彈簧發(fā)展歷史與制造工藝
彈簧發(fā)展歷史與制造工藝
彈簧是一種在外力作用下改變其形狀的裝置，當(dāng)力被移除時(shí)，它恢復(fù)到原來的形狀。彈簧變形時(shí)所消耗的能量?jī)?chǔ)存在彈簧中，當(dāng)彈簧恢復(fù)到原來的形狀時(shí)可以恢復(fù)。
通常，形狀變化的量與施加的力的大小直接相關(guān)。然而，如果施加太大的力，彈簧將永久變形，并且永遠(yuǎn)不會(huì)恢復(fù)到原來的形狀。
| 背景
彈簧主要有以下幾種類型。其中，最常見的一種由纏繞成圓柱形或圓錐狀的絲構(gòu)成。一個(gè)拉伸彈簧是一個(gè)螺旋彈簧，其線圈通常相互接觸。
當(dāng)力被施加以拉伸彈簧時(shí)，線圈分離。相反，壓縮彈簧是在連續(xù)線圈之間具有空間的螺旋彈簧；當(dāng)施加力以縮短彈簧時(shí)，線圈被擠在一起。
第三種螺旋彈簧，稱為扭力彈簧，使外力將線圈扭轉(zhuǎn)成更緊密的螺旋形。扭力彈簧的常見例子出現(xiàn)在剪貼板和蝴蝶發(fā)夾中。
螺旋彈簧的另一種變化是手表彈簧，它被盤繞成扁平的螺旋盤而不是圓柱體或圓錐體。彈簧的一端位于螺旋的中心，另一端位于其外緣。
有些彈簧并不是用線圈做成的。最常見的例子是鋼板彈簧，它形狀像一個(gè)淺拱，通常用于汽車懸架系統(tǒng)。另一種類型是碟形彈簧，一種類似于截錐形的墊圈狀裝置。開放式實(shí)芯圓柱體、彈性材料也可以起彈簧作用。非螺旋彈簧一般起壓縮彈簧的作用。
| 歷史
非常簡(jiǎn)單的，非螺旋彈簧在歷史上一直被使用。即使是彈性的樹枝也可用作彈簧。更復(fù)雜的彈簧裝置可以追溯到青銅時(shí)代，眉毛鑷子在幾種文化中是比較常見的。公元前三世紀(jì)，希臘亞歷山大市的工程師CtsiiBius通過增加錫在銅合金中的比例，開發(fā)出一種制造“彈性青銅”的工藝，鑄造零件，并用錘擊硬化它來制造。他試圖使用鋼板彈簧來操作軍用彈射器，但它們力量不足。公元前二世紀(jì)，另一位彈射器工程師拜占庭的Philo建造了一個(gè)類似的裝置，顯然取得了一些成功。掛鎖在古羅馬帝國(guó)中被廣泛使用，至少有一種掛鎖是使用彎曲的金屬葉來保持裝置關(guān)閉，直到金屬葉被鑰匙壓縮鎖才能被打開。
彈簧歷史上的下一個(gè)重大發(fā)展是在中世紀(jì)。Valadde Hunnururt設(shè)計(jì)的一個(gè)功率鋸用一個(gè)水輪將鋸片向一個(gè)方向推，同時(shí)彎曲一個(gè)桿；當(dāng)桿返回到它的未彎曲狀態(tài)時(shí)，它將鋸片拉向相反的方向。
螺旋彈簧是在十五世紀(jì)初發(fā)展起來的。通過取代重力系統(tǒng)，使用彈簧機(jī)構(gòu)為鐘表提供動(dòng)力，鐘表制造商能夠制造可靠的便攜式計(jì)時(shí)裝置。這一進(jìn)步為遠(yuǎn)洋艦船的精確天文導(dǎo)航提供了可能。
十八世紀(jì)，工業(yè)革命推動(dòng)了大規(guī)模生產(chǎn)彈簧技術(shù)的發(fā)展。在17世紀(jì)80年代，英國(guó)鎖匠JosephBramah在他的工廠里使用了彈簧纏繞機(jī)。顯然它是一臺(tái)車床改裝的，機(jī)器用一排線代替了一個(gè)切削頭。卷軸上的金屬線纏繞在車床上固定的桿上。絲杠的速度，使卷軸平行于螺旋桿，可以調(diào)整，以改變彈簧線圈的間距。
當(dāng)前常見的使用彈簧例子是支持手機(jī)觸摸板上的鍵的小線圈，到支撐整個(gè)建筑物并保護(hù)它們免受地震振動(dòng)的巨大線圈.
| 原料
鐵合金是最常用的彈簧材料。最受歡迎的合金有，高碳材料（如吉他弦用的鋼絲）、油淬回火的低碳、鉻硅、鉻釩和不銹鋼。有時(shí)用來制造彈簧的其他金屬有鈹銅合金、磷青銅和鈦。橡膠或氨基甲酸乙酯可用于圓柱形，非螺旋彈簧。在非常高溫的環(huán)境中，已經(jīng)開發(fā)了用于螺旋彈簧的陶瓷材料。一維玻璃纖維復(fù)合材料正在測(cè)試是否可以用于彈簧。
| 設(shè)計(jì)
已經(jīng)開發(fā)出了各種數(shù)學(xué)方程來描述彈簧的特性，基于諸如線材成分和尺寸、彈簧圈直徑、線圈數(shù)量和預(yù)期外力的量等因素。這些方程已被納入計(jì)算機(jī)軟件，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程。
| 制造
下面著重介紹是鋼制螺旋彈簧的制造工藝。
冷卷。直徑為0.75（18毫米）的金屬絲可以在室溫下用兩種基本技術(shù)中的一種來盤繞。圍著一個(gè)被稱為軸或心軸的軸來纏繞。這可以在專用的彈簧纏繞機(jī)、車床、帶有夾在夾頭上的心軸的電動(dòng)手鉆或由手搖動(dòng)操作的卷繞機(jī)上完成。一種導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，如車床上的絲杠，必須在繞芯棒纏繞時(shí)，將線對(duì)準(zhǔn)所需的螺距（連續(xù)線圈之間的距離）。另一種情況是，金屬絲可以不帶芯棒盤繞。這種通常是用中央導(dǎo)航計(jì)算機(jī)（CNC）機(jī)來完成的。將金屬絲推到支撐塊上，使其朝向一個(gè)有槽的頭部，使線偏斜，迫使其彎曲。頭部和支撐塊可以在五個(gè)方向上彼此相對(duì)移動(dòng)，以控制正在形成的彈簧的直徑和節(jié)距。對(duì)于拉伸或扭轉(zhuǎn)彈簧，在卷繞操作完成后，端部彎曲成所需的環(huán)、鉤或直段。
熱卷。如果金屬被加熱以使其變軟，則可以將較粗的金屬絲或棒料盤繞成彈簧。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)卷取機(jī)可以處理直徑為75毫米的鋼線。據(jù)報(bào)道，某些定制彈簧由150毫米的棒材制成。鋼被加熱后纏繞在心軸上。然后立即從卷取機(jī)上取出，放入油中，迅速冷卻并硬化。在這個(gè)階段鋼過于脆不能起到彈簧的作用，必須隨后進(jìn)行回火。
熱處理。無(wú)論鋼是熱卷的還是冷卷的，這個(gè)過程都會(huì)在材料中產(chǎn)生應(yīng)力。為了釋放這種應(yīng)力，并使鋼保持其特有的彈性，彈簧必須通過回火熱處理。彈簧在爐中被加熱，在適當(dāng)?shù)臏囟认卤３诸A(yù)定時(shí)間，然后允許緩慢冷卻。例如，一根由金屬絲制成的彈簧被加熱到500°F（260°C）保溫一小時(shí)。
磨削。如果設(shè)計(jì)要求彈簧上的端部是平的，則在制造過程的這一階段對(duì)端部進(jìn)行磨削。彈簧安裝在夾具中，以確保磨削過程中取向是正確的，并將其控制在旋轉(zhuǎn)的砂輪上，直到獲得所需的平整度。當(dāng)使用高度自動(dòng)化的設(shè)備時(shí)，彈簧被保持在套筒中，并且兩端同時(shí)接地，首先由粗砂輪，然后由較細(xì)的砂輪。適當(dāng)?shù)牧黧w（水或油基物質(zhì)）可以用來冷卻彈簧，潤(rùn)滑砂輪，并在研磨過程中帶走顆粒。
噴丸處理。這一過程中，強(qiáng)化了鋼在反復(fù)彎曲時(shí)的疲勞壽命，抵抗金屬疲勞和開裂。彈簧的整個(gè)表面都暴露在一連串的小鋼球上，錘擊它使其平滑并壓縮位于表面以下的鋼，使其獲得殘余壓應(yīng)力。
整定。為了永久地固定彈簧的長(zhǎng)度和節(jié)距，它將被完全壓縮，使所有的線圈相互接觸。一些制造商會(huì)多次重復(fù)這一過程。
涂層。為了防止腐蝕，彈簧的整個(gè)表面被涂漆保護(hù)，浸漬在液體橡膠中，或者用另一種金屬涂覆，如鋅或鉻。其中一種工藝叫機(jī)械鍍膜法，包括用金屬粉末、水、促進(jìn)劑和玻璃微珠將容器中的彈簧翻滾，將金屬粉末壓在彈簧表面上。或者，在電鍍中，彈簧浸入導(dǎo)電液體中，這會(huì)腐蝕電鍍金屬而不是彈簧。一個(gè)負(fù)電荷被施加到彈簧上。電鍍金屬溶解在液體中，并且它被賦予正電荷。當(dāng)鍍敷金屬溶解在液體中時(shí)，它釋放帶正電荷的分子，這些分子被吸引到帶負(fù)電的彈簧上，在那里它們形成化學(xué)鍵合。電鍍會(huì)使碳鋼彈簧脆化，因此電鍍后不久（小于四小時(shí)），它們必須在325-375°F（160～190°C）烘烤四小時(shí)以抵消脆化。其根本原因是電鍍會(huì)引起氫脆。
包裝。特定數(shù)量的彈簧可以簡(jiǎn)單地散裝在盒子或塑料袋中。然而，已經(jīng)開發(fā)了其他形式的包裝，以減少?gòu)椈傻膿p壞或纏結(jié)。例如，它們可以單獨(dú)裝袋，捆扎在電線或棒上，封閉在管中，或粘貼在粘性紙上。
| 質(zhì)量控制
采用各種測(cè)試裝置檢驗(yàn)已完成的彈簧是否符合規(guī)范。測(cè)試裝置測(cè)量金屬的硬度和彈力以及在已知載荷下的變形量。不符合規(guī)格的彈簧將被丟棄。測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析可以幫助制造商識(shí)別生產(chǎn)問題和改進(jìn)工藝，從而產(chǎn)生更少的缺陷彈簧。
大約三分之一的缺陷彈簧是由生產(chǎn)問題引起的。另外三分之二是由彈簧絲線中的缺陷引起。1998年，研究人員報(bào)道了一種彈簧線性測(cè)試有一份，它可以用于篩選出不合格的線材。
計(jì)算機(jī)操作卷繞機(jī)可以用兩種方式提高質(zhì)量。首先，它們比手動(dòng)操作更精確地控制彈簧的直徑和節(jié)距。其次，通過使用壓電材料，其尺寸隨電流輸入而變化，卷繞頭可以實(shí)時(shí)精確地調(diào)節(jié)彈簧特性的測(cè)量值。因此，這些智能機(jī)器減少了不符合規(guī)格而必須被拋棄的彈簧。
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