压缩螺旋弹簧、螺旋弹簧的制造装置及制造方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201080015894.1 | 申请日 | 2010-03-18 | 公开(公告)号 | CN102388232A | 公开(公告)日 | 2012-03-21 |
| 申请人 | 日本发条株式会社; | 发明人 | 浜野俊雄; 冈田秀树; 山本屋健二; | ||||
| 摘要 | 一种压缩 螺旋 弹簧 、 螺旋弹簧 的制造装置及制造方法，通过在产生回弹的 温度 下将螺旋弹簧的材料卷绕于 心轴 ，来产生超过屈服应 力 的弯曲 变形 。在产生该弯曲变形的同时进行卷绕，并在卷绕后去除所述负载。该弹簧包括：具有压缩残余 应力 的外侧表面区域(W3)；以及压缩残余应力从外侧表面区域(W3)朝材料的中心减小的 压缩应力 减小区域(W4)。在外侧表面区域(W3)与材料的中心之间存在从压缩残余应力变化为拉伸残余应力的应力变化部(P1)。另外，该弹簧包括 拉伸应力 极值部(P2)、拉伸应力减小区域(W5)及内侧表面区域(W6)。内侧表面区域(W6)具有绝对值比外侧表面区域(W3)的绝对值小的拉伸残余应力或压缩残余应力。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种压缩螺旋弹簧(W)，是将棒状的弹簧材料(W1)弯曲成螺旋形而形成的，其特征在于，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 压缩螺旋弹簧、螺旋弹簧的制造装置及制造方法技术领域[0001] 本发明涉及一种在例如车辆的悬架弹簧等中使用的压缩螺旋弹簧、螺旋弹簧的制造装置及制造方法。 背景技术[0002] 作为制造螺旋弹簧的装置，已知有在高温下使材料成形的螺旋弹簧制造装置和在低温下使材料成形的螺旋弹簧制造装置。在下述专利文献1中，公开了一种高温卷绕装置(日文：熱間コイリング装置)。该卷绕装置具有：对被加热后的材料进行卷绕的心轴；以及引导材料以使材料以规定的螺距卷绕的导向机构。上述材料的前端部被设于心轴的卡盘机构夹住。材料的除了上述前端部以外的部分(卷绕于心轴之前的部分)未被约束而处于自由状态。上述材料通过卷绕于心轴而成形为螺旋形。对成形后的螺旋弹簧进行淬火、回火等热处理。因在热处理后进行的喷丸处理而在弹簧的表面产生压缩残余应力(residual stress)。 [0003] 为了制造直径较小的螺旋弹簧，使用在低温下将材料卷绕于心轴的卷绕装置。在低温下成形的螺旋弹簧通过回弹而在弹簧的弯曲外侧产生压缩残余应力，并在弯曲内侧产生拉伸残余应力。拉伸的残余应力对螺旋弹簧的耐久性产生较差的影响。因此，根据需要，通过应变消除退火(stress relieving annealing)、喷丸处理来使弯曲内侧表面的拉伸残余应力降低或在表面产生压缩残余应力。 [0004] 专利文献1：日本专利特开昭61-20641号公报 发明内容[0005] 发明所要解决的技术问题 [0006] 车辆的悬架弹簧中使用的螺旋弹簧中，提高因高应力化而引起的重量减轻和耐久性是重要的。在反复进行弹性变形的压缩螺旋弹簧中，在其变形时所产生的应力会对弹簧的耐久性产生较大的影响。特别地，已知若在弹簧的表面产生的拉伸应力越小则弹簧的耐久性越是提高。因此，采用通过对弹簧的表面预先施加压缩残余应力来使弹簧的耐久性提高的方法。其代表性的例子是喷丸处理。 [0007] 然而，在这样的现有方法中，需要与卷绕(塑性加工)不同的用于进行喷丸处理的设备、工序。这是导致产品成本升高的主要原因。而且，不易通过喷丸处理在螺旋弹簧的内面侧产生足够的压缩残余应力。因此，如有可能省略喷丸处理是较为理想的。 [0008] 解决技术问题所采用的技术方案 [0009] 本发明人想到在低温下对弹簧进行塑性加工时，除了原来的塑性加工(卷绕)所需的负载之外，还施加拉伸、扭转等负载，以将加工后的残余应力分布控制成更理想的分布。特别地，将对弹簧的耐久性能产生较差影响的拉伸残余应力从弹簧的表面控制至弹簧的内部，这点很关键。 [0010] 本发明的目的在于提供一种具有在提高耐久性能上理想的残余应力的压缩螺旋弹簧、螺旋弹簧的制造装置及制造方法。 [0011] 本发明是将棒状的弹簧材料弯曲成螺旋形而成的压缩螺旋弹簧，其包括外侧表面区域、压缩应力减小区域、应力变化部、拉伸应力极值部、拉伸应力减小区域及内侧表面区域。上述外侧表面区域包括上述螺旋弹簧的弯曲外侧的表面，且具有压缩残余应力。在上述压缩应力减小区域中，上述压缩残余应力从上述外侧表面区域朝上述材料的中心减小。上述应力变化部存在于上述外侧表面区域与上述材料的中心之间，且残余应力从上述压缩残余应力变化为拉伸残余应力。上述拉伸应力极值部存在于上述应力变化部与上述材料的中心之间，上述拉伸残余应力为最大。在上述拉伸应力减小区域中，上述拉伸残余应力从上述拉伸应力极值部朝该螺旋弹簧的弯曲内侧减小。上述内侧表面区域包括上述弯曲内侧的表面，且具有绝对值比上述外侧表面区域的上述压缩残余应力的绝对值小的拉伸残余应力或压缩残余应力。 [0012] 本发明的螺旋弹簧的制造装置包括心轴、材料固定机构、心轴驱动机构、施加应力机构、移动机构及控制装置。上述心轴具有与要成形的螺旋弹簧相对应的外周面。上述材料固定机构将棒状的弹簧材料的前端部固定于上述心轴。上述心轴驱动机构使上述心轴朝一定方向旋转，从而将上述材料螺旋形地卷绕于该心轴，并产生超过屈服应力的弯曲变形。上述施加应力机构在进行弯曲变形的同时将拉伸和/或扭转负载施加到卷绕于上述心轴的上述材料上。上述移动机构与上述心轴的旋转相关联地使上述施加应力机构在上述心轴的轴线方向上相对移动。上述控制装置根据预先输入的数据对上述施加应力机构施加的上述拉伸或扭转负载进行控制。 [0013] 另外，本发明的螺旋弹簧的制造方法包括弯曲工序、施加应力工序及去除负载工序。在上述弯曲工序中，将棒状的弹簧材料在低温即A1变态(珠光体变态)点以下的温度下螺旋形地卷绕于心轴，从而产生超过屈服应力的弯曲变形。在上述施加应力工序中，在产生上述弯曲变形的同时将拉伸和/或扭转负载施加到上述材料上。在上述去除负载工序中，在进行完上述施加应力工序后，将上述材料从上述心轴上卸下以去除上述负载，从而使压缩残余应力残留于上述材料的弯曲外侧的表面，并使绝对值比上述弯曲外侧的上述压缩残余应力的绝对值小的拉伸残余应力或压缩残余应力产生于上述材料的弯曲内侧的表面。也可根据需要对去除负载工序后的螺旋弹簧进行喷丸处理。 [0014] 发明效果 [0015] 根据本发明，能随着螺旋弹簧的塑性加工(卷绕)在弯曲内侧产生绝对值比弯曲外侧的压缩残余应力的绝对值小的拉伸残余应力或压缩残余应力。藉此，能提高压缩螺旋弹簧的耐久性。根据本发明，能减轻或省略喷丸处理，并能实现螺旋弹簧的制造工序、制造设备的简化和制造成本的降低等。附图说明 [0016] 图1是本发明一实施方式的螺旋弹簧制造装置的俯视图。 [0017] 图2是表示在材料的弹性区域内产生弯曲变形时所产生的应力和残余应力的图。 [0018] 图3是表示在材料中产生超过弹性区域的弯曲变形时的应力和残余应力的图。 [0019] 图4是表示在材料中产生超过弹性区域的弯曲变形且对该材料施加了拉伸负载时的应力和残余应力的图。 [0020] 图5是表示对材料施加比图4的拉伸负载大的拉伸负载时的应力和残余应力的图。 [0021] 图6是表示对材料施加比图5的拉伸负载更大的拉伸负载时的应力和残余应力的图。 [0022] 图7是表示在材料中产生超过弹性区域的弯曲变形且对该材料施加了扭转负载时的应力和残余应力的图。 [0023] 图8是表示在材料中产生超过弹性区域的弯曲变形且对该材料施加了拉伸和扭转负载时的应力和残余应力的图。 具体实施方式[0024] 以下，参照图1对本发明一实施方式的螺旋弹簧制造装置进行说明。 [0025] 图1所示的螺旋弹簧制造装置10具有心轴11，该心轴11用于在A1变态点以下的温度(低温或高温)对压缩螺旋弹簧W进行卷绕。心轴11的一例为圆柱形，但也可以是其它形状，例如圆锥形。在该心轴11上螺旋形地卷绕有压缩螺旋弹簧W的材料W1。材料(弹簧材料)W1由弹簧钢构成，呈棒状。材料W1的截面既可呈真圆形，也可呈椭圆形、蛋状或将多个圆弧相连而成的形状。 [0026] 心轴11的一端部11a被心轴保持件15支承成能自由旋转。心轴保持件15安装于可动底座16。可动底座16能沿着导向件17在图1中箭头X1所示的方向上移动。利用汽缸机构18使心轴保持件15和可动底座16在箭头X1方向上往复移动。 [0027] 心轴11的另一端部11b被心轴驱动头部20保持成能进行装拆。该心轴驱动头部20经由减速齿轮机构21、制动器22及离合器23等被电动机24驱动旋转。心轴11朝图1中箭头R1所示的方向旋转。在减速齿轮机构21上设有用于对心轴驱动头部20的旋转角度进行检测的第一检测器25。减速齿轮机构21、制动器22、离合器23、电动机24等构成用于使心轴11旋转的心轴驱动机构28。 [0028] 在心轴驱动头部20上设有作为材料固定机构起作用的卡盘30。卡盘30利用汽缸机构31在心轴11的径向上移动。利用该卡盘30来固定材料W1的前端部W2。当心轴11利用心轴驱动机构28朝箭头R1方向(图1所示)旋转时，材料W1螺旋形地卷绕于心轴 11。因此，材料W1朝向心轴11在箭头F所示的方向上移动，材料W1朝箭头R2所示的方向自转。 [0029] 在心轴11的侧部设有施加应力机构40。施加应力机构40构成为能对卷绕于心轴11上的材料W1施加拉伸负载、扭转负载。 [0030] 例如，上述施加应力机构40包括扭矩产生机构、制动机构等。扭矩产生机构通过抑制材料W1朝箭头R2方向旋转来对材料W1施加扭转负载。上述制动机构通过对材料W1在箭头F方向上的移动进行制动来对材料W1施加拉伸负载。也可在施加应力机构40中内置有使材料W1主动扭转这样的扭矩产生机构、使材料W1主动拉伸的张力机构。 [0031] 施加应力机构40安装于可动台41上。当进给丝杠42旋转时，可动台41顺着导向件43在沿着心轴11的轴线X的方向(图1中箭头X2所示的方向)上往复移动。进给丝杠42被作为致动器的一例的伺服电动机45驱动旋转。伺服电动机45的一例是直流伺服电动机，但也可使用交流伺服电动机、脉冲电动机、液压伺服电动机等。 [0032] 进给丝杠42的旋转角度被第二检测器46检测出。根据被该检测器46检测出的旋转角度，将可动台41的位置输入至计数器47。输入至计数器47的信号经由伺服放大器48而被反馈到伺服电动机45。移动机构50使施加应力机构40在心轴11的轴线X方向上移动。该移动机构50包括上述进给丝杠42、伺服电动机45。 [0033] 为了对心轴驱动机构28、伺服电动机45及施加应力机构40进行控制，使用控制装置60。控制装置60由作为控制元件起作用的计算机等信息处理装置构成。在该控制装置60中输入有来自第一检测器25的信号、即与心轴驱动头部20的旋转角度相关的信号。在控制装置60中预先输入有与螺旋弹簧W相关的数据。根据这些数据和心轴驱动头部20的旋转角度等来控制心轴驱动机构28和伺服电动机45，从而对施加应力机构40的位置(箭头X2方向上的位置)进行控制。离合器/制动器驱动单元61与控制装置60连接。离合器/制动器驱动单元61在预先设定的时间点使制动器22和离合器23工作。 [0034] 接着，对螺旋弹簧制造装置10的作用进行说明。 [0035] 使螺旋弹簧W的材料W1插通施加应力机构40并朝向心轴11。材料W1的温度处于低温或高温即弹簧钢的A1变态点以下。A1变态点以下是产生回弹的材料温度。该材料W1的前端部W2插入心轴11与卡盘30之间。当将启动信号输送至控制装置60时，汽缸机构31工作，以利用卡盘30夹住材料W1的前端部W2。 [0036] 接着，离合器23工作，将电动机24的动力经由减速齿轮机构21传递至心轴驱动头部20，从而使心轴11朝箭头R1方向旋转。心轴驱动头部20的旋转角度被第一检测器25检测出。检测出的信号被输入至控制装置60。在控制装置60中预先通过规定的方法(例如键盘输入、记录介质等)输入有与螺旋弹簧W的螺距角相关的数据和施加应力机构40用的与扭转负载、拉伸负载相关的数据。根据这些数据来控制施加应力机构40，从而在使材料W1产生弯曲变形的同时，对材料W1施加扭转扭矩、拉伸负载。另外，通过伺服电动机45旋转来使施加应力机构40在箭头X2方向上移动，从而与心轴11的旋转角度对应地形成螺旋弹簧W的螺距。 [0037] 当材料W1在心轴11上卷绕结束时，利用控制装置60将信号输送到离合器/制动器驱动单元，以使心轴11停止旋转。另外，伺服电动机45进行返回动作，从而使施加应力机构40回复到原来的位置。同时，汽缸机构18动作，以使心轴保持件15在图1中朝右方移动。藉此，能从心轴11上取出螺旋弹簧W。在取出螺旋弹簧W后，再次利用汽缸机构18使心轴11在轴线X方向上移动，以使心轴11的端部11b与心轴驱动头部20嵌合。 [0038] 当对螺旋弹簧W进行塑性加工(卷绕)时，在使其弯曲的同时进行施加应力工序。施加应力机构40在施加应力工序中将拉伸负载和/或扭转负载施加到螺旋弹簧W上。通过该负载能使与产生通常的弯曲变形时不同的残余应力产生于去除负载工序后的螺旋弹簧W的弯曲外侧和弯曲内侧。以下，对因施加应力机构40而产生于螺旋弹簧W上的残余应力进行说明。 [0039] 在图2～图8的各图中，横轴表示材料的截面沿径向的位置。在材料的截面为真圆的情况下，横轴的中央成为截面的中心即材料中心。在以下说明中，对材料的截面为真圆的情况进行说明，但可认为真圆以外(例如椭圆、蛋形)的截面也是相同的。 [0040] 在图2～图8中，纵轴表示主应力。仿效材料力学的惯例，将正(+)的主应力设为拉伸，将负(-)的主应力设为压缩。在以下说明中，图2～图8的横轴的左侧为弯曲外侧，横轴的右侧为弯曲内侧。 [0041] 图2～图8中的实线A表示产生弯曲变形时的应力分布。在斜向上延伸的直线B表示：当去除产生弯曲变形时的负载时，弯曲回复至何处可使内部的弹性能变为最小。因此，产生弯曲变形时的应力(实线A)与直线B之间的差作为残余应力而残留在成形后的螺旋弹簧中。图2～图8中的点划线C表示残余应力。图2～图8中的上下的虚线D1、D2表示屈服应力。无论在产生弯曲变形之前还是之后，材料内部的应力都没有超过该值。 [0042] 在图2中，表示在弹性区域内进行弯曲/回复时的应力分布。产生弯曲变形时的应力没有达到屈服应力D1、D2。因此，产生弯曲变形时的应力分布A为直线，与去除负载后回复的直线B一致。因此，去除负载后的残余应力C为零。 [0043] 也能同样考虑伴随有塑性加工的情况。但是，在该情况下，由于弯曲外侧和弯曲内侧的一部分进入塑性区域，因此，即便在去除弯曲负载后，也不会完全回复到原样。在图3中，表示了该情况下的应力分布。在去除负载后产生使弹性能最小化的回复(回弹)，但因内部的应力分布而残留有弹性应变。这会导致残余应力。如图3所示，在弯曲外侧的表面附近残留有“压缩残余应力”，在弯曲内侧的表面附近残留有“拉伸残余应力”。 [0044] 在此，在产生超过屈服应力的弯曲变形的同时，进行通过施加应力工序施加拉伸负载的加工的情况下，发生令人感兴趣的情况。在图4中，表示了此时的应力分布。如图4所示，由于施加了拉伸负载，弯曲的应力分布A朝上方上升。然而，由于该应力在屈服应力D1、D2的值处达到顶点，因此，弯曲外侧与弯曲内侧的塑性区域的平衡发生变化。 [0045] 在进行完上述施加应力工序后，将上述材料W1从心轴11上卸下来进行去除负载工序。图4表示了在上述去除负载工序中去除了上述负载(弯曲和拉伸负载)后的残余应力C。图4所示的应力分布与图3的应力分布相比较，弯曲外侧的压缩残余应力(绝对值)较大，而且，弯曲内侧的拉伸残余应力(绝对值)较小。这对于提高成形后的螺旋弹簧的耐久性是非常理想的。 [0046] 具有图4所示的残余应力C的压缩螺旋弹簧包括外侧表面区域W3、压缩应力减小区域W4、应力变化部P1、拉伸应力极值部P2、拉伸应力减小区域W5及内侧表面区域W6。外侧表面区域W3包括螺旋弹簧的弯曲外侧的表面，且具有压缩残余应力。在压缩应力减小区域W4中，压缩残余应力从外侧表面区域W3朝材料的中心减小。应力变化部P1存在于外侧表面区域W3与材料的中心之间，且残余应力从压缩残余应力变化为拉伸残余应力。拉伸应力极值部P2存在于应力变化部P1与材料的中心之间，拉伸残余应力为最大。在拉伸应力减小区域W5中，上述拉伸残余应力从拉伸应力极值部P2朝螺旋弹簧的弯曲内侧减小。内侧表面区域W6包括螺旋弹簧的弯曲内侧的表面，且具有绝对值比外侧表面区域W3的上述压缩残余应力的绝对值小的拉伸残余应力。 [0047] 即，具有图4所示的应力分布的螺旋弹簧在弯曲外侧的表面残留有压缩残余应力，且压缩残余应力从弯曲外侧的表面朝材料中心减小。此外，在弯曲外侧的表面与材料中心之间存在从压缩残余应力变化为拉伸残余应力的应力变化部P1。在应力变化部P1与材料中心之间存在拉伸残余应力为最大的拉伸应力极值部P2。拉伸残余应力从拉伸应力极值部P2朝弯曲内侧减小。在弯曲内侧的表面残留有绝对值比弯曲外侧的表面的压缩残余应力的绝对值小的拉伸残余应力。这样，通过对螺旋弹簧同时施加弯曲变形和拉伸负载，能使螺旋弹簧的耐久性提高。 [0048] 为了进一步提高该效果，只要在施加应力工序中，增大与弯曲变形同时施加的拉伸负载即可。当增大拉伸负载时，如图5所示，弯曲外侧的压缩残余应力(绝对值)进一步变大，弯曲内侧的拉伸残余应力(绝对值)进一步变小。当进一步增大拉伸负载时，如图6所示，去除负载工序后的螺旋弹簧的弯曲内侧的残余应力也变为压缩残余应力。因此，即便减轻或省略喷丸处理，也能提高螺旋弹簧的耐久性。 [0049] 因扭转而产生的应力与距扭转中心的距离成比例地变大。在上述螺旋弹簧的例子中，产生与距材料中心的距离成比例的应力。在图7中，示出了在该扭转的状态下施加因弯曲而产生的应力的情况的一例。当利用上述螺旋弹簧制造装置10的施加应力机构40施加合适的扭转负载(扭矩)时，能使去除负载工序后的螺旋弹簧的弯曲内侧的拉伸残余应力变成足够小的值。 [0050] 具有图7所示的残余应力C的压缩螺旋弹簧也包括外侧表面区域W3、压缩应力减小区域W4、应力变化部P1、拉伸应力极值部P2、拉伸应力减小区域W5及内侧表面区域W6。外侧表面区域W3包括螺旋弹簧的弯曲外侧的表面，且具有压缩残余应力。在压缩应力减小区域W4中，压缩残余应力从外侧表面区域W3朝材料的中心减小。应力变化部P1存在于外侧表面区域W3与材料的中心之间，且残余应力从压缩残余应力变化为拉伸残余应力。拉伸应力极值部P2存在于应力变化部P1与材料的中心之间，拉伸残余应力为最大。在拉伸应力减小区域W5中，上述拉伸残余应力从拉伸应力极值部P2朝螺旋弹簧的弯曲内侧减小。内侧表面区域W6包括螺旋弹簧的弯曲内侧的表面，且具有绝对值比外侧表面区域W3的上述压缩残余应力的绝对值小的拉伸残余应力。 [0051] 即，具有图7所示的应力分布的螺旋弹簧在弯曲外侧的表面残留有压缩残余应力，且压缩残余应力从弯曲外侧的表面朝材料中心减小。此外，在弯曲外侧的表面与材料中心之间存在从压缩残余应力变化为拉伸残余应力的应力变化部P1。在应力变化部P1与材料中心之间存在拉伸残余应力为最大的拉伸应力极值部P2。拉伸残余应力从拉伸应力极值部P2朝材料中心减小。在材料中心，变为压缩残余应力。在弯曲内侧的表面残留有绝对值比弯曲外侧的表面的压缩残余应力的绝对值小的拉伸残余应力。该螺旋弹簧也能发挥优异的耐久性。 [0052] 在上述施加应力工序中，即便在产生弯曲变形的同时施加拉伸和扭转负载，也能期待与上述相同的效果。在图8中，表示了该情况下的应力的例子。 [0053] 具有图8所示的应力分布的螺旋弹簧也包括外侧表面区域W3、压缩应力减小区域W4、应力变化部P1、拉伸应力极值部P2、拉伸应力减小区域W5及内侧表面区域W6。外侧表面区域W3包括螺旋弹簧的弯曲外侧的表面，且具有压缩残余应力。在压缩应力减小区域W4中，压缩残余应力从外侧表面区域W3朝材料的中心减小。应力变化部P1存在于外侧表面区域W3与材料的中心之间，残余应力从压缩残余应力变化为拉伸残余应力。拉伸应力极值部P2存在于应力变化部P1与材料的中心之间，拉伸残余应力为最大。在拉伸应力减小区域W5中，上述拉伸残余应力从拉伸应力极值部P2朝螺旋弹簧的弯曲内侧减小。内侧表面区域W6包括螺旋弹簧的弯曲内侧的表面，且具有绝对值比外侧表面区域W3的上述压缩残余应力的绝对值小的压缩残余应力。 [0054] 即，通过施加应力工序在产生弯曲的同时对具有图8所示的应力分布的压缩螺旋弹簧施加拉伸和扭转负载。此外，通过去除负载工序在弯曲外侧的表面残留有压缩残余应力。在该螺旋弹簧中，压缩残余应力从弯曲外侧的表面朝材料中心减小，且在弯曲外侧的表面与材料中心之间存在从压缩残余应力变化为拉伸残余应力的应力变化部P1。在应力变化部P1与材料中心之间存在拉伸残余应力为最大的拉伸应力极值部P2。拉伸残余应力从拉伸应力极值部P2朝弯曲内侧减小。在弯曲内侧的表面残留有压缩残余应力。在该情况下，也能提高螺旋弹簧的耐久性。 [0055] 工业上的可利用性 [0056] 本发明能适用于车用悬架弹簧以外的各种装置的压缩螺旋弹簧。另外，当实施本发明时，当然能在不脱离发明的主要思想的范围内对压缩螺旋弹簧的实施方式以及心轴、施加应力机构等螺旋弹簧制造装置、制造方法的具体实施方式进行各种改变并加以实施。 [0057] (符号说明) [0058] W1 材料 [0059] 10 螺旋弹簧制造装置 [0060] 11 心轴 [0061] 28 心轴驱动机构 [0062] 30 卡盘(材料固定机构) [0063] 40 施加应力机构 [0064] 50 移动机构 [0065] 60 控制装置 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈