电镀微小圆柱形螺旋压缩弹簧抗力的控制

李飞，张攀，张守卫，张国范，杨亚波

（淮海工业集团有限公司，山西 长治 046012）

微小圆柱型螺旋压缩弹簧(以下简称“微小压簧”)是引信产品中非常重要的零件。弹簧抗力是指弹簧工作过程中承受的力，GB/T 1805–2001《弹簧术语》中称之为“工作负荷”。压簧抗力直接影响产品的性能。因此，多数图纸将压簧抗力作为关键或重要的控制参数。压簧常用碳素弹簧钢丝作为原材料，缠制完成后进行适当的表面处理，令其具有一定的功能(如导电、焊接、防腐等)。常见的压簧表面处理方法有镀金、镀银和镀锡，一些压簧也采用镀锌或碱性氧化。不论采用哪种表面处理工艺(碱性氧化除外)，电镀对压簧抗力的影响都很大，对小直径钢丝压簧的影响尤为明显。本文分别从微小压簧的设计、电镀和检测方面探讨了控制微小压簧抗力的方法。

1 压簧设计

1.1 压簧抗力的计算

引信产品中所用压簧抗力(F)可根据式(1)[1]计算。

式中f为压缩量(单位：mm)，G为钢丝线材刚性模数(取8.1 × 106N/mm2)，d为钢丝直径(单位：mm)，D为压簧中径(单位：mm)，n为有效圈数。

图1示出了压簧设计的相关参数：H0为压簧的自由高度，H1为压簧承受一定工作负荷时的长度，H0−H1即为压缩量，Hb为压并高度(指压缩压簧至各圈接触时的理论高度)。

图1 压簧参数示意图Figure 1 Sketch of parameters of compression spring

1.2 压簧电镀前后的抗力对比

从式(1)可知，压簧抗力与压簧钢丝直径、压簧中径、压缩量、材料的刚性模数及有效圈数都有关。在设计压簧零件时，若压簧为不锈钢材质，无需表面处理，可直接确定压簧的各项参数；若压簧为普通弹簧碳素钢丝、琴钢丝等材料，势必要进行电镀，这就要考虑电镀对压簧参数的影响。

首先是镀层种类。同一压簧电镀相同厚度的不同镀层，其抗力会有所不同。因为不同镀层的屈服强度不同，而屈服强度是影响压簧刚性模数的主要因素。在几种常见的金属镀层中，电镀金前后弹簧的抗力变化相比镀银和镀锡都大，因为镀金时要用镍作为中间层，而镍的屈服强度较大，直接影响线材的刚性模数。因此，设计者在设计压簧时，要视镀层种类留取合适的电镀余量。

其次是镀层厚度。电镀对压簧中径、压缩量和有效圈数的影响很小，可以忽略不计。但压簧钢丝直径在电镀后会明显增大。因此，在确定镀层种类后可将式(1)中的设为不变量m，即压簧抗力计算转换为式(2)。

引信产品中常见的微小压簧钢丝直径一般有0.14、0.16、0.20、0.25和0.30 mm五种规格。以镀银为例，根据国家兵器行业标准WJ 1357–2007《炮弹、火箭弹、引信、火工品钢、铜及铜合金零件银电镀层规范》中的3.4节，底镀层厚度≥2 μm、银层厚度≥5 μm，则镀层总厚度≥7 μm，若镀前钢丝直径d0= 0.16 mm，当压簧镀层厚度取下限时，则电镀银后的压簧钢丝直径dt= 0.16 + 0.007 × 2 = 0.174 (mm)，电镀后压簧抗力(Ft)与电镀前压簧抗力(F0)之比计算如式(3)所示。

可见当压簧钢丝直径为0.16 mm时，电镀银后的压簧抗力至少是原来的1.4倍。因此，在设计压簧时，需要预留足够的电镀余量。同理，可算得其他规格压簧的相关参数，具体见表1。

表1 压簧电镀银前、后的抗力Table 1 Resistance of compression spring before and after silver electroplating

由表1可知，当钢丝直径≤0.30 mm时，电镀后压簧的抗力至少是原来的1.2倍，特别是钢丝直径为0.14 mm的压簧，若镀层厚度取工艺上限，则电镀后的压簧抗力将是原来的2.07倍。有文献报道，钢制引信弹簧镀锡后抗力约提高10%[2]，显然这种说法有点笼统。因此，在设计压簧时应充分考虑电镀对压簧抗力的影响，根据压簧钢丝直径和镀层厚度计算电镀前后压簧的各项参数，绝不能一概而论。

2 压簧电镀

实践表明，如果电镀工艺性差、电镀操作不精细，即使预留了足够的电镀余量，压簧抗力仍不能满足图纸要求。在压簧电镀阶段的控制也极其重要，笔者认为应从以下两个方面着手。

第一，电镀工艺。由于压簧材料强度很高，抗拉强度通常都在1 800 MPa以上，再加上压簧成型时变形量很大，对氢脆极为敏感。因此，电镀工艺若选择不当，则氢很容易渗入镀层或基体金属的晶格中，形成内应力，造成氢脆、断裂，压簧最终失去抗力。电镀工艺人员选择工艺时应慎之又慎。首先，前处理不得采用阴极电化学除油和强酸洗；其次，优先选用电流效率高的电镀工艺，以减少电镀过程产生的氢。另外，电镀后4 h内进行除氢处理。镀锡层的熔点较低，除氢温度控制在150 ~ 160 °C，其余镀层的除氢温度一般控制在180 ~220 °C，时间都是 24 h。

第二，电镀方式。从挂具角度考虑，压簧电镀采用篮筐和挂具(见图2)均可，2种电镀方式各有优缺点。篮筐电镀生产效率高，无需穿挂、绑扎，但压簧易缠绕，电镀后需要花费很长时间将缠绕的压簧分开，若压簧钢丝直径较细，缠绕时很容易变形。因此，篮筐电镀比较适合钢丝直径在0.25 mm以上的压簧。采用挂具电镀压簧不会变形，镀层性能较好，但需要设计专用挂具，还存在弹簧镀层厚度不均问题(即靠近主杆部位的压簧镀层较厚，反之较薄)，使得压簧抗力较分散，有合格的，也有不合格的，因此挂具电镀比较适合钢丝直径小于0.25 mm、对抗力要求不高的压簧。

图2 压簧电镀的不同装挂方式Figure 2 Hanging methods for electroplating compression springs

基于上述分析，对抗力要求高的微小压簧，建议采用“二合一”法电镀，如图3所示，具体为：将穿好压簧的挂具放置在篮筐内，这样压簧既镀层厚度均匀，又不会发生缠绕变形。

图3 压簧“二合一”挂具意图Figure 3 Sketch showing how to hang compression springs by combination of two referred methods

3 压簧检测

为判断压簧是否合格，电镀完后必须进行镀层厚度、孔隙率、外观和脆性以及压簧抗力这5个项目的检测。无论哪一项检测不合格，都无需再进行其他项目的检测。对压簧抗力影响最大的是镀层厚度，镀层厚度分布不均、未达到或超出工艺要求都会对压簧抗力产生不良影响。因此，镀层厚度是衡量压簧抗力的重要指标，镀层厚度检测的准确性极其重要。

目前兵器行业采用液流法和点滴法测量镀层厚度居多，少数采用X射线荧光法。理论上而言，液流法和点滴法都适用于所有镀层。但实践经验显示，这2种方法都不适用于检测微小压簧的镀层厚度。笔者所在公司曾有过这样的案例：某微小压簧电镀银，要求Cu镀层厚度为2 ~ 4 μm，Ag镀层厚度为4 ~ 8 μm，每次电镀完采用点滴法或液流法检测镀层厚度都在工艺范围内，但压簧抗力始终超出抗力要求的上限。分析显示，设计人员留取的镀层余量没有问题，电镀工艺流程和操作参数也没有问题，最后将问题锁定在镀层厚度的检测方法上。果不其然，发现镀层厚度测量值远远小于实际值。

对于微小压簧，建议采用壁厚千分尺或公法线千分尺测量镀层厚度(如图4所示)。壁厚千分尺的测量结果比较准确，但只能检测压簧首圈镀层厚度。公法线千分尺可以测量压簧任意部位的镀层厚度，但压簧存在螺旋角，测量会有少许误差。

图4 壁厚千分尺(a)和公法线千分尺(b)Figure 4 Micrometer for measuring wall thickness (a) and micrometer for measuring common normal line length of gear teeth (b)

4 结语

分别从压簧设计、电镀和检测方面分析了电镀压簧抗力的影响因素，给出了以下控制压簧抗力的建议：

(1) 在设计压簧时，要同时考虑镀层种类和厚度对压簧抗力的影响。

(2) 在选择压簧电镀工艺时，除了尽量减少产生渗氢的工艺，电镀完后应及时除氢；对于抗力要求较严的微小压簧，笔者建议采用篮筐和挂具联合的“二合一”电镀法。

(3) 为保证微小压簧镀层厚度测量的准确性，采用壁厚千分尺或公法线千分尺测量更稳妥。