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彈簧在閥門行業應用基本知識
時間：2020-08-29 14:21:54 來源：永龍閥門 閱讀：0次
彈簧在閥門行業應用基本知識
Spring valve industry in application of basic knowledge
彈簧只是個蓄能器，它有儲存能量的功能，但不能慢慢地把能量釋放出來，要實現慢慢釋放這一功能應該靠“彈簧+大傳動比機構”實現，常見有安全閥，切斷閥，調節閥，氣動執行器。彈簧是一種利用彈性來工作的機械零件，用以控制機件的運動、緩和沖擊或震動、貯蓄能量、測量力的大小等附件。廣泛用于機器、閥門，儀表中。
彈簧是機械和電子行業中廣泛使用的一種彈性元件，彈簧在受載時能產生較大的彈性變形，并把機械功或動能轉化為變形能，而在卸載后彈簧的變形消失并回復到原狀，同時將變形能轉化為機械功或動能。彈簧的載荷與變形之比稱為彈簧剛度，剛度越大，則彈簧越硬。
彈簧的主要功能
①控制機械的運動，如：內燃機中的閥門彈簧、離合器中的控制彈簧…等。
②吸收振動和沖擊能量，如：汽車、火車車廂下的緩沖彈簧、聯軸器中的吸振彈簧…等。
③ 儲存及輸出能量作為動力，如：鐘表彈簧、槍械中的彈簧…等。
④用作測力元件，如：測力器、彈簧秤中的彈簧…等。
彈簧分類
按受力性質，彈簧可分為：拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉彈簧和彎曲彈簧。
按形狀可分為：螺旋彈簧、碟形彈簧、環形彈簧、波形彈簧、板彈簧、截錐渦卷彈簧、發條彈簧(卷彈簧)、扭桿彈簧、地彈簧、卡簧、異型彈簧等。
按制作過程可分為：冷卷彈簧和熱卷彈簧(絲直徑小于8毫米的一般用冷卷法，大于8毫米的用熱卷法)。
按彈性元件的材料可分為：金屬彈簧、橡膠彈簧、聚氨酯彈簧、液壓彈簧、氣彈簧、氫氣彈簧…等。
按彈簧絲截面的形狀可分為：圓形截面彈簧和矩(方)形截面彈簧。
金屬彈簧的制造材料一般來說應具有：高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性及良好的熱處理性能…等，常用的有：碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、不銹彈簧鋼、有色金屬合金（銅合金、鎳合金）…等。
彈簧專業供應商（簡單列幾個，無法求全）
德國Stabilus公司（氣彈簧）
美國聯合彈簧公司（各種彈簧，共五大品牌：SPEC；RAYMOND；KALLER；HYSON 和 SPD）
西安弘力橡膠氣囊有限責任公司（氣彈簧）
上汽股份中國彈簧廠 （金屬彈簧）
杭州彈簧有限公司（金屬彈簧）
浙江省諸暨市利強彈簧有限公司（金屬彈簧）
浙江美力科技股份有限公司（金屬彈簧）
泰州市盛源不銹鋼彈簧廠（不銹鋼彈簧）
彈簧發展簡史
彈簧很早很早之前就有應用了，古代的弓和弩就是兩種廣義上的彈簧。
彈簧的發明家嚴格意義上應該是英國科學家虎克(Robert Hooke），雖然那時螺旋壓縮彈簧已經出現并廣泛使用，但虎克提出了“虎克定律”——彈簧的伸長量與所受的力的大小成正比，正是根據這一原理，1776年，使用螺旋壓縮彈簧的彈簧秤問世。不久，根據這一原理制作的專供鐘表使用的彈簧也被虎克本人發明出來。而符合“虎克定律”的彈簧才是真正意義上的彈簧。
碟形彈簧是法國人貝勒維爾發明的，是用金屬板料或鍛壓坯料而成的截錐形截面的墊圈式彈簧。在近代工業出現之后，除了碟形彈簧之外，還出現了氣彈簧、橡膠彈簧、渦卷彈簧、模具彈簧（氫氣彈簧）、不銹鋼彈簧、空氣彈簧、記憶合金彈簧、高溫彈簧…等新型彈簧。
氮氣彈簧的發展情況
氮氣彈簧是一種具有彈性功能的部件。它將高壓氮氣密封在確定的容器中，外力通過柱塞桿將氮氣壓縮，當外力去除時靠高壓氮氣膨脹來獲得一定的彈壓力，這種部件稱為氮氣缸或氣體彈簧，簡稱氮氣彈簧（Nitrogen Cylinder；Gas Spring）。
目前常規彈性元件有彈簧、橡皮和氣墊，這些彈性元件在工業領域中得到了廣泛的應用，解決了各種彈性儲能的需要。在模具工業中，更是被大量使用著。這些年來，模具技術和模具制造水平有了很大的發展和提高，工業產品對模具的需求量也越來越大，模具朝著精密、復雜、高效、長壽命的方向迅速發展。而原有的常規彈性元件存在一定的缺點，不能滿足這種形勢的需要，不能理想地解決沖壓工藝中的要求。這種情況往往會影響到沖壓件的質量，使模具結構設計變得比較復雜，影響了模具在壓力機上更換的時間；同時常規彈性元件占有模具空間太大，正大、增大了模具制造的成本。
例如彈簧、橡皮均存在著需要預緊，才能達到設計所需的彈壓力，而它們的彈壓力又是隨行程加大而明顯地增大，這種彈壓里不恒定的性能，可能導致零件不能成形，對拉延力是很不理想的。對于復雜的拉延成型零件，這個矛盾就顯得特別突出，有時只好采用增加工序的辦法來解決這類問題。再如彈簧、橡皮的起始力都不大，這一點對要求起始力比較大的彎曲、翻邊等工藝，也不理想。由此產生的結果是，沖壓制件的質量不穩定，調整模具費時費力。對于密集型沖頭的沖裁工藝，如采用彈簧和橡皮卸料，往往會遇到模具的卸料空間不夠安放彈簧或橡皮，因而需要加大模具空間來解決這類問題。還可以舉出不少這類例子。當前沖壓設計人員只能采用氣墊來彌補這些不足。
但是采用壓力機氣墊時，模具的設計，調整使使用者不很方便；由于氣壓的波動和管道節流損失，氣墊所提供的力量也不是很準確；它所占有的空間比較大；需要配備專用的壓縮空氣站，況且并非所有的壓力機均配有氣墊。在使用氣墊時，模具設計均要受氣墊頂桿位置的限制，模具安裝調試也不方便。
為此，人們努力開發一種新型的彈性功能部件來代替常規的彈性元件，這種新型彈性元件具有更加完善的性能，能代替常規彈性元件，完成常規彈性元件難于完成的工作，氮氣彈簧作為新型彈性工具部件也就應運而生。它能夠彌補上述不足，簡化模具設計、制造、方便模具調整；它可以作為獨立部件，安裝在模具中使用，也可以設計成一種排管式彈簧，作為模具的一部分參加工作，可以在系統中很方便實現彈壓力恒定和延時動作，是一種具有柔性性能的彈性部件。氮氣彈簧不僅可以在模具行業中廣泛的應用，也可以用到其他工業領域，如汽車、電子、儀表等行業。由此看來，氮氣彈簧的用途相當廣泛，它的出現迎合了時代的要求，滿足了工業發展的需要。
彈簧材料的發展歷程
隨著彈簧應用技術的發展，對彈簧材料提出了更多的要求。主要是在高應力下的提高疲勞壽命和抗松弛性能方面；其次是根據不同的用途，要求具有耐蝕性、非磁性、導電性、耐磨性、耐熱性等方面。為此，彈簧材料除開發了新品種外，另從嚴格控制化學成分，降低非金屬夾雜，提高表面質量和尺寸精度等方面取得了有益的成效。
（1）彈簧鋼生產工藝的發展
為了提高彈簧鋼的質量，工業發達國家已普通采用爐外精煉技術、連鑄工藝、新型軋制和在線自動檢測及控制設備等。
為了保證鋼的化學成分，降低氣體和各種非金屬加夾物的含量，采用大容量電爐或轉爐熔煉，采用爐外鋼包精煉，使氧含量（質量分數）降至（0.0021～0.0010）%，生產出超純凈鋼，從而大大提高了彈簧的設計和工作應力。
連鑄生產工藝在彈簧鋼生產中已被廣泛采用。連鑄可通過電磁攪拌、低溫鑄造等技術減小鋼的偏析，減小二次氧化，改善表面脫碳，使組織和性能穩定、均勻。
采用分列式全連續軋機，可提高尺寸精度，表面質量，同時也可使鋼材沿長度顯微組織均勻。在軋制過程中為了保證產品的表面質量采用在線自動檢測和控制。為了適合變截面彈簧扁鋼生產而開發了奧氏體軋制成形新工藝，即先將鋼加熱到奧氏體區再急冷至亞穩奧氏體區進行塑性加工并淬火處理。這種工藝可使鋼在不降低塑性的同時提高強度。此外還有通過軋后在線熱處理和表面硬化處理來提高彈簧鋼的性能等。
（2）合金鋼的發展
合金元素的主要作用是提高力學性能，改善工藝性能及賦予某種特殊性能。氣門彈簧和懸架彈簧已廣泛應用SiCr鋼。Si是抗應力松弛最好的合金元素，在SiCr鋼中添加V、Mo形成SiCrV和SiCrMo鋼，可以提高疲勞壽命和抗松弛性能。同時SiCr拉拔鋼絲，其在高溫下工作時的抗松弛性能，比琴鋼絲和重要用途碳素彈簧鋼絲要好。隨著發動機高速小型化，抗顫振性能好、質量輕、彈性模量小的Ti合金得到了較為廣泛的應用，其強度可達2000MPa。
（3）低碳奧氏體鋼的發展
低碳奧氏體鋼38SiMnB是我國自主研發的一種新型的高性能彈簧鋼，在此基礎上開發的38SiMnVBE更具優越性，具有高強韌性、高淬透性、高應用性和高性能比。在進行超細晶粒控制軋制后，其抗拉強度 =（2030～2140）MPa，屈服強度 =（900～2010）MPa，伸長率 =（12～15）%，面縮率 =（48～55）%。為少片變截面板彈簧提供了高性能的材料。
（4）不銹鋼的發展
我國是生產不銹鋼的大國，隨著不銹鋼的生產發展，自然也開發了不少品種，目前已達50多種，，基本滿足了國內生產發展的需要，對當前開發的一些新品種作簡要說明。
1）奧氏體不銹鋼體系的初步形成。為了消除碳元素造成的不銹鋼晶界腐蝕疲勞，開發出低碳奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9和00Cr17Ni2Mo2。為了提高其特殊性能可加Cu、Ti、Nb、Mn、Cr、Si和N等元素。
2）含氮不銹鋼的發展。在不銹鋼中以氮代碳取得了成果。在奧氏體不銹鋼中N和C有許多共同特性。N穩定奧氏體的作用比Ni大，與C相當。N與Mn結合能取代比較貴的Ni。
在奧氏體中N也是最有效的固溶強化元素之一。N與Cr的親和力要比C與Cr的親和力小，奧氏體鋼很少見到Cr2N的析出。因此N能在不降低耐蝕性能的基礎上，提高不銹鋼強度。
3）超強鐵素體不銹鋼的發展。鐵素體不銹鋼具有良好的腐蝕性能和抗氧化性能，其抗應力腐蝕性能優于奧氏體不銹鋼。價格比奧氏體不銹鋼便宜。但存在可焊性差、脆性傾向比較大的缺點，生產和使用受到限制。通過降低鋼中的碳和氮的含量，添加Ti、Nb、Zr、Ta等穩定化元素，添加Cu、AI、V等焊縫金屬韌化元素三種途徑，可以改善鐵素體鋼的可焊性和脆性。
4）超級奧氏體鋼的發展。超級奧氏體鋼指Cr、Mo、N含量顯著高于常規不銹鋼的奧氏體鋼。其中比較著名的是含6% Mo的鋼（245SMo）。這類鋼具有非常好的耐局部腐蝕性能，在海水、充氣、存在縫隙、低速沖刷條件下，有良好的抗點蝕性能（PI 40）和較好的抗應力腐蝕性能，是Ni基合金和鈦合金的代用材料。
5）超馬氏體不銹鋼的發展。傳統的馬氏體不銹鋼2Cr13、3Cr13、4Cr13和1Cr17Ni2缺乏足夠的延展性，在冷頂鍛變形過程中對應力十分敏感，冷加工成形比較困難。加之鋼的可焊性比較差，使用范圍受到限制。為克服馬氏體鋼的上述不足，近來已找到一種有效途徑，就是通過降低鋼的C、Ti含量，增加Ni含量，開發一個新系列合金鋼——超馬氏體鋼。這類鋼抗拉強度高，延展性好，焊接性能也得到改善，因此超馬氏體鋼又稱為軟馬氏體鋼或可焊接馬氏體鋼。
（5）彈簧鋼絲的發展
彈簧鋼絲經過100多年的發展，工藝技術經歷了由鉛淬火到油淬火，現又發展到感應加熱淬火。再加上工藝技術裝備不斷創新和完善，品種質量不斷更新。近來開發的閥門用彈簧鋼絲感應加熱淬火和回火處理工藝，試驗證明，由于感應加熱時間短，淬火組織細小，鋼絲表面幾乎沒有脫碳層，所以其塑性、韌性、抗松弛性、斷裂韌性、延遲斷裂抗力、疲勞壽命等都比油淬火回火鋼絲有較大提高。
另一種研究取得成效的超細晶粒形變熱處理鋼絲已能實地應用，超細晶粒形變熱處理是組織超細化與形變熱處理相結合的一種復合強韌化工藝。它既可提高鋼絲的力學性能，同時又能改善鋼絲的表面質量。材料表面質量對疲勞性能影響很大。 為了保證表面質量，對有特殊要求的材料采用剝皮工藝，將表層去掉0.1mm。對0.5mm深度的缺陷采用渦流探傷。對拔絲過程表面產生的凹凸不平，可用電解研磨，使表面粗糙度降到 =（6.5~3.4） m。
（6）不銹鋼絲的發展
近年來國外不銹彈簧鋼絲生產發展較快。國內需求量增大的品種主要為1Cr18Ni9和0Cr17Ni7AI。
先進的鋼絲生產工藝流程特點是盤條首先剝皮處理，去除熱加工在表面造成的缺陷，除第一次固溶處理后要進行酸洗外，整個冷加工過程均保持光亮表面。
隨著工藝的發展，不繡鋼絲生產流程進一步簡化，將部分原屬金屬制品行業質量控制簡化，轉換為對盤條質量的要求。在粗拉絲機后，應用清潔球擦拭和水中清洗，去除表面涂層和殘余潤滑膜。在光亮熱處理前配備電解酸洗、堿中和、水沖洗和烘干裝置，徹底去除鋼絲表面油污，改善表面質量。
（7）形狀記憶合金的開發
目前在彈簧方面有應用前途的單向形狀記憶合金，以50Ti和50Ni性能最好。形狀記憶合金制成的彈簧，受溫度的作用可伸縮。主要用于恒溫、恒載荷、恒變形量的控制系統中。由于是靠彈簧伸縮推動執行機構，所以彈簧的工作應力變化較大。
（8）陶瓷的應用
陶瓷的彈性模量高，斷裂強度低，適用于變形不大的地方。目前正在開發的有耐熱、耐磨、絕緣性好的陶瓷，應用的有超塑性鋅合金（SPZ），在常溫下具有高的強度。另外，還有高強度的氮化硅，能耐高溫，可達1000℃。但陶瓷彈簧不適用于在沖擊載荷下工作。
（9）纖維增強塑料在彈簧中應用
玻璃纖維增強塑料（GFRP）板簧在英、美和日本等國已廣泛應用，除用于橫置懸架外，還可用于特殊輕型車輛，如賽車的縱置懸架。目前又研制成功了碳素纖維增強塑料（GFRP）懸架彈簧，比金屬板簧要輕20%
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