塑料彈簧制造和設(shè)計(jì)

塑料彈簧能夠節(jié)省費(fèi)用在設(shè)計(jì)中改用塑料制作塑料彈簧能夠簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、節(jié)省費(fèi)用，但不能簡(jiǎn)單地套用金屬?gòu)椈傻脑O(shè)計(jì)方法。一般來說，塑料只能用于不需瞬時(shí)恢復(fù)的彈簧。塑料彈簧最好是間歇工作，即彈簧產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)間規(guī)定的力，而其他時(shí)間處于松弛狀態(tài)。塑料彈簧的彈性恢復(fù)時(shí)間應(yīng)至少等于處于載荷下的時(shí)間。塑料彈簧的應(yīng)用并未因此而受到限制，因?yàn)榇蠖鄶?shù)彈簧都是非連續(xù)使用的。在著手塑料產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮這個(gè)問題。雖然如此，塑料彈簧在某些產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是非常成功的，例如，轉(zhuǎn)鎖中的彈簧只用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)力。圖1所示的鎖扣，僅靠彈簧實(shí)現(xiàn)鎖緊和松開，在這種情況下采用塑料彈簧是十分合理的。1塑料彈簧的優(yōu)勢(shì)金屬的特性對(duì)塑料來說是不可比擬的。例如，鋼的彎曲模數(shù)是常用注塑成型塑料彈簧的30到100倍。可是，塑料彈簧有其特定的應(yīng)用空間，它與金屬?gòu)椈上啾绕鋬?yōu)點(diǎn)如下：零件整體化：在這一點(diǎn)上可與金屬?gòu)椈筛?jìng)爭(zhēng)，金屬?gòu)椈膳c塑料彈簧存在著整合性差別。也就是說，設(shè)計(jì)師可以創(chuàng)造性地使用塑料彈簧。零件整體化意味著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，易于安裝、成本更低，重量更輕?？苫厥招裕簬в薪饘?gòu)椈傻牧慵绻|(zhì)量、規(guī)格不合格，常常會(huì)報(bào)廢。塑料彈簧允許全部零件回收利用。耐腐蝕，“不生銹”。自然光順，具有模塑上色的便利。相對(duì)機(jī)械加工來說制造成本降低。1.1彈簧及其蠕變對(duì)于塑料制造的彈簧，要注意金屬和塑料的彎曲模數(shù)的差異?？晒┻x擇的樹脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚脂、ABS、尼龍和硫化聚乙烯。材料的回彈性是重要的選擇因素。比起金屬來，用最好的樹脂做的彈簧在持續(xù)載荷下會(huì)很快老化失效。乙酰基聚合物在1000小時(shí)（大約6周）后失去原有彈力的50%，10,000小時(shí)后（大約1年），失去原有彈力的60%，而100,000小時(shí)后（大約11年）失去原有彈力的三分之二⑵。通常，結(jié)晶乙酰基和硫化聚苯撐比聚乙烯和ABS有更好的抗蠕變性。如果模具溫度過低的話，在注塑成型過程的最后階段，結(jié)晶材料的蠕變率將顯著上升。1.2材料的選擇彈簧的材料選擇取決于所需要的特性。需考慮的因素有抗蠕變性、載荷、疲勞極限和耐化學(xué)侵蝕性。乙?；酆衔锸亲畛Ｓ玫牟牧稀Ｆ渌捎貌牧霞八鼈兊奶匦匀缦拢簂聚乙烯和聚丙烯便宜，但拉伸恢復(fù)性差，抗蠕變性差。它們只能用于短期負(fù)荷，其疲勞響應(yīng)中等，但抗化學(xué)侵蝕性好。l?；簿畚镙^昂貴，但持續(xù)載荷特性好、抗蠕變性好，但它不適合在小于4PH值的酸性環(huán)境下工作。l線性硫化聚亞苯基材料比乙酰基共聚物更脆，更適合高負(fù)荷、小位移的應(yīng)用。它有好的抗蠕變性、好的抗疲勞特性，并能在高溫下保持其韌性。當(dāng)它暴露在化學(xué)侵蝕條件下也能長(zhǎng)期正常的工作。l尼龍?jiān)诟稍飾l件下比較耐磨，但當(dāng)它暴露在50%的相對(duì)濕度下時(shí)，其剛性下降達(dá)25%。l對(duì)于簡(jiǎn)單、偶爾使用的彈簧來說，選用ABS是合適的，但其抗蠕變性較差。在材料中使用填充物可改善彈簧的特性。在材料中填充玻璃纖維增加了剛性和強(qiáng)度，但其撓度受到限制。環(huán)境溫度也影響塑料彈簧的性能。多數(shù)塑料在室溫下特性最好，環(huán)境溫度越高彈簧的材料越接近軟化點(diǎn)。此外，要考慮防紫外線問題。如果塑料彈簧安裝在產(chǎn)品內(nèi)部，或者安裝在背光處，可以避免紫外線輻射引起的塑料老化問題。對(duì)那些戶外使用的產(chǎn)品，例如園林工具和體育運(yùn)動(dòng)設(shè)備，紫外線的照射可以破壞彈簧功效。在這種條件下，必須根據(jù)材料的抗紫外線典型數(shù)據(jù)決定所選材料能否在紫外線暴露下工作。2板型塑料彈簧的設(shè)計(jì)在通常的機(jī)械設(shè)計(jì)中，金屬?gòu)椈赏且粋€(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)零件。制造彈簧的材料與其它裝配零件的材料有所不同，不論是螺旋彈簧或板簧，其制作材料有較好的恢復(fù)性和抗疲勞特性。從制造方法上來看，以沖壓或彎卷最為普遍。與金屬?gòu)椈刹煌?，塑料彈簧往往與零件的其它部分一起注塑成型。因此，其彈性體部分與其它部分是同一種材料。很明顯，塑料零件的強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)不如金屬，即便是在塑料被廣泛使用的年代，塑料還不能完全取代金屬制造彈簧。從塑料成型的特殊性來看，板簧比螺旋彈簧更易于制造，因此，塑料板型彈簧優(yōu)先被選用。2.1懸臂梁和簡(jiǎn)支梁彈簧在比較兩種類型彈簧載荷和應(yīng)力方程（參見圖2和圖3）時(shí)，可以看到，相同的截面（W與t的乘積）和有效跨距（L）下，懸臂梁的應(yīng)力載荷為簡(jiǎn)支梁的16倍。然而，在同樣撓度下，簡(jiǎn)支梁彈簧的應(yīng)力是懸臂梁彈簧的4倍。從彈簧材料的有效用量上比較，這兩種類型的彈簧的差別可以忽略不計(jì)。在同樣的載荷下，簡(jiǎn)支梁彈簧可以設(shè)計(jì)較大的跨距和較薄的截面。圖2.懸臂梁彈簧圖3.簡(jiǎn)支梁彈簧2.2設(shè)計(jì)公式式中P=載荷（Kg），E=彈性模量（Kg/cm2），Y=撓度（cm），t=厚度（cm），L=有效長(zhǎng)度（cm），w=寬度（cm），g=彎曲應(yīng)力（Kg/cm2）例如，設(shè)計(jì)一個(gè)洗衣機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的棘輪的懸臂彈簧。材料是CelconM90（乙縮醛共聚物），其彎曲模數(shù)在41°C是22,145Kg/cm2,活動(dòng)長(zhǎng)度是3.20cm，寬度是0.65cm。在防倒轉(zhuǎn)棘齒通過時(shí)，其載荷是0.250Kg，撓度是0.65cm。（1） 板簧的厚度計(jì)算變換公式（1），計(jì)算懸臂梁彈簧的厚度解為：（2） 應(yīng)力校核對(duì)于懸臂梁彈簧，用公式（2）求解的應(yīng)力值為：CelconM90在41°C的抗拉強(qiáng)度是618Kg/cm2。但是它在41°C耐彎曲疲勞的極限強(qiáng)度是232Kg/cm2。由于應(yīng)力校核計(jì)算強(qiáng)度是320Kg/cm2,所以應(yīng)當(dāng)把許用應(yīng)力減少到232Kg/cm2或更低。在這個(gè)例子里，假設(shè)彈性梁的長(zhǎng)度和寬度可以增加，而厚度不能減少。變換公式（2），計(jì)算彈簧懸臂梁的長(zhǎng)度為：變換公式（1），可以計(jì)算同一載荷下的彈簧寬度：3注塑成型工藝問題在彈簧制品設(shè)計(jì)和選擇合適的材料之后，還要注意注塑成型工藝對(duì)彈簧質(zhì)量的影響。在設(shè)計(jì)模具型腔時(shí)，要特別注意選擇正確的澆口位置。也就是說要避免澆口或熔接縫出現(xiàn)在彈簧或彈簧的運(yùn)動(dòng)部位。因?yàn)槿劢涌p引起的薄弱部位，會(huì)使彈簧的性能大大受影響。利用注塑成型分析軟件，可以很方便地通過注塑成型模擬，獲得熔體的流動(dòng)前沿動(dòng)態(tài)視圖。透過模具內(nèi)部，可以檢查所指點(diǎn)的任一點(diǎn)模具溫度和壓力，給設(shè)計(jì)者進(jìn)入整個(gè)加工過程的真實(shí)感受［3］。通過注塑成型流動(dòng)模擬，不但可以分析塑料制品在模具型腔中的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)，還可以預(yù)測(cè)熔接縫和氣穴的形成部位。針對(duì)模擬分析存在的問題，可以借助于3D計(jì)算機(jī)造型系統(tǒng)修改制品設(shè)計(jì)，或修改模具設(shè)計(jì)［4］。利用先進(jìn)的CAE工具，可以提高塑料彈簧制品的質(zhì)量，避免模具返工和修改設(shè)計(jì)方面，節(jié)省時(shí)間和金錢。圖4.利用HSCAE3DRF5.0軟件分