阅读说明：本技术 一种变截面弹簧坯料以及加工工装和加工工艺 (A kind of tapered spring blank and processing tool and processing technology ) 是由 夏泽民 周涛 潘逸明 缪勤竹 于 2019-07-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种变截面弹簧坯料以及加工工装和加工工艺,所述弹簧坯料为螺旋弹簧坯料,螺旋弹簧坯料的横截面呈椭圆形,沿轴线方向的截面呈橄榄形,沿椭圆的中心设有预埋在弹簧材料内部的碳纤维芯轴。加工工装包括一端设置为锥形开口的陶瓷成型管,陶瓷成型管位于锥形开口端距开口端部位设有与陶瓷成型管同轴线的碳纤维线导引管,导引管的另一开口端前方设有放线盘,在陶瓷成型管的另一端设有弹簧坯料冷却机构和碳纤维线的牵引机构。加工工艺包括将工装中的放线盘、碳纤维线导引管、陶瓷成型管、弹簧坯料冷却机构和碳纤维线的牵引机构依次安装在工作台上,将定量的融化弹簧钢钢水由陶瓷成型管锥形开口的金属液浇注口浇注到陶瓷成型管内。(The invention discloses a kind of tapered spring blank and processing tool and processing technologys, the blank of spring is helical spring blank, the cross section of helical spring blank is oval, section in the axial direction is in olive shape, and the carbon fiber mandrel being embedded in inside spring material is equipped with along elliptical center.Processing tool includes the ceramic formed pipe that one end is set as tapered opening, ceramic formed pipe is located at tapered open end away from open end position equipped with the carbon fiber line guide wire with ceramic formed pipe coaxial line, it is equipped with draw drum in front of another open end of guide wire, is equipped with the traction mechanism of blank of spring cooling body and carbon fiber line in the other end of ceramic formed pipe.Processing technology include by tooling draw drum, carbon fiber line guide wire, ceramic formed pipe, blank of spring cooling body and carbon fiber line traction mechanism be sequentially arranged on workbench, quantitative thawing spring steel molten steel is poured into ceramic formed pipe by the pouring metal melt mouth of ceramic formed pipe tapered opening.)

一种变截面弹簧坯料以及加工工装和加工工艺

技术领域

本发明涉及弹簧加工制作技术领域，尤其适用于重型弹簧，具体涉及一种变截面且中心设有碳纤维芯轴的弹簧坯料，以及弹簧坯料的加工工装和弹簧坯料的加工工艺。

背景技术

近年来，世界能源危机和石油涨价及环境问题，迫切要求重型机械朝向轻量化的方向发展，通常使用轻质材料(或新材料)替代传统材料以实现结构轻量化为目标，进一步提高燃油利用率已成为研究的热点之一。

轻质材料(或新材料)包括高强度钢、铝、镁和钛合金、塑料及复合材料等等；与金属材料相比，碳纤维复合材料(诸如碳纤维增强塑料(下文中，称为CFRP))是轻质、高刚度、高强度、高抗疲劳性、耐磨以及抗振吸振性好等优点，其比模量高于钢和铝合金的5倍，比强度高于钢和铝合金的3倍，但比重却很小，每单位体积的重量只有钢的20％。此外，碳纤维复合材料具有较高的耐腐蚀性和较低的热膨胀性，比钢更耐用而且不易生锈，重型设备生产商已积极地进行了尝试将重量轻的复合材料应用于重型设备内部材料、壳体、弹簧等。

然而，传统弹簧(即螺旋弹簧)大多数只是由金属材料(钢材)卷绕而制成，制造工序较为复杂；而弹簧主要是借助金属材料的物理性能，通过一定的转换方式来实现其储存能量和释放能量，从而制成具有减震、缓冲功能的弹簧，并将其应用于各种机构和工业机械的零件上，如工程机械、机车以及航空航天领域上(CN103573892 A)。为适应行业发展的需求，只由金属材料制成的弹簧已难以满足使用需求，并且从设计、选材、制造以及检验金属弹簧已达到一个瓶颈期。因此，用碳纤维复合材料制备螺旋型弹簧替代只由金属螺旋弹簧将成为行业发展的趋势。

许多研究者已尝试利用CFRP来制造螺旋型弹簧。然而，因为CFRP易受压缩应力或剪应力的影响，通过单一的碳纤维丝束制造出螺旋型弹簧难以产生足够的张力给弹性体提供反弹力(CN 103388642 A)。另有，碳纤维复合材料制作的弹簧面临着一些挑战，如弹性差、易碎、各向异性高，这些特性本质上是不适合弹簧，从而已造出的碳纤维复合材料弹簧形变小，弹性系数低，承载负荷小。因此，利用碳纤维复合材料独特的高抗拉强度，设计一种特殊结构的复合材料弹簧才能达到大承载能力(WO 2014/014481 A1；WO 02/099307 A1；US2852424 A；US 4773633 A；US 8857801 B2；US 7857294 B2；US 5685525 A；US 4260143 A；CN 104690984 A；CN 103221199 A)。因此，迫切需要开发一种能够实现减轻重量、具有优良耐久性并且取代只由金属材料制成的螺旋弹簧的碳纤维复合材料螺旋弹簧结构至关重要。

当前提到的制作纤维增强复合材料螺旋型弹簧的制作方法不佳、操作难度大、耗费工时，要求设备资本投入大，材料浪费严重，生产的碳纤维复合材料部件成本高。(EP0637700B1；US 8490530B2；CN 1480658A；CN 1651795A；CN 1232931A；CN 101439580A)

此外，现有的制造纤维增强复合材料弹簧成型模具(EP 2647481A1；US 4434121A；US 5988612 A；US 4473217 A；US 6986203 B2；CN 102909870 A)，设计过程复杂，开模成本高，装模和脱模困难，生产效率低。并且模具闭合加热的过程中，由于碳纤维被树脂浸润不均匀而造成产品表面或内部存在气泡，造成表面凹凸不平。在生产过程中由于树脂反应产生内应力，在无外力帮助时，内应力无法抵消，会对产品的强度性能产生极大的影响，会直接影响产品的使用寿命。

另外由于现有螺旋弹簧的横截面一边均采用截面为圆形，且界面的形状和尺寸始终不变。但在弹簧的使用过程中，弹簧不同部位所收到的外力大小是不相同的，且弹簧不同部位的振动频率和振幅也是不相同的。因此弹簧最易在受力较大、振动频率较高、振幅较大的部位损坏。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种结构简单、重量轻、强度高、使用寿命长、耐腐蚀性强、易于加工的一种变截面弹簧坯料，以及弹簧坯料的加工工装和弹簧坯料的加工工艺。

为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种变截面弹簧坯料，所述弹簧坯料为螺旋弹簧坯料，螺旋弹簧坯料的横截面呈椭圆形，沿轴线方向的截面呈橄榄形，沿椭圆的中心设有预埋在弹簧材料内部的碳纤维芯轴。

为了能够在提高弹簧抗拉强度的同时，还可便于螺旋弹簧的成型，优选的技术方案是，所述预埋在弹簧坯料内部的碳纤维芯轴为一根碳纤维线，或为多根碳纤维线。

为了能够使得螺旋弹簧具有较高的在支撑作用，并能够吸收弹簧运动中自身的震动，进一步优选的技术方案是，所述多根碳纤维线呈扭转状，扭转圈数为15～60圈/米。

为了能够将具有碳纤维芯轴的弹簧用于重型工程机械中，进一步优选的技术方案还有，所述弹簧坯料包裹在芯轴外部的材质为弹簧钢。

为了能够简单快捷，低成本地将碳纤维线预埋在弹簧钢的中心，形成加工螺旋弹簧用的坯料，本发明还提供了一种中心设有碳纤维芯轴弹簧坯料成型工装，所述工装包括一端设置为由小到大锥形开口的陶瓷成型管，陶瓷成型管的横截面呈椭圆形，陶瓷成型管位于锥形开口的大端距开口端30～50mm部位设有与陶瓷成型管同轴线的碳纤维线导引管，碳纤维线导引管的一开口端朝向陶瓷成型管的锥形开口大端，在碳纤维线导引管的另一开口端前方设有碳纤维线的放线盘，在陶瓷成型管的另一端设有弹簧坯料冷却机构和碳纤维线的牵引机构；所述工装中还设有用于将碳纤维线由放线盘引出后穿过碳纤维线导引管和陶瓷成型管，将碳纤维线夹持在碳纤维线的牵引机构上的引线针。

为了使得碳纤维芯轴能位于弹簧皮料的中心部位，必须将弹簧钢融化成液态，然后再将融化后的金属液通过浇注口浇注到中心预制有碳纤维丝的耐高温陶瓷成型管中，管道的长度不宜太长，以避免流入管道内的金属液体滞留，不能形成顺畅的流动，优选的技术方案是，所述陶瓷成型管位于锥形开口的大端的一侧设有金属液浇注口。

为了能够简单快捷，低成本地将碳纤维线预埋在弹簧钢的中心，形成加工螺旋弹簧用的坯料，本发明还提供了一种中心设有碳纤维芯轴弹簧坯料加工工艺，所述弹簧坯料加工工艺包括如下工艺步骤：

S1、将上述工装中的碳纤维线的放线盘、碳纤维线导引管、陶瓷成型管、弹簧坯料冷却机构和碳纤维线的牵引机构依次安装在工作台上；

S2、将碳纤维线的端部固定在上述工装中引线针的一端，用引线针的另一端依次穿过碳纤维线导引管和陶瓷成型管，然后将碳纤维线的一端由引线针的一端卸下将其夹持在碳纤维线的牵引机构上；

S3、将定量的融化弹簧钢钢水由权利要求7所述工装中的陶瓷成型管锥形开口的大端一侧金属液浇注口浇注到陶瓷成型管内；

S4、当金属液由陶瓷成型管的另一端伸出时，启动上述工装中的弹簧坯料冷却机构对伸出陶瓷成型管外的已成型金属液快速冷却；

S5、在弹簧坯料冷却机构启动的同时，启动上述工装中碳纤维线的牵引机构牵引碳纤维线沿直线移动，移动速度与金属液由陶瓷成型管的另一端伸出速度相同；

S6、当融化弹簧钢钢水全部由陶瓷成型管的另一端伸出后，将碳纤维丝剪断；

S7、将中心夹持有碳纤维芯轴的成型弹簧坯料由工作台上卸下，将碳纤维线的牵引机构复位，然后将剪断后的碳纤维线的端部再次夹持在碳纤维线的牵引机构上进行下一根弹簧坯料的浇注成型；

S8、将S7中得到的坯料用仿形轧辊将弹簧坯料的外部轧制成横截面呈椭圆形，沿轴线方向的截面呈橄榄形的弹簧坯料。

为了避免流入管道内的金属液体滞留，有利于金属也能够形成顺畅的流动，优选的技术方案是，所述工作台呈倾斜设置，倾斜角度为15°～30°。

为了便于由陶瓷成型管流出的金属液快速定型，同时也为了避免流入管道内的金属液体滞留，有利于金属也能够形成顺畅的流动，进一步优选的技术方案还有，所述弹簧坯料冷却机构包括由水箱、水泵、水管和喷头依次连接而成的喷水机构；碳纤维线牵引机机构包括由夹钳、与夹钳连接的螺母、与螺母螺纹配合的丝杠、与丝杆连接的驱动电机，夹钳与工作台之间通过滑块与滑轨滑动配合，驱动电机安装在工作台的机架上。碳纤维线的牵引机构即可以使得整根弹簧坯料从头至尾保持与陶瓷成型管同心，也就是使其位于弹簧皮料的中心，同时还能够起到牵引已经流出陶瓷成型管外部且已经冷却的坯料，向前移动避免流入管道内的金属液体滞留，有利于金属也能够形成顺畅的流动。

本发明的优点和有益效果在于：所述变截面弹簧坯料以及弹簧坯料的加工工装和弹簧坯料的加工工艺具有结构简单、可减轻弹簧的重量、提高弹簧的强度、延长弹簧的使用寿命、可提高弹簧的耐腐蚀性能、且使得弹簧坯料易于加工。并且解决了弹簧不同部位手里不均匀造成的弹簧过早损坏的问题。使得受力较大、振动频率较高、振幅大的部位得到了加强，而且还可以减轻弹簧的整体重量。

附图说明

图1是本发明变截面弹簧的结构示意图；

图2是本发明变截面弹簧沿轴线方向剖视的结构示意图；

图3是本发明中心设有碳纤维芯轴弹簧坯料加工工装的俯视结构示意图。

图中：1、碳纤维芯轴；2、弹簧坯料；3、陶瓷成型管；4、碳纤维线导引管；5、放线盘；6、弹簧坯料冷却机构；7、碳纤维线的牵引机构；8、引线针；9、金属液浇注口；10、工作台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1、2所示，本发明是一种变截面弹簧坯料2，所述弹簧坯料2为螺旋弹簧坯料，螺旋弹簧坯料的横截面呈椭圆形，沿轴线方向的截面呈橄榄形，沿椭圆的中心设有预埋在弹簧材料内部的碳纤维芯轴1。

为了能够在提高弹簧抗拉强度的同时，还可便于螺旋弹簧的成型，本发明优选的实施方案是，所述预埋在弹簧坯料内部的碳纤维芯轴1可以只有一根碳纤维线，也可以是多根碳纤维线，优选的技术方案为5～10根。

为了能够使得螺旋弹簧具有较高的在支撑作用，并能够吸收弹簧运动中自身的震动，本发明进一步优选的实施方案是，所述多根碳纤维线呈扭转状，扭转圈数为15～60圈/米。

为了能够将具有碳纤维芯轴的弹簧用于重型工程机械中，本发明进一步优选的实施方案还有，所述弹簧坯料包裹在芯轴外部的材质为弹簧钢。

如图3所示，为了能够简单快捷，低成本地将碳纤维线预埋在弹簧钢的中心，形成加工螺旋弹簧用的坯料，本发明还提供了一种变截面弹簧坯料成型工装，所述工装包括一端设置为由小到大锥形开口的陶瓷成型管3，陶瓷成型管3的横截面呈椭圆形，陶瓷成型管3位于锥形开口的大端距开口端30～50mm部位设有与陶瓷成型管3同轴线的碳纤维线导引管4，碳纤维线导引管4的一开口端朝向陶瓷成型管3的锥形开口大端，在碳纤维线导引管4的另一开口端前方设有碳纤维线的放线盘5，在陶瓷成型管3的另一端设有弹簧坯料冷却机构6和碳纤维线的牵引机构7；所述工装中还设有用于将碳纤维线由放线盘5引出后穿过碳纤维线导引管4和陶瓷成型管3，将碳纤维线夹持在碳纤维线的牵引机构7上的引线针8。

为了使得碳纤维芯轴1能位于弹簧皮料的中心部位，必须将弹簧钢融化成液态，然后再将融化后的金属液通过浇注口9浇注到中心预制有碳纤维丝的耐高温陶瓷成型管3中，陶瓷成型管的长度不宜太长，以避免流入管道内的金属液体滞留，不能形成顺畅的流动，本发明优选的实施方案是，所述陶瓷成型管3位于锥形开口的大端的一侧设有金属液浇注口9。

为了能够简单快捷，低成本地将碳纤维线预埋在弹簧钢的中心，形成加工螺旋弹簧2用的坯料，本发明还提供了一种变截面弹簧坯料加工工艺，所述弹簧坯料加工工艺包括如下工艺步骤：

S1、将上述工装中的碳纤维线的放线盘5、碳纤维线导引管4、陶瓷成型管3、弹簧坯料冷却机构6和碳纤维线的牵引机构7依次安装在工作台10上；

S2、将碳纤维线的端部固定在上述工装中引线针8的一端，用引线针8的另一端依次穿过碳纤维线导引管4和陶瓷成型管3，然后将碳纤维线的一端由引线针8的一端卸下将其夹持在碳纤维线的牵引机构7上；

S3、将定量的融化弹簧钢钢水(浇注一根弹簧坯料所需用的钢水)由上述工装中的陶瓷成型管3锥形开口的大端一侧金属液浇注口9浇注到陶瓷成型管3内；

S4、当金属液由陶瓷成型管3的另一端伸出时，启动上述工装中的弹簧坯料冷却机构6对伸出陶瓷成型管3外的已成型金属液快速冷却；

S5、在弹簧坯料冷却机构7启动的同时，启动上述工装中碳纤维线的牵引机构7牵引碳纤维线沿直线移动，移动速度与金属液由陶瓷成型管3的另一端伸出速度相同；

S6、当融化弹簧钢钢水全部由陶瓷成型管3的另一端伸出后，可将碳纤维丝剪断；

S7、将中心夹持有碳纤维芯轴1的成型弹簧坯料由工作台10上卸下，将牵引机构7复位，然后将剪断后的碳纤维线的端部再次夹持在牵引机构7上进行下一根弹簧坯料的浇注成型；

S8、将S7中得到的坯料用仿形轧辊将弹簧坯料的外部轧制成横截面呈椭圆形，沿轴线方向的截面呈橄榄形的弹簧坯料。

为了避免流入管道内的金属液体滞留，有利于金属也能够形成顺畅的流动，本发明优选的实施方案是，所述工作台10呈倾斜设置，倾斜角度为15°～30°，优选为18°。

为了便于由陶瓷成型管流出的金属液快速定型，同时也为了避免流入管道内的金属液体滞留，有利于金属也能够形成顺畅的流动，本发明进一步优选的实施方案还有，所述弹簧坯料冷却机构6包括由水箱、水泵、水管和喷头依次连接而成的喷水机构；碳纤维线牵引机机构7包括由夹钳、与夹钳连接的螺母、与螺母螺纹配合的丝杠、与丝杆连接的驱动电机，夹钳与工作台之间通过滑块与滑轨滑动配合，驱动电机安装在工作台的机架上。碳纤维线的牵引机构7即可以使得整根弹簧坯料从头至尾保持与陶瓷成型管同心，也就是使其位于弹簧皮料的中心，同时还能够起到牵引已经流出陶瓷成型管外部且已经冷却的坯料，向前移动避免流入管道内的金属液体滞留，有利于金属也能够形成顺畅的流动。

上述变截面弹簧坯料加工完成后，可再次对坯料进行热轧或冷轧，或锻压处理，然后再将弹簧坯料置于碾尖机中锻尖、再通过中频加热炉中加热、然后再用热卷簧机进行卷簧、再通过淬火炉中淬火、淬火冷却后再用回火炉回火、再通过第一液压机下压1次、再将弹簧的断面磨平、然后进行抛丸处理、喷丸后进行探伤检测、然后再通过第二液压机下压3次、最后喷涂防护层即可完成弹簧加工的全过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。