摘 要：用于膜片弹簧铆合模具的碟形弹簧在生产过程中发生断裂失效情况，对失效的碟形弹簧进行原因分析，并提出改进措施，提高其使用寿命。
关键词：碟形弹簧;疲劳寿命;失效分析;铆合模具
0 引 言
碟形弹簧是用于轴向载荷的锥形垫圈组件，可以连续或间歇地承受静载荷或动载荷，它们可以单个或采用叠合组合、对合组合或混合组合的形式多个使用。碟簧的结构如图1所示，其中：De为碟簧外径;Di为碟簧内径;lo为碟簧自由高度;t为碟簧材料厚度;ho为碟簧自由圆锥高度。
碟形弹簧在膜片弹簧铆合模具上的使用方式如图2。原模具采用23片规格为60×30.5×3×4.7的碟形弹簧进行对合安装的布置方式。预紧板4与装配组件接触，在铆合过程中，碟形弹簧受到预紧板向上的力F，使其压缩做变载荷的运动。碟簧设计使用寿命1×105次，实际使用2×104次，碟形弹簧损坏频繁，影响生产效率。
1 碟簧的失效形式
碟形弹簧在受到载荷长期冲击作用时，碟簧凹面内环面和端面交界处，承载最大拉应力，产生径向贯穿裂纹;从碟簧片断裂形式看，具有扩展性裂纹及疲劳脆性断裂的特征。碟簧失效形式如图3所示。
图 3
2 碟形弹簧失效的原因分析
由于失效的碟形弹簧是在铆合模具上使用的，假设在相同批次的碟簧和工作环境下，其长时间使用，碟簧内部组织达到甚至超出其力学性能极限，造成脆化出现或铆合过程中内径部位异常受力出现裂纹延伸至外径，产生了断裂失效。而造成其失效的原因主要有以下几种：
1)碟形弹簧与导向轴(图2中模柄B)配合间隙为0.7 mm，配合过松，会使导向的稳定性变差。导向件硬度265HB,在碟形弹簧产生变形过程中，容易将导向轴磨损，如图4所示，从而使碟形弹簧形变阻力增大，超过其许用应力的范围。
2)碟簧数量过多，变形量过大。原模具单片碟簧变形量为1.2 mm,占其最大变形量70%,而碟形弹簧总变形量的75%为不允许超过的最大形变极限(s=0.75h)o 。若碟形弹簧最大变形量接近极限值，将降低其使用寿命。
3)使用碟形弹簧的预载荷不足。如图5所示，当碟形弹簧承受载荷时,在点Ⅰ和IV上产生压缩应力，在点Ⅱ和Ⅲ产生拉伸应力;残余拉伸制造应力出现在上部内径边缘点Ⅰ处，当碟形弹簧变形为其总圆锥高度ho的15%~20%时，它将转化为压缩应力，承受变向压力时疲劳寿命将显著缩短，在动态载荷中，碟形弹簧应至少预载至其载荷的15%~20%，如碟簧组合自由高度L，则预载的变形量控制在0.15L~0.2L，而原碟簧使用的预载荷变形量约占使用载荷的13%。无法消除碟簧内径上部在制造过程中产生的残余拉伸应力，而在工作时，承受压缩应力，碟簧承受变向的压力时其疲劳寿命将显著缩短。
4)碟簧的组合安装不合理。碟簧小端面放置在受力面上(图6中错误安装方式)，容易导致碟形弹簧承载面不稳定，受力不均，加速导向件磨损，影响碟簧寿命。
3 提高碟形弹簧寿命的改进措施
1)合理设计碟形弹簧与导向件间的间隙(如表1选取间隙为0.5 mm)，避免其形变中间隙不足导致受力过大引起的失效，增加碟形弹簧导向件热处理要求(调质+导向表面高频淬火，硬度48~55HRC，且导向表面粗糙度保证Ra 1.6)，以降低其摩擦阻力。
2)在保证满足载荷要求的情况下，通过缩短轴向尺寸，减少碟簧组合数量，由原先的23片碟簧更改为21片，使其单片碟簧的变形量占比由70%降为55%，从而提高其使用寿命。
3)预载荷应加载至其载荷的15%~20%，按碟簧21片组合计算，自由高度L=21×4.7=98.7 mm，则预载的变形量控制在l=0.16×L=15.8 mm，以避免承受变向压力使碟簧寿命缩短。
4)碟簧的组合方式，对碟簧进行对合安装时，奇数的碟簧，应将外缘尺寸较大的面上的端面设计为受力面，即大端面朝向预紧板，以改善碟簧组合受力的稳定性，如图6所示。
如图7所示，达到预期的改进目标。
4 结 语
本文主要通过对碟形弹簧在实际使用过程中的受力情况进行分析，找出了碟簧在铆合模具中过早失效的主要原因，由于碟形弹簧的失效还有其他因素影响,如材料成分、热处理和工作环境等，这些作为今后继续改进的方向,从而提高碟形弹簧在铆合模具中的使用寿命。
[参考文献]
[1] 陆文遂. 碟形弹簧的计算、设计与制造[M]. 上海: 复旦大学出版社, 1990.
[2] 王晓波. 碟形弹簧的力学性能研究[D]. 郑州: 郑州大学, 2007.
[3] 成大先. 机械设计手册：第3卷[M].北京:化学工业出版社,2008.
作者简介:潘文仕(1986—)，男，工程师，主要从事机械设计和制造工作。
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