CN115464347A - 一种弹簧热裁切成型生产工艺及碟形弹簧 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及弹簧生产的领域，用于生产片状的弹簧，生产工艺包括以下步骤，备料：准备柱形的棒料；加热保持：加热棒料至800℃～1100℃，每
直径的棒料在800℃～1100℃的温度下保持30min～40min；热裁切：保持棒料800℃～1100℃的温度下，将棒料裁切为片状，形成弹簧坯料；成型：将切割完成后的高温弹簧坯料放入压淬模具中，压淬模具为常温，高温的弹簧坯料在压淬模具挤压下强制变形，获得弹簧成型料；淬火：弹簧成型料在压淬模具中，继续保持压淬模具对弹簧成型料的挤压力，对弹簧成型料进行淬火，获得弹簧初品；回火：对弹簧初品进行回火，获得弹簧成品。本发明不仅能达到原料理论利用率100％的效果，还能够简化具有圆形形状的片状弹簧生产工艺。
Description
技术领域
本发明涉及弹簧生产领域，更具体地说，它涉及一种弹簧热裁切成型生产工艺及利用该工艺生产的碟形弹簧。
背景技术
碟形弹簧、波形弹簧、膜片等是一种具有圆形形状的、片状的弹性元件，因其属于精密零部件，厚度相对于直径小，其形状的波动对弹性性能影响较大，因此对加工工艺有比较高的要求。也正是因为如此，目前碟形弹簧、波形弹簧、膜片等薄片状的弹簧生产领域鲜有发明人提出一套新的生产工艺，本领域仍然在广泛沿用传统的板料冲压-冷成型-热处理的加工工艺方向，即先将板状的原料通过冲压和冷成型获得具有弹簧产品形状的初品，再对初品进行加热使其完成奥氏体化，之后进行淬火和回火操作。
但是，目前使用的这种板料冲压-冷成型-热处理的加工工艺，其冲压时的原料为轧制的矩形板状料，而落料为圆形板状料，生产过程会产生大量废料，存在原料利用率低的问题，即使是膜片生产，不存在空心，材料利用率也只有
发明内容
针对现有技术存在的原料利用率低的问题，本发明的目的之一在于提供一种弹簧热裁切成型生产工艺，所述生产工艺以棒料为原材料，不仅能达到原料理论利用率100％的效果，还能够简化具有圆形形状的片状弹簧生产工艺。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种弹簧热裁切成型生产工艺，用于生产片状的弹簧，所述生产工艺包括以下步骤：
备料：准备柱形的棒料；
加热保持：加热所述棒料至800℃～1100℃，每
直径的棒料在800℃～1100℃的温度下保持30min～40min；
热裁切：保持所述棒料在800℃～1100℃的温度下，将所述棒料裁切为片状，形成弹簧坯料；
成型：将切割完成后的高温弹簧坯料放入压淬模具中，所述压淬模具为常温，高温的所述弹簧坯料在所述压淬模具挤压下强制变形，获得弹簧成型料；
淬火：所述弹簧成型料在所述压淬模具中，继续保持所述压淬模具对所述弹簧成型料的挤压力，对所述弹簧成型料进行淬火，获得弹簧初品；
回火：对所述弹簧初品进行回火，获得弹簧成品。
通过圆柱形的棒料选择、将棒料加热奥氏体化的过程与片料成型相结合，一方面实现了原料理论100％利用率，实际生产无废料产生的效果，另一方面极大的简化了具有圆形形状的薄片状弹簧的生产工艺。弹簧料加热保持过程中形成的奥氏体晶体质量，是后续淬火形成产品质量的关键因素，通过本方案加热温度和高温保持时间的控制，使棒料前端能够获得细小的奥氏体晶粒，为后续淬火提供了良好的组织准备。奥氏体化是一个过程，本方案控制在合格的奥氏体晶体生长范围内，同时利用高温下弹簧料软化的特性，对弹簧料进行裁切成片。在成型阶段，因为切割的弹簧坯料仍然具有很高的温度且处于软化状态，便可继续在压淬模具的形状限制下，强制挤压成型，有效减小了弹簧发生热变形的情况。
实现方式可以包括以下任何特征或全部特征。在所述加热步骤中，每
直径的棒料在15min～20min内加热至800℃～1100℃。
本方案通过控制棒料加热时间，使棒料温度在短时间内迅速升高至奥氏体化温度开始奥氏体化，这样能够实现棒料内奥氏体形核率的增加大于奥氏体长大速度，更易于获得晶粒细小的奥氏体，有助于提高弹簧的良品率。
在所述加热步骤中，所述棒料或长度控制在1m～0.8m之间。
由于本方案是在持续高温保温条件下热切弹簧料，存在棒料前端和末端保温时间不一致的问题，为了避免棒料出现末端奥氏体晶体粗大的问题，影响弹簧成品的显微裂纹、脆性、使用寿命等质量，因而本方案通过控制棒料长度来控制棒料保温时间，以使棒料前后端奥氏体晶体大小均在合格范围内。
在所述热裁切步骤中，每
直径的棒料的裁切速度为2秒/片～5秒/片。
通过控制裁切时间，以较快的速度完成热裁切，进一步起到减小棒料末端保温时间过长而出现的奥氏体粗大问题。
所述棒料为用于生产碟形弹簧的空心的圆柱形棒料，所述成型阶段使用的所述压淬模具为碟形弹簧压淬模具。
所述棒料为用于生产波形弹簧的空心的圆柱形棒料，所述成型阶段使用的所述压淬模具为波形弹簧压淬模具。
所述棒料为用于生产膜片的实心的圆柱形棒料，所述成型阶段使用的所述压淬模具为膜片压淬模具。
在所述成型阶段，高温的所述弹簧坯料放入所述压淬模具后，立即给所述压淬模具加压，控制所述弹簧坯料在0.5s～0.2s内挤压完成强制变形。
通过对挤压成型的时间控制，能够充分利用切割后弹簧坯料的高温，在弹簧坯料温度还未急剧下降之前快速完成挤压成型，起到增加弹簧成型料良品率的效果。
在所述淬火阶段，冷却速度控制在85℃/s～110℃/s，淬火时间控制在7s～13s。
通过采用上述技术方案，能够使弹簧成型料在高冷却速度、短时间内完成淬火，能够获得具有合格的金相组织和硬度的弹簧初品，起到提高弹簧成品的良品率的效果。
本发明的目的之二在于提供一种碟形弹簧，所述碟形弹簧利用本发明中所述的热裁切成型生产工艺生产而成。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
第一，本申请直接选择与成品弹簧外周形状相同的实心圆柱形棒料和空心圆柱形棒料为原料，无原料前序加工步骤，且生产过程中无废弃原料产生，最大化地利用了生产原料，起到了节约生产成本的效果；
第二，本申请摈弃了传统单独进行的弹簧板状原料先成型，后加热奥氏体化的工艺流程，通过技术手段，将弹簧料的奥氏体化和弹簧坯料生产两步工艺相融合，当棒料加热至奥氏体化温度后，持续保持800℃～1100℃，使原料持续奥氏体化，并通过控制保温时间和裁切速度，在合格的奥氏体化和奥氏体晶体大小时间范围内，完成弹簧原料的裁切，获得奥氏体组织结构合格的弹簧坯料，这不仅能够简化生产工艺，还能够有效提高生产效率。
第三，本申请通过压淬模具，在压淬模具强制的压力和形状下，使裁切后尚处于高温软化状态的弹簧坯料强制变形为所需要的弹簧形状，由于压淬模具的形状限制，减小了弹簧坯料成型过程中的高温热变形，起到提高弹簧良品率的作用，尤其对于厚度相对于直径较小的超薄型弹簧、内径与外径接近的超窄型弹簧，本申请通过压淬模具的约束，良品率更高。并且本申请成型过程承接热裁切过程，能够实现连续生产的效果。
附图说明
图1是本发明工艺流程的示意图；
图2是本发明实施例中热裁切步骤的裁切示意图；
图3是本发明生产的碟形弹簧产品整体结构示意图；
图4是本发明生产的波形弹簧产品整体结构示意图；
图5是本发明生产的膜片产品剖面结构示意图；
附图标记说明：10、棒料；
101、切割头；
20、碟形弹簧；
30、波形弹簧；
40、膜片。
具体实施方式
本部分描述了在批量制造薄片状弹簧工艺中改进的弹簧加工工艺实例，具体而言，通过将成片步骤和加热奥氏体化步骤相结合为热切步骤，可以实现弹簧料在合理的时间内获得合格奥氏体化的薄片状坯料，而且形成过程中无废料产生。这些工艺中的一些或全部可以应用于高效地生产薄片弹簧的任何场景下，例如，包括但不限于生产不同规格的碟形弹簧、不同规格的波形弹簧、不同规格的膜片。
本申请提供了一种弹簧热裁切成型生产工艺及碟形弹簧，可用于生产具有圆形形状的片状弹簧，例如图2所示的碟形弹簧20，图3所示的波形弹簧30及图4所示的膜片40，该生产工艺包括如图1所示的以下工艺流程：
S1，备料：准备与成品弹簧外周形状相同的棒料；
S2，加热保持：加热所述棒料至800℃～1100℃，每
直径的棒料在800℃～1100℃的温度下保持30min～40min；
S3，热裁切：保持所述棒料800℃～1100℃的热裁切温度下，将所述棒料裁切为片状，形成弹簧坯料；
S4，成型：将切割完成后的高温弹簧坯料立即放入压淬模具中，所述压淬模具为常温，高温的所述弹簧坯料在所述压淬模具挤压下强制变形，获得弹簧成型料；
S5，淬火：所述弹簧成型料在所述压淬模具中，继续保持所述压淬模具对所述成型料的挤压力，对所述成型料进行淬火，获得弹簧初品；
S6，回火：对所述弹簧初品进行回火，获得弹簧成品。
在S1步骤中，所述棒料指的是，碟形弹簧和波形弹簧使用的弹簧原料为空心的圆柱形棒料，膜片使用的弹簧原料为实心的圆柱形棒料，空心的圆柱形棒料和实心的圆柱形棒料的材质为中碳合金钢，包括但不限于50CrVA，60Si2Mn，55CrMn弹簧钢。
在S2步骤中，将弹簧原料加热至800℃～1100℃，例如820℃、920℃、1020℃，能够开始产生奥氏体结晶。每
直径的棒料加热时间控制在15min～20min范围内，例如直径为100mm的空心棒料控制在15min内使其温度升高至820℃，直径为100mm的实心棒料控制在20min内使其温度升高至820℃。通过这种短时间内控制温度快速升高的手段，能够控制棒料内奥氏体形核率的增加大于奥氏体长大速度，更易于获得晶粒细小的奥氏体，这对淬火后弹簧成品的硬度、防开裂性能的提升有很大帮助。棒料到达热裁切温度后，在该温度下保持30min～40min，例如空心的棒料保持30min，实心的棒料保温时间合理延长，这能够给棒料奥氏体化的时间，以使热裁切时棒料开始被切割的前端已具备了合格的奥氏体组织。但加热升温和保温时间总和不应超过60min，以免棒料末端随着切割的进行而逐渐形成粗大奥氏体结晶。棒料的长度控制在1m～0.8m之间，例如0.8m、0.9m、1m。通过加热时长、保温时长和原料长度的控制，能够使原料获得良好的奥氏体组织，有利于准确控制产品的良品率。
在S3步骤中，每
直径的棒料裁切时间为2秒/片～5秒/片，例如裁切速度为2秒/片、3秒/片、5秒/片，以通过高速切割来控制总的切割时间，减小原料末端奥氏体晶粒粗大的可能性。裁切方式可以是机械切割，切割头101选用硬质合金裁切刀具或者陶瓷裁切刀具，也可以是非机械切割，例如火焰切割、激光切割、等离子切割，切割头101可对应选择火焰、激光、等离子。如图2所示，裁切时，作为弹簧原料的棒料10绕其轴线转动，以使切割沿原料的周向进行，以利于切割。
在S4步骤中，热裁切完成后处于高温软化状态的弹簧坯料，放入常温的压淬模具中，立即关闭压淬模具，通过压淬模具的固定形状给予高温软化状态的弹簧坯料以强制压力，控制在0.5s～0.2s内使弹簧坯料在压淬模具限制下完成强制变形，例如成型时间为0.5s、0.3s、0.2s。在这一阶段，必须利用好片状的弹簧坯料的高温，控制在弹簧坯料温度下降较慢的时间内迅速完成成型，才有助于获得合格的弹簧产品。
在S5步骤，弹簧坯料和压淬模具间温差大，控制冷却速度在85℃/s～110℃/s之间，例如冷却速度为85℃/s、90℃/s、100℃/s、110℃/s，淬火时间控制在7s～13s，例如淬火时间7s、9s、10s、13s。在这一阶段，既要保障足够的淬火时间，又要通过控制冷速和淬火时间，来控制弹簧成型料的热量被模具迅速带走，以实现有效淬火，有助于马氏体转变完成。
在S6回火阶段，弹簧初品回火温度380℃，并在380℃下保持20min，完成回火。
以下将引入具体的实施例对本发明进行更为详细的说明。
实施例1：
S1，备料：选用材质为50CrV4、长度为1m、直径为100mm的空心碟形弹簧棒料为原料；
S2，加热保持：在加热炉内，将碟形弹簧棒料加热15min，使碟形弹簧棒料温度迅速升高至820℃，并保持820℃下40min；
S3，热裁切：保持碟形弹簧棒料820℃的裁切温度，使用陶瓷刀具，以2秒/片的切割速度对碟形弹簧棒料连续进行机械热裁切，获得片状的碟形弹簧坯料；
S4，成型：将切割完成后的每片高温碟形弹簧坯料立即放入生产碟形弹簧的压淬模具中，压淬模具为常温，将碟形弹簧坯料在压淬模具中强制挤压0.5秒，完成碟形弹簧坯料强制变形，获得碟形弹簧成型料；
S5，淬火：碟形弹簧成型料在压淬模具中，继续保持压淬模具对碟形弹簧成型料的挤压力，对碟形弹簧成型料进行淬火，淬火冷却速度为100℃/s，淬火时间为10秒，获得碟形弹簧初品；
S6，回火：对碟形弹簧初品进行回火，回火温度380℃，回火时间20min，获得碟形弹簧成品。
实施例2：
本实施例与实施例1的不同之处在于，在S2加热步骤中，将碟形弹簧棒料加热至920℃并保持，在S3热裁切步骤中，保持碟形弹簧棒料在920℃的温度下完成热裁切。
实施例3：
本实施例与实施例1的不同之处在于，在S2加热步骤中，将碟形弹簧棒料加热至1020℃并保持，在S3热裁切步骤中，保持碟形弹簧棒料在1020℃的温度下完成热裁切。
实施例4：
本实施例与实施例1的不同之处在于，在S3热裁切阶段，使用等离子切割的方式对碟形弹簧棒料进行裁切，切割速度为5秒/片。
实施例5：
本实施例与实施例1的不同之处在于，在S2加热步骤中，将碟形弹簧棒料加热至920℃并保持，在S3热裁切步骤中，保持碟形弹簧棒料在920℃的温度下，使用等离子切割的方式对碟形弹簧棒料进行裁切，切割速度为5秒/片。
实施例6：
本实施例与实施例1的不同之处在于，在S2加热步骤中，将碟形弹簧棒料加热至1020℃并保持，在S3热裁切步骤中，保持碟形弹簧棒料在1020℃的温度下，使用等离子切割的方式对碟形弹簧棒料进行裁切，切割速度为5秒/片。
性能检测实验：
按GB/T 230.1的规定，分别对实施例1-6生产的碟形弹簧成品的硬度进行检测，用粗糙度比较样块分别对实施例1-6生产的碟形弹簧成品的表面粗糙度进行检验，按GB/T224的规定，分别对实施例1-6生产的碟形弹簧成品的脱碳层深度进行检测，具体检测结果如下表1所示。
表1实施例1-6碟形弹簧成品性能检测表
通过表1中的性能检测数据能够说明，以本申请生产工艺生产的碟形弹簧成品，其硬度、粗糙度和脱碳层深度均符合国标要求。
对于波形弹簧、膜片的生产，其与实施例1-6的碟形弹簧成品生产的不同之处在于原材料形状选择的差异和压淬模具形状的差异，实施者可根据实施例1-6的记载，对波形弹簧、膜片进行生产，在弹簧钢材料、加热温度、保温时间、成型时间、淬火时间相同的情况下，表1中碟形弹簧性能检测数据对碟形弹簧、波形弹簧、膜片的性能检测具有代表性。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种弹簧热裁切成型生产工艺，用于生产片状的弹簧，其特征在于，所述生产工艺包括以下步骤：
备料：准备柱形的棒料；
加热保持：加热所述棒料至800℃～1100℃，每
直径的棒料在800℃～1100℃的温度下保持30min～40min；
热裁切：保持所述棒料800℃～1100℃的温度下，将所述棒料裁切为片状，形成弹簧坯料；
成型：将切割完成后的高温弹簧坯料放入压淬模具中，所述压淬模具为常温，高温的所述弹簧坯料在所述压淬模具挤压下强制变形，获得弹簧成型料；
淬火：所述弹簧成型料在所述压淬模具中，继续保持所述压淬模具对所述弹簧成型料的挤压力，对所述弹簧成型料进行淬火，获得弹簧初品；
回火：对所述弹簧初品进行回火，获得弹簧成品。
2.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，在所述加热步骤中，每
直径的棒料在15min～20min内加热至800℃～1100℃。
3.根据权利要求2所述的生产工艺，其特征在于，在所述加热步骤中，所述棒料的长度控制在1m～0.8m之间。
4.根据权利要求3所述的生产工艺，其特征在于，在所述热裁切步骤中，每
直径的棒料裁切速度为2秒/片～5秒/片。
5.根据权利要求4所述的生产工艺，其特征在于，所述棒料为用于生产碟形弹簧的空心的圆柱形棒料，所述成型阶段使用的所述压淬模具为碟形弹簧压淬模具。
6.根据权利要求4所述的生产工艺，其特征在于，所述棒料为用于生产波形弹簧的空心的圆柱形棒料，所述成型阶段使用的所述压淬模具为波形弹簧压淬模具。
7.根据权利要求4所述的生产工艺，其特征在于，所述棒料为用于生产膜片的实心的圆柱形棒料，所述成型阶段使用的所述压淬模具为膜片压淬模具。
8.根据权利要求5-7任一项所述的生产工艺，其特征在于，在所述成型阶段，高温的所述弹簧坯料放入所述压淬模具后，立即给所述压淬模具加压，控制所述弹簧坯料在0.5s～0.2s内挤压完成强制变形。
9.根据权利要求8所述的生产工艺，其特征在于，在所述淬火阶段，冷却速度控制在85℃/s～110℃/s，淬火时间控制在7s～13s。
10.一种碟形弹簧，其特征在于，所述碟形弹簧利用如权利要求1所述的生产工艺生产。
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