王海波

（哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司量具刃具研究所，哈爾濱150040）

扭簧絲計(jì)算及制造

王海波

（哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司量具刃具研究所，哈爾濱150040）

扭簧絲是扭簧比較儀的核心元件，研究其計(jì)算及制造工藝關(guān)系到新量具生產(chǎn)的精度、可靠性和壽命等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。文中介紹了扭簧絲計(jì)算及制造中材料、繞制節(jié)距、厚寬比等不同時(shí)對扭簧的影響。

扭簧絲；材料；放大比

0 引言

扭簧絲是扭簧比較儀的核心元件，對于它的計(jì)算及制造工藝的研究不僅關(guān)系到新量具生產(chǎn)的精度、可靠性和壽命等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，而且也可為促進(jìn)國內(nèi)各類扭簧比較儀的發(fā)展及生產(chǎn)提供有利的保證。

扭簧絲是采用一條放大比極高、極精確的金屬絲，繞制成左右麻花節(jié)，根據(jù)其軸向伸長和回轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系的彈性工作原理設(shè)計(jì)而成。

1 扭簧絲的計(jì)算

扭簧絲材料、截面尺寸及繞制節(jié)距與扭簧放大比、彈性工作轉(zhuǎn)圈及拉伸剛度等設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系如下：

1）現(xiàn)以量儀使用的9 μm×0.15 mm和6 μm×0.12 mm截面尺寸的扭簧絲計(jì)算實(shí)例，說明材料對扭簧絲設(shè)計(jì)參數(shù)的影響（表1）。

表1 材料對扭簧絲設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

2）現(xiàn)以6 μm×0.12 mm截面尺寸的錫鋅青銅扭簧絲計(jì)算實(shí)例說明扭簧絲繞制節(jié)距對扭簧設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 扭簧絲繞制節(jié)距對扭簧設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

扭簧絲繞制節(jié)距對放大比、彈性工作轉(zhuǎn)圈及拉伸剛度影響關(guān)系曲線如圖1所示。

3）現(xiàn)以扭簧絲繞制節(jié)距為2 mm，厚度為6 μm，當(dāng)厚寬比為不同數(shù)值時(shí)對扭簧絲設(shè)計(jì)參數(shù)的影響結(jié)果見表3。

扭簧絲截面厚寬比對放大比、彈性工作轉(zhuǎn)圈及拉伸剛度影響關(guān)系曲線如圖2所示。

從上面計(jì)算實(shí)例分析可知：

圖1 扭簧絲繞制節(jié)距對放大比、彈性工作轉(zhuǎn)圈及拉伸剛度影響關(guān)系曲線

表3 扭簧絲厚寬比不同時(shí)對扭簧設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

圖2 扭簧絲截面厚寬比對放大比、彈性工作轉(zhuǎn)圈及拉伸剛度影響關(guān)系曲線

（1）扭簧絲繞制節(jié)距對扭簧絲放大比、彈性工作轉(zhuǎn)圈及拉伸剛度均有影響；對于截面尺寸6 μm×0.12 mm錫鋅青銅扭簧絲，最佳繞制節(jié)距為4～5 mm，此時(shí)放大比及彈性工作轉(zhuǎn)圈最大；繞制節(jié)距為3～4 mm其值變化不大，但當(dāng)繞制節(jié)距小于2 mm時(shí)，其值下降較快；但最佳繞制節(jié)距時(shí)，其拉伸剛度也是小的。

（2）扭簧絲厚寬比對放大比、彈性工作轉(zhuǎn)圈及拉伸剛度亦均有影響；對繞制節(jié)距為2 mm時(shí)，厚度為6 μm的扭簧絲其最佳厚寬比在1/15～1/20之間，厚寬比小于或大于此值時(shí)，對于放大比、彈性工作轉(zhuǎn)圈均是降低的；而拉伸剛度是隨著厚寬比增加而遞增的。

2 扭簧絲的制造

2.1 扭簧絲材料的物理機(jī)械性能

因?yàn)榕せ山z是根據(jù)軸向延伸值和回轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系的彈性變形原理而設(shè)計(jì)，它作為量儀的放大元件，在使用性能上要求有足夠的放大比和示值范圍。因而，對材料的要求是選擇一些彈性極限高而剛性小的材料（各類青銅及其它有色金屬合金）即彈性比功大的材料。彈性比功是材料吸收變形而不發(fā)生永久變形的能力。

制造扭簧絲選用的材料就材質(zhì)物理機(jī)械性能而言，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)參數(shù)上：1）彈性模量E。E愈大表示剛性愈大，即在一定的應(yīng)力下所產(chǎn)生的變形小，表示變形的難易程度，而扭簧絲應(yīng)選較小E值的材料。2）剪切彈性模量G。G值愈大表示剛性愈大、變形愈難。3）材料彈性極限σy。它是材料抵抗最大變形的極限抗力。從扭簧絲理論分析計(jì)算中得知，材料的彈性極限σy與剪切彈性模量G之比值愈大，則扭簧絲的彈性工作轉(zhuǎn)圈Qnp愈大。可見該比值是影響扭簧絲線性關(guān)系的重要原因之一。根據(jù)不同分度值的量儀，選擇彈性不同的材料，在材料選定之后，通過材料熱處理工藝提高材料彈性極限。4）材料的硬度愈高，愈難壓延。硬度的選擇主要取決于壓延工藝及設(shè)備。5）材料的電阻系數(shù)，采取通電定型的扭簧絲電阻的大小及均勻性直接影響定型工藝質(zhì)量。同時(shí)通過電阻均勻性程度也能反映出材料性能方面的變化；試驗(yàn)表明，由于線材壓延加工狀態(tài)不同，電阻差異很大。6）材料的焊接性，扭簧絲應(yīng)選擇焊接性好的材料。7）材料的抗腐蝕性要好。

2.2 扭簧絲制造中材料的選擇

根據(jù)制造扭簧絲選用的幾種材料的物理機(jī)械性能可知，滿足扭簧絲性能要求的材料有錫鋅青銅、磷青銅、鈹銅及鉑銀等有色金屬材料：1）錫鋅青銅工藝性最好，它的硬度低，易于壓延。2）磷青銅其性能與錫鋅青銅差不多，但由于工藝性較差，一般不采用。3）鈹銅的材料硬度高于錫鋅青銅，壓延性不如錫鋅青銅，但加工并不困難。4）鉑銀的線性最好，對于高精度分度值（0.01～0.02 μm）的量儀最為適用，其硬度較高，壓延性能較差，但可以壓延。

3 結(jié)語

扭簧絲材料的選擇主要應(yīng)考慮材料線性好，放大比大，彈性工作轉(zhuǎn)圈多，拉伸剛度小，并且易于壓延、定型處理及焊接等因素而確定。目前鈹青銅是較為理想的材料。鈹青銅的放大比大，彈性工作轉(zhuǎn)圈僅小于鉑銀，硬度中等，一般設(shè)備均可壓延。鈹青銅的電阻系數(shù)最小，定型電壓較低。焊接性能雖然較差，但焊接并不困難。鈹青銅材料經(jīng)多年生產(chǎn)驗(yàn)證，較適用于生產(chǎn)0.000 5～0.001 mm分度值的量儀。

（編輯黃 荻）

TG 802

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1002－2333（2014）05－0266－02

王海波（1961—），男，工程師。

2014-02-01