蝶形弹簧毕业设计邹蓓1

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1、1蝶形弹簧1.1蝶形弹簧的简介及结构类型1.11简介：一种外形似圆环垫片样的，而材质不同的金属的机械配件-特种弹簧。又因外形似碗碟状，故称蝶形弹簧。碟形弹簧成圆锥形盘状，作为密封辅助件，既可以单个使用，又可以多个串联或并联使用，在上内缘和下外缘处承受沿轴向作用的静态或动态载荷，被压缩后产生变形，直至被压平，以储存能量形式作为活载荷，在必要时自动转化为密封所需要的附加压缩载荷，来降低垫片、填料使用中对上紧的持续要求，减少不必要的停机维修时间和泄漏损失。一般来说，它是通过相当数量的叠加来提供足够弹性伸展，而发挥作用的。由于有变刚度特性和安装紧凑等特点，广泛应用于机械设备工业、石油工业、汽车工业以及

2、航空航天工业等领域。很大范围取代了圆柱形螺旋弹簧。1.12结构类型：用金属带材，板材或锻造坯料冲压而成的截锥形薄片弹簧，它的负荷与变形呈非线性关系。 一般分为普通的蝶形弹簧，带径向沟槽的蝶形弹簧，梯形截面蝶形弹簧。由于单片蝶形弹簧的变形量和负荷值往往不能满足要求。所以一般组合使用。特点：小变形高承载能力、节省空间、通过不同的搭配组合可获得理想的加载特性碟形弹簧(碟簧)的分类与选型： 碟形弹簧(碟簧)按其用途可分为防松碟簧、高温预紧碟簧、高扭力预紧碟簧、缓冲拉伸碟簧，根据具体工况选择制作材质。1.2蝶形弹簧的分类1.21防松碟簧：防松碟簧主要作用1载荷不是太大，但震动剧烈的螺栓上。2能有效防止螺

3、栓松动、倒丝等现象。3能起到锁紧的功能，补偿了预紧力，确保密封持久可靠。4防松碟簧对螺栓与设备均有良好的通用性。1.22高温预紧碟簧： 高温预紧碟簧适用于1高温环境下各种法兰的螺栓预紧。2各种管道法兰、阀门、换热器。高温预紧碟簧适用于3反应釜、搅拌器、泵、离心机等的法兰螺栓预紧。1.23高扭力预紧碟簧：该高扭力预紧碟簧应用在大载荷、高扭力场合。高扭力预紧碟簧的应用1 阀门、管道法兰螺栓预紧2 风机、泵、离心机的地脚螺栓和法兰预紧3 换热器、反应釜、搅拌器的法兰螺栓预紧4 离合器、发电机、管道支吊架装置的预紧电力母线螺栓预紧5 、缓冲装置、刹车装置、高压电缆补偿装置等设备的各种其他工程应用。1.

4、24缓冲拉伸碟簧： 该缓冲拉伸碟簧广泛应用于各行业中的大型设备中，如制动器、安全载荷装置、机械启动器、工业电炉、离合器、模具等。1.3碟形弹簧的选材现阶段，我国碟形弹簧采用的材料有高质量的弹簧钢60Si2MnA、50CrVA或特殊材料，如不锈钢、铬镍铁合金等。其中特殊材料、不锈钢、铬镍铁合金等适用于高温和腐蚀性环境。然而，我们发现想找到一种材质，同时满足高强度、耐高温、耐腐蚀、抗磁场，是不可能的，只能寻求某种性能的最大化，比如高强度或耐高温、腐蚀。因此用户在订购碟簧时，一定要写清楚工况要求，我们的技术人员会充分考虑那些最不利的因素，择其一种合适材质，推荐使用。下面我们列出国外比较典型的碟簧材料

5、，供参考：标准应用 材料 Ck7550CrV4X12CrNI 177X7CrNIAl 177X35CrMo17X22CrMoV 121DIN标准号 1.1248 1.8159 1.4310 1.4568 1.4122 1.4923 化学组成(%)C 0.7-0.8 0.47-0.55 0.12 0.09 0.35 0.2 Si 0.15-0.35 0.15-0.40 1.5 1 1 0.3 Mn 0.6-0.8 0.7-1.1 2 1 1 0.6 P max 0.035 0.035 0.03 0.035 S max 0.035 0.035 0.03 0.035 Al 0.75-1.5 Cr 0

6、.9-1.2 16-18 16-18 16.5 12 Ni 6-9 6.5-7.75 0.6 V 0.1-0.2 0.6 Mo 1.15 1 弹性模量(N/mm2)206000 206000 190000 195000 206000 206000 特殊应用 材料Inconel X750Inconel 718Nimonic 90A286 AlloyFV520BCuBe2DIN标准号2.46682.49691.49802.1247化学组成(%)C0.080.080.090.080.048Si0.50.35110.37Mn10.35121.05P max0.0150.020S max0.010.01

7、50.0150.014Al0.4-10.2-0.81-20.35Cr14-1717-2118-2113.5-1616-18Ni 7050-55Rest24-275.47+Co=0.2-0.6V0.1-0.5Mo2.8-3.31-1.751.72WTi2.25-2.750.65-1.152-31.9-2.30.10Be1.95Cu0.50.30.22.08RestCo115-21Fe5-92Nb0.952 碟形弹簧的设计与计算(一)2.11碟型弹簧理论碟型弹簧是承受轴向载荷的锥形环状盘片。一般情况下，盘片厚度恒定不变，载荷均匀分布在上表面内边缘和下表面外边缘。碟型弹簧通常用弹簧钢制成，可以承受静

8、态载荷，非交变载荷或动态载荷，能够满足严格的疲劳寿命和加载损失的要求。2.12与其它类型弹簧相比，碟型弹簧具有如下特性：小变形，大承载能力 与其它类型弹簧相比，具有较高的空间利用率 正确的尺寸设计可以获得高疲劳寿命和低加载损失/蠕变倾向不同的弹簧组合方式可以获得所需要的载荷特性曲线可以采用各种特殊材料和表面涂层方式采用标准尺寸产品可以降低成本。2.13性能和结构 载荷特性曲线反映碟型弹簧的载荷-变形特性。根据尺寸情况，载荷特性曲线或多或少都是逐步递减直至水平状态。特殊情况下，也可将其设计成变形超出水平状态。碟型弹簧通常作为模块化组件使用。一组单片碟型弹簧按照相同方向叠合使用，称作叠合组合碟型弹

9、簧：反之，一组单片碟型弹簧按照不同方向交替对合使用，称作对合组合碟型弹簧。叠合组合情况下，碟型弹簧组的变形与单个弹簧相同，给定变形量时的载荷则是单个弹簧的n倍（n=碟型弹簧组内单片弹簧片数）。对合组合情况下，碟型弹簧组变形时弹簧组内单片弹簧变形量的总和，载荷则与单片弹簧相同。对于由单片碟型弹簧或弹簧组组成的组合碟型弹簧的变形和载荷计算，上述因素应考虑在内。可以通过将由不同片数碟型弹簧组成叠合组合弹簧或不同厚度的单片碟型弹簧组合成碟型弹簧组来获得递增的载荷特性曲线在这种情况下，弹簧组达到压平位置或极限行程后，单片弹簧或组合弹簧将不再对弹簧的变形量产生影响。2.碟形弹簧的设计与计算（二）2.21按

10、照DIN2093分类 碟型弹簧的设计、检测和生产已按照DIN2092标准（碟型弹簧、计算）和DIN2093标准（碟型弹簧、尺寸、质量要求）进行了标准化。按照DIN2093标准，碟型弹簧可以分为三组：第一组：盘片厚度t小于1.25mm第二组：盘片厚度t 1.25mm至6mm第三组：盘片厚度t大于6mm至14mm第一组和第二组弹簧没有支撑面，第三组弹簧带有支撑面下表为DIN2093标准对碟型弹簧生产的要求组别加工方法表面光洁度 上表面和下表面内边缘1冲压、冷成形、倒角Ra3.2Ra12.52冲压、冷成形、De和Di车削，倒角Ra6.3Ra6.3精密切割、冷成形Ra6.3Ra3.23冷成形或热成形，

11、四周切削，倒圆Ra12.5Ra12.5其它加工方法，如激光束切割、水射流切割等可用于特殊碟型弹簧的生产。除矩形截面，边缘倒圆的碟型弹簧外，还有以下类型的碟型弹簧：梯形截面碟型弹簧开槽型碟型弹簧开槽型碟型弹簧广泛用于连轴器和变速箱，而矩形截面碟型弹簧的应用则并不常见。2.碟形弹簧的设计与计算（三）2.31单个碟形弹簧的计算DIN2092标准详细阐述了碟型弹簧变形行为的计算公式，该计算过程由ALME和LASZLO推导。尽管还有其它一些更为精确的分析等式，但该公式的准确性足以满足实际应用的要求。 按照这些分析等式，碟型弹簧的变形行为被假设为矩形截面圆环绕转动中心S的一维旋转过程，忽略径向应力，只考虑

12、切向应力。不考虑材料塑性变形和变形残余应力，变形过程中横截面积矩形，载荷终施加内外边缘I和III处。Mubea公司提供碟形弹簧的计算机辅助设计程序。 2.32按照DIN加载的无支撑面碟形弹簧说明 碟型弹簧载荷特性曲线的形状由ho/t值决定。假定在容许的载荷极限内弹簧变形不受制，可获得图所示的载荷特性曲线。按照DIN2093标准化的A、B、C三种系列碟形弹簧的载荷特性曲线如下：3.2形弹簧的设计与计算（四） 2.41加载应力 在碟型弹簧加载变形过程中，轴向应力很小，可忽略不计，因此其疲劳寿命切向应力影响。通常情况下，碟片上表面承受压应力，下表面承受拉应力。 实际上，碟型弹簧的计算应力与实际应力并

13、不一致，这是由于喷丸处理和强压处理过程中产生的残余应力所致，实际应力由残余应力和加载应力所组成。弹簧的动态强度主要受碟片下表面的拉应力影响，由于生产过程中产生的残余应力，碟 型弹簧的计算应力高于实际应力。基于不同的ho/t值，碟形弹簧横截面II点（下表面内边缘）或III（下表面外边缘）为最大拉应力点。 弹簧上表面内边缘，即横截面I点为最大压应力点，该应力直接影响弹簧的预压变形，该变形是由于变形量超出碟形弹簧材料的弹性极限而产生的塑性变形导致，从而使弹簧自由高度减小。如下图3.6通过缩智短力臂加载的无支撑面碟形弹簧 对于曲线的变形模型来讲，载荷通过缩短的力臂加载，获得给定变形量时所需的力矩与通过

14、横截面I点和III点加载时相同，而力臂的缩短则要求对弹簧施加更大的载荷，因此这种情况下获得的弹簧载荷特性曲线要比正常情况下陡峭。但弹簧计算载荷应力不受加载点影响，而只与弹簧锥角大小有关，如下图 有支撑面的碟形弹簧 支撑面仅用于厚度大于6mm的碟形弹簧（DIN2093标准，第三组）。采用支撑面使弹簧承载面积增大，从而减少导向件与弹簧之间的摩擦。承载点也由外边缘de变为de，由内边缘di变为di。这种变化 导致力臂缩短、载荷特性曲线变陡。如下图3蝶形弹簧的热处理 蝶形弹簧是用50CrVA或60SiMnA钢版 钢带冲压的截锥形薄板弹簧.热处理硬度要求HRC4252，刚性很大,主要用于承受大负荷的缓冲

15、和制动装置.蝶簧常规热处理工艺为自由淬火,上夹具回火并校正,经氧化后便可装机使用.在使用过程中,自由高度会降低15%左右,有的甚至达20%以上.所以GB1972-80中规定,蝶簧应全部经强压处理,可一次持续压平,并规定压平时间 次数和压力. 由于增加了强压工序,改变了蝶簧的工艺和热处理方法.如实际操作中,不可能使蝶簧高度的预留量与强压降低量相等,在加上热处理后硬度对强压降低量影响很大,批次与炉次之间,同炉各工件之间又受材料 工艺 操作的影响,不可能达到同一硬度范围.表中数据也说明,不同硬度量,在强压后磨掉.这就是说在热处理后增加了磨削工序.因而对某些淬火后平面度不超过磨削余量的较厚中 小型蝶形

16、弹簧就没有必要上夹具回火了. 下面介绍中型弹簧的热处理工艺 强压方法和自由高度预留量.3.1技术要求与工艺路线蝶簧材料为60Si2MnA钢,热处理要求为:硬度HRC4247,平面0.2mm.热处理后经强压处理,短时压平次数不少于5次,自由高度应保持稳定. 工艺路线为冲外圆和内孔(&3mm钢板磨平平面尺寸拉伸或截锥形(自由高度残余量1.21.6mm)淬火 回火强压处理磨削自由度到尺寸(平面度0.1mm)氧化装机使用.3.2热处理工艺 淬火加热使用箱式炉,23见截摞在一起,涂防氧化脱碳涂料后,平摆在浅底盘加热.这样能较好的防止平面度增大,又不影响淬火质量.虽该钢淬透性和淬硬性均佳,使装炉量不宜过大,以免升温时间过长.保温2030min,油冷.回火在箱式炉或带风扇的井式炉中进行.箱式炉加热时放于浅盘中,井式炉放于吊筐中.470%保温7090,油冷.3.3强压处理 采用短时平压法,设备为耶41-63校正油压机,图2为强压处理示意图.蝶簧短时间平压六次后,自由高度降低14%左右,平面度减小00.1mm.