彈簧的基本知識

彈簧的基本知識

一.彈簧的種類與作用:

1.彈簧的種類:

彈簧的種類很多,也有各種分類的方法,但都不具決定性:

1.1依使用材料分類:

金屬彈簧	鋼彈簧	碳鋼彈簧
		合金鋼彈簧
	非鐵金屬彈簧	銅合金彈簧
		鎳合金彈簧
		其它
非金屬彈簧	橡膠彈簧
	流體彈簧	空氣彈簧
		液體彈簧
	合成樹脂彈簧	積層材彈簧
	其它

1.2依形狀分類:

A.螺旋彈簧(圓筒形、圓錘形、鼓形、桶形)

B. 疊板彈簧

C. 扭杆

D.筒形彈簧

E. 滑卷彈簧

F. 環形彈簧

G.薄板彈簧

H.盤簧

I.    墊圈類(彈簧墊圈:有齒墊圈、波形墊圈)

J.   鋸齒形彈簧、扣環等

1.1.依構成彈簧的材料所受應力狀態分類:

A.壓縮螺旋彈簧

B. 拉張螺旋彈簧

C. 扭轉螺旋彈簧

D.其它螺旋彈簧

E. 疊板彈簧

F. 扭杆

G.滑形彈簧

H.薄板彈簧

I. 盤簧

J. 彈簧墊圈

K.線細工彈簧

L.扣環

M.環形彈簧

2.彈簧的作用:

    彈簧乃機械要素之一,作成適當的形狀,充分利用材料的彈性,吸收能量的能力,因而只要是彈性體,即可用為材料,極端而言,軌道、橋樑之類的構造物也可以說是一種彈簧作用,但是,用為一般機械要素的彈簧若用彈性範圍少的材料,則會因小外力或變形而超越彈性限度,清除外力後仍殘留變形,減少彈簧的作用;因而,彈性材料首須要求彈性越大,——亦即彈性限度高,實用上常用金屬彈簧;

二.材料的選擇:

彈簧是極度利用彈簧材料的彈性,當然是彈性愈高的材料愈好,不過,在實際使用時,其材料還要求物理、化學機械性性質等條件而取捨,一般其考量因素:

 1.彈性限度:

彈性限度是對材料旋加某力而變形後,消除該力時,不殘留變形的最大力所相對的應力,很難測定,但相對抗拉強度高的材料,其彈性限度高,同時可通過熱處理或冷間加工來改變彈性限度;

 2.彈性系數:

對彈簧材料施力,產生單位應變時的應力稱為彈性系數,此值為彈簧設計的基體,彈簧材料的彈性系數主要取決於其化學成分,因熱處理、冷間加工而稍有變化,使用溫度高時會大減少;

 3.疲勞強度:

疲勞強度與材料的抗拉強度有一定關係,但因表面狀態、脫碳、冷間加工、熱處理而變化,這些條件因材料的製造方法,彈簧的製造方法而變化;

 4.淬火性:

大形彈簧為了提高淬火效果,需要淬火性良好的材料,淬火性取決於材料的化學成分;

 5.形狀尺寸:

彈簧材料的機械性性質因尺寸而異,得不到特殊尺寸,形狀,頗受限制;

 6.耐熱性:

有的彈簧在某種程度的高溫使用,通常彈簧材料的各種機械性性質隨著溫度的上升而減少,在某種溫度以上時,彈簧特性減少,耐熱性因材料的化學成分,製造方法而異;

 7.耐蝕性:

有時彈簧會在腐蝕環境下使用,會腐蝕疲勞的現象,耐蝕性主要取決於其化學成分,但也也會因熱處理、冷間加工而有異;

 8.電傳導度:

電氣器具、通信等常兼用為電傳導,此時可用黃銅、磷銅、鈹銅等銅合金屬彈簧材料

 9.熱膨脹性:

鐘表的發簧等等很忌溫度變化所致的伸縮,此時要用特殊材料;

 10.其他要求:

還有結晶粒的大小、偏析、非磁性、非金屬介在物,傷痕,熱處理變形,加工性,耐塞性等種問題;

三.彈簧一般用線材:

1.琴鋼線:(Piano wire)

   是用琴鋼線材施行韌化處理,藉強力抽線加工,賦予良好的尺寸精度,良好的表面肌膚,高度機械性性質,韌化是將高碳鋼線在變態點以上的溫度連續加熱約500℃的熔鉛等中冷卻,作成富加工性的組織;

         

       

用於重荷重特性的彈簧、耐疲勞

A. SWPA——抗拉強度較低

B. SWPB——抗拉強度較高;

   抗拉強度因線徑而異,線徑細,抗拉強度一般較高;

2.硬鋼線:(碳鋼線) ——Hard Drawn Steel Wire

使用硬鋼線材韌化處理後,借冷間抽線加工製造,素材及加工都沒有琴鋼線那麼嚴格,良質者有時不亞於琴鋼線,不過,其不均度通常大於琴鋼線,廣用於反復次數不多之彈簧,無衝擊荷重的彈簧;

2.1 SWC 60C 含碳量較低

2.2 SWC 80C 含碳量較高,應用廣泛

 3.不銹鋼線—— Stainless steel wire

     不銹鋼線有軟質線與硬質線,彈簧用者為硬質線,這是將不銹鋼線材為火、酸洗、強力冷間線作成,耐蝕性優良,但也有利於需要耐熱性,非磁性的場合,為了擴大抗拉強度而增大含碳量,抽線加工度,所以抗拉強度太高則可能有應力腐蝕,易帶磁性;

3.1 SUS304

3.2 SUS316(不帶磁性)

3.3 不銹鋼材有202、205、303、304、308、316、410、420、430

    一般用於彈簧: SUS302、SUS304、SUS316

4.銅合金系彈材料——導電性良好,耐蝕性良好,不過耐熱性系數小,耐熱性少;

4.1.磷青銅線(C5101W):實用的彈簧用磷青銅為含Sn3~5.5,   5.5~7   7~9%三種Cu合金,為除去氧化物而易伸長起見,加少量P為脫脂劑,加工後的彈簧宜低溫退火約250℃.

4.2.黃銅線(C2680W):彈簧用黃銅為Cu70%,Zn30%的7~3黃銅,抗拉強度低;

4.3.白銅線Ni18% Zn27% Cu55%的合金,強度大,彈簧特性良好,加工後約在350℃低溫退火;

4.4.鈹銅:在銅合金材料中,性能最優良,彈簧彈性好,耐高溫;

5.電鍍鋼線:

視客戶需求,其素材有SWC、SWP、SUS

鍍鋅線 鍍錫線 鍍鎳線 鍍金線

    BATT線:(素材為SUS)

6.其它線材:

銅包線 電熱線 鐵線 漆包線

四.熱處理(低溫退火)——發藍

    彈簧的熱處理,可提高材料的彈簧性能或補助性能,消除彈簧的應力,但因彈簧材料種類多,熱處理方法隨之而異。

    熱處理是為了改善鋼的外觀或耐蝕性而暴露於適當溫度的空氣,水蒸氣,化學藥品等,在表面形成藍色氧化物膜的場合,為了提高彈簧的彈性限度,疲勞限度,強度,硬度等,而在200-400℃低溫加熱的場合。

    要提高彈性限度時用200-250℃,要提高疲勞限度時用300-380℃,不過受鋼的化學成份,冷間加工度影響。

五.不同材質熱處理後的變化:

 1. SWC80C. 60C及SWPB. SWPA材質熱處理過後:

1.1.   顏色轉淺咖啡色

1.2.   角度內收縮(圈數增加)

1.3.   內圈內徑變小

1.4.   各加工角度微變化

1.5.   長度變長(自由長)

1.6.   力量一般變強(視彈簧結構而定)

2.SUS材料熱處理過後:

 2.1顏色一般不變化,也有變黃現象

 2.2角度外擴張,圈數減少

 2.3肉身內徑變大

 2.4各加工角度微變化

 2.5力量一般減弱(視彈簧結構而有異)

 2.6自由長變短

六.防銹油、脫脂劑、汽油的目的與用途:

 1.防銹油:

目的:防止熱處理後的彈簧氧化生銹;

用途:凡是熱處理後而勿須電鍍碳鋼線產品,表面均須做防銹處理,用噴槍將適量的防銹油均勻的噴施在製品表面;

 2.脫脂劑:

目的:清理彈簧表面油污;

用途:平衡杆及表面油污較多的彈簧均須用脫脂劑清洗,清洗後的彈簧幹凈且有光澤;

注意:脫脂劑清洗後之彈簧須趕緊熱處理或烘乾,若洗後置入太久則彈簧反而會生銹。

3.汽油:

     目的:清理彈簧表面柴油及其它雜物;

     用途:主要用來清洗鍍鎳線制彈簧,因鍍鎳線制彈簧用脫脂劑清洗會容易生銹,而且  

經汽油清洗後增強了導電性,並易於焊接。

注意:汽油清洗後,遇高溫會著火,最好使其自然揮發後再熱處理。

七.熱處理流程圖:

說明:

 1.振動須切口圓滿無毛刺,角度、長度與圖面符合;

 2.試溫按圖面要求,用遊標卡尺、投影機、拉力測試機測量;

 3.試溫發現異常,呈報上級核準後熱處理。

八.彈簧的認識:

    1.壓簧:因壓縮而產生反彈力

    2.拉簧:因拉伸而產生力量,一般都是密合的

    3.扭簧:因扭轉而產生反彈力

    4.勾簧:因彎曲而產生反彈力

    5.其它類:

九.彈簧專業名詞解釋及術語:

 1.線徑:(Wire Diameter),英文縮寫WD:記號d,製作彈簧時所用材料的圓徑(外徑),稱之 為線徑,一般指線型圓徑材料；

 2.內徑:( Inside Diameter)英文縮寫ID,記號D1,線材徑加工卷成圓環之形狀,其圓內圍之直徑,不包括兩端線在內,單位M/M；

 3.外徑(Outside Diameter),英文縮寫OD,記號D2,如上述其圓外圍之直徑,包括兩端線在 內,OD=ID+2HWD；

 4.中心徑(Diameter),英文縮寫D,又稱平均徑，平心徑、內徑與外徑的平均值(ID+OD)/2,即線圈一端的中心點,通過圓心至另一端中心點之間的距離,單位M/M；

 5.有效圈數(Active coils),英文縮寫AC,記號Na,彈簧有效作用的圈數，不包括座圈在內;

 6.總圈數(Totac coils),英文縮寫T.C,記號Nt,從彈簧的一端到另一端的圈數的總和,稱為總圈數,總圈數=有效圈數+座圈;

 7.座圈:壓縮彈簧兩接觸支援面部分與接著其相鄰螺旋線的部分,且無彈力作用的圈 數，稱之為座圈；

 8.旋向:彈簧旋轉之方向,分左、右向,左向:Left hand,右向:Right hand；

 9.自由長(L)自由高(H):彈簧在未受外力作用時，原有製作的長(高)度,單位M/M；

10.密著高(Hs):彈簧作用至無自由圈數,完全密接的高度,稱為密著高,單位M/M;

11.直角度:彈簧(一般指壓縮彈簧)成型後，其端面通常無法完全成平面,其切斷處均含高出,故置於平面上略呈傾斜狀態,其與平面所成的三角度，稱之為直角度，一般直角度要求90°~93°之間時,須研磨,修理兩端高出部分;

 12.荷重(P):指螺旋彈簧加外力於某一作用長度後,所需要的力量稱之為荷重,單位克(kgf),或者 牛頓(N);

 13.表面處理(Finish):為達到美觀目的或者為防止生銹,防止氧化,或者為提高焊接能   

                  力而採取的一種工藝;

 14.螺距:記號 P又稱節距(壓縮彈簧中一圈到另一圈中心徑距離)；

 15.初張力:記號Pi單位kgf;

 16.初應力:記號Vi,單位kgf/mm²

 17.扭轉力距即扭距,記號M,單位:kgf-mm;

 18.扭轉角度:記號E(Ed),單位度(rad);

 19.常用化學元素符號:

      Zn鋅   Fe鐵　　O氧　　Ni鎳　　Na鈉 　C碳　　Au金　　Pb鉛 

      B硼    Ag銀　　P磷　　I碘    Cr鉻    Li鋰   W鎢    Cu銅  

      Mn錳　 Si矽     S硫　　Mo鑰　 Ca鈣    H氫

十.卷向識別:

右旋		左旋
依據:本體斜方向右上方		依據:本體斜方向左上方
此法比較適合於螺旋形壓簧圖面及實物卷向的識別

右旋		左旋
依據:從上往下,由切斷面開始順著螺旋方向,順時針為右旋		依據: 從上往下,由切斷面開始順著螺旋方向,逆時針為左旋
此法比較適合於螺旋形壓簧圖面及實物卷向的識別

十一.彈簧尺寸與力量之關系:

1. 壓簧

A.線徑越大,力量越強;

B.外徑越小,力量越強;

C.長度越大,力量越強;

D.圈數越多,力量越小。

2. 扭簧

A.線徑越粗,力量越強;

B.圈數越多,力量越小;

C.角度越大,力量越強;

3. 拉簧

A.線徑越粗,力量越強;

B.外徑越小,力量越強;

C.圈數越多,力量越小;

D.長度越長,力量越小。

十二.電鍍之種類:

1. 種類:

A.鍍鎳(黑鎳、白鎳)

B.化學鎳(又稱無電解鎳)

C.鍍金(真金、仿金)

D.鍍銅(紅銅、黃銅)另有鎳底紅銅光澤度比鍍紅銅亮

E. 鍍鋅(黑鋅、白鋅、藍鋅)

F. 染黑(又稱煲黑)

G.鍍鉻

H.鍍銀

2. 方式:

A. 滾鍍:滾筒滾動翻轉,用電解式電鍍,產品易糾結、變形則不適用。

B. 掛鍍:單PCS吊鍍,一般適用較大易操作吊掛產品。

3. 浸泡式:上下搖動,染黑,化學鎳(無電解鎳)屬於浸泡式,此方式不像滾鍍,易造成產品糾結變形。

十三.其他表面處理:

1.研磨、拋光

    產品拋光研磨後可去除表層之油污,增加表面之光潔度,同時可去除切斷面之毛刺,主要的拋光研磨是對不易生銹之SUS材質或研磨後要電鍍之產品,產品研磨前一般要進行熱處理,避免研磨變形發生;

2.珠擊

 產品珠擊是為消除其應力而用小鋼珠(0.4mm~E1.2mm)變速衝擊表面,在表面產生壓縮殘留應力的一種處理方式,經珠擊後的彈簧,可有效改善材料的疲勞強度;

3.磷酸鹽包覆

 是產品經過磷化劑溶液浸泡或噴塗,使產品表面形成一種磷化膜而增強抗蝕性之處理方式;

4.鈍化

 產品經鈍化劑浸泡而在產品表面形成一種抗氧化膜之處理方式。