模具强力弹簧的特点和设计原则

刘辉航 舒荣福 李晓红（中国人民解放军1001强力弹簧研究所）

一、摘  要

本文介绍了模具强力弹簧的特点及设计原则，从理论上对异形钢丝模具弹簧与圆钢丝弹簧的应力、刚度、变形进行了分析。简述了模具强力弹簧的设计方法，指出了影响模具强力弹簧发展的主要问题。 

近年来随着模具工业发展，模具弹簧尤其是异形截面钢丝模具弹簧的应用数量和品种日益增大。异形截面模具弹簧具有刚度大、寿命长、体积小等特点。但其设计理论发展比较迟缓。目前，除正方形截面强力弹簧的设计方法比较成熟外，其它截面强力弹簧的设计方法，基本是根据具体截面通过试验，找出修正系数得出具体截面的经验设计公式，现对该类弹簧特点和设计问题作一简介。 

这个问题，是使用这种弹簧者很关心也必须搞清楚的问题。下面以正方形截面与圆截面螺旋弹簧作一比较。 

在相同空间内，正方形截面钢丝弹簧承载能力比圆截面簧要高43—48%。显而易见，矩形簧要大于50%以上。 

从使用应力过大是弹簧破坏的主要原因分析，在相同条件下，异形截面钢丝弹簧比圆截面钢丝弹簧的寿命要提高13—14%。 

异形截面钢丝弹簧能产生大的变形量。 

异形钢丝弹簧的重量大。 

线性度比圆截面弹簧好，即刚度更趋于常数值。特别是长边平行于轴线绕制的弹簧。 

应用范围受到一定的限制：从分析可见，异形截面材料弹簧如不能充分应用其优点，便不会产生经济效益，什么情况下使用好呢？ 

（1）         用圆截面材料达不到设计载荷。 

（2）         取代圆截面复合弹簧。 

（3）         用圆材料弹簧达不到所需要变形量的时候。 

（4）         弹簧安装空间小的地方。 

（5）         要求弹簧特性严格的地方。

二、模具弹簧设计原则 

1．  弹簧材料许用应力[τ]的选择，应以保证弹簧疲劳寿命为主进行考虑。弹簧的动态寿命，一般分为三类： 

Ⅰ类：承受交变载荷次数为106； 

Ⅱ类：承受交变载荷次数为10³—105； 

Ⅲ类：承受交变载荷次数小于10³； 

2．  材料宽厚比（a/b）不宜过大，而弹簧的旋绕不宜过小。 

3．  设计非矩形的异形截面弹簧时，一定要推导和绘制在不同旋转比、不同宽厚比与变形修正系数（τ）和切应力修正系数（β）的曲线或计算公式。 

4．  要根据给定条件和限制条件，选择计算简便和参数选择合理的设计方法。 

三 尚存问题 

1．   模具设计标准化程度低，限制了标准化模具弹簧的发展速度。 

2．  模具弹簧标准化程度低，目前除我所为汽车工业制定的QC7111—7113标准外在国内尚无正式使用的国标或行业标准，模具设计人员无标准可选是急待解决的问题。 

3．  设计理论不完善，目前比较成熟的是矩形截面螺旋弹簧，但对其公差选用尚无定论。其异形截面螺旋弹簧均以矩形截面为基础，经试验加以修正。 

4．  没有异形截面材料生产的定点厂，特别是没有此类材料的油淬火回火钢丝供应厂家。而由弹簧制造厂自己改制的材料，质量不稳定，造价高，影响此类弹簧的推广应用。 

5．  没有生产此类弹簧的专用卷簧设备。模具用螺旋弹簧旋绕比一般都小于4，而国内卷簧机适用绕制旋绕比在4以上的弹簧。