为什么您的 JIS 绿色模具弹簧在 20,000 次循环后失效：了解关键的 24% 压缩规则

2025 年 10 月 17 日

真实案例研究：2mm 的超差行程如何损坏 60×150 绿色弹簧并导致 $ 停机成本超过 5,000 美元

简介：2mm 犯下的￥5,000 错误

在精密模具制造领域，2 毫米的差异就可能决定一个弹簧能使用 300,000 次循环，而另一个弹簧仅使用 20,000 次循环就会发生灾难性故障。

这并非理论上的场景，这正是我们一位客户所经历的。

事件：

一家制造工厂为其冲压工序采购了优质的SHINDONGBAL 60×150 JIS绿色模具弹簧。工程团队设计的模具工作行程为38毫米。一切看起来都很合理。弹簧在物理上压缩到这个距离时没有任何问题。在测试中，他们甚至将弹簧压缩到42.5毫米，并观察到它们完美地恢复到原始长度。

“如果弹簧可以压缩到42.5毫米，” 顾客的理由是， “那么只使用 38 毫米肯定是完全安全的。”

现实情况：

经过约 20,000 个生产周期后：

弹簧 #1： 线圈中部完全脆性断裂
弹簧 #2： 严重的永久变形和侧弯
生产影响： 超过 4 小时的计划外停机
总成本： 紧急更换溢价、拒收零件、人工成本——估计为￥5,000-￥7,000
预期寿命： 这些弹簧应该能使用 300,000+ 次

根本原因：

60×150 绿色弹簧的最大安全工作行程为 36毫米 （自由长度为 24%）。客户使用 38毫米——仅超出极限 2 毫米。这额外的 2 毫米意味着压缩量超出 5.3%，产生了大约 12-15% 的额外应力，导致弹簧的使用寿命缩短超过 93%.

根本性的误解：

客户认为，如果弹簧能够物理压缩到一定程度，那么在该压缩程度下反复使用就一定是安全的。这种误解每年给制造业造成数百万人民币的损失，包括弹簧过早失效、计划外停机和紧急更换。

真相：

身体能力并不等于操作安全。 生坯模具弹簧的压缩强度可以远超24%，即使进行一次循环甚至多次循环。但JIS B5012工程标准建立在重复循环性能的基础上——弹簧必须可靠地运行数十万次甚至数百万次循环而不发生故障。

本文探讨：

为什么 JIS 绿色（重载）弹簧具有严格的 24% 最大压缩极限
压缩应力如何成倍缩短疲劳寿命
为什么不同颜色的 JIS 弹簧具有不同的最大压缩极限
选择正确弹簧长度的分步计算
如何避免造成客户弹簧损坏的昂贵错误

了解 JIS B5012 颜色编码模具弹簧：并非所有弹簧都相同

什么是 JIS B5012 标准？

JIS B5012 是日本工业标准，适用于冲压模具、注塑模具和高循环工业应用中使用的矩形线材模具弹簧。这些弹簧适用于：

一致、可预测的负载-挠度特性
数百万次压缩循环下仍具有高抗疲劳性
标准化尺寸，实现供应商互换
正确指定后，不同制造商均可获得可靠的性能

关键工程真相：不同颜色具有不同的最大压缩极限

在选择模具弹簧时最危险的误解之一是认为所有 JIS B5012 弹簧（无论颜色如何）都具有相同的压缩极限。 这完全是错误的。

JIS B5012 弹簧不仅按负载能力进行颜色编码，还按 最大安全压缩百分比额定载荷越大，最大允许压缩量越低。

完整的 JIS B5012 颜色分类，具有正确的压缩数据

系列代码	颜色	负载分类	最大压缩	推荐范围	典型应用
SF/SFR	黄色的	超轻负载	50%	40-50%（通常≤45%）	精密仪器、轻型回位弹簧
SL	蓝色的	轻载	40%	32-40%（通常≤36%）	小型模具、顶出系统
SM	红色的	中等负荷	32%	25-32%（通常≤28%）	标准冲压模具
SH	绿色的	重载	24%	19-24%（通常≤22%）	高强度冲压、深拉伸
SB	棕色的	超重载	20%	15-20%（通常≤18%）	极端力量应用

工程原理：为什么负荷越大=压缩越低

存在这种反比关系是因为：

1. 导线厚度随额定负载而增加

较重的弹簧使用较粗的矩形线来产生更大的力
较粗的钢线会在线圈内半径处产生更高的应力集中
应力集中程度越高，材料疲劳极限越小，压缩距离越短

2. 应力分布几何

随着线材厚度的增加，内半径与线材直径之间的比率变得不那么有利
这种几何形状在压缩过程中的临界点会产生指数级更高的应力
为了保持等效疲劳寿命（1,000,000 次循环），必须降低最大压缩量

3. 材料应力极限是恒定的

所有 JIS B5012 弹簧均采用类似的高碳铬硅钢合金
材料的疲劳极限（无限疲劳寿命的应力水平）不会改变
因此，钢丝较粗的弹簧必须压缩较少，以保持在安全应力区内

关键要点：

如果您需要高强度和高压缩冲程，您不能只需选择较深的颜色即可。您必须：

首先计算所需行程
选择弹簧长度以适应压缩极限内的行程
然后根据所需的力输出选择颜色（负载额定值）

绿色模具弹簧（重载）：规格和限制

为什么选择绿色（SH系列）弹簧？

绿色模具弹簧代表 重载（SH） JIS B5012 标准中的分类。它们比相同外径和自由长度的红色（中等负载）弹簧多出约 30-40% 的力，因此对于以下应用至关重要：

高吨位冲压操作（汽车面板、家电部件）
需要较大剥离力的深拉模具
具有大型或复杂零件的注塑模具顶出系统
重型压制设备
空间限制限制弹簧直径但需要高强度的应用

新东发株绿色重载弹簧的技术规格

我们的案例研究涉及 新东发株 60×150 慈溪市帝力弹簧有限公司生产的绿色弹簧，具有以下特点：

材料： 55CrSi铬硅合金钢（JIS G4801规格）
热处理： 油淬火和回火以获得最佳强度和韧性
表面处理： 喷丸强化增强表面抗疲劳性能
端部研磨： 两端磨平且平行，以实现均匀的负载分布
线材概况： 矩形横截面比圆形导线具有更高的稳定性
质量合规性： 完全遵守 JIS B5012 尺寸公差和性能标准

重要提示： 即使是信誉良好的制造商生产的优质弹簧，如果超出其工程极限操作，也会过早失效。

绿色弹簧 24% 硬限制解释

24% 绿色（SH 系列）弹簧的最大压缩极限并非随意设定的。它基于大量的疲劳测试得出，代表了弹簧能够可靠地达到的压缩水平，大约 300,000 次压缩-释放循环 疲劳失效之前。

绿色（SH）弹簧的压缩率与循环寿命：

压缩率	预期循环寿命	应用推荐	压力水平
19.2%	1,000,000+ 次循环	保守/延长寿命	材料耐久极限~70%
21.6%	~500,000 次循环	最佳平衡	材料耐久极限~80%
24%	~300,000 次循环	最大安全限值	材料耐久极限~90%
25.3%（案例研究）	<20,000 次循环	过度压力区	>100%材料耐久极限
>26%	迅速减少	关键故障区	严重的过度应力——不可预测的故障

关键工程见解：

1. 压缩与疲劳寿命之间的指数关系

弹簧疲劳寿命不会随着压缩量的增加而线性下降，而是呈指数下降：

将压缩率从 24% 降低至 21.6% 可使寿命增加 67%（300,000 → 500,000 次循环）
将压缩率从 24% 降低至 19.2% 增加三倍以上 寿命（300,000 → 1,000,000+ 次循环）
将压缩率从 24% 提高到 25.3% 寿命缩短 93% 在我们的案例研究中（300,000 → <20,000 个循环）

2. 绿泉市为何存在 24% 限制

在超过 24% 的压缩下，内线圈半径处的应力超过了材料的 忍耐极限. 24% 限制包含安全裕度，以考虑：

弹簧尺寸和材料特性的制造公差
安装缺陷（未对准、表面不平行）
操作变量（温度波动、模具随时间磨损）
实际应用中的负载分布不规则性

超过 24% 会消除所有安全裕度，并使您的操作面临不可预测的过早故障。

案例研究：60×150 Green Spring 过早失效分析

4.1 弹簧规格及计算安全参数

购买弹簧： 新东发株系列 60×150 JIS 绿色模具弹簧（SH系列）

物理规格：

系列： SH（重载 - 绿色）
外径： 60毫米
内径： 30毫米
自由长度： 150毫米
电线横截面积： 约 9mm × 12mm 矩形轮廓
材料： 55CrSi铬硅合金钢（硬度HRC 48-52）
表面处理： 喷丸和热处理
结束条件： 两端磨平且平行

计算的安全工作参数（基于 24% 绿色弹簧的最大压缩）：

范围	计算	结果	预期寿命
延长使用寿命	150毫米×19.2%	最大28.8毫米	1,000,000+ 次循环
最佳行程	150毫米×21.6%	最大32.4毫米	~500,000 次循环
最大安全行程	150毫米×24%	36mm绝对极限	~300,000 次循环
过应力区	>24% 压缩	>36毫米 = 不安全	迅速减少

4.2 客户的实际运行状况和灾难性故障

模具设计参数（客户规格）：

所需工作行程： 38毫米
实际压缩率： 38毫米÷150毫米= 25.3%
超出安全限度： 38毫米 – 36毫米 = 超过2毫米 （+5.6% 超出 24% 限制）

客户的生产前测试：

客户在安装前对弹簧进行了台架测试
他们手动压缩弹簧以 42.5毫米 （28.3%压缩）
弹簧恢复到原来的自由长度，没有明显损坏
客户得出的结论： “如果弹簧可以承受 42.5 毫米，那么仅使用 38 毫米肯定是完全安全的”

这个结论存在致命的错误。

失败时间线：

第 1-5 天： 弹簧似乎功能正常
第六天： 质量检验员注意到零件尺寸略有差异
第 7 天（约 20,000 个周期）： 生产过程中发生灾难性故障

视觉证据：客户弹簧失效

弹簧 #1：完全脆性断裂

失效的生坯模具弹簧呈现出典型的疲劳裂纹扩展。在经过约20,000次25.3%压缩循环（超过36毫米安全极限2毫米）后，断裂发生在线圈中部。请注意特征性的“滩痕”图案，表明裂纹在最终突然失效前逐渐扩展。

JIS标准青模弹簧，永久变形量为2.7%（自由高度从150毫米降至146毫米），这是由于超过24%的压缩极限造成的。弹簧在冲压模具中的工作行程为38毫米，超出了36毫米的最大安全行程2毫米，导致在20,000次循环后发生灾难性故障。可见疲劳损伤和过应力导致的塑性变形。

弹簧 #2：严重永久变形

同一模具生产的第二个弹簧出现严重的横向弯曲，且线圈间距不均匀。自由高度从150毫米降至146毫米（2.7%永久变形）。由于超出24%的压缩极限，该弹簧发生了塑性变形，导致零件无法复位。

详细故障表现：

弹簧 #1 – 完全断裂：

脆性断裂发生在弹簧的大约中部
断口分析显示出疲劳裂纹扩展的典型“海滩痕迹”图案
裂纹起始点：应力集中最高的内线圈半径
弹簧碎片从模具中弹出，需要彻底拆卸模具才能取出

弹簧 #2 – 永久变形：

严重侧弯（与垂直轴约 8-10°）
线圈间距变得不均匀——线圈在一侧压缩在一起，在另一侧散开
自由高度从 150 毫米减少至约 146 毫米（2.7% 永久变形）
弹簧无法再将零件返回到正确位置，从而导致尺寸错误

生产后果：

即时： 超过 4 小时的计划外生产停机时间
部分： 约 150 个零件被拒收
劳动： 2 名工具制造者 × 4 小时，优惠价格
替代品： 紧急隔夜运送新弹簧，费用为正常费用的 3 倍
预计总费用： $5,000-$7,000 表示可以避免的事故

4.3 根本原因分析：为什么 2 毫米如此重要

主要原因： 在 25.3% 压缩下运行会产生过应力条件，导致预期寿命从 300,000 次循环缩短至 20,000 次循环以下—— 93% 使用寿命缩短 仅需 2 毫米的额外行程。

数学现实：

在 36 毫米（24% 压缩）处：应力 ≈ 材料疲劳极限的 90% → 可安全进行 300,000 次循环
在 38mm（25.3% 压缩）：应力 ≈ 材料疲劳极限的 102-105% → 失效区域

4.4 正确的解决方案：应该做什么

解决方案 #1：相同额定载荷的更长绿色弹簧（推荐）

规格： 60×175青簧（SH系列）

分析：

自由长度：175mm
最大安全行程：175mm×24%= 42毫米
客户要求行程：38mm
实际压缩率：38mm÷175mm= 21.7%
预期使用寿命： 500,000+ 次循环
安全边距：4毫米（42毫米 - 38毫米）

成本影响： 每个弹簧比 60×150 多约 $3-5
益处： 使用寿命比故障配置长 25 倍

客户的最终决定：

客户选择 示例 #1（60×175 绿色弹簧）. 修正后结果：弹簧现已运行 480,000+ 次循环 无故障。额外弹簧总成本：~$40。 避免重复故障可节省成本：每次避免故障可节省 $5,000+

如何计算绿色重型弹簧的安全工作行程

5.1 绿色重型弹簧（SH）的基本公式

最大安全行程 = 自由长度 × 24%

对于延长使用寿命的应用：
• 最佳行程（500,000+ 次循环）= 自由长度 × 21.6%
• 保守行程（1,000,000+ 次循环）= 自由长度 × 19.2%

重要提醒： 这些百分比特别适用于 绿色（SH – 重载）弹簧. 其他颜色有不同的限制：

黄色：最大50%
蓝色：最大 40%
红色：最大32%
绿色：最大 24%
棕色：最大 20%

5.2 逐步计算示例

方法 1：你有弹簧，需要计算安全行程

例子： 60×150 绿春

步骤1： 自由长度=150mm
第 2 步： 最大行程=150mm×0.24= 36毫米
步骤3： 最佳=150mm×0.216= 32.4毫米
步骤4： 建议设计行程： 最大33-34毫米 （离开安全缓冲区）

方法二：已知所需行程，需要选择弹簧

例子： 模具需要 38 毫米行程

步骤1： 最小长度 = 38mm ÷ 0.24 = 158.3毫米
第 2 步： 下一个标准长度= 175毫米
步骤3： 验证：175mm × 0.24 = 42mm ✓
结果： 60×175 绿色弹簧 是正确的

5.3 绿泉快速参考图表

自由长度	最大行程（24%）	最佳（21.6%）	延长寿命（19.2%）
100毫米	24毫米	21.6毫米	19.2毫米
125毫米	30毫米	27毫米	24毫米
150毫米	36毫米	32.4毫米	28.8毫米
175毫米	42毫米	37.8毫米	33.6毫米
200毫米	48毫米	43.2毫米	38.4毫米
250毫米	60毫米	54毫米	48毫米

关于模具弹簧的常见致命误解

误解 #1：“所有 JIS 弹簧都具有相同的压缩极限”

错误的： “全部 JIS弹簧可以压缩到24%”

正确的： 每种颜色都有不同的限制：黄色 50%、蓝色 40%、红色 32%、绿色 24%、棕色 20%

误解 #2：“如果我能压缩它，它就是安全的”

现实： 物理压缩能力≠循环压缩安全性

类型	绿色春天	应用
弹性极限	40-45%	仅限单循环
安全循环	24%	300,000+ 次循环

误解 #3：“几毫米无关紧要”

超过 2 毫米 = 93% 寿命减少（案例研究）
4mm 超出 = 97-98% 减少
专业标准：精度要求±1mm

安装和维护最佳实践

7.1 关键安装要求

始终使用导销

导销直径：弹簧内径 – 1-2mm
例：60×150弹簧（ID=30mm）→使用28-29mm导销
防止横向偏转和弯曲

确保安装表面平行

平整度：≤0.02mm
平行度：≤0.03mm
使用沉孔定心

7.2 每月检查协议

1. 笔画验证（最关键）

使用千分表测量实际行程
与设计规范比较
措施：如果超出设计尺寸 2 毫米以上，则立即停止生产

2. 自由高度测量

降低高度	健康）状况	行动
≤0.5%	普通的	继续使用
0.5-1%	中度磨损	计划替换
>1%	严重	立即更换

7.3 更换时间表

压缩	预期寿命	替换于
19.2%	1,000,000 次循环	90万次循环
21.6%	50万次循环	45万次循环
24%	30万次循环	240,000-270,000 次循环

最佳实践： 务必更换整套弹簧，切勿更换单个弹簧。

结论：工程精度节省成本

关键经验

第 #1 课： 24% 规则对于绿色弹簧来说是绝对的——这是一个工程限制，而不是指导方针

第 #2 课： 不同颜色具有不同的压缩极限（黄色 50%、蓝色 40%、红色 32%、绿色 24%、棕色 20%）

第 #3 课： 小错误 = 巨大成本（超过 2 毫米 = 93% 寿命缩短）

第 #4 课： 正确的选择需要花费数美元，而失败则需要花费数千美元

物品	不正确（60×150）	正确（60×175）	不同之处
春季费用	$40	$48	+$8
预期寿命	<20,000 次循环	500,000+ 次循环	25倍长
每 10 万次循环的成本	$13,140	$48	95% 储蓄
失败成本	$5,000-7,000	$0	无价