CN114151482A - 一种波形弹簧及其制备方法和用途 - Google Patents

一种波形弹簧及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种波形弹簧及其制备方法和用途，所述波形弹簧包括波形圆环，所述波形圆环的截面为正弦波结构，所述波形圆环在周向上开设有多个舌形槽，所述舌形槽沿所述波形圆环的径向扩散，所述波形圆环包括有内圆周以及外圆周，所述舌形槽在径向方向上包括有封闭端和不封闭端，所述不封闭端和所述内圆周或者外圆周连通，所述波形弹簧可以应对较大载荷工况的使用需求。

Description

一种波形弹簧及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及高温合金弹性元件技术领域，具体涉及一种波形弹簧及其制备方法和用途。
背景技术
波形弹簧是金属薄片圆环上具有若干个波峰波谷的弹性元件，工作时弹力来源于各个峰谷的弯曲变形，所以峰谷越多，弹簧的刚度越大。但是波形弹簧会受自身结构限制，波形峰谷数量一般较少，刚度较小，通常不能应用于较大的载荷工况。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种波形弹簧及其制备方法和用途，可以使得波形弹簧应对较大载荷工况的使用需求。
为了实现以上目的及其他目的，本发明是通过包括以下技术方案实现的：本发明首先提供了一种波形弹簧，所述波形弹簧包括波形圆环，所述波形圆环的截面为正弦波结构，所述波形圆环在周向上开设有多个舌形槽，所述舌形槽沿所述波形圆环的径向扩散，所述波形圆环包括有内圆周以及外圆周，所述舌形槽在径向方向上包括有封闭端和不封闭端，所述不封闭端和所述内圆周或者外圆周连通。
在一实施例中，所述舌形槽由所述波形圆环的内圆周向外圆周扩散，所述舌形槽和所述内圆周连通。
在一实施例中，所述舌形槽具有交替设置的第一舌形槽和第二舌形槽，所述第一舌形槽由所述波形圆环内圆周向外圆周扩散，所述第二舌形槽由所述波形圆环外圆周向内圆周扩散，所述第一舌形槽和所述波形圆环内圆周连通，所述第二舌形槽和所述舌形槽外圆周连通。
在一实施例中，所述正弦波周期数大于等于1.5且小于等于2.5。
在一实施例中，所述封闭端距离所述波形圆环内圆周或者外圆周垂直距离为d，所述波形圆环的内圆周直径为D1，所述波形圆环的外圆周直径D2，所述正弦波一个周期的长度为A，其中
Figure BDA0003377827460000011
d＝0.15A～0.3A。
在一实施例中，所述舌形槽等距分布，所述舌形槽的个数为18～24个，所述舌形槽的平均宽度为1～3mm。
在一实施例中，所述正弦波一个周期的长度A为12～20mm，所述正弦波中波峰距离波谷的距离B为1～3mm。
在一实施例中，所述波形圆环的内圆周直径D1为40～50mm，所述波形圆环的外圆周直径D2为95～105mm。
在一实施例中，所述正弦波中的波峰或者波谷均在同一平面上。
本发明另一方面提供了一种如上所述的波形弹簧的制备方法，所述方法包括以下步骤：提供一原材料；将所述原材料冲材成平料；将所述平料热成型淬火得到波形弹簧半成品；将所述波形弹簧半成品经过回火、喷丸、强压得到所述波形弹簧。
本发明又一方面提供了一种如上所述波形弹簧在螺栓预紧防松以及间隙调整方面的用途。
与现有技术相比，本发明所述波形弹簧，具有以下优点：波形弹簧力值来源于波峰的弯曲变形，相较于传统波形弹簧，这种结构有更多的波峰来承受轴向压力，其特点为有更大的刚度范围，可以承受更大的压力和冲击力，相比之下，其刚度可以达到相同外径的波形弹簧的五倍以上，且同时拥有波形弹簧轴向占用空间小、节省安装空间的优点。
附图说明
图1显示为现有技术中的波形弹簧的结构示意图。
图2显示为本发明一实施例中的波形弹簧的俯视图。
图3显示为本发明一实施例中波形弹簧的立体图。
图4显示为本发明一实施例中波形弹簧的截面图。
图5显示为本发明一实施例中波形弹簧受载荷后的截面图。
图6显示为本发明另一实施例中波形弹簧的俯视图。
图7显示为本发明另一实施例中波形弹簧的立体图。
图8显示为本发明另一实施例中波形弹簧的截面图。
图9显示为本发明波形弹簧的制备方法工艺流程图。
图10显示为本发明压淬机的工艺装置图。
图11显示为发明压淬机的立体装置图。
图12显示为本发明波形弹簧的用途示意图。
具体实施方式
请参阅图1至图12，以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图2所示，本发明首先提供了一种波形弹簧200，所述波形弹簧200可以具有较大的刚度，在一些实施例中，所述波形弹簧200的刚度可以是5000～70000N/mm，进一步的可以是30000～70000N/mm，例如40000N/mm、50000N/mm、60000N/mm等，所述波形弹簧200的力值可以是5000～15000N，例如10000N、12000N等，所述波形弹簧200的厚度可以是0.4～0.6mm，例如0.5mm。所述波形弹簧200可以应用在机械零部件中螺栓预紧防松以及间隙调整领域中。
现有技术中的波形弹簧可以如图1所示，波形弹簧中的峰谷数量较为有限，其中100a为现有技术中波形弹簧的正视结构，100b为现有技术中波形弹簧的俯视结构。
如图2和图3所示，所述波形弹簧200可以包括具有一个波形圆环201的结构，所述波形圆环201的截面可以是具有正弦波的结构，所述波形圆环201上可以绕周向开设有多个发散的舌形槽202，所述舌形槽202可以是等距分布的，所述舌形槽202可以沿所述波形圆环201的径向方向扩散，相邻的所述舌形槽202之间围成提供弹力的舌片205。所述舌形槽202的数量可以是18～24个，例如20个、22个、24个，所述舌形槽202可以是矩形槽(图2)或者梯形槽(图6)，所述舌形槽202的平均宽度可以是1～3mm，例如1mm、1.5mm、2mm。
图2所示，所述波形圆环201可以具有一个内圆周和一个外圆周，所述内圆周的直径D1可以是40～50mm，例如45mm，所述外圆周的直径D2可以是95～105mm，例如100mm，所述内圆周和所述外圆周根据所述正弦波波数的不同可以在同一平面上或者在不同的平面上，所述具有正弦波结构的舌形槽202可以使得所述波形弹簧200受载荷后提供弹力。在一实施例中，所述舌形槽202可以是绕所述内圆周或者外圆周等距分布的。所述舌形槽202可以是不封闭的舌形槽202，例如所述舌形槽202在径向上可以包括有封闭端203和不封闭端204，所述舌形槽202的不封闭端204可以和所述内圆周或者所述外圆周连通，所述不封闭的舌形槽202可以使得所述波形弹簧200使用时具有足够的伸缩空间。
如图2和图4、图6所示，所述舌形槽202的封闭端203距离所述波形圆环201内圆周或者外圆周垂直距离d可以在一定的范围内，在一些实施例中，如图4所示，本发明可以定义一个正弦周期的长度为A，其中：
Figure BDA0003377827460000031
d＝0.15A～0.3A。本发明可以限定d的大小，如果d太小，弹簧负载后容易在舌形槽202的连接处断裂。如果d过大，弹簧负载后外圆周的应力会超出材料屈服应力，容易发生塑性变形，不能维持原有尺寸和性能。
如图2或者图3所示，所述舌形槽202可以由所述波形圆环201的内圆周向外圆周扩散，所述舌形槽202可以和所述内圆周连通。
如图4所示，所述波形圆环201横截面可以具有正弦波的结构，所述正弦波周期数可以是半个周期的整数倍，在一些实施例中，所述正弦波的周期数可以是大于1小于等于2.5，进一步的可以大于等于1.5小于等于2.5，本发明所述波形弹簧200横截面的正弦波周期数不能太多，否则弹簧允许的最大压缩量太小，即弹簧的工作高度范围太小，可能不能满足于使用需要，在一些实施例中，本发明所述波形弹簧200的最大压缩量可以大于0.2mm。本发明所述波形弹簧200工作在提供较大刚度的同时也可以避免允许的工作高度范围太小。
如图4所示，在一些实施例中，所述正弦波可以包括有2个波峰P以及3个波谷T，即2个正弦周期数，例如可以是从内圆周向外圆周方向依次经过波谷-波峰-波谷-波峰-波谷的正弦波，所述正弦波和所述外圆周或者内圆周连通的交界处可以是波谷T，所述正弦波中相邻波峰之间的距离A(一个正弦周期的长度)可以是12～20mm，例如16mm，所述正弦波中波峰和波谷之间的距离B可以是1～3mm，例如1.5mm、2.0mm、2.4mm、2.6mm。所述正弦波中的波峰或者波谷均可以在同一平面上。
如图5所示，所述波形弹簧200在使用的时候受到一定的载荷，正弦波的波峰高度降低，相邻所述舌形槽202之间的舌片205弯曲变形向上提供弹力。
如图6和图7所示，在一实施例中，根据不同的使用工况，所述舌形槽202可以具有交替设置的第一舌形槽202a和第二舌形槽202b，所述第一舌形槽202a由所述波形圆环201内圆周向外圆周扩散，所述第二舌形槽202b由所述波形圆环201外圆周向内圆周扩散，所述第一舌形槽202a和所述波形圆环201内圆周连通，所述第二舌形槽202b和所述波形圆环201外圆周连通。
如图8所示，图6或图7中波形弹簧200的横截面可以具有两个波谷T和两个波峰P，即具有1.5个正弦周期数，此时所述内圆周和所述外圆周可以不在一个平面上。
如图9至图11所示，本发明还提供了一种如上所述的波形弹簧200的制备方法，所述方法包括以下步骤：
—S1：提供一原材料；
—S2：将所述原材料冲材成平料；
—S3：将所述平料热成型淬火得到波形弹簧半成品；
—S4：将所述波形弹簧半成品经过回火、喷丸、强压得到所述波形弹簧。
在步骤S1中，所述原材料可以是合金弹簧钢板，进一步的可以是退火状态的合金弹簧钢板，所述合金弹簧钢板的厚度可以是0.4～0.6mm，例如0.45mm、0.5mm等，在一些实施例中，所述合金弹簧钢板可以是型号为50CrV、60Si2Mn中的任意一种，所述合金弹簧钢板的硬度可以小于180HV。
如图9和图10所示，在步骤S2中，所述冲材可以是使用350T精密冲压机，所述冲材可以冲出平料302，冲裁后需要使用刷毛刺机去除边角毛刺。
如图9和图10所示，在步骤S3中，所述热成型淬火的设备选用压淬机300进行热成型淬火，所述压淬机300可以是自动化流水线设备，所述压淬机300可以包括有加热炉305、陶瓷棒301、滑道306、油压机307组成，所述油压机307上面设置有热成型模具308。
所述压淬机300的工作原理可以包括：将平料302从入料口303输送进加热炉305内加热，陶瓷棒301缓慢转动将平料302慢速传送至加热炉305内加热，加热炉305内温度为850～900℃，大致5～6分钟后，平料302由陶瓷棒301带动至出料口304附近，最右侧几根陶瓷棒301b高速旋转，靠近左侧的几根陶瓷棒301a缓慢旋转，平料302快速输送至末端后掉入滑道306，继而通过滑道306落入所述热成型模具308，此时所述油压机307工作，所述模具308迅速压合，压合时间为5～7秒，在此期间，平料302的热量迅速被模具308带走，所以该工序既可以达到淬火也可以达到成型的目的，最后由带有电磁铁的机械手取出物料。
为了防止平料302出炉后在空气中冷却导致平料302低于淬火温度，平料在出炉到模具压合时间可以控制在3秒以内，为了防止产品在空气中发生氧化反应和脱碳，压淬机300整体可以在密闭的气氛保护环境下运行，通入的保护气体可以是甲醇、丙烷和氮气，为了防止模具308在压合多次后由于吸收产品热量过多温度过高，可以在模具308内通水降低温度。
在步骤S4中，所述回火温度可以是350℃～450℃，保温时间为2～3小时，所述回火后的硬度要求可以是42～52HRC，所述喷丸可以选用粒度为50～60目的铸铁丸，喷丸速度控制在65～70m/s，单个成型件的处理时间控制在20～25s。所述喷丸可以提高表面硬度、使弹簧表面产生压缩应力，可以有效防止其疲劳断裂，同时可以去除表面氧化层和其他杂质。
所述强压可以采用油压机进行，使用的油压机压力可以大于10吨。强压可以产生有益的、与工作应力反向的残余应力，从而达到提高弹簧承载的能力和稳定几何尺寸的目的。
如图12所示，本发明另一方面还提供了一种如上所述的波形弹簧200的用途，所述波形弹簧200占用空间小、刚度大，特别适合在大型机械螺栓402预紧防松、调整间隙中使用。所述螺栓402例如可以是高强度螺栓402，使用所述波形弹簧200时，所述波形弹簧200套入所述螺栓402中，所述波形弹簧200产生的强大的压力，可以阻止螺母401转动的摩擦扭矩，防止螺母401松脱。
实例
实施例1
本发明一实施例中波形弹簧的具体制备步骤如下：
—S1：原材料，该波形弹簧的原材料选用厚度为0.5mm的合金弹簧钢钢板50CrV。
—S2：冲材，冲出圆环平料，冲裁后需要使用刷毛刺机去除边角毛刺；
—S3：热成型淬火，选用自动化流水线压淬机设备，加热炉温度为880℃，经过5分钟后，平料由陶瓷棒带动至开口处附近并快速输送至加热炉末端后掉入滑道落入热成型模具，油压机工作后，模具迅速压合，压合时间为6秒。
—S4：回火、喷丸、强压，回火温度可以是400℃，保温时间为2.5小时，喷丸选用粒度为60目的铸铁丸，喷丸速度控制在70m/s，单个样品的处理时间控制在20s，强压采用15吨的油压机进行。
经过上述步骤得到如图2所示的样品1，样品1的参数如表1所示。
实施例2
和实施例1的制备工艺类似，采用不同的模具得到如图6和图7所示的波形弹簧样品2，样品2的参数如表1所示。
实施例3～7
实施例3～7的制备工艺和实施例1的制备工艺类似并得到样品3～7，具体结构参数如表1所示。
对比例1
对比例1制备得到的对比样1是具有和实施例1相同外径的现有技术中的波形弹簧。
对比例2
对比例2制备得到的对比样2是具有和实施例1相同外径的碟形弹簧。
评价
本发明对以上实施例进行了性能评价，评价结果见表1所示，本发明还对对比例进行了性能评价，评价结果见表2和表3所示。本发明刚度检测采用弹簧压力试验机进行。
表1样品性能参数和性能测试表
Figure BDA0003377827460000071
表2波形弹簧性能测试表
Figure BDA0003377827460000072
表3碟形弹簧性能测试表
Figure BDA0003377827460000073
因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种波形弹簧，其特征在于，所述波形弹簧包括波形圆环，所述波形圆环的截面为正弦波结构，所述波形圆环在周向上开设有多个舌形槽，所述舌形槽沿所述波形圆环的径向扩散，所述波形圆环包括有内圆周以及外圆周，所述舌形槽在径向方向上包括有封闭端和不封闭端，所述不封闭端和所述内圆周或者外圆周连通。
2.根据权利要求1所述的波形弹簧，其特征在于：所述舌形槽由所述波形圆环的内圆周向外圆周扩散，所述舌形槽和所述内圆周连通。
3.根据权利要求1所述的波形弹簧，其特征在于：所述舌形槽具有交替设置的第一舌形槽和第二舌形槽，所述第一舌形槽由所述波形圆环内圆周向外圆周扩散，所述第二舌形槽由所述波形圆环外圆周向内圆周扩散，所述第一舌形槽和所述波形圆环内圆周连通，所述第二舌形槽和所述舌形槽外圆周连通。
4.根据权利要求1所述的波形弹簧，其特征在于：所述正弦波周期数大于等于1.5且小于等于2.5。
5.根据权利要求4所述的波形弹簧，其特征在于：所述封闭端距离所述波形圆环内圆周或者外圆周垂直距离为d，所述波形圆环的内圆周直径为D1，所述波形圆环的外圆周直径D2，所述正弦波一个周期的长度为A，其中
Figure FDA0003377827450000011
d＝0.15A～0.3A。
6.根据权利要求5所述的波形弹簧，其特征在于：所述正弦波一个周期的长度A为12～20mm，所述正弦波中波峰距离波谷的距离B为1～3mm。
7.根据权利要求1所述的波形弹簧，其特征在于：所述舌形槽等距分布，所述舌形槽的个数为18～24个，所述舌形槽的平均宽度为1～3mm。
8.根据权利要求1所述的波形弹簧，其特征在于：所述波形圆环的内圆周直径D1为40～50mm，所述波形圆环的外圆周直径D2为95～105mm。
9.一种制备权利要求1～8任一所述的波形弹簧的方法，其特征在于：所述方法包括：
提供一原材料；
将所述原材料冲材成平料；
将所述平料热成型淬火得到波形弹簧半成品；
将所述波形弹簧半成品经过回火、喷丸、强压得到所述波形弹簧。
10.一种根据权利要求1～8任一所述的波形弹簧在螺栓预紧防松以及间隙调整方面的用途。
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