的压缩弹簧，由于此弹簧为非标准弹簧，市场上没有现成的产品，是我国此类领域的一大空白。
发明内容
本发明的目的是提供一种高刚度线性压缩弹簧的制造方法，用该方法生产的高刚度线性压缩弹簧具有刚性稳定且耐久优良的优点，满足强制性国家标准GB 36246-2018《中小学合成材料面层运动场地》中合成材料面层冲击吸收测试仪中的核心部件弹簧的要求。
本发明的技术方案是，一种高刚度线性压缩弹簧的制造方法，其特征是用一整块料铣制出一个三头弹簧，弹簧末端固定在一起，弹簧材料选用60Si2CrA、外形为矩形截面；然后根据以下公式计算出弹簧的相关信息后进行三维建模，之后采用ANSYS有限元分析软件对三维模型进行分析，经过分析并修改模型后再按分析结果进行样品加工，加工完后进行热处理加工，热处理结束后再对弹簧进行精加工内孔和外圆，要边加工边测量以达到要求的刚性范围；最后用压力机进行测试，从1000N开始加载到7000N，刚性为2020N/mm，均达到标准要求的刚性2000N/mm±60N/mm；其中热处理加工工艺的参数：热处理采用870度油淬，再经过400度回火1小时，用水冷后再用180度回火1小时制成；
用该方法生产的高刚度线性压缩弹簧具有刚性稳定且耐久优良的优点，满足强制性国家标准GB 36246-2018《中小学合成材料面层运动场地》中合成材料面层冲击吸收测试仪中的核心部件弹簧的要求，应用前景良好且填补了国内在此项领域的空白。
附图说明
图1是本发明原理示意图。
符号说明：D＝中心直径[单位：mm，in]；
L0＝自由长度[单位：mm，in]；
L＝固体高度[单位：mm，in]；
p＝节距[单位：mm，in]；
b＝线宽[单位：mm，in]；
s＝弹簧变形[单位：mm，in]；
h＝线高[单位：mm，in]；
图2是现有单头弹簧的结构示意图。
图3是图2的立体图。
图4是本发明三头弹簧的结构示意图。
图5是图4的立体图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，强制性国家标准GB 36246-2018《中小学合成材料面层运动场地》中对合成材料面层冲击吸收的检测装置结构图和对于螺旋弹簧的要求为：外径为69±1mm，上表面硬化，在0.1KN至7.5KN范围内具有2000N/mm的线性弹簧弹性度。这个弹簧可以是三个及以上同轴的线圈绕制而成，也可以是用一块钢块铣制而成，但要必须使弹簧末端固定在一起。
如图4、图5所示，根据GB 36246-2018标准内容、结构指导图以及试验内容构思设备结构。构思设计试验，本发明技术方案首先确认弹簧材料选用60Si2CrA，外形为矩形截面弹簧，根据矩形弹簧的计算公式如下：
s＝弹簧变形[单位：mm，in]
b＝线宽[单位：mm，in]
D＝中心直径[单位：mm，in]
f＝弹簧系数[单位：mm，in]
G＝剪切弹性模量[单位：MPa,psi]
h＝线高[单位：mm，in]
ψ＝形状系数t[-](e.g.DIN 2090)
τ＝弹簧材料扭应力[单位：MPa,psi]
k＝弹簧系数[单位：mm，in]
n＝有效圈数[-]
ε＝表面径向变形量[单位：mm，in]
计算出弹簧的相关信息后进行三维建模，然后通过有限元分析软件进行模拟，有限元分析软件(FEA，Finite Element Analysis)是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。
我们采用ANSYS有限元分析软件对三维模型进行分析，经过分析并修改模型后再按分析结果进行加工样品。加工完后严格按材料的热处理流程进行热处理加工，样品加工好后同样用压力机进行了测试，从1000N开始到加载到7000N，刚性为2020N/mm，均达到要求的刚性2000N/mm±60N/mm。达到了标准要求，完满的完成了高刚度线性压缩弹簧的设计制造。
用压力机进行测试的结果，工况1:
F1＝2000N,U1＝0.73442mm K＝2000/0.73442＝2723.24N/mm
Ksj＝70％K＝1906.3
最大等效应力σv＝169.8MPa(von Mises stress)
工况2:
F2＝4000N,U2＝1.46884mm K＝4000/1.46884＝2723.24N/mm
Ksj＝70％K＝1906.3
最大等效应力σv＝339.7MPa(von Mises stress)
工况3:
F3＝6000N,U3＝2.20326mm K＝6000/2.20326＝2723.24N/mm
Ksj＝70％K＝1906.3
最大等效应力σv＝509.6MPa(von Mises stress)
工况4:
F4＝7500N,U4＝2.75408mm K＝7500/2.75408＝2723.23N/mm
Ksj＝70％K＝1906.3
最大等效应力σv＝637.0MPa(von Mises stress)
本发明通过对GB 36246-2018《中小学合成材料面层运动场地》中对合成材料面层冲击吸收的检测装置结构图和对于高刚度线性压缩弹簧的要求解读，由于弹簧要求的刚性较高，单头弹簧对材料和工艺的要求很难达到。我们采用新工艺，用一整块料铣制出一个三头弹簧，相当于用三个单头弹簧来分担刚性，这对于材料和工艺的要求就能降低一些，材料尽量选用综合性能较好的材料，经过比较最终选用了高性能优质合金钢60Si2CrA。由于是优质合金钢，热处理采用870度油淬，再经过400度回火1小时，用水冷后再用180度回火1小时制成。热处理结束后再对弹簧进行精加工内孔和外圆，要边加工边测量以达到要求的刚性范围，成功试制了刚性稳定且耐久优良的高刚度线性压缩弹簧，应用前景良好且填补了国内在此项领域的空白。

Claims (1)

1.一种高刚度线性压缩弹簧的制造方法，其特征是用一整块料铣制出一个三头弹簧，弹簧末端固定在一起，弹簧材料选用60Si2CrA、外形为矩形截面；然后根据以下公式计算出弹簧的相关信息后进行三维建模，之后采用ANSYS有限元分析软件对三维模型进行分析，经过分析并修改模型后再按分析结果进行样品加工，加工完后进行热处理加工，热处理结束后再对弹簧进行精加工内孔和外圆，要边加工边测量以达到要求的刚性范围；最后用压力机进行测试，从1000N开始加载到7000N，刚性为2020N/mm，均达到标准要求的刚性2000N/mm±60N/mm；其中热处理加工工艺的参数：热处理采用870度油淬，再经过400度回火1小时，用水冷后再用180度回火1小时制成；
其中s表示弹簧变形，单位：mm；b表示线宽，单位：mm；D表示中心直径，单位：mm；f表示弹簧系数，单位：mm；G表示剪切弹性模量，单位：Mpa；h表示线高，单位：mm；ψ表示形状系数；τ表示弹簧材料扭应力，单位：Mpa；k表示弹簧系数，单位：mm；n表示有效圈数；ε表示表面径向变形量，单位：mm。
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