扭杆弹簧加工方法及改善对策研究

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　　本文通过对滚动校直淬火和热预扭的研究，采取措施使扭杆弹簧弯曲少、变形小、全长直线度小于0.5mm且硬度均匀，同时减少预扭次数，只需1次热预扭和1次常温预扭，并可提高汽车扭杆弹簧耐疲劳性能，减小松弛变形量。
　　汽车扭杆弹簧是利用杆的扭转弹性变形而起弹簧作用的零件，在汽车、火车、坦克及装甲车等方面应用广泛。淬火和预扭是加工扭杆弹簧的重要工序，当今生产厂家通常采用常规淬火和常温预扭，容易造成扭杆弯曲、硬度不均、耐疲劳性能减弱和松弛变形量大等问题。本文结合笔者在工作中的实际经验，利用滚动校直淬火和热预扭解决了此类问题。
　　扭杆弹簧加工方法分析
　　汽车扭杆弹簧最简单的结构是一直杆，一端固定，在另一端加上扭转负荷（即承受扭转应力）。扭杆可分为实心扭杆和空心扭杆两类，其截面又有圆形、方形、矩形、椭圆形及多边形等多种，以截面为圆形居多、使用最为普遍，本文主要分析截面为圆形的扭杆弹簧。和螺旋弹簧及板簧比较时，扭杆弹簧结构简单，工作时无摩擦，弹簧特性稳定，不产生颤振，单位体积储能大，弹簧体积较小，属于小型轻量化产品。轿车中的扭杆用量很大，将扭杆弯成弓形或框形等结构，可使车身减小倾斜或横向摆动，能提高悬架车的制动性能和乘坐者的舒适感。
　　1.当今生产厂家扭杆弹簧的制造工艺路线
　　切料（→镦锻→退火）→端部加工→常规淬火→回火→常温预扭（强扭）处理→喷丸处理→检验→防锈处理。
　　2.常规淬火和常温预扭的缺点分析
　　（1）工艺路线中的扭杆弹簧常规淬火，通常包括吊挂式竖直淬火、横向水平淬火和高频感应淬火三种方式。吊挂式淬火，会出现工件上面和下面硬度不均、“S”形弯曲且很难校直等问题；横向水平淬火，由于工件受冷却能力不同，易产生变形；高频感应淬火，会出现只淬透扭杆表面而芯部淬不透的现象。
　　（2）工艺路线中的扭杆弹簧常温预扭（强扭）处理：扭杆弹簧是一种利用扭杆的扭转变形而起作用的弹性零件，预扭（亦称强扭）是对扭杆弹簧强化处理的最重要方法之一。其目的是：提高扭杆表层的预压应力和开发利用心部材料的承载潜力来提高其疲劳性能和最大允许剪应力。其方法是扭杆热处理后在常温下沿其工作时的承载方向施加一扭角（大于使用时的最大工作扭角），使扭杆的表层应力超过材料的屈服极限而发生塑性变形，然后再卸载。经过连续加载卸载，使扭杆表层的塑性变形趋于稳定，并保证最后一次卸载后松弛变形小于规定值。缺点是预扭次数多，一般要3次以上，增长了产品的制造周期，浪费人力、物力和财力，松弛变形量大，耐疲劳性能弱。
　　

　　扭杆弹簧的加工新工艺
　　扭杆弹簧制造新工艺的工艺路线与老工艺的工艺路线基本相同，不同点是用滚动校直淬火取代常规淬火、用热预扭取代常温预扭。具体体现在以下2个方面：
　　1.扭杆弹簧滚动校直淬火
　　我们针对工艺路线中的扭杆弹簧常规淬火问题，提供了扭杆弹簧滚动校直淬火，目的在于：扭杆弹簧弯曲少、变形小、全长直线度小于0.5mm且硬度均匀，设备投资少，操作简单，同时提高汽车扭杆耐疲劳性能并减少松弛变形量。
　　扭杆弹簧滚动校直淬火的技术解决方案如下：
　　汽车扭杆弹簧滚动校直淬火设备（见图）共有5个部分：调速部分包括电动机、变速器、主动齿轮和被动齿轮；校直部分包括主动轴、端盖、被动轴、滑块、U形密封圈、主动轮及平键、被动轮及平键、轴承、U形密封圈座、滑块、轴用弹性挡圈和配重；淬火部分包括喷水管；床身部分包括底座和床身；杠杆部分包括钢丝绳、杠杆支架、杠杆和脚踏板。其特征在于：所述调速部分变速器安装在底座上，电动机与变速器直联，变速器上的主动齿轮同时与两主动轴上的被动齿轮联接，使两主动轴旋转方向一致，变速器的速度可以调节，调节速度的原则是使扭杆弹簧能自由转动并且不被抛出，一般为40r/min比较合适。所述校直部分动力由调速部分的被动齿轮传给两主动轴，两主动轴两端装有轴承和U形密封圈，轴承装于床身内，U形密封圈一端装于床身内、另一端通过U形密封圈座再装于床身内，主动轮通过平键与主动轴联接，被动轴两端也装有轴承和U形密封圈，轴承装于滑块内，U形密封圈一端装于滑块内、另一端通过U形密封圈座再装于滑块内，配重中间有孔且放置在滑块上，滑块可以在床身内上下移动，被动轮通过平键与被动轴联接；所述主动轮、被动轮、主动轴和被动轴材质为热作模具钢或不锈钢；所述被动轴和被动轮为了增大校直压力，直径可比主动轴和主动轮大；所述主动轮、被动轮的长度为80～100mm，间隙也为80～100mm，并且在主动轴和被动轴上要能微调；所述扭杆弹簧两端直光杆部分距离主动轮和被动轮要尽可能近，一般不超过10mm；所述轴承一端固定、另一端可游隙，防止主动轴、被动轴热胀冷缩，产生弯曲。所述淬火部分的3个喷水管均匀分布在以扭杆弹簧轴线为中心的圆柱体上，其两端固定在床身上，喷水管的喷水速度和压力大小可以调节；所述喷水管内的冷却液可以是水，也可以是其他淬火液。所述床身部分的床身安装在底座上。所述杠杆部分杠杆支架安装在床身上，支架可在床身上前后移动，以适应不同长度的杠杆需要，钢丝绳一端穿过配重的中心孔固定在滑块上，另一端通过铰链联接在杠杆上，脚踏板安装在杠杆底部的中间。
　　

　　2.扭杆弹簧热预扭
　　我们针对工艺路线中的扭杆弹簧常温预扭处理问题，提供了扭杆弹簧热预扭。目的在于：减少预扭次数，只需1次热预扭和1次常温预扭，提高汽车扭杆弹簧耐疲劳性能，减小松弛变形量。
　　本扭杆弹簧热预扭处理的技术解决方案为：汽车扭杆弹簧在450～480℃回火，用工业机器人或工人戴耐高温手套把扭杆弹簧装进扭转试验机进行热预扭；所述热预扭扭转时的扭杆弹簧表面温度控制为250～270℃；所述热预扭后再进行1次常温预扭，扭转角度要小于热预扭角度，但要大于使用时的最大工作扭角。
　　本方法适合小批量生产，当用于自动生产线时，只要把杠杆部分改为液压传动并增加自动上下料装置即可。
　　新工艺具体实施方式
　　以下结合实例来具体说明该新工艺。
　　1.扭杆弹簧滚动校直淬火具体使用过程
　　扭杆弹簧直线度要求较高，只有滚动校直淬火才能达到要求：根据扭杆弹簧的长短及粗细，在滑块上增加或减小配重，使滑块、轴承、U形密封圈、端盖、U形密封圈座、被动轴、平键、被动轮和配重的自重能充分校直扭杆弹簧；根据上面下降部分的自重大小，调整杠杆支架在床身上的位置，选用合适的杠杆，其原则是人的脚能轻松踏下和缓慢抬起脚踏板并能顺利装入扭杆弹簧为宜；根据扭杆弹簧粗细调节喷水管喷水压力大小，调节原则是淬火后扭杆弹簧的硬度在规定范围；闭合控制电动机的开关使电动机转动，调节变速器上的手柄使两主动轴的转速符合要求，用脚踏下脚踏板，在钢丝绳、杠杆支架和杠杆作用下，滑块、被动轴和被动轮升高，把加热好的扭杆弹簧放在两主动轴上的主动轮上，扭杆弹簧随两主动轴上的主动轮一起转动，脚慢慢移开脚踏板，滑块及被动轴、被动轮在重力作用下压紧扭杆弹簧，被动轴、被动轮随扭杆弹簧一起转动进行校直，然后通过3个均匀分布在以扭杆弹簧轴线为中心的圆柱体上的喷水管向扭杆弹簧喷水或其他淬火液进行淬火；用脚踏下脚踏板，在钢丝绳、杠杆支架和杠杆作用下，滑块、被动轴和被动轮升高，把淬好的扭杆弹簧取走，松开脚踏板，恢复原状，等待下一工作循环。
　　如扭杆弹簧较重，可用其他吊装工具或滚装工具安装工件。
　　2.扭杆弹簧预扭（强扭）处理具体操作过程
　　汽车扭杆弹簧在450～480℃回火，用工业机器人或工人戴耐高温手套把扭杆弹簧装进扭转试验机进行热预扭；所述热预扭扭转时的扭杆弹簧表面温度控制为250～270℃；所述热预扭后再进行1次常温预扭，扭转角度要小于热预扭角度，但要大于使用时的最大工作扭角。
　　如扭杆弹簧较重，可用其他吊装工具或滚装工具安装工件。
　　新工艺的效果
　　1.扭杆弹簧滚动校直淬火的有益效果
　　本研究利用主动轮和被动轮的滚动作用，不但在红热状态下预滚压校直扭杆弹簧，而且对扭杆弹簧以起到预冷却和均温的作用；通过均匀分布在以扭杆弹簧轴线为中心的圆柱体上的3个喷水管对其进行喷水或淬火液，淬火热应力小，扭杆弹簧弯曲少、变形小、全长直线度小于0.5mm且硬度均匀，设备投资少，操作简单，同时提高了汽车扭杆耐疲劳性能并减少松弛变形量。
　　2.热预扭（强扭）处理的有益效果
　　通过用工业机器人或工人戴耐高温手套把扭杆弹簧装进扭转试验机进行1次热预扭，然后再进行1次常温预扭，设备投资少，操作简单，缩短产品制造周期，同时提高汽车扭杆耐疲劳性能并减少松弛变形量。
　　我公司有一种扭杆弹簧，我们把5件扭杆弹簧进行常规淬火和3次常温预扭，另5件分别进行滚动校直淬火，并进行与前5件前2次角度相同的热预扭和常温预扭，然后分别进行检测：直线度前者平均为2.4mm，后者平均仅为0.3mm；硬度方面前者大小不均，后者均匀、变化小。我们分别进行扭转相同角度并保持240h的保载试验，前者松驰变形量平均为1.8°，后者平均仅为0.3°；然后我们又分别在疲劳试验机对其进行疲劳试验，将扭杆一端固定，通过凸轮杠杆对扭杆加力，使扭杆旋转45°，自由回弹，往复5万次后，测量迟滞变形量，前者平均为2.5°，后者平均仅为0.6°。具体对比如表所示。
　　结语
　　通过以上研究，扭杆弹簧加工新工艺在直线度、硬度、240h保载试验后松弛变形量和耐疲劳性能等各方面性能参数都优于老工艺，因此滚动校直淬火和热预扭是值得采用的扭杆弹簧加工的优良工艺。