一种变截面弹簧钢丝及其制造方法和装置与流程

1.本发明涉及弹簧钢丝技术领域，特别涉及一种变截面弹簧钢丝及其制造方法和装置。


背景技术：

2.弹簧的种类复杂多样、功能各异，按形状分，主要有螺旋弹簧、涡卷弹簧、板弹簧、异型弹簧等，常规的弹簧一般用等径的弹簧钢丝卷绕而成，该类弹簧的占比也最大，市场需求向轻量化、抗疲劳、高抗弹减和舒适性发展。在革新中，无论弹簧的形状如何卷绕设计，其性能仍离不开弹簧钢丝的材料本体，综合性能则由其尺寸形状、强度、韧性、表面质量和微观组织决定。常规弹簧多为钢丝等线径形式，相关标准gb/t 18983-2017《淬火-回火弹簧钢丝》规定的圆钢丝直径范围为φ0.5-18.0mm(其生产工序为：钢丝放线—牵引—感应加热—保温—淬火—回火—冷却—探伤—标记—牵引—收线)。
3.又，以此类钢丝绕制的弹簧，可做多种创新，如变径变节距弹簧(变径弹簧或鼓形弹簧)，变径是指弹簧螺旋圈经的变化、变节距是弹簧圈与圈的高度或间距不同，以此来实现大压缩比，吸震和抗过大位移。
4.前文叙述中，弹簧钢丝均为等直径形式，常规工序为：钢丝放线—矫直夹送—感应加热—保温—淬火—回火—冷却—探伤—标记—牵引—收线。
5.现有常规设备和装置方面：
6.钢丝放线：一般为“一字型”放线，钢丝与放线架本体可能产生接触的不为全部用尼龙条隔垫防擦伤，钢丝穿过旋臂井字架，动力由后道牵引提供；
7.矫直夹送：采用多辊矫直、主动夹送，设置水平、垂直、45
°
、135
°
四个方向的辊轮，每个方向上的矫直轮组合可为2 3、3 4或4 5的形式，所有矫直夹送辊均采用尼龙材料包裹；
8.感应加热：在居里点温度前后采用不同频率、分段感应快速加热至材料奥氏体化温度区域；
9.保温：为钢丝达到较精准的温度区间内，并均热；
10.淬火：采用水或油作为淬火介质，均匀、快速冷却，使材料发生马氏体相变，提高材料强度；
11.回火：淬火后的钢丝穿过感应加热炉管，快速回火，得到回火索氏体，强度略有下降的情况下，使材料恢复一定的韧性；
12.冷却：回火后的钢丝穿过大流量的水槽，水温一般40-60℃；
13.探伤：采用探伤仪对钢丝表面进行检查，一般情况下控制缺陷＜0.05mm；
14.标记：与探伤仪信号联动，对超出标准的点，自动喷漆记录；
15.牵引：与矫直夹送辊联动，保持在线张力稳定；
16.收线：根据客户需要，对热处理后的钢丝进行收卷打包，全程防擦伤管理。
17.在近年发展中，为提高车辆舒适度和大压缩比，弹簧厂则对上述一定直径的弹簧
钢丝进行改进，采用“手工”作业模式，将一段弹簧钢丝的两端磨细，中间段不变，再进行卷簧。线外加工流程为：圆截面弹簧钢丝—拆包—放线—切割下料(定长)—装夹—磨削加工(两端)—卷绕。
18.如中国专利cn 201513496 u公开了汽车用变线径悬架弹簧，其中变线径弹簧钢丝被限定为中间段为等径段，两端为变截面段。然而，业已发现，弹簧一般为淬回火状态下直接卷制而成，当额外的机械加工发生在常规圆截面弹簧钢丝的淬火回火之后，改变了表面组织和状态，且变截面段必须进行的卷制和弯曲操作中，势必会增加机械强度，超出一定的极限则会造成性能下降。
19.考虑到既有的、常规的机械加工会改变钢丝表面微观组织状态，材料表面损伤和抗疲劳性能下降。所以进行了大量的工作改善变截面形式、加工制造方法及其装置。
20.该流程或制作中有几个缺点，如：
21.1.改变了微观组织，初始圆截面弹簧钢丝是淬火、回火组织状态，若用机械加工方式，造成表面微观组织发生变化；
22.2.改变了弹簧钢丝的表面质量，若用机械加工方式，则造成了一定的表面损伤，不利于弹簧高疲劳寿命的发挥；
23.3.切割下料及磨削加工效率低，且多为手工打磨；
24.4.磨削加工时材料损耗大(以弹簧钢丝、总长1.5米、变截面端各0.3m，直径为例计算，损耗约12％)；
25.5.磨削加工的尺寸精度和表面缺陷难控制；
26.6.弹簧钢丝拆包后定长下料，因一直以成卷形式运输与存放，钢丝直线度略有下降，增加磨削加工及定位难度。


技术实现要素：

27.本发明的目的在于提供一种变截面弹簧钢丝及其制造方法，可以根据弹簧产品要求，制造适合的等节距周期性变径异形钢丝；而且，变截面弹簧钢丝采用在线加工，强于一般手工打造或机械加工，其尺寸和性能一致性提升；特别是，本发明所述钢丝成卷交货，有利于下游工厂/工序，线上下料后直接卷制弹簧，卷制前不发生机械加工、不发生表面质量变化，免除下料、磨削、装夹、搬运等工作，大大提升效率。
28.为达到上述目的，本发明的技术方案是：
29.本发明所述的变截面弹簧钢丝，沿钢丝轴向钢丝的直径为周期性变径结构，形成等径段和变径段交替设置，变径段的截面为椭圆，椭圆的长轴小于等于等径段的直径；且，所述变截面弹簧钢丝以成卷状态交货。
30.本发明所述的变截面弹簧钢丝的制造方法，其包括：钢丝放线、矫直夹送、加热、在线变截面辊轧、热处理、探伤、标记、牵引、收线；其中，所述加热温度为880-1000℃；所述在线变截面辊轧采用双机架轧制，两个机架的轧机中心线成90度角布置；所述热处理包括保温、淬火、回火、冷却；其中，保温温度880～1000℃、淬火的淬火液温度20～80℃、回火温度430～620℃，冷却至室温。
31.优选的，所述加热采用感应加热。
32.优选的，所述在线变截面辊轧机采用的轧辊为圆盘形，辊环周长即为变截面弹簧钢丝的一个周期长度。
33.优选的，所述在线变截面辊轧的辊轧速度为1-60m/min。
34.优选的，所述在线变截面辊轧的双机架前后各一倍变截面钢丝周期长度内，各设置若干托辊，托辊之间的距离小于变截面钢丝周期长度的50％。
35.优选的，所述钢丝放线、牵引、收线采用放线主动夹送辊和收线牵引轮，三者之间由稳定张力调谐机协调控制，收线牵引轮的主动力矩较放线牵引轮的主动力矩大0-50％，使异形钢丝保持稳定张力下张紧状态，并控制钢丝缩丝量小于0.1mm和直线度1米矢高在2mm以内。
36.本发明所述钢丝变截面段与等径本体段的金相组织状态一致，同为淬回火金相组织状态，从组织一致性方面保证弹簧的整体性能；钢丝变截面段，从本体等径(或中间最大尺寸处)向两端逐步缩小，变截面段的横截面可为圆形或多种异形截面形式，如等截面段大圆 变截面段的椭圆(椭圆的长轴小于大圆的直径)、等截面的大圆 变截面段的小圆 椭圆等，更利于弹簧舒适性功能的实现；钢丝单个周期内，两端变截面段长度相等，并可根据需要调整变截面段和等截面段的比例，特殊的是等截面段本体长度可以为0；变截面钢丝以成卷状态交货，卷制弹簧前可周期性下料、直接使用，利于前端工序的运输周转、制造；提供的一体化制造方法和装置，生产效率更高、材料成材率更高。
37.将待处理弹簧钢丝表面处理、探伤修磨、拉拔至恰当的直径后，在线感应加热逐步至居里点后的奥氏体化阶段(居里点前加热温度700-760℃，居里点后加热温度880-1000℃)，用在线辊轧机的方式一次变截面成型，加热至淬火需求温度后，进行淬火回火处理。彻底改变后续制簧的工艺，去除既有切割下料、磨削工序，提高效率，提高成材率(12％左右)，大大减少制簧成本、改善弹簧品质。并通过辊形的调整，实现多种变截面的需要，可改变变截面为矩形，让弹簧两端为平面，增加弹簧受力面积，去除成品弹簧端面磨削，提高产品寿命。
38.本发明所述变截面弹簧钢丝是成卷的形式，由一件盘条直接加工制成，其直径(或尺寸)变化是按一定规律、周期变化的，在长度方向上，呈现通径—变径—通径—变径周期变径的形式，等效直径(或尺寸)从粗到细为渐进递减，然后从细到粗为渐进递增(可均匀和不均匀变化)，变截面段长度相等。该变截面弹簧钢丝的变化段各横截面可为圆形、椭圆形、矩形等其他表面圆弧过渡的两两组合。
39.本发明的有益效果：
40.1.变截面弹簧钢丝在线加工，强于一般手工打造或机械加工，其尺寸和性能一致性提升；
41.2.钢丝成卷交货，有利于下游工厂/工序，线上下料后直接卷制弹簧，卷制前不发生机械加工、不发生表面质量变化，免除下料、磨削、装夹、搬运等工作，大大提升效率；
42.3.不改变圆截面弹簧钢丝本身的淬回火金相组织状态，使性能整体稳定性提升，提升使用寿命；
43.4.一次热辊轧成型，降低磨削过程造成的表面不平整风险；
44.5.通过轧辊凹槽的多种组合设计，实现多种变截面钢丝的组合，变截面段截面可为大圆 小圆、大圆 椭圆、大圆 小圆 椭圆，解决磨削作业时难以实现的问题；
45.6.采用稳定张力调谐机协调控制张力，使异形钢丝保持稳定张力下张紧状态，收线牵引轮的主动力矩较放线牵引轮的主动力矩大0-50％，提升走线稳定性，使感应加热温度更精准，钢丝淬回火组织和性能更稳定，并控制钢丝缩丝量小于0.1mm和直线度1米矢高在2mm以内。
附图说明
46.图1为本发明所述变截面弹簧钢丝的纵截面图(单个周期)；
47.图2为图1的a-a剖视图；
48.图3为本发明所述变截面钢丝的辊轧主视图；
49.图4为本发明所述变截面钢丝的辊轧俯视图。
具体实施方式
50.参见图1、图2，本发明所述的变截面弹簧钢丝100，沿钢丝轴向钢丝的直径为周期性变径结构，形成等径段1、变径段2交替设置，变径段2的截面为椭圆，椭圆的长轴a小于等于等径段1的直径d；且，所述变截面弹簧钢丝100以成卷状态交货。
51.参见图3、图4，本发明所述的变截面弹簧钢丝的制造方法，其包括：钢丝放线、矫直夹送、牵引、加热、在线变截面辊轧机、牵引、热处理、探伤、标记、牵引(设定生产速度)、收线；其中，所述加热温度为880-1000℃；所述在线变截面辊轧采用双机架轧制，两个机架200、300的轧机中心线成90度角布置；所述热处理包括保温、淬火、回火、冷却；保温温度880-1000℃、淬火的淬火液温度20～80℃、回火温度430～620℃、冷却至室温。
52.优选的，所述加热采用感应加热。
53.优选的，所述在线变截面辊轧采用的轧辊为圆盘形，辊环周长即为变截面弹簧钢丝的一个周期长度。
54.优选的，所述在线变截面辊轧的辊轧速度为1-60m/min。
55.优选的，所述在线变截面辊轧的双机架前后各一倍变截面钢丝周期长度内，各设置若干托辊，托辊之间的距离小于变截面钢丝周期长度的50％。
56.优选的，所述钢丝放线、牵引、收线采用放线主动夹送辊和收线牵引轮，三者之间由稳定张力调谐机协调控制，收线牵引轮的主动力矩较放线牵引轮的主动力矩大0-50％，使异形钢丝保持稳定张力下张紧状态，并控制钢丝缩丝量小于0.1mm和直线度1米矢高在2mm以内。
57.实施例
58.本发明可用于生产变截面弹簧钢丝的制作，包括如下步骤：
59.1)钢丝放线，将圆截面弹簧钢丝卷上盘至“一字型”放线架，穿丝或焊接引线，钢丝与放线架有接触部分用尼龙条衬垫、阻隔防护，进行无损伤放线；
60.2)矫直夹送，将矫直夹送辊用尼龙材料包覆，尼龙辊设置u型槽，工作前分别压下，通过主动放线与牵引、收线联动控制，保持张力平衡，维持稳定的钢丝缩丝量，人工定期校核缩丝量并调整过程张力；
61.3)加热采用分段式感应加热，将圆截面弹簧钢丝快速加热至奥氏体化温度区间920-1000℃，温度在线检测与加热控制闭环设置(温度偏差
±
5℃)；
62.4)变截面辊轧，在圆截面弹簧钢丝稳定的温度下，采用四辊同步轧制，辊环采用合金钢，根据目标变截面弹簧钢丝的外形尺寸，设置四辊的轧制槽型，如图2方式分别对轧，形成周期性的变截面弹簧钢丝；轧辊采用水冷却方式；
63.周期性变截面弹簧钢丝重新进入感应加热管并保温，至工艺需要的淬火温度；
64.钢丝穿过水(或油)冷却介质槽，实现淬硬，淬火液温度20～80℃。
65.采用感应加热回火加热，回火温度430～620℃，冷却至室温，根据弹簧钢丝需要的组织和性能，设置加热温度和频率，获得良好的回火组织和匹配的强韧性指标，变截面钢丝的热处理工艺以最大直径部分为输入条件，以其淬透和组织符合要求为准；
66.5)将钢丝进行常规探伤、涂漆标记、收卷、打包、包装和标识；
67.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，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。