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对机械设计手册中某些弹簧内容的疑义
发布时间：2010/7/10
对机械设计手册中某些弹簧内容的疑义
摘要
目前国内机械设计手册中有关弹簧设计与制造的一些指导性论述与实际应用是有一些差异的。本文将对有关“手册”中的节录与笔者根据实践和分析后的结果做一些阐述。
关键词
强压处理 电抛光处理 截锥形弹簧的设计
前言
应出版社的要求，笔者对近四十年以来国内（包括国外译著）机械设计手册中有关弹簧设计与制造方面的内容进行了研读，从中注意到这些著作中的一些指导性论述和我们在生产实际中的应用是有一定的差异的。现在将这些手册中的一些内容节录，并与笔者根据实践和分析后的结果阐述如下。
一、关于弹簧的强压（拉、扭）处理
《GB1805 弹簧术语》对弹簧强压（拉、扭）处理作了如下定义：“将弹簧压缩（拉伸、扭转）至弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余应力，以达到提高弹簧承载能力和稳定几何尺寸的一种工艺方法” 。
化学工业出版社出版的《机械设计手册》[1] 第15章 “弹簧的强化处理及热处理—强压（强拉、强扭）处理”一节中，以理论力学做了分析后得出结论认为：“以上结论表明：设计弹簧时，如以弹簧材料扭转屈服极限τ2为设计计算应力。压缩弹簧经强压处理后，材料截面表层可能存在近于τ2 / 3的负残余应力，故弹簧承载时，截面表层的实际应力比计算应力低约1/3。…故亦相当于承载能力提高了1/ 3。” 该手册还认为：不同类型的弹簧其强压处理的方法…扭杆弹簧是将扭杆在工作载荷的方向，加以超过扭杆切变弹性极限的扭矩；压缩弹簧和拉伸弹簧分别加以超过弹簧材料切变弹性极限的压缩和拉伸载荷；扭转弹簧加以超过弹簧材料极限的扭矩，都可以提高弹簧的承载能力。
机械工业出版社出版的《机械设计手册》 [2]（1993年版）第30篇提出：“经过强压（拉）处理的弹簧，可以提高弹簧的许用应力τP，最高可以达25%……”根据《机械设计手册》[2]提供的资料，可以统计并得到弹簧强压（拉、扭）处理前和强压处理后可以达到的许用应力[τ]值。列表如下：
弹簧种类 许用应力强压处理后可以达到的许用应力
压缩弹簧Ⅰ类[τ] =（0.35～0.4）σb
Ⅱ类 [τ] =（0.4～0.47）σb
Ⅲ类 [τ]=（0.5～0.55）σb
[τ] =（0.44～0.532）σb
[τ] =（0.50～0.625）σb
[τ]=（0.62～0.731）σb
拉伸弹簧Ⅰ类 = [τ]（0.28～0.32）σb
Ⅱ类 = [τ]（0.32～0.38）σb
Ⅲ类 = [τ]（0.40～0.44）σb
[τ] =（0.35～0.425）σb
[τ] =（0.40～0.505）σb
[τ] =（0.50～0.585）σb
扭转弹簧强扭处理前的工作极限弯曲应力σf
Ⅱ类[τ] = 0.625σb
Ⅲ类[τ] = 0.80σb
强压处理后可以达到的极限弯曲应力σf
[τ]=（0.78～0.83）σb
[τ] =（1.00～1.06）σb
注：(1)Ⅰ类载荷(106以上);Ⅱ类载荷(103～105);Ⅲ类载荷(103以下)
(2)强压(拉、扭)处理后可以达到的许用应力是按强压(拉、扭)处理前的许用应力的1.25～1.33倍计算得到的。
通过强压处理能够使弹簧一下子就提高承载能力25%～33%，这对于刚刚接触机械零件设计的技术人员来说，确实是一个有非常吸引人的数据。
但是，经过笔者的实践和分析，认为：通过强压（拉、扭）处理来提高弹簧的承载能力是有条件的。因为在强压处理过程中，只有将弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余应力，才能获得强压的效果，并且只有在强压（拉、扭）时，使得弹簧材料产生的残余应力即塑性变形越大，弹簧材料的弹性极限提高得就越大。但每种材料的弹性极限都是有一定的限度的，一旦超过这个极限，材料不仅会产生塑性变形，而且会“完全屈服”变形，许多弹簧在强压（拉）到材料的0.5σb就已经“完全屈服”变形。各种材料屈服极限值也有差异，屈服极限值只能通过强度验算和试验后才能确定。另外，强压（拉、扭）处理的效果与弹簧的外形结构、特性、以及强压处理的工艺方法都有密切的关系。就弹簧的外形结构而言，旋绕比大或者螺旋升角小的（压缩弹簧）就不可能通过强压处理来提高它的承载能力，旋绕比和螺旋升角究竟多少能达到目的，需要通过强压设计和试验才能确定。所以，并非仅仅是简单的将弹簧压一压、拉一拉或者扭一扭，就能够一下子提高承载能力多少多少的。
综上分析，弹簧强压处理的压应力τQy或者压力PQy首先应该满足以下公式要求：τQy=8DPQy/πd3＞τS≥0.5
同时，当τQy /σb＞0.8时，会使材料达到屈服极限，弹簧出现永久变形，反而使载荷减少。
因此强压处理的压应力τQy /σb必须在0.5～0.8范围内。从上面表格中可以看出：除非是高应力弹簧，一般的压缩、拉伸和扭转弹簧都不具备强压（拉、扭）的必备条件，但可以通过对弹簧进行“预制高”的工艺来创造条件。例如：对于压缩弹簧和扭转弹簧，可以通过对它预留强压的“预制高”和“预制角”来实现两个目的：一是使得弹簧材料截面表层可以产生残余应力的“压缩量”和“扭转量”；二是经过强压处理后弹簧的高度尺寸或角度正好符合设计的要求。对于拉伸弹簧来说第一个目的就不容易实现。
根据以上的分析和笔者以往对截锥形弹簧强压处理效果的探讨[3]，得到对弹簧强压处理的意见是：
1、在考虑要对弹簧作强压处理时，应该先对弹簧进行强压设计，以确定该弹簧是否适合做强压处理。
2、具备强压处理条件并受高应力的压缩弹簧、扭转弹簧等，经过强压处理后力学性能会得到明显的改善。
3、有初拉力要求的拉伸弹簧，在强拉处理时初拉力会减少甚至消失，这类弹簧不能做强拉处理[4]。而无初拉力要求的拉伸弹簧，是不容易通过强拉处理来提高承载能力的。
4、高温（超过+60℃）及腐蚀条件下工作的弹簧作强压处理，只能起稳定尺寸的作用，不能提高承载能力。
5、通过用强压处理的方法来提高截锥形弹簧的承载能力在实际上是不可取的[3] ，并以此可以推断出：对于各种变刚度的弹簧，是不适合用强压处理的方法来提高它的承载能力的。
二、关于电抛光处理
为了满足对要求精密的弹性零件的力学性能，一些文献[4]提出：“可以对用精密合金、铜合金和不锈钢丝制造的弹簧进行电抛光或者化学抛光处理，以微量削减材料表层，来达到需要的尺寸和特性。” 笔者经过实践后认为，采用电抛光是可以削减弹簧表层的尺寸的，这对一些压缩弹簧、弹簧片和波纹管可以适当的采用，但是对拉伸、扭转等无间隙的弹簧，不适合用电抛光来降低其力学性能。
因为，电抛光的电流及其电介液（含硫酸、硝酸等）在极短的时间内(抛光的时间一般2～8秒)不可能均匀地通过弹簧圈与圈之间的缝隙，这样经过电抛光处理后的拉、扭簧材料的截面直径成了不均匀、不规则的多棱边形，这对精度要求比较高的弹簧来说是不可取的。从电抛光对弹簧性能的影响考虑出发，是不宜用过多的时间去电抛光，因为在酸溶液的时间过长，对弹簧强度的影响是绝对存在的，而且是有害的。其次，电抛光的溶液使用期较低，工艺参数变化大，每批弹簧都需要经过试验后才能确定，从经济上考虑也提高了成本。目前各种牌号各种直径规格的弹簧钢丝都有供应，基本上能满足各种精密要求弹簧的力学性能。
综上所述对拉伸弹簧和扭转弹簧，想通过电抛光来削减其微量尺寸，以达到需要的特性，并不可取的。对化学抛光也存在同样的问题。
三、关于截锥形弹簧的设计
1982年以后，我国出版的各种机械工程手册中介绍了等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算方法，其中都提到等螺旋升角截锥形弹簧所形成的螺旋线，在与弹簧中心线相垂直的支承面上的投影是对数学螺线，即：R＝R1emθ m＝In（R2-R1）/ 2π
但是，在实际介绍这种弹簧的变形和应力计算以及其几何尺寸时，又将它和等节距截锥形弹簧混为一谈。这就给有精度要求的等螺旋升角截锥形弹簧的设计和制造带来困难。笔者因为工作需要，曾经推导过等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算方法[5]，也曾经查阅过国外有关等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算方法，其中前苏联[6]的计算公式是完全正确的、精确的。
另外，等节距截锥形弹簧的设计计算公式也存在一些问题。今后将在专门的文章里提出讨论。
在截锥形弹簧的设计计算这个问题上，对于《机械设计手册》这部中国机械零件设计指导性手册的正确性和精确性，是否有些小小的遗憾。
后语
笔者提出的上述观点对于专门从事弹簧的技术人员来说，或许是微不足道的。但是，《机械设计手册》的对象是国内外广大从事机械工程设计和制造的科技工作者，《机械设计手册》是一本具有指导性、权威性和经典的文献，手册中的观点方法和公式等内容，都必须是严密精确的，符合生产实际的。否则会给使用单位和使用人员带去困难和麻烦。
最后，我国弹簧的设计与制造标准已涉及到许多种类的弹簧，但是截锥形弹簧的设计与制造标准还是一个空白。截锥形弹簧在我国的航空、航天和汽车制造工业等都在应用。是否在适当的时机能制定一个截锥形弹簧的标准？
参考文献
[1] 成大先主编，机械设计手册 第3卷，化学工业出版社，2002年1月.第11-149页
[2] 徐 灏主编，机械设计手册 第4卷，机械工业出版社，1993年8月.第30篇12页
[3] 朱 炎，截锥形弹簧强压处理效果探讨，全国材料强度及残余应力学术会，1994年
[4] 金慧根主编，航空制造工程手册—弹性元件工艺， 航空工业出版社，1994年
[5] 朱 炎，引导伞圆锥形弹簧的计算方法，第二届全国航空安全救生学术讨论会，1984
[6] Н•С•阿切尔康，机械制造者手册，机械工业出
摘要
目前国内机械设计手册中有关弹簧设计与制造的一些指导性论述与实际应用是有一些差异的。本文将对有关“手册”中的节录与笔者根据实践和分析后的结果做一些阐述。
关键词
强压处理 电抛光处理 截锥形弹簧的设计
前言
应出版社的要求，笔者对近四十年以来国内（包括国外译著）机械设计手册中有关弹簧设计与制造方面的内容进行了研读，从中注意到这些著作中的一些指导性论述和我们在生产实际中的应用是有一定的差异的。现在将这些手册中的一些内容节录，并与笔者根据实践和分析后的结果阐述如下。
一、关于弹簧的强压（拉、扭）处理
《GB1805 弹簧术语》对弹簧强压（拉、扭）处理作了如下定义：“将弹簧压缩（拉伸、扭转）至弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余应力，以达到提高弹簧承载能力和稳定几何尺寸的一种工艺方法” 。
化学工业出版社出版的《机械设计手册》[1] 第15章 “弹簧的强化处理及热处理—强压（强拉、强扭）处理”一节中，以理论力学做了分析后得出结论认为：“以上结论表明：设计弹簧时，如以弹簧材料扭转屈服极限τ2为设计计算应力。压缩弹簧经强压处理后，材料截面表层可能存在近于τ2 / 3的负残余应力，故弹簧承载时，截面表层的实际应力比计算应力低约1/3。…故亦相当于承载能力提高了1/ 3。” 该手册还认为：不同类型的弹簧其强压处理的方法…扭杆弹簧是将扭杆在工作载荷的方向，加以超过扭杆切变弹性极限的扭矩；压缩弹簧和拉伸弹簧分别加以超过弹簧材料切变弹性极限的压缩和拉伸载荷；扭转弹簧加以超过弹簧材料极限的扭矩，都可以提高弹簧的承载能力。
机械工业出版社出版的《机械设计手册》 [2]（1993年版）第30篇提出：“经过强压（拉）处理的弹簧，可以提高弹簧的许用应力τP，最高可以达25%……”根据《机械设计手册》[2]提供的资料，可以统计并得到弹簧强压（拉、扭）处理前和强压处理后可以达到的许用应力[τ]值。列表如下：
弹簧种类 许用应力强压处理后可以达到的许用应力
压缩弹簧Ⅰ类[τ] =（0.35～0.4）σb
Ⅱ类 [τ] =（0.4～0.47）σb
Ⅲ类 [τ]=（0.5～0.55）σb
[τ] =（0.44～0.532）σb
[τ] =（0.50～0.625）σb
[τ]=（0.62～0.731）σb
拉伸弹簧Ⅰ类 = [τ]（0.28～0.32）σb
Ⅱ类 = [τ]（0.32～0.38）σb
Ⅲ类 = [τ]（0.40～0.44）σb
[τ] =（0.35～0.425）σb
[τ] =（0.40～0.505）σb
[τ] =（0.50～0.585）σb
扭转弹簧强扭处理前的工作极限弯曲应力σf
Ⅱ类[τ] = 0.625σb
Ⅲ类[τ] = 0.80σb
强压处理后可以达到的极限弯曲应力σf
[τ]=（0.78～0.83）σb
[τ] =（1.00～1.06）σb
注：(1)Ⅰ类载荷(106以上);Ⅱ类载荷(103～105);Ⅲ类载荷(103以下)
(2)强压(拉、扭)处理后可以达到的许用应力是按强压(拉、扭)处理前的许用应力的1.25～1.33倍计算得到的。
通过强压处理能够使弹簧一下子就提高承载能力25%～33%，这对于刚刚接触机械零件设计的技术人员来说，确实是一个有非常吸引人的数据。
但是，经过笔者的实践和分析，认为：通过强压（拉、扭）处理来提高弹簧的承载能力是有条件的。因为在强压处理过程中，只有将弹簧材料表层产生有益的与工作应力反向残余应力，才能获得强压的效果，并且只有在强压（拉、扭）时，使得弹簧材料产生的残余应力即塑性变形越大，弹簧材料的弹性极限提高得就越大。但每种材料的弹性极限都是有一定的限度的，一旦超过这个极限，材料不仅会产生塑性变形，而且会“完全屈服”变形，许多弹簧在强压（拉）到材料的0.5σb就已经“完全屈服”变形。各种材料屈服极限值也有差异，屈服极限值只能通过强度验算和试验后才能确定。另外，强压（拉、扭）处理的效果与弹簧的外形结构、特性、以及强压处理的工艺方法都有密切的关系。就弹簧的外形结构而言，旋绕比大或者螺旋升角小的（压缩弹簧）就不可能通过强压处理来提高它的承载能力，旋绕比和螺旋升角究竟多少能达到目的，需要通过强压设计和试验才能确定。所以，并非仅仅是简单的将弹簧压一压、拉一拉或者扭一扭，就能够一下子提高承载能力多少多少的。
综上分析，弹簧强压处理的压应力τQy或者压力PQy首先应该满足以下公式要求：τQy=8DPQy/πd3＞τS≥0.5
同时，当τQy /σb＞0.8时，会使材料达到屈服极限，弹簧出现永久变形，反而使载荷减少。
因此强压处理的压应力τQy /σb必须在0.5～0.8范围内。从上面表格中可以看出：除非是高应力弹簧，一般的压缩、拉伸和扭转弹簧都不具备强压（拉、扭）的必备条件，但可以通过对弹簧进行“预制高”的工艺来创造条件。例如：对于压缩弹簧和扭转弹簧，可以通过对它预留强压的“预制高”和“预制角”来实现两个目的：一是使得弹簧材料截面表层可以产生残余应力的“压缩量”和“扭转量”；二是经过强压处理后弹簧的高度尺寸或角度正好符合设计的要求。对于拉伸弹簧来说第一个目的就不容易实现。
根据以上的分析和笔者以往对截锥形弹簧强压处理效果的探讨[3]，得到对弹簧强压处理的意见是：
1、在考虑要对弹簧作强压处理时，应该先对弹簧进行强压设计，以确定该弹簧是否适合做强压处理。
2、具备强压处理条件并受高应力的压缩弹簧、扭转弹簧等，经过强压处理后力学性能会得到明显的改善。
3、有初拉力要求的拉伸弹簧，在强拉处理时初拉力会减少甚至消失，这类弹簧不能做强拉处理[4]。而无初拉力要求的拉伸弹簧，是不容易通过强拉处理来提高承载能力的。
4、高温（超过+60℃）及腐蚀条件下工作的弹簧作强压处理，只能起稳定尺寸的作用，不能提高承载能力。
5、通过用强压处理的方法来提高截锥形弹簧的承载能力在实际上是不可取的[3] ，并以此可以推断出：对于各种变刚度的弹簧，是不适合用强压处理的方法来提高它的承载能力的。
二、关于电抛光处理
为了满足对要求精密的弹性零件的力学性能，一些文献[4]提出：“可以对用精密合金、铜合金和不锈钢丝制造的弹簧进行电抛光或者化学抛光处理，以微量削减材料表层，来达到需要的尺寸和特性。” 笔者经过实践后认为，采用电抛光是可以削减弹簧表层的尺寸的，这对一些压缩弹簧、弹簧片和波纹管可以适当的采用，但是对拉伸、扭转等无间隙的弹簧，不适合用电抛光来降低其力学性能。
因为，电抛光的电流及其电介液（含硫酸、硝酸等）在极短的时间内(抛光的时间一般2～8秒)不可能均匀地通过弹簧圈与圈之间的缝隙，这样经过电抛光处理后的拉、扭簧材料的截面直径成了不均匀、不规则的多棱边形，这对精度要求比较高的弹簧来说是不可取的。从电抛光对弹簧性能的影响考虑出发，是不宜用过多的时间去电抛光，因为在酸溶液的时间过长，对弹簧强度的影响是绝对存在的，而且是有害的。其次，电抛光的溶液使用期较低，工艺参数变化大，每批弹簧都需要经过试验后才能确定，从经济上考虑也提高了成本。目前各种牌号各种直径规格的弹簧钢丝都有供应，基本上能满足各种精密要求弹簧的力学性能。
综上所述对拉伸弹簧和扭转弹簧，想通过电抛光来削减其微量尺寸，以达到需要的特性，并不可取的。对化学抛光也存在同样的问题。
三、关于截锥形弹簧的设计
1982年以后，我国出版的各种机械工程手册中介绍了等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算方法，其中都提到等螺旋升角截锥形弹簧所形成的螺旋线，在与弹簧中心线相垂直的支承面上的投影是对数学螺线，即：R＝R1emθ m＝In（R2-R1）/ 2π
但是，在实际介绍这种弹簧的变形和应力计算以及其几何尺寸时，又将它和等节距截锥形弹簧混为一谈。这就给有精度要求的等螺旋升角截锥形弹簧的设计和制造带来困难。笔者因为工作需要，曾经推导过等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算方法[5]，也曾经查阅过国外有关等螺旋升角截锥形弹簧的设计计算方法，其中前苏联[6]的计算公式是完全正确的、精确的。
另外，等节距截锥形弹簧的设计计算公式也存在一些问题。今后将在专门的文章里提出讨论。
在截锥形弹簧的设计计算这个问题上，对于《机械设计手册》这部中国机械零件设计指导性手册的正确性和精确性，是否有些小小的遗憾。
后语
笔者提出的上述观点对于专门从事弹簧的技术人员来说，或许是微不足道的。但是，《机械设计手册》的对象是国内外广大从事机械工程设计和制造的科技工作者，《机械设计手册》是一本具有指导性、权威性和经典的文献，手册中的观点方法和公式等内容，都必须是严密精确的，符合生产实际的。否则会给使用单位和使用人员带去困难和麻烦。
最后，我国弹簧的设计与制造标准已涉及到许多种类的弹簧，但是截锥形弹簧的设计与制造标准还是一个空白。截锥形弹簧在我国的航空、航天和汽车制造工业等都在应用。是否在适当的时机能制定一个截锥形弹簧的标准？
参考文献
[1] 成大先主编，机械设计手册 第3卷，化学工业出版社，2002年1月.第11-149页
[2] 徐 灏主编，机械设计手册 第4卷，机械工业出版社，1993年8月.第30篇12页
[3] 朱 炎，截锥形弹簧强压处理效果探讨，全国材料强度及残余应力学术会，1994年
[4] 金慧根主编，航空制造工程手册—弹性元件工艺， 航空工业出版社，1994年
[5] 朱 炎，引导伞圆锥形弹簧的计算方法，第二届全国航空安全救生学术讨论会，1984
[6] Н•С•阿切尔康，机械制造者手册，机械工业出