張樹麗,王德成,程鵬,邵晨曦.彈簧成形模具現狀及發展方向研究[J].工具技術,2021,55(7):11-15.
Zhang Shuli,Wang Decheng,Cheng Peng,Shao Chenxi.Current situation and development direction of spring forming die[J].Tool Engineering,2021,55(7):11-15.
現代製造業的發展需要強大的工業基礎能力予以支撐，其中一項重要內容是加強核心基礎零部件的建設。彈簧作為一種重要的工業通用基礎零部件，包括壓縮彈簧、拉伸彈簧、扭轉彈簧及異形彈簧等多種產品，具有用量大和品種多的特點，廣泛應用於交通運輸、航空航天和工礦配件等方面，幾乎涉及國民經濟的各個領域。
隨著科學技術的發展，彈簧成形裝備自動化程度和成形能力逐漸提高。圖1為多工位無凸輪數控彈簧機，可通過多軸伺服控制技術單獨控制各成形模具的進給量，其面板上布置的彈簧成形模具通常以組合形式出現，用以生產具有特定形狀、尺寸、功能和質量的彈簧。
彈簧成形模具經過多年發展，尤其是隨著德國、日本等先進彈簧成形技術的引入，其種類大量增加，品質也大幅提高。由於彈簧製造商多為中小企業，人才缺乏，研發能力薄弱。因此，研究彈簧生產製造的學者不多，其研究方向也大多集中在線材成形及回彈等方面；關於成形模具的研究較少，僅在少量文獻中被提及。
針對目前對彈簧成形模具的研究還處於探索階段的現狀，通過文獻閱讀與實地調研的方式，對彈簧成形模具進行概述，分析其在使用過程中存在的問題，同時對其發展方向進行展望，為彈簧成形模具的進一步研究奠定基礎。
彈簧成形過程為先由校直機構消除彈簧材料原有的彎曲變形，然後利用摩擦阻力將彈簧材料通過導線板送到成形位置，彈簧材料受到成形模具的阻礙作用，運動軌跡發生改變，由此產生相應形狀。通過對彈簧結構進行分析，得到其基本結構單元主要為直線、折角和螺旋線，對應的特徵變量分別為
δ直線=(d，L)（1）
δ折角=(d，r，ε)（2）
δ螺旋線=(d，R，t，n)（3）
式中，d為材料直徑；L為材料長度；r為彎曲半徑；ε為彎曲角度；R為成形半徑；t為節距；n為有效圈數。直線由彈簧成形裝備上的校直機構可直接獲得（見圖2）；折角是通過推彎刀迫使彈簧材料形成相應角度（見圖3）；螺旋線是彈簧材料受到曲線規的作用力發生彎曲（見圖4）。
彈簧成形需多個模具配合完成，比如拉伸彈簧在卷繞過程中用到的成形模具主要有頂簧杆、節距刀及切刀等。常用的彈簧成形模具包括導線板、芯軸、切刀、曲線規、節距刀和頂簧杆等（見圖5）。
（1）導線板用於連續平穩送線。若彈簧材料平整度不好，容易出現打轉的情況，導線板可以理順彈簧方向，有效防止彈簧材料打轉。當彈簧材料所受的張緊力不夠時，易出現不規則上下左右晃動情況，造成彈簧節距和外徑不穩，導線板可起到固定彈簧材料不晃動的作用。
（2）芯軸位於彈簧機成形面板中心，用於彈簧材料輸出，同時輔助切刀完成切斷動作。芯軸的外徑應小於彈簧內徑，但不能太小，否則會使彈簧在切斷時產生憋頭現象。
（3）切刀用於彈簧成形後將彈簧材料切斷，有直切、擺切及上下切刀對切等多種切斷模式。直切是切刀採用垂直切斷方式，擺切及上下切刀對切可有效解決切口毛刺問題。
（4）曲線規用於萬能彈簧機成形彈簧螺旋線。彈簧材料從芯軸輸出後進入到曲線規成形槽中，受到曲線規的阻礙發生彎曲變形為螺旋線形狀。曲線規有5°，10°，15°，20°，25°等多種規格，適用於不同的加工範圍。
（5）節距刀用於控制彈簧節距，主要有節距推刀和節距推桿兩種類型。當彈簧節距較小時，用節距推刀控制彈簧節距；其中節距推刀分為30°和45°兩種規格，根據實際操作選擇相應的規格。當彈簧節距較大時，在節距推桿上安裝並固定已研磨好的挑針，節距推桿用於輔助壓線，挑針調整節距。
（6）頂簧杆主要用於卷簧機卷繞彈簧。生產圓柱彈簧時，調整頂簧杆至符合彈簧外徑尺寸的位置並固定不變。生產變徑彈簧時，頂簧杆通過變徑凸輪改變位置，達到生產各種變徑彈簧的目的。
（7）專用彈簧成形刀具由異形彈簧或異形截面的彈簧材料衍生而來，比如橢圓形截面的彈簧材料需匹配導向槽為橢圓形的芯軸。
針對不同彈簧結構特徵和尺寸，成形模具結構也有所不同。常見的彈簧成形模具結構主要有整體式、分體焊接式和可裝拆式三種。目前彈簧成形模具結構以整體式和分體焊接式為主。
（1）整體式彈簧成形模具是整個模具由同一種材料製成，比如小規格的曲線規、節距刀和切刀等一般為整體式，特點是相對標準化生產。若大規格模具為整體式，一般會因製造成本問題而選擇價格低廉的材料製作。
（2）分體焊接式彈簧成形模具通常是高質量材料模具頭部與一般質量材料模具體的結合，比如模具頭部為硬質合金，模具體為碳素鋼或低合金鋼。分體焊接式模具可在保證其良好性能的前提下節省製作成本，多用於導線板、大規格的節距刀和切刀等。圖5a和圖5e分別為分體焊接式導線板和分體焊接式節距刀，一般是將初步具備形狀的模具頭毛坯焊接在模具體上，並根據實際彈簧生產需求磨出所需形狀。
（3）可裝拆式彈簧成形模具是將高速鋼或硬質合金模具頭部通過螺栓安裝在模具體上，模具頭部磨損後可直接拆下進行刃磨或更換。圖6為可裝拆式節距刀，該類模具使用相對靈活，模具體可重複使用，但模具結構較複雜。
通過對多家彈簧成形模具製造商進行調研，得到彈簧成形模具常用的材料主要有合金工具鋼、高速鋼以及硬質合金。目前，彈簧成形模具材料的發展趨勢由高速鋼逐漸向硬質合金轉變，且塗層技術也得到廣泛應用。
（1）合金工具鋼的淬硬性、耐磨性及韌性較高，被廣泛用於刃具、量具及模具的製造。彈簧成形模具為冷作模具，採用材料多為高碳合金工具鋼，特點是加工成本相對較低，多被小型彈簧生產廠用來生產整體式彈簧成形模具。
（2）高速鋼的淬硬性、耐磨性及韌性等特性優於合金工具鋼，且價格相對合理，可製作結構比較複雜的刃具與模具。整體式彈簧成形刀具多採用高速鋼，目前ASP2030粉末高速鋼被大量用於模具製造，其化學成分及含量見表1。
（3）硬質合金具有硬度高和耐磨性好等優良特性，是現代高效率、高精度刃具/模具所採用的主流材料。另外，塗層硬質合金的開發和應用也大幅提升了刃具/模具的高可靠性。彈簧成形模具主要採用鎢鈷類硬質合金，不同Co含量的WC-Co硬質合金的性能不同（見表2）。因該材料價格較貴，常用其製作分體焊接式導線板、芯軸以及尺寸規格較小的整體式曲線規、切刀等。
目前各彈簧成形模具製造商多是執行各自企業的標準，模具技術參數無法統一，導致同一功用的模具因製造商不同而具有不同的特點。
彈簧成形需多個模具互相配合，因此具有多特點、多組合關係的模具數據量大。已有的彈簧成形模具使用技術方案和應用經驗大多未進行整理和歸納，無法形成指導性技術文件。通過操作工人的經驗完成彈簧成形模具選擇，難以保證其合理性。如何在複雜的彈簧成形模具信息中科學選擇適於彈簧生產的模具，目前尚缺乏系統、深入的理論和應用研究。
製造彈簧時，若不嚴格控制其成形過程，將無法保證尺寸和形狀，而且易產生毛刺和劃痕等表面瑕疵。成形模具失效損傷是彈簧成形過程中時變性最強的因素，影響彈簧成形效率、精度和表面加工質量，因此要提升彈簧製造能力，必須要保證成形模具的質量。
彈簧成形模具的失效損傷形式主要為崩刃和磨損，比如用硬質合金模具成形油淬火的彈簧材料易發生崩刃現象，用高速鋼成形油淬火的彈簧材料易嚴重磨損。彈簧成形模具發生失效損傷後，操作工人需花費大量時間重新調整模具安裝位置及彈簧成形程序，造成人力和物力等多重浪費。
針對不同類型的彈簧，成形模具柔性設計製造水平低，不同的加工對象需要選用不同的成形模具結構，且現有的模具結構也不一定能與加工對象匹配，需要工人根據實際情況對模具進行二次加工。另外，針對彈簧成形裝備無法自動更換模具的問題，有學者設計了一種能夠全自動快速更換成形模具的系統，可控制運動手臂夾取刀柄完成裝、卸模具的動作，但是未對適於該系統的彈簧成形模具進行設計。
歸結原因為，彈簧成形模具的設計沒有完全從塑性成形機理上揭示彈簧成形過程，定型周期較長，且無法保證彈簧成形精度，設計理論薄弱。
彈簧成形模具標準化建設是實現彈簧產業現代化以及規範化的重要保障。我國彈簧成形模具已經形成種類繁多的體系，發展規模大，但由於技術水平相對落後，沒有統一的技術規範，尚不能滿足高速發展的數位化高效加工要求。加強彈簧成形模具標準化建設，健全技術標準體系，可有效解決模具匹配、選用困難的問題，同時對於提升我國彈簧製造裝備水平和夯實彈簧製造工業基礎有重要意義。
彈簧成形過程中，模具易發生磨損、崩刃等問題，加強模具材料的研發是解決此類問題的有效途徑。目前國內高質量彈簧成形模具多採用國外進口材料，國內彈簧成形模具製造商應加強刀具基礎材料、表面處理的研究，提升刀具性能，進而實現彈簧的高精度成形。
針對彈簧典型結構特徵，需對彈簧成形模具進行合理優化以達到彈簧的高精度、高效成形。優化的重點應主要包括兩個方面：一是通用化彈簧成形模具工作部位應採用多樣化、充分體現彈簧成形過程內在規律的創新設計，使其潛力得到充分挖掘；二是專用彈簧成形模具應更具特色，根據其不同適用範圍，使每一種成形模具的材質、塗層和結構不同，使其成形效果達到最佳。基於彈簧成形機理優化彈簧成形模具結構，對於完善模具設計理論體系有重要實際價值。
彈簧成形模具是彈簧成形的直接作用部件，對彈簧的成形起關鍵性作用。針對彈簧成形模具研究基礎薄弱的現狀，本文通過調研分析，對彈簧成形模具的現狀及發展進行研究，得到以下結論：
（1）彈簧成形由多個模具配合完成，不同的彈簧結構特徵需合理匹配特定的成形模具，匹配依據主要考慮彈簧成形模具的功用、結構及材料。
（2）彈簧成形模具在使用過程中所面臨的問題主要有三個：模具選用困難；模具易出現失效損傷，且失效損傷後需耗費大量時間重新調試安裝；模具設計理論薄弱。
（3）針對彈簧成形模具所面臨的問題，提出其三個發展方向：加強模具標準化建設；積極促進模具材料的研發；對成形模具結構進行合理優化。
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