CN115582499A - 一种弧形弹簧的制作装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种弧形弹簧的制作装置及方法，涉及弹簧加工技术领域，包括:底座；工作台，工作台设置在底座上；三爪卡盘，三爪卡盘滑动设置在工作台上，三爪卡盘用于将放置在工作台上且待加工的弹簧夹持住；冲头，冲头能够上下移动，以对位于下方的弹簧进行挤压；控制系统，控制系统设置在底座上；冲压电机，冲压电机与底座相连接，冲压电机能够驱动冲头上下移动，工作台上设有进给电机，进给电机能够驱动三爪卡盘带动弹簧移动，本申请通过控制系统计算弹簧发生塑性变形及回弹的变形量，使用冲压电机及进给电机分别对弹簧和冲头作控制，实现弹簧精准开距，从而实现弧形弹簧自动化加工。

Description

一种弧形弹簧的制作装置及方法

技术领域

本申请涉及弹簧加工技术领域，具体涉及一种弧形弹簧的制作装置及方法。

背景技术

弧形弹簧不同于传统的圆柱弹簧，由于内外侧的节距不一致，弹簧外侧节距较大，弹簧内侧节距较小，弹簧自然状态呈现弧形，所以称为弧形弹簧，弧形弹簧的角刚度较小，弧形弹簧的扭转角度很大可以达到更好的减振和减噪的效果，因此在机械传动领域被广泛使用。

中国专利CN201410396001.2涉及一种弧形弹簧的制作工艺，该弧形弹簧的制造工艺为直接控制卷制弹簧时的节距，通过控制弹簧内外侧节距差异，完成弧形弹簧的制造。但是该方法存在如下问题：(1)卷制成型的弧形弹簧，其弹簧轴心线不能保证在一个平面内，导致弹簧内外侧应力不均，弧形弹簧发生变形；(2)卷簧机无法精准控制弹簧节距，存在弹簧各节距不一致，导致弹簧受力和各位置弹簧受力不均，易发生断裂或变形。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种弧形弹簧的制作装置及方法，以解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种弧形弹簧的制作装置，包括:

底座；

工作台，所述工作台设置在所述底座上；

三爪卡盘，所述三爪卡盘滑动设置在所述工作台上，所述三爪卡盘用于将放置在所述工作台上且待加工的弹簧夹持住；

冲头，所述冲头能够上下移动，以对位于下方的所述弹簧进行挤压。

进一步地，还包括控制系统，所述控制系统设置在所述底座上，且位于所述底座的右侧。

进一步地，还包括冲压电机，所述冲压电机通过立柱与所述底座相连接，所述冲头连接在所述冲压电机上，所述冲压电机能够驱动所述冲头上下移动。

进一步地，所述工作台上设有进给电机，所述三爪卡盘与所述进给电机相连接，所述进给电机能够驱动所述三爪卡盘带动所述弹簧移动。

更进一步地，所述工作台的底部设有支撑柱，所述支撑柱支撑在所述底座上。

更进一步地，所述工作台上还设有滑动导轨，所述三爪卡盘与所述进给电机均滑动设置在所述滑动导轨上。

进一步地，所述工作台上开设有凹槽，所述弹簧上未开距的部分位于所述凹槽的上方。

本发明还提供了一种弧形弹簧的制作方法，采用上述弧形弹簧的制作装置进行实施，所述制作方法包括以下步骤：

S01：三爪卡盘夹紧已卷制完成的圆柱螺旋弹簧；

S02：在控制系统中输入圆柱螺旋弹簧各项参数，并设定弧形弹簧待加工参数；

S03：控制系统验证输入的弧形弹簧参数是否满足加工要求；

S04：控制系统计算冲头的载荷力和移动距离；

S05：控制系统得到冲头载荷力和移动距离后，进给电机驱动三爪卡盘，使弹簧移动至冲头下方，冲头按照载荷力和移动距离的计算结果对弹簧下压，以进行开距；

S06：完成开距后，冲头复位；

S07：进给电机驱动三爪卡盘和弹簧向前移动一个节距，使冲头进行下一次开距；

S08：完成开距后，冲头再次复位；

S09：重复步骤S07和步骤S08，直至弹簧开距全部完成。

更进一步地，在步骤S04中，冲头施加的应力应超过弹簧材料的许用应力，否则当冲头卸载后弹簧还会回弹至初始位置。

更进一步地，在步骤S05中，冲头施加载荷力和移动距离后保持10s待弹簧变形完成。

从上述的技术方案可以看出，本发明的优点是：

1.本发明不依赖固定夹具实现弹簧夹紧加工变形，而是对圆柱弹簧单个节距进行开距的方法，依靠冲头的下压距离及载荷来调节外侧节距大小，从而实现开距的精准性，每个节距及弹簧受力都一致，圆柱螺旋弹簧自然形成弧形弹簧。

2.本发明不受弹簧长度、弧度和弹簧线径影响，可以生成各种大弧度和大节距的弧形弹簧，使得使用范围更加广泛。

3.本发明通过控制系统精确控制冲头实现开距的自动化操作，使得弹簧节距尺寸合适，簧丝受力均匀，因而提高了弧形弹簧刚度，保证产品的稳定性和加工精度。

4.本发明中，在加工过程考虑到弹簧的回弹特性和材料的塑性变形应变特性，通过计算弹簧卸载后的应变值来进行弹簧开距，使得最终加工得到的弧形弹簧节距和弧度精度都得到保证。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请的弧形弹簧的结构示意图。

图2为本申请的制作装置的结构示意图。

图3为本申请的弧形弹簧受力示意图。

图4为本申请的弧形弹簧的开距示意图。

图5为本发明的弧形弹簧卸载冲头后的示意图。

图6为本发明的弧形弹簧的簧丝的受力示意图。

图7为本发明的弧形弹簧受力状态下的侧视图。

图8为本发明的弧形弹簧加载和卸载过程示意图。

附图标记列表：底座1、控制系统2、立柱3、冲压电机4、冲头5、弹簧6、三爪卡盘7、进给电机8、工作台9、支撑柱10。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本申请做进一步详细说明。在此，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。

参考图1至图8，如图1和图2所示,本实施例提供一种弧形弹簧的制作装置，包括:底座1；工作台9，所述工作台9设置在所述底座1上；三爪卡盘7，所述三爪卡盘7滑动设置在所述工作台9上，所述三爪卡盘7用于将放置在所述工作台9上且待加工的弹簧6夹持住；冲头5，所述冲头5能够上下移动，以对位于下方的所述弹簧6进行挤压。

优选地，还包括控制系统2，所述控制系统2设置在所述底座1上，且位于所述底座1的右侧。

优选地，还包括冲压电机4，所述冲压电机4通过立柱3与所述底座1相连接，所述冲头5连接在所述冲压电机4上，所述冲压电机4能够驱动所述冲头5上下移动。

优选地，所述工作台9上设有进给电机8，所述三爪卡盘7与所述进给电机8相连接，所述进给电机8能够驱动所述三爪卡盘7带动所述弹簧6移动。

优选地，所述工作台9的底部设有支撑柱10，所述支撑柱10支撑在所述底座1上，支撑柱10起到固定和支撑工作台的作用。

优选地，所述工作台9上还设有滑动导轨，所述三爪卡盘7与所述进给电机8均滑动设置在所述滑动导轨上。

如图3所示，所述工作台9上开设有凹槽，所述弹簧6上未开距的部分位于所述凹槽的上方。

优选地，所述冲头5的截面下部为半圆形。

优选地，所述冲头5采用硬质合金材质。

优选地，所述底座1采用灰铸铁。

优选地，所述工作台9采用不锈钢。

优选地，所述支撑柱10采用灰铸铁。

优选地，所述弹簧6通过所述三爪卡盘7进行夹持，再通过进给电机8驱动向前(指的是弹簧6的移动方向)移动，冲压电机4驱动冲头5向下移动，以对弹簧6进行开距，之后冲压电机4驱动冲头5复位，进给电机8再次驱动三爪卡盘7带动弹簧6前移一个节距，冲压电机4再次驱动冲头5下移，并对位于正下方的弹簧6的部分进行再次开距，然后重复弹簧6前移和冲头5下移的过程，直至开距全部完成。

本实施例还提供了一种弧形弹簧的制作方法，包括以下步骤：

S01：三爪卡盘7夹紧已卷制完成的圆柱螺旋弹簧；

S02：在控制系统2中输入圆柱螺旋弹簧各项参数，并设定弧形弹簧待加工参数；

S03：控制系统2验证输入的弧形弹簧参数是否满足加工要求；

S04：控制系统计算冲头5的载荷力和移动距离，冲头施加应力应超过弹簧材料的许用应力，使得弹簧发生不可恢复的塑性变形，否则当冲头卸载后弹簧还会回弹至初始位置，最大应力σ_max应大于许用应力σ_p为：

式中F为弹簧受载荷力，M为弹簧弯矩，Z_m为抗弯截面模量，l为载荷力F的力臂。

得到弹簧受力大小后，还需计算冲头的下压距离，冲头下压量还需考虑弹簧受力的变形量及回弹量。根据冲头载荷力计算圆截面簧丝总变形能U为：

式中N为弹簧压力，M_n为弹簧扭矩，G为切向模量，E为弹性模量，A为弹簧横截面积，I_p为极惯性矩，I为惯性矩。

总变形能U和外力功W的关系为：

式中F为载荷力，Δl为簧丝载荷力方向的变形量。

弹簧加载时的总应变ε为：

ε＝ε^e+ε^p

式中ε^e为卸载后产生的弹性应变值，ε^p为卸载后残余的应变值，根据残余应变值可得到卸载后的变形量，从而计算出冲头需移动距离；

S05：控制系统2得到冲头载荷力和移动距离后，进给电机8驱动三爪卡盘7，使弹簧6移动至冲头5下方，冲头5按照载荷力和移动距离的计算结果对弹簧6下压，以进行开距；

S06：完成开距后，冲头5复位；

S07：进给电机8驱动三爪卡盘7和弹簧6向前移动一个节距，使冲头5进行下一次开距；

S08：完成开距后，冲头5再次复位；

S09：重复步骤S07和步骤S08，直至弹簧6开距全部完成。

优选地，在步骤S04中，冲头5施加的应力应超过弹簧6材料的许用应力，否则当冲头5卸载后弹簧6还会回弹至初始位置。

优选地，在步骤S05中，冲头5施加载荷力和移动距离后保持10s待弹簧6变形完成。

优选地，在本申请中，弹簧6指的是圆柱螺旋弹簧。

优选地，本申请选用回火硅锰弹簧钢丝进行说明，回火硅锰弹簧钢丝为具有较高载荷的弹簧钢，常用于汽车悬挂弹簧，在某型号卷簧机上卷制圆柱螺旋弹簧，具体参数如下：

材料直径为d＝2mm；

弹簧中径D＝20mm；

弹簧总圈数n₁＝54圈；

弹簧有效圈数n＝50圈；

螺旋角为α＝5°；

节距t＝tanαπD＝5.5mm；

在控制系统2中输入圆柱螺旋弹簧和弧形弹簧各种参数，并设定弧形弹簧自由角度θ＝160°，弧形弹簧圆弧半径r＝114.5mm，弧形弹簧外侧节距t₃为：

控制系统2控制进给电机8带动三爪卡盘7及弹簧6(指的是圆柱螺旋弹簧)移动，圆柱螺旋弹簧第一节待开节距移至冲头5下方，所述冲头5截面形状如图2及图3所示为半圆形，该半圆形为半径r_c＝1mm，高度h＝8mm。

弹簧6的簧丝中线同冲头5中线存在夹角β₁为：

如图3和图4所示，为了保证冲头5下压时只有接触点O受力，工作台9上具有凹槽及导轨，使得弹簧6开距时两边簧丝不会发生受力变形。

冲头5移动到接触弹簧6的位置l₁为：

如图7所示弹簧6同工作台9上的接触点O到载荷力的力臂l长为：

如图4所示，冲头5接触弹簧后，开始施加向下的载荷力F，弹簧6受到的载荷力F₁为冲头载荷力的一半，弹簧6主要产生弯矩变形，所以弹簧6受到的弯矩应力需大于材料的许用应力，弹簧6才发生塑性变形：

回火硅锰弹簧钢丝材料的许用应力σ_p＝640MPa，Z_m为抗弯截面模量

则载荷力F最小为：

如图6所示，冲头5施加上述载荷力F，簧丝上的内力为沿簧丝横截面的法向及切向为两个分量，分别为轴向力N₁和切向力Q:

N₁＝F₁ cosβ₂

Q＝F₁ sinβ₂

扭矩M_n为：

M_n＝F₁ sinβ₂l

弯矩M为：

M＝F₁ cosβ₂l

由于弹簧6轴向压缩变形和剪切变形较小，略去弹簧6的压缩变形能及剪切变形能，弹簧6的总变形能为：

其中回火硅锰弹簧钢丝的切向模量G＝79GPa，弹性模量E＝260GPa，β₂为加载时弹簧6的夹角。

载荷力方向弹簧变形量为Δl，载荷力所作的功为

载荷力做功同变形能相等得到：

弹簧6受到压力后开始变形，弹簧6的螺旋角和节距变大，由于弹簧6存在弹性变形所以在冲头5卸载后，弹簧6的弹性变形恢复，发生回弹现象，所以开距过程还需计算弹簧回弹变形量。

图8为弹簧加载、卸载过程，弹簧总变形量ε为：

ε＝ε^e+ε^p

式中总应变

ε^e为卸载后产生的弹性应变值，ε^p卸载后残余应变值:

残余应变值ε^p为：

如图5所示，此时弹簧6即卸载后开距的弹簧，弹簧6开距后中径长度D₃为：

根据上式可以得到弹簧总变形量Δl为：

根据弹簧变形量可得到冲头5加载的位移u为：

得到：

l₂＝15.78mm

u＝l₂-l₁＝9.39mm

冲头5施加上述载荷及位移后，保持10s后待弹簧6变形完成，冲头5复位至初始位置，弹簧也回弹至所需的节距，之后进给电机8带动三爪卡盘7和弹簧6向前移动一个节距的距离，冲头5重复下压操作，直至所有有效圈数弹簧都开距成功，从三爪卡盘7中拆下已加工好的弹簧，此时弹簧呈现自然弧形，即我们需要的弧形弹簧。

优选地，通过控制系统2计算弹簧6发生塑性变形及回弹的变形量，使用冲压电机4及进给电机8分别对弹簧6和冲头5作控制，实现弹簧的精准开距，能够解决现有技术中在制作弧形弹簧时造成的弧形弹簧发生变形，以及弹簧受力不均易发生断裂的问题，本申请使得加工弧形弹簧更加精确，且弹簧受力一致，提高了加工质量，从而实现弧形弹簧精密加工。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弧形弹簧的制作装置，其特征在于，包括:

底座(1)；

工作台(9)，所述工作台(9)设置在所述底座(1)上；

三爪卡盘(7)，所述三爪卡盘(7)滑动设置在所述工作台(9)上，所述三爪卡盘(7)用于将放置在所述工作台(9)上且待加工的弹簧(6)夹持住；

冲头(5)，所述冲头(5)能够上下移动，以对位于下方的所述弹簧(6)进行挤压。

2.根据权利要求1所述的弧形弹簧的制作装置，其特征在于，还包括控制系统(2)，所述控制系统(2)设置在所述底座(1)上，且位于所述底座(1)的右侧。

3.根据权利要求1所述的弧形弹簧的制作装置，其特征在于，还包括冲压电机(4)，所述冲压电机(4)通过立柱(3)与所述底座(1)相连接，所述冲头(5)连接在所述冲压电机(4)上，所述冲压电机(4)能够驱动所述冲头(5)上下移动。

4.根据权利要求1所述的弧形弹簧的制作装置，其特征在于，所述工作台(9)上设有进给电机(8)，所述三爪卡盘(7)与所述进给电机(8)相连接，所述进给电机(8)能够驱动所述三爪卡盘(7)带动所述弹簧(6)移动。

5.根据权利要求4所述的弧形弹簧的制作装置，其特征在于，所述工作台(9)的底部设有支撑柱(10)，所述支撑柱(10)支撑在所述底座(1)上。

6.根据权利要求4所述的弧形弹簧的制作装置，其特征在于，所述工作台(9)上还设有滑动导轨，所述三爪卡盘(7)与所述进给电机(8)均滑动设置在所述滑动导轨上。

7.根据权利要求1所述的弧形弹簧的制作装置，其特征在于，所述工作台(9)上开设有凹槽，所述弹簧(6)上未开距的部分位于所述凹槽的上方。

8.一种弧形弹簧的制作方法，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项所述的弧形弹簧的制作装置实施，所述制作方法包括以下步骤：

S01：三爪卡盘(7)夹紧已卷制完成的圆柱螺旋弹簧；

S02：在控制系统(2)中输入圆柱螺旋弹簧各项参数，并设定弧形弹簧待加工参数；

S03：控制系统(2)验证输入的弧形弹簧参数是否满足加工要求；

S04：控制系统计算冲头(5)的载荷力和移动距离；

S05：控制系统(2)得到冲头载荷力和移动距离后，进给电机(8)驱动三爪卡盘(7)，使弹簧(6)移动至冲头(5)下方，冲头(5)按照载荷力和移动距离的计算结果对弹簧(6)下压，以进行开距；

S06：完成开距后，冲头(5)复位；

S07：进给电机(8)驱动三爪卡盘(7)和弹簧(6)向前移动一个节距，使冲头(5)进行下一次开距；

S08：完成开距后，冲头(5)再次复位；

S09：重复步骤S07和步骤S08，直至弹簧(6)开距全部完成。

9.根据权利要求8所述的弧形弹簧的制作方法，其特征在于，在步骤S04中，冲头(5)施加的应力应超过弹簧(6)材料的许用应力，否则当冲头(5)卸载后弹簧还会回弹至初始位置。

10.根据权利要求8所述的弧形弹簧的制作方法，其特征在于，在步骤S05中，冲头(5)施加载荷力和移动距离后保持10s待弹簧(6)变形完成。

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