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[摘 要]本文针对波形弹簧小批量生产的限制，结合UG在复杂曲面造型及数控加工方面的优势，对波形弹簧几种曲面造型方法的分析，根据回弹量的经验公式进行热处理及车加工模具设计，根据UG进行刀具选择对模具进行铣加工，通过加工实践验证，得出波簧加工路线及参数。应用结果表明，该方法加工出形状合格、弹力符合设计要求的波簧，能够实现波簧的定型及内外径加工的精度要求。
[关键词]波形弹簧 模具设计 UG造型 数控程序 回弹量
中图分类号：TP3917 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0239-01
一、波形弹簧技术分析
波形弹簧简称波簧，是有若干波峰和波谷构成的薄片金属弹性元件。分为WS型、WSS型。一般选用优质弹簧钢（65Mn、60Si2MnA、50CrV0Cr17Ni7Al等）经特定方法热处理并根据具体情况，硬度一般在HRC44～55之间，表面发黑，具有良好的弹性。
波形弹簧主要应用在航空发动机密封组件上，主要参数包括波簧高度H、波簧厚度B、波纹数N（一个波峰一个波谷成为一个波纹，一般在3～6个）及弹簧弹力F。波簧应具有抗强力缓冲及减震等作用，并具有一定的刚性，弹力过小或者过大均会对其功能产生不利的影响。因此为保证波簧的使用性能，需对其进行压型及热处理定型。
波簧的加工一般针对其主要参数进行，通过模具的设计制造，控制N、H等参数，通过热处理保证F，从而达到其使用性能，并保证其表面质量的光度及圆滑度。
例如，波簧的参数中H=4，N=3及弹力值F，设计给出的材料牌号为0Cr17Ni7Al。通过分析该波簧空间曲面造型为正弦波形，该类零件批量生产一般通过冲切、压型、热处理等工序加工完成，对于零件加工批量较少，加工节点较急，考虑到成本及进度，大批生产的落料、冲模、压型等模具的设计制造成本高，周期长，需通过分析零件形状尺寸，借助UG三维曲面造型功能，理论上可以达到设计要求。
二、几种波簧造型方法
波簧的压型模具造型基本与波簧造型方法类似，模具造型时需考虑到压型定型后的回弹量，下文中还会提到。由于波簧形状复杂，简单的二维建模无法完成其造型，经过查找大量资料，对波簧型面进行深入研究，得出了波簧三维实体建模的方法。
1.近似造型方法
UG中经过平面翻转及多次转换得到波簧近似造型，仅提供一个波簧近似形状作为参考，但是其形状无法满足设计要求，本文不采用該类造型方法，在此不做过多说明。
2.参数法
1）根据零件设计图纸规定，通过计算得出波形曲线的参数表达式如下：
t=1 //在UG中t的范围是（0，1）
a=t*360
xt1=31.5*cos（a） //曲线1
yt1=31.5*sin（a）
zt1=1.2*sin（a*3）
xt=26*cos（a） //曲线2
yt=26*sin（a）
zt=1.2*sin（a*3）
2）在UG软件中输入表达式参数；
3）UG中插入规律曲线，得到两条同心的波形曲线，两条曲线的波峰和波谷高度是完全一致的；
4）通过扫略曲线生成波形曲面；
5）加厚已扫略的曲面，得到所需波簧三维造型。
该造型方法的优势在于：操作简便，参数化波簧尺寸，便于修改，只要是正弦波类形状的波簧可通过修改波簧参数直接得到，不易出现在造型中由人为原因造成失误及偏差。但是该方法也有其局限性，我们知道参数法的前提必须是能够给出参数方程，如果连参数方程都无法给出的波形，该方法就无法使用了。
3.平面造型空间投影法
1）根据设计图纸确定H、B、A、N等参数，绘制圆柱体及波形曲线的平面展开图，展开图应满足H、B、A、N等所有条件之外，其长度应与所绘制的圆柱周长相等。
2）缠绕曲线，绘制的展开曲线沿着圆柱体进行缠绕，形成所需波形曲线。
3）拉伸缠绕曲线并加厚至上工序时，波簧已完成造型，但是对于模具的造型还有以下步骤：
①按波形曲线的最高点和最低点建立基准面及基准线。
②沿基准线及波形线进行扫略形成各片体进行缝合，形成波形曲面。
③建立圆柱环经过该曲面的裁剪即可得出上下模的型面（上下型面由于回弹量的影响，尺寸是不同的，需要经过两次上述操作，建立两个不同的上下模型面进行加工）此处应注意。
该造型方法是最基本的波簧型面及模具三维造型方法，虽然操作过程复杂，操作熟练的人员在造型过程中易产生各类不同的失误，对操作人员的要求较高，但是该方法几乎可以对所有能给出其曲线的波形弹簧，都可以建立出其三维造型，可以弥补在参数法造型中无法给出参数的尴尬。
三、波簧模具设计
波形弹簧三维造型是波簧模具三维造型的前提，波簧实体建模完成后，可根据波形参数及尺寸对模具的参数进行修订，主要应考虑压型后及定性热处理后的回弹量问题，即波形的振幅A发生轻微变化，反映在参数方程中即为参数zt=1.2*sin（a*3）的系数，在该件号上数值为1.2。通过计算波簧的回弹量，即可用UG对模具进行三维造型，造型时的上模和下模由于回弹量的原因，其尺寸是不相同的，建模及加工过程中应特别注意。
由于该波簧形状为正弦波形，其振幅A=（H-B）/2=（4-1.6）/2=1.2，但是需要考虑的是其在压型及热处理后的回弹，需要在造型的时候对上、下模的振幅进行修正，该修正量需要通过多次试验来确定，确认在模具设计时对其进行补偿，从而使出模后的波簧零件得到设计要求的形状和尺寸，修正后的经验公式如下： A0=A+0.5=（H-B）/2+0.5=1.7
该模具不仅承担了波簧的压型、热处理定型等工作，还要作为精车外圆及内孔的夹具，因此设计时还应考虑模具的外圆及内圆尺寸，需满足加工需要。
四、模具的加工
由于模具的曲面形状为空间曲面，在模具铣加工的时候只能通过UG软件进行编程，因为该波簧R较大（设计图给出其真实尺寸为R17，球刀在选用时只要刀具半径小于R17即可，在此模具中可不考虑铣刀大小对加工的影响），可不考虑刀具的选择；若波簧较小，其曲率半径较小时，需考虑刀具的选择必须小于模具的最小曲率半径（曲率半径在UG建模时可以进行测量）。
通过分析模具材料，合理选用刀具，通过UG建模，采用合理的走刀参数，调整走刀路径，生成数控加工程序，完成模具的加工。模具材料应选取不易变形且耐高温的材料，本模具是采用铸铁加工。通过UG的后处理程序优化后导入数控机床进行加工。
五、波簧的工艺路线
零件的工作状态为时效状态，因此需要对零件进行热处理，定型的同时提高其使用性能。首先对波形弹簧材料进行时效热处理，具体方法是将波形弹簧毛坯加热到一定温度后，保温1H，然后测量机械性能和弹性，发现随加热温度的升高机械性能和弹性随着提高，达到一定温度后（实验温度为510℃），其机械性能最好，弹性最大，温度再升高機械性能和弹性反而下降。在此温度下进行成形实验，所加载荷为波形弹簧实际工作时的载荷，发现波形弹簧成形后的形状与理论计算一致，由此可确定此温度状态下已经超出该材料的屈服极限，在此温度下进行波形弹簧成形处理比较合适。
通过此方法，目前已完成零件的加工并合格交付，符合设计及使用性能。
六、结语
波形弹簧及其模具型面是一种特殊曲面，基于UG在三维造型方面的优势，对模具的结构及造型进行分析，根据设计参数完成模具的设计及建模，通过数控加工，得出符合要求的零件。该方法适用于小批量或实验加工生产，在大批量生产中需要对毛料进行落料、冲切、压型、定型等一系列的设计及制造。
参考文献
[1] 刘明宇 基于UG的叶片专用数控加工软件研究，哈尔滨工业大学，2007年
[2] 《机床夹具设计手册》，上海科学技术出版社，2004年
[关键词]波形弹簧 模具设计 UG造型 数控程序 回弹量
中图分类号：TP3917 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0239-01
一、波形弹簧技术分析
波形弹簧简称波簧，是有若干波峰和波谷构成的薄片金属弹性元件。分为WS型、WSS型。一般选用优质弹簧钢（65Mn、60Si2MnA、50CrV0Cr17Ni7Al等）经特定方法热处理并根据具体情况，硬度一般在HRC44～55之间，表面发黑，具有良好的弹性。
波形弹簧主要应用在航空发动机密封组件上，主要参数包括波簧高度H、波簧厚度B、波纹数N（一个波峰一个波谷成为一个波纹，一般在3～6个）及弹簧弹力F。波簧应具有抗强力缓冲及减震等作用，并具有一定的刚性，弹力过小或者过大均会对其功能产生不利的影响。因此为保证波簧的使用性能，需对其进行压型及热处理定型。
波簧的加工一般针对其主要参数进行，通过模具的设计制造，控制N、H等参数，通过热处理保证F，从而达到其使用性能，并保证其表面质量的光度及圆滑度。
例如，波簧的参数中H=4，N=3及弹力值F，设计给出的材料牌号为0Cr17Ni7Al。通过分析该波簧空间曲面造型为正弦波形，该类零件批量生产一般通过冲切、压型、热处理等工序加工完成，对于零件加工批量较少，加工节点较急，考虑到成本及进度，大批生产的落料、冲模、压型等模具的设计制造成本高，周期长，需通过分析零件形状尺寸，借助UG三维曲面造型功能，理论上可以达到设计要求。
二、几种波簧造型方法
波簧的压型模具造型基本与波簧造型方法类似，模具造型时需考虑到压型定型后的回弹量，下文中还会提到。由于波簧形状复杂，简单的二维建模无法完成其造型，经过查找大量资料，对波簧型面进行深入研究，得出了波簧三维实体建模的方法。
1.近似造型方法
UG中经过平面翻转及多次转换得到波簧近似造型，仅提供一个波簧近似形状作为参考，但是其形状无法满足设计要求，本文不采用該类造型方法，在此不做过多说明。
2.参数法
1）根据零件设计图纸规定，通过计算得出波形曲线的参数表达式如下：
t=1 //在UG中t的范围是（0，1）
a=t*360
xt1=31.5*cos（a） //曲线1
yt1=31.5*sin（a）
zt1=1.2*sin（a*3）
xt=26*cos（a） //曲线2
yt=26*sin（a）
zt=1.2*sin（a*3）
2）在UG软件中输入表达式参数；
3）UG中插入规律曲线，得到两条同心的波形曲线，两条曲线的波峰和波谷高度是完全一致的；
4）通过扫略曲线生成波形曲面；
5）加厚已扫略的曲面，得到所需波簧三维造型。
该造型方法的优势在于：操作简便，参数化波簧尺寸，便于修改，只要是正弦波类形状的波簧可通过修改波簧参数直接得到，不易出现在造型中由人为原因造成失误及偏差。但是该方法也有其局限性，我们知道参数法的前提必须是能够给出参数方程，如果连参数方程都无法给出的波形，该方法就无法使用了。
3.平面造型空间投影法
1）根据设计图纸确定H、B、A、N等参数，绘制圆柱体及波形曲线的平面展开图，展开图应满足H、B、A、N等所有条件之外，其长度应与所绘制的圆柱周长相等。
2）缠绕曲线，绘制的展开曲线沿着圆柱体进行缠绕，形成所需波形曲线。
3）拉伸缠绕曲线并加厚至上工序时，波簧已完成造型，但是对于模具的造型还有以下步骤：
①按波形曲线的最高点和最低点建立基准面及基准线。
②沿基准线及波形线进行扫略形成各片体进行缝合，形成波形曲面。
③建立圆柱环经过该曲面的裁剪即可得出上下模的型面（上下型面由于回弹量的影响，尺寸是不同的，需要经过两次上述操作，建立两个不同的上下模型面进行加工）此处应注意。
该造型方法是最基本的波簧型面及模具三维造型方法，虽然操作过程复杂，操作熟练的人员在造型过程中易产生各类不同的失误，对操作人员的要求较高，但是该方法几乎可以对所有能给出其曲线的波形弹簧，都可以建立出其三维造型，可以弥补在参数法造型中无法给出参数的尴尬。
三、波簧模具设计
波形弹簧三维造型是波簧模具三维造型的前提，波簧实体建模完成后，可根据波形参数及尺寸对模具的参数进行修订，主要应考虑压型后及定性热处理后的回弹量问题，即波形的振幅A发生轻微变化，反映在参数方程中即为参数zt=1.2*sin（a*3）的系数，在该件号上数值为1.2。通过计算波簧的回弹量，即可用UG对模具进行三维造型，造型时的上模和下模由于回弹量的原因，其尺寸是不相同的，建模及加工过程中应特别注意。
由于该波簧形状为正弦波形，其振幅A=（H-B）/2=（4-1.6）/2=1.2，但是需要考虑的是其在压型及热处理后的回弹，需要在造型的时候对上、下模的振幅进行修正，该修正量需要通过多次试验来确定，确认在模具设计时对其进行补偿，从而使出模后的波簧零件得到设计要求的形状和尺寸，修正后的经验公式如下： A0=A+0.5=（H-B）/2+0.5=1.7
该模具不仅承担了波簧的压型、热处理定型等工作，还要作为精车外圆及内孔的夹具，因此设计时还应考虑模具的外圆及内圆尺寸，需满足加工需要。
四、模具的加工
由于模具的曲面形状为空间曲面，在模具铣加工的时候只能通过UG软件进行编程，因为该波簧R较大（设计图给出其真实尺寸为R17，球刀在选用时只要刀具半径小于R17即可，在此模具中可不考虑铣刀大小对加工的影响），可不考虑刀具的选择；若波簧较小，其曲率半径较小时，需考虑刀具的选择必须小于模具的最小曲率半径（曲率半径在UG建模时可以进行测量）。
通过分析模具材料，合理选用刀具，通过UG建模，采用合理的走刀参数，调整走刀路径，生成数控加工程序，完成模具的加工。模具材料应选取不易变形且耐高温的材料，本模具是采用铸铁加工。通过UG的后处理程序优化后导入数控机床进行加工。
五、波簧的工艺路线
零件的工作状态为时效状态，因此需要对零件进行热处理，定型的同时提高其使用性能。首先对波形弹簧材料进行时效热处理，具体方法是将波形弹簧毛坯加热到一定温度后，保温1H，然后测量机械性能和弹性，发现随加热温度的升高机械性能和弹性随着提高，达到一定温度后（实验温度为510℃），其机械性能最好，弹性最大，温度再升高機械性能和弹性反而下降。在此温度下进行成形实验，所加载荷为波形弹簧实际工作时的载荷，发现波形弹簧成形后的形状与理论计算一致，由此可确定此温度状态下已经超出该材料的屈服极限，在此温度下进行波形弹簧成形处理比较合适。
通过此方法，目前已完成零件的加工并合格交付，符合设计及使用性能。
六、结语
波形弹簧及其模具型面是一种特殊曲面，基于UG在三维造型方面的优势，对模具的结构及造型进行分析，根据设计参数完成模具的设计及建模，通过数控加工，得出符合要求的零件。该方法适用于小批量或实验加工生产，在大批量生产中需要对毛料进行落料、冲切、压型、定型等一系列的设计及制造。
参考文献
[1] 刘明宇 基于UG的叶片专用数控加工软件研究，哈尔滨工业大学，2007年
[2] 《机床夹具设计手册》，上海科学技术出版社，2004年