碟形弹簧、蝶形垫圈必知常识

前言：江苏三众弹性技术刘同胜部长参与制定碟簧国家标准，刘部长分享碟簧必知常识，帮助碟簧应用厂家技术人员更好的了解碟簧的应用知识，进一步提高应用产品的品质。

一、碟形弹簧的主要参数：

D — 外径；d — 内径；t — 厚度； H0 — 自由高度；

h0 = H0 – t — 内锥高度， 单位均为 mm

H 12（13） — 基轴制允许偏差 12（13）分别代表级别；

h 12（13） — 基孔制允许偏差 12（13）分别代表级别；

A系列指 h0 /t ≈ 0.4 ，D/t ≈ 18，共29个规格

B系列指 h0 /t ≈ 0.75，D/t ≈ 28，共29个规格

C系列指 h0 /t ≈ 1.3 ，D/t ≈ 40，共29个规格

二、应力、力学特性及其它一些知识

形象地说，应力就是物体抵抗外力在内部产生的力，应力有拉应力、压应力、剪切应力、弯曲应力、屈服应力、扭转应力等等。碟形弹簧应力用σⅠ、σⅡ、σⅢ、σⅣ、σOM、来标注。详见下图：

σOM是碟簧中心层中心点往上表面OM处的应力，设计碟簧时，

σOM ≤ 1400 ~ 1600 MPa。

σⅠ 是碟簧内径上周的应力，设计时 ≤ 3000 MPa。

σⅡ 是碟簧内径下周的应力，σⅢ 是碟簧外径下周的应力，对于受动载的碟簧，它们的值分别不宜 >1300、1250、1200MPa。

σⅣ 是外径上表面的应力，一般不会使碟簧产生失效。

MPa是压强应力的符号，就是N/mm2的符号。

三、碟簧可以受静载，也可以受动载，静载如当垫片用，它一可以作为紧固件，二可以作为热胀冷缩的保护件，特别在机械密封中用的多。

一般寿命次数不超过一万次。动载荷用途就多了，如存储能量、安全吸震、防松防震、自动控制等等。几乎所有机械部件中都可以用到，特别在重载荷条件下，它的单位储存能量最大。

四、碟簧的优点主要是：

1、体积小、储能大。节约空间，节约资源，使主机体积大大缩小；

2、可以用不同的h0 / t来获得近似直线、渐减性、渐增性、零刚度、负刚度等曲线；

3、组合使用方便，可对合，可叠合，可又叠又对，可单独使用；

4、设计合理，可获得2×106以上寿命。

五、寿命决定因素很多，如材料、工艺、设计、使用、环境等问题。设计寿命主要决定于应力比，即σmin / σmax，在三组图中回归获得：

Ⅰ组 t ≤ 1.25 mm σⅡ、σⅢ 最大等于1300 MPa；

Ⅱ组 t ≥ 1.25 ~ 6mm σⅡ、σⅢ 最大等于1250 MPa；

Ⅲ组 t≥ 6 ~ 14mm σⅡ、σⅢ 最大等于1200 MPa；

寿命分为2&times;106 、5&times;105 、1&times;105和<1&times;105 四种，从GB/T1972—2005标准P22、P23的图C.9～C.11可知：横坐标为疲劳强度的下限应力σr min(N/mm2)，纵坐标则为上限应力σr max，如果我们知道碟簧的最大载荷和最小载荷或最大位移与最小位移，则可求出σr min与σr max ,在纵横坐标上找出相应的点，即可知道它的预期寿命是多少。为了获得高寿命，预载位移h01至少应为0.15 — 0.2h0，最大位移不宜超过0.75h0。

六、我们前面提到的设计合理，所谓合理就是有如下几点原则：

1、σOM ≯ 1400 ~ 1600 MPa ，（ 材料与热处理、喷丸等工艺决定）；

2、σⅠ ≯ 3000 MPa ；

3、h0 /t ≯ ，如果 ＞ ，则会翻边，H0不稳定；

4、如果超应力，则不能按标准要求强压，压平五次。所谓超应力，就是σOM ＞ 1400 ~ 1600 MPa ，σⅠ ＞ 3000 MPa ，此时可以限压。

七、碟形弹簧制造工艺按标准分为三种：

1、Ⅰ组碟簧，即t ≤ 1.25 mm，可用高碳钢制造，65Mn的就很好了，它的流程最简单：

这里没有任何机加工。

2、Ⅱ组碟簧即1.25 ＜ t ≤ 6 mm，按标准不能用65Mn材料，一般应该用60Si2MnA或50CrVA，流程是：

这里是内外圆都必需加工，否则冲压后的撕裂纹影响寿命。根据我国国情t ＞ 3 mm以上难有好的冷轧板、带，如用国产热轧板，则需先对材料表面剥皮、或车或磨到一定精度，外表不能有氧化脱碳层。

3、Ⅲ组碟簧即6 ＜ t ≥ 14 mm的碟簧，应选用锻造锥坯加工。如条件不够，则可先锻成平坯，以后再成锥。流程如下：

不论哪一组碟簧当要求高的寿命时，都应加以喷丸强化。一般喷丸是使表面清理去除氧化层，使表面潜裂纹密紧，使表层产生有效的压应力，有时还需应力喷丸和热喷丸。

八、检验碟簧必须按标准进行，半成品检验按工艺卡片。成品检验首先把碟簧强压压平三次，视其H0稳定否？合格否？然后再行检验其它尺寸和形位。测力时不论碟簧有多高多矮，但必须在高度允差范围内，测时用压至H0 － 0.75h0 或∑（H0 － 0.75h0 ）的力为依据，看其是否超过了标准或客户要求。如果做疲劳寿命试验，则必须用专用设备，如用冲床进行，要考虑加载方法、加载波形和加载频率。

九、碟簧可以单只使用，也可以组合使用。组合时可对合，可叠合，可又对又叠。单个使用一般作静态压紧的多，或起防松的用，少数作复位用。组合使用的目的就多了，可以储能，可以缓冲，可以作控制元件。对合时，每片力一样，但组合位移加大了；叠合相反，力随着叠合片数而成倍增加，但位移不变，如又对又叠，则二者都有变化。安装使用时要按照标准，两端压板及内外径导向件都必需有 ＞ 55 HRC的硬度，其硬层应 ＞ 0.8 mm，内外导向件都应按标准设计出对应的间隙量。使用时应根据要求选择润滑，如需要摩擦力小，则选用M0S2，如需要摩擦力大，则可喷丸，选用交美特特处理。现在还有越磨越光滑的处理工艺，即自润滑处理工艺。

十、制造碟形弹簧，标准规定用用60Si2MnA和50CrVA 。t ≤1.25mm可以用65Mn或70#、T7、T8等等。根据碟簧的用途也可以选用不锈钢、耐热钢和热工钢等等。现在常用材料有：

1、弹簧钢：

65Mn、T7A、T8A、T9A、T10A、60Si2MnA、50CrVA、70Si2CVA、30W4Cr2VA；

2、不锈钢：

马氏体：3Cr13；

奥氏体：301、302、316；国产牌号为：12Cr17Ni7、12Cr18Ni9、06Cr19Ni10、0Cr17Ni12Mo2；

沉淀硬化型：630、631、632；国产牌号为：05Cr17Ni4Cu4Nb、07Cr17Ni7Al、07Cr15Ni17Mo2Al；

高弹性合金：3J21；

弹性元件用合金：3J1、3J53；

3、铜合金：硅青铜、锡青铜、铝青铜、铍青铜、铝白铜、白铜、；

4、镍铜合金：

蒙内尔合金 NCu28-2.5-1.5；Monel400即Ni66Cu31Fe；MonelK500即Ni66Cu29Al3；

5、高速工具钢：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2；

6、耐高温弹性合金：

GH2132、A286，即OCr15Ni25Ti2MoVB；

GH2135、808，即OCr15Ni35W2Mo2Ti2AL2B；

GH4169、Inconel 718即NiCr19Fe18Nb5Mo3TiB；

GH4145、Inconel &times;750即NiCr15Fe7NbTi2Al；

Inconel 600即Ni76Cr18Fe8；

Rene/77、U-700即NiCr15Co15Mo4Al4Ti3B；

GH4090，即Nimonic90；

7、钴基合金：HS25(L－605)；

8、铌基合金：55NbTiAl；

金属、陶瓷、记忆合金、聚氨酯、橡胶、塑料、 玻璃纤维、碳素纤维都可以制造碟形弹簧。

十一、热处理：

我们常用的弹簧材料热处理可分为以下几类：

1、淬回火工艺：

对软态的弹簧钢都必需用上述工艺。

2、去应力退火：

对硬态的弹簧钢都必需用上述工艺。

3、时效强化工艺：

适用于沉淀硬化不锈钢和耐热钢。

4、固溶R热处理：

适用于软态的沉淀硬化不锈钢及镍基合金。