電鍍微小圓柱形螺旋壓縮彈簧抗力的控制

李飛，張攀，張守衛(wèi)，張國范，楊亞波

（淮海工業(yè)集團有限公司，山西 長治 046012）

微小圓柱型螺旋壓縮彈簧(以下簡稱“微小壓簧”)是引信產(chǎn)品中非常重要的零件。彈簧抗力是指彈簧工作過程中承受的力，GB/T 1805–2001《彈簧術(shù)語》中稱之為“工作負荷”。壓簧抗力直接影響產(chǎn)品的性能。因此，多數(shù)圖紙將壓簧抗力作為關(guān)鍵或重要的控制參數(shù)。壓簧常用碳素彈簧鋼絲作為原材料，纏制完成后進行適當?shù)谋砻嫣幚?，令其具有一定的功?如導電、焊接、防腐等)。常見的壓簧表面處理方法有鍍金、鍍銀和鍍錫，一些壓簧也采用鍍鋅或堿性氧化。不論采用哪種表面處理工藝(堿性氧化除外)，電鍍對壓簧抗力的影響都很大，對小直徑鋼絲壓簧的影響尤為明顯。本文分別從微小壓簧的設(shè)計、電鍍和檢測方面探討了控制微小壓簧抗力的方法。

1 壓簧設(shè)計

1.1 壓簧抗力的計算

引信產(chǎn)品中所用壓簧抗力(F)可根據(jù)式(1)[1]計算。

式中f為壓縮量(單位：mm)，G為鋼絲線材剛性模數(shù)(取8.1 × 106N/mm2)，d為鋼絲直徑(單位：mm)，D為壓簧中徑(單位：mm)，n為有效圈數(shù)。

圖1示出了壓簧設(shè)計的相關(guān)參數(shù)：H0為壓簧的自由高度，H1為壓簧承受一定工作負荷時的長度，H0?H1即為壓縮量，Hb為壓并高度(指壓縮壓簧至各圈接觸時的理論高度)。

圖1 壓簧參數(shù)示意圖Figure 1 Sketch of parameters of compression spring

1.2 壓簧電鍍前后的抗力對比

從式(1)可知，壓簧抗力與壓簧鋼絲直徑、壓簧中徑、壓縮量、材料的剛性模數(shù)及有效圈數(shù)都有關(guān)。在設(shè)計壓簧零件時，若壓簧為不銹鋼材質(zhì)，無需表面處理，可直接確定壓簧的各項參數(shù)；若壓簧為普通彈簧碳素鋼絲、琴鋼絲等材料，勢必要進行電鍍，這就要考慮電鍍對壓簧參數(shù)的影響。

首先是鍍層種類。同一壓簧電鍍相同厚度的不同鍍層，其抗力會有所不同。因為不同鍍層的屈服強度不同，而屈服強度是影響壓簧剛性模數(shù)的主要因素。在幾種常見的金屬鍍層中，電鍍金前后彈簧的抗力變化相比鍍銀和鍍錫都大，因為鍍金時要用鎳作為中間層，而鎳的屈服強度較大，直接影響線材的剛性模數(shù)。因此，設(shè)計者在設(shè)計壓簧時，要視鍍層種類留取合適的電鍍余量。

其次是鍍層厚度。電鍍對壓簧中徑、壓縮量和有效圈數(shù)的影響很小，可以忽略不計。但壓簧鋼絲直徑在電鍍后會明顯增大。因此，在確定鍍層種類后可將式(1)中的設(shè)為不變量m，即壓簧抗力計算轉(zhuǎn)換為式(2)。

引信產(chǎn)品中常見的微小壓簧鋼絲直徑一般有0.14、0.16、0.20、0.25和0.30 mm五種規(guī)格。以鍍銀為例，根據(jù)國家兵器行業(yè)標準WJ 1357–2007《炮彈、火箭彈、引信、火工品鋼、銅及銅合金零件銀電鍍層規(guī)范》中的3.4節(jié)，底鍍層厚度≥2 μm、銀層厚度≥5 μm，則鍍層總厚度≥7 μm，若鍍前鋼絲直徑d0= 0.16 mm，當壓簧鍍層厚度取下限時，則電鍍銀后的壓簧鋼絲直徑dt= 0.16 + 0.007 × 2 = 0.174 (mm)，電鍍后壓簧抗力(Ft)與電鍍前壓簧抗力(F0)之比計算如式(3)所示。

可見當壓簧鋼絲直徑為0.16 mm時，電鍍銀后的壓簧抗力至少是原來的1.4倍。因此，在設(shè)計壓簧時，需要預留足夠的電鍍余量。同理，可算得其他規(guī)格壓簧的相關(guān)參數(shù)，具體見表1。

表1 壓簧電鍍銀前、后的抗力Table 1 Resistance of compression spring before and after silver electroplating

由表1可知，當鋼絲直徑≤0.30 mm時，電鍍后壓簧的抗力至少是原來的1.2倍，特別是鋼絲直徑為0.14 mm的壓簧，若鍍層厚度取工藝上限，則電鍍后的壓簧抗力將是原來的2.07倍。有文獻報道，鋼制引信彈簧鍍錫后抗力約提高10%[2]，顯然這種說法有點籠統(tǒng)。因此，在設(shè)計壓簧時應充分考慮電鍍對壓簧抗力的影響，根據(jù)壓簧鋼絲直徑和鍍層厚度計算電鍍前后壓簧的各項參數(shù)，絕不能一概而論。

2 壓簧電鍍

實踐表明，如果電鍍工藝性差、電鍍操作不精細，即使預留了足夠的電鍍余量，壓簧抗力仍不能滿足圖紙要求。在壓簧電鍍階段的控制也極其重要，筆者認為應從以下兩個方面著手。

第一，電鍍工藝。由于壓簧材料強度很高，抗拉強度通常都在1 800 MPa以上，再加上壓簧成型時變形量很大，對氫脆極為敏感。因此，電鍍工藝若選擇不當，則氫很容易滲入鍍層或基體金屬的晶格中，形成內(nèi)應力，造成氫脆、斷裂，壓簧最終失去抗力。電鍍工藝人員選擇工藝時應慎之又慎。首先，前處理不得采用陰極電化學除油和強酸洗；其次，優(yōu)先選用電流效率高的電鍍工藝，以減少電鍍過程產(chǎn)生的氫。另外，電鍍后4 h內(nèi)進行除氫處理。鍍錫層的熔點較低，除氫溫度控制在150 ~ 160 °C，其余鍍層的除氫溫度一般控制在180 ~220 °C，時間都是 24 h。

第二，電鍍方式。從掛具角度考慮，壓簧電鍍采用籃筐和掛具(見圖2)均可，2種電鍍方式各有優(yōu)缺點?；@筐電鍍生產(chǎn)效率高，無需穿掛、綁扎，但壓簧易纏繞，電鍍后需要花費很長時間將纏繞的壓簧分開，若壓簧鋼絲直徑較細，纏繞時很容易變形。因此，籃筐電鍍比較適合鋼絲直徑在0.25 mm以上的壓簧。采用掛具電鍍壓簧不會變形，鍍層性能較好，但需要設(shè)計專用掛具，還存在彈簧鍍層厚度不均問題(即靠近主桿部位的壓簧鍍層較厚，反之較薄)，使得壓簧抗力較分散，有合格的，也有不合格的，因此掛具電鍍比較適合鋼絲直徑小于0.25 mm、對抗力要求不高的壓簧。

圖2 壓簧電鍍的不同裝掛方式Figure 2 Hanging methods for electroplating compression springs

基于上述分析，對抗力要求高的微小壓簧，建議采用“二合一”法電鍍，如圖3所示，具體為：將穿好壓簧的掛具放置在籃筐內(nèi)，這樣壓簧既鍍層厚度均勻，又不會發(fā)生纏繞變形。

圖3 壓簧“二合一”掛具意圖Figure 3 Sketch showing how to hang compression springs by combination of two referred methods

3 壓簧檢測

為判斷壓簧是否合格，電鍍完后必須進行鍍層厚度、孔隙率、外觀和脆性以及壓簧抗力這5個項目的檢測。無論哪一項檢測不合格，都無需再進行其他項目的檢測。對壓簧抗力影響最大的是鍍層厚度，鍍層厚度分布不均、未達到或超出工藝要求都會對壓簧抗力產(chǎn)生不良影響。因此，鍍層厚度是衡量壓簧抗力的重要指標，鍍層厚度檢測的準確性極其重要。

目前兵器行業(yè)采用液流法和點滴法測量鍍層厚度居多，少數(shù)采用X射線熒光法。理論上而言，液流法和點滴法都適用于所有鍍層。但實踐經(jīng)驗顯示，這2種方法都不適用于檢測微小壓簧的鍍層厚度。筆者所在公司曾有過這樣的案例：某微小壓簧電鍍銀，要求Cu鍍層厚度為2 ~ 4 μm，Ag鍍層厚度為4 ~ 8 μm，每次電鍍完采用點滴法或液流法檢測鍍層厚度都在工藝范圍內(nèi)，但壓簧抗力始終超出抗力要求的上限。分析顯示，設(shè)計人員留取的鍍層余量沒有問題，電鍍工藝流程和操作參數(shù)也沒有問題，最后將問題鎖定在鍍層厚度的檢測方法上。果不其然，發(fā)現(xiàn)鍍層厚度測量值遠遠小于實際值。

對于微小壓簧，建議采用壁厚千分尺或公法線千分尺測量鍍層厚度(如圖4所示)。壁厚千分尺的測量結(jié)果比較準確，但只能檢測壓簧首圈鍍層厚度。公法線千分尺可以測量壓簧任意部位的鍍層厚度，但壓簧存在螺旋角，測量會有少許誤差。

圖4 壁厚千分尺(a)和公法線千分尺(b)Figure 4 Micrometer for measuring wall thickness (a) and micrometer for measuring common normal line length of gear teeth (b)

4 結(jié)語

分別從壓簧設(shè)計、電鍍和檢測方面分析了電鍍壓簧抗力的影響因素，給出了以下控制壓簧抗力的建議：

(1) 在設(shè)計壓簧時，要同時考慮鍍層種類和厚度對壓簧抗力的影響。

(2) 在選擇壓簧電鍍工藝時，除了盡量減少產(chǎn)生滲氫的工藝，電鍍完后應及時除氫；對于抗力要求較嚴的微小壓簧，筆者建議采用籃筐和掛具聯(lián)合的“二合一”電鍍法。

(3) 為保證微小壓簧鍍層厚度測量的準確性，采用壁厚千分尺或公法線千分尺測量更穩(wěn)妥。