圧縮バネ設計ガイド: 配合、材料、製造のヒント

圧縮ばねの設計で最初に正しく理解しなければならないこと

5 つの数字がすべてのパフォーマンスを決定します 圧縮ばね : ワイヤ直径、平均コイル直径、アクティブなコイルの数、自由長、およびワイヤ材料のせん断弾性率。これらを設定すると、バネ定数、最大応力、固体高さ、および使用可能なたわみが固定出力として続きます。これら 5 つを正しく設定すれば、残りの設計作業は検証になります。一つ間違えると、スプリングがボア内にうまく収まらず、早期に疲労したり、目標荷重に達しなかったりします。

28 年以上のばね製造装置の構築から得た実際的な結論はシンプルです。設置スペースと荷重たわみの要件から始めて、4 ～ 12 の間のばね指数を選択し、ばね定数の公式に面倒な作業を任せます。次に、応力を確認し、長さと直径の比率を確認し、固体の高さより上に常にクリアランスを残します。使用中に確実な高さに達する圧縮スプリングは、応力が大幅に上昇するスプリングです。

• 線径(d) レート、ストレス、コストを制御します。式ではdの4乗を使用しているため、線径が10%変化するとバネレートは約46%変化します。
• 平均コイル直径 (D) ボア内またはロッド上のフィットを設定します。また、応力にも直接影響するため、D が小さいほど、バネが硬くなり、応力が高くなります。
• アクティブコイル(ナ) 実際に曲がるコイルです。アクティブコイルを追加するとバネが柔らかくなります。
• 自由長(LF) 利用可能な移動量、固体の高さ、座屈のリスクを決定します。
• せん断弾性率(G) 選択された材料の特性です。スチールワイヤーの場合、値は 79,300 N/mm² 近くに留まりますが、ステンレスと青銅は大幅に低くなります。

順序が重要です。自由長や自由ピッチから始めないでください。 d、D、Na、Lf、G から始まり、他のすべては派生します。

圧縮バネとは何か、そしてどのようにエネルギーを蓄えるのか

圧縮バネは、丸線で形成されたオープンコイルのコイルバネで、軸方向の圧縮荷重がかかるとバネが短くなるようにコイル間にピッチが設定されています。荷重が取り除かれると、ばねは元の自由長に戻ります。コイル間のスペースは見た目上のものではなく、スプリングのたわみ容量を定義します。

圧縮バネは、世界で最も一般的に製造されている種類のバネです。これらは、エンジン バルブ、サスペンション システム、ドア ロック、電気接点、医療用注射器、産業用安全バルブ、航空宇宙用アクチュエーターなどに使用されます。これらの用途では、ばねは 3 つの仕事のうちの 1 つを実行します。力に抵抗するか、後で解放するためにエネルギーを蓄えるか、変位後に部品を所定の位置に戻すかです。

動作原理は曲げではなくねじりです

圧縮バネが圧縮されると、ワイヤーはそれ自体の軸を中心にねじれます。このねじれによりワイヤ断面にせん断応力が発生し、測定結果はばねの軸に沿った圧縮力となります。通常の設計では、ばねはたわみが荷重に比例する弾性範囲で動作します。荷重とたわみの比はバネ定数であり、ニュートン/ミリメートル (N/mm) またはポンド/インチ (lb/in) で表されます。

圧縮ばねが指定される場所

設計者は、一定の移動量にわたって力を予測可能に保つ必要がある場合、組み立てスペースが限られている場合、または機構がシンプルで信頼性の高い復元力を必要とする場合に、圧縮バネを指定します。他のタイプのスプリングと比較して、円筒形圧縮スプリングは製造コストが安く、計算が容易で、CNC スプリングコイリングマシンでの大量生産が簡単です。トレードオフは、平均直径に比べて自由長が長い場合、横方向のサポートが必要になることです。

すべての設計で定義する必要がある主要なパラメータ

以下の表は、円筒圧縮バネの標準パラメータセットを示しています。これらの記号は、一般的なばね設計リファレンスで使用される規則に従っているため、次のセクションの式に直接変換されます。

線径、平均直径、バネ指数

ばね指数 C は、平均直径とワイヤ直径の比です。 C が 3 未満のスプリングは、ワイヤーの内側が実際の限界を超えて圧縮されるため、ワイヤーの表面に亀裂を入れずにコイル状に巻くのは非常に困難です。 C が 12 を超えるスプリングは巻きやすいですが、もつれやすく、公差に敏感で、振動やサージが発生しやすくなります。設計のスイート スポットは 4 ～ 12 の間の C です。精密スプリングの場合は 6 ～ 10 を目指します。

アクティブなコイルと総コイル数

アクティブなコイルのみが圧縮中に曲がります。平らに押し付けられたエンドコイルは次のコイルに接触し、たわみに寄与しなくなります。 2 つのエンド コイルを備えたクローズド アンド グラウンド エンド設計では、アクティブなコイルの数はコイルの合計から 2 を引いたものに等しくなります。式で間違ったコイル数を使用すると、多くのスプリング プロトタイプが失敗する原因になります。

自由長、立体高さ、ピッチ

自由長と固体高さによって、利用可能な移動量が決まります。通常の動作では、スプリングを完全な高さまで圧縮することはできません。そうすることでストレスが急激に増加し、永久的なストレスが残ることがよくあります。一般的なルールは、最大たわみの少なくとも 10% ～ 15% を固体の高さの上のクリアランスとして維持することです。必要な移動量を確保しながら、自由長が組立スペースに適合するようにピッチが設定されます。

エンドの種類とスプリング性能への影響

端部処理は、設計における最初の製造上の決定事項です。アクティブなコイルの数、スプリングの直角度、コストが変わります。圧縮バネには 4 つの一般的な端部構成があります。

クローズドエンドとグラウンドエンドが精度の標準である理由

密閉接地スプリングはシートに対して垂直に立ち、接地面全体に荷重を均等に分散し、圧縮しても回転しません。このため、バルブ スプリング、医療機器用スプリング、および器具用スプリングは、ほとんどの場合、端部が閉じた接地された状態で仕様化されています。研削作業により、亀裂が発生する可能性がある端のワイヤ表面層も除去されます。コストの増加はわずかですが、座りの安定性の向上は顕著です。

プレーンエンドで十分な場合

スプリングが短くポケットでサポートされている場合、または荷重経路が重要ではない場合は、プレーンエンドを使用するとコストが節約されます。ロック機構、電気スイッチ、および包装機械の工業用圧縮バネは、通常、プレーンまたは接地されていない閉じた端を使用します。設計では、圧縮開始時にスプリングが横に傾かないことを検証する必要があります。

材料の選択: せん断弾性率から開始し、次に環境を確認します

バネ定数の式では、他の材料特性の前にせん断弾性率 G が使用されます。 G は材料定数であり、熱処理、冷間加工、硬度によって変化しません。熱処理によって変化するのは、許容応力を設定する引張強さです。したがって、材料の選択によって、設計のバネ定数と耐荷重の両方が決まります。

ほとんどのアプリケーションでは、材料の決定はいくつかの質問によって決まります。スプリングに湿気や化学物質が入りますか?動作温度は何度ですか?何サイクル耐えられるでしょうか？腐食や導電性は関係しますか?以下の表に、一般的に使用されるスプリング ワイヤ材料と、その代表的なせん断弾性率および温度制限を示します。これらの値は、SAE ばね設計マニュアルやワイヤ サプライヤー データシートなどのばね設計リファレンスで使用される公開された材料データに従います。

バネレートの計算式では線径の 4 乗を使用するため、炭素鋼からステンレス鋼に切り替えても、バネレートは予想されるほど変化しません。 G の 10% ～ 15% の低下は、d のごくわずかな増加によって補うことができます。上記の材料比較表は出発点であり、生産のための表面仕上げやワイヤ送給特性を含む完全な選択ロジックは、当社のガイドでカバーされています。 ばね機械製造用のばね材料の選択 .

基本的な計算式: バネ定数、応力、たわみ

バネレートの計算式

円筒形の圧縮バネのバネ定数は次のとおりです。

k = G × d ⁴ / (8×D ³ ×ナ）

ここで、k はバネ定数 (N/mm)、G はせん断弾性率 (N/mm²)、d はワイヤ直径 (mm)、D は平均コイル直径 (mm)、Na はアクティブなコイルの数です。すべての単位の一貫性を保ちます。ミリメートルとメートルの混同は最も一般的な間違いです。

ワール係数とせん断応力

荷重 F がかかったコイルばねの直接せん断応力の公式は、8FD/(πd3) です。これは、コイルの内側に応力を集中させるワイヤの曲率を無視します。ワール係数 K_w はその効果を補正します。

K_w = (4C − 1)/(4C − 4) 0.615/C

ここで、C はバネ指数です。補正されたせん断応力は、τ = K_w × 8FD/(πd³) です。バネ指数が 7 の場合、ワール係数はわずか約 1.21 です。指数 3 では 1.62 を超えます。これが、常に低いバネ指数で応力をチェックする理由です。

加工例: 2 mm ワイヤー、平均直径 14 mm

ミュージック ワイヤー (G = 79,300 N/mm²)、ワイヤー直径 d = 2.0 mm、平均コイル直径 D = 14 mm、および Na = 8 個のアクティブ コイルを使用して圧縮バネを設計します。閉端と接地端を備えたコイルの合計: Nt = Na 2 = 10。

ステップ 1 — 春のインデックス: C = D/d = 14/2 = 7、推奨される 4 ～ 12 の範囲内です。

ステップ 2 — バネレート: k = 79,300 × 16 / (8 × 2,744 × 8) = 1,268,800 / 175,616 = 7.22N/mm .

ステップ 3 — 120 N 荷重でのたわみ: s = 120 / 7.22 = 16.6mm 。自由長は45mmなので、負荷時の圧縮長は28.4mmとなります。

ステップ 4 — ソリッドの高さ: Ls ≈ Nt × d = 10 × 2 = 20mm 。実線上のクリアランスは 28.4 − 20 = 8.4 mm で、これはたわみ移動量の約 28% であり、推奨される 10% ～ 15% のマージンを安全に上回っています。

ステップ 5 — ストレスチェック: K_w = 1.21; τ = 1.21 × 8 × 120 × 14 / (π × 8) = 647 N/mm² 。この直径でのミュージック ワイヤーの一般的な許容せん断応力は、最小引張強度の約 45%、およそ 900 N/mm² であるため、設計は快適でありながら過剰ではないマージンで動作します。これらの許容応力パーセンテージは標準的なばね設計基準から得られ、正確な数値はサプライヤーが納入するワイヤの引張グレードによって異なります。

生産の観点から見た実践的なデザインルール

紙の上では完璧に見えるばねを製造するのは困難であったり、製造コストが高かったりする場合があります。以下のルールは、教科書的な理論だけからではなく、コイリング、研削、焼き戻し装置の実際の経験に基づいています。

Spring Index を 3 ～ 12 の間に保ちます

3 未満では、コイリング中に内側半径のワイヤ表面に過度のひずみが生じ、マンドレルに過剰な工具圧力がかかります。 12 を超えると、スプリングは扱いにくくなり、直径の公差を保持するのが難しくなり、軽い横荷重で隣接するコイルが接触する可能性があります。ほとんどの CNC スプリングマシンは、インデックス 4 ～ 10 の間で最も安定した品質を生成します。

座屈については長さと直径の比率に注意してください

圧縮バネは細い柱のように動作します。一定の自由長と平均直径の比を超えると、荷重がかかると横方向に曲がります。平行に支持されたスプリングの場合、臨界比は約 4 です。Lf/D が 4 を超える場合、設計にはガイド ロッド、アウター スリーブ、または円錐スプリングの形状が必要になります。座屈は形状の問題であり、材料の問題ではありません。ワイヤーのグレードを変更しても問題は解決しません。

機械が実際に保持できる公差を指定する

圧縮バネの一般的な製造公差は、バネ指数に比例します。合理的な動作想定は、インデックス 8 までの外径公差は約 ±1%、インデックス 10 を超える場合は ±1.5% ～ ±2% です。自由長公差は ±1% ～ ±2% が現実的です。自由長公差が厳しくなると、通常は追加の選別や研削が必要になります。バネレートの許容差は線径の許容差から決まるため、非常に正確なレートが必要な場合は、上流で d を厳密に制御する必要があります。

• 制御された直径を指定します。スプリングがボア内にある場合は OD、ロッド上をスライドする場合は ID です。
• 機能的に必要以上に厳しい公差を要求しないでください。精度が 0.1 mm 上がるごとに、コイルのツーリングと検査にコストがかかります。
• 高い応力がかかったスプリングの場合は、最終的な自由長チェックの前に、指定された回数だけスプリングを固体の高さまで圧縮する永久セット テストを追加します。

CNCコイリング用の設計

多軸 CNC コイリング マシンは、ピッチ、直径、送り長さ、カット角度を 1 回のパスで制御します。つまり、工具を変更せずに、可変ピッチ、エンドコイルの縮小、またはねじれ角の変更を設計に含めることができます。 5 軸 CNC ばね成形機は、ほとんどの精密つる巻きばねに必要な範囲のピッチ精度を維持するため、設計者はピッチを派生値ではなく管理された寸法として指定する必要があります。ピッチがサージ動作にとって重要な場合は、図面にその旨を記入してください。一定ピッチ設計は、生産現場での検証が常に容易です。

端部研削、応力除去、仕上げステップ

閉じた端と接地端に研磨作業が必要な理由

エンドコイルを閉じても、端面はまだ凹凸があります。研削によりワイヤ幅全体にわたって端が平らになり、スプリングが垂直になります。研削品質は、研削面の平坦幅とバネ軸に対する端部の直角度の 2 つの出力によって判断されます。精密アセンブリの仕様では、一般にワイヤ端の周囲の少なくとも 75% が平らに接地されることが求められます。あ CNCバネ研削盤 発生した熱でワイヤ表面が焼けないように、砥石車の送りと滞留時間を制御します。研ぎすぎるとワイヤーの断面積が減少し、エンドコイルが弱くなり、研削が不十分だとシートが揺れてしまいます。

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コイリング後の応力除去と焼き戻し

冷線をコイル状に巻くと、特に各コイルの内側半径に大きな残留応力が生じます。応力緩和は、完成したスプリングを材質に応じた温度で短時間加熱することによって行われます。通常、ミュージックワイヤーは約 180°C ～ 230°C、オイルテンパー線は約 230°C ～ 260°C、クロムシリコン合金は約 350°C ～ 430°C で緩和されます。目標は、ワイヤを軟化させることなく寸法を安定させ、疲労寿命を向上させることです。ばね工場で使用される焼き戻し炉は、負荷全体にわたって均一な温度を維持するため、バッチ内のすべてのばねが同じ処理を受けます。不均一な焼き戻しは、バッチごとに自由長が変動する一般的な原因です。

ショットピーニングとプリセット

数百万回のサイクルに耐える必要があるスプリングの場合、ショットピーニングによってワイヤー表面が圧縮され、疲労亀裂の発生源が応力場の下に押し出されます。圧縮残留応力設定とも呼ばれるプリセットでは、スプリングを固体の高さまで 1 回または数回圧縮して、内側のファイバーに有益な残留応力を誘導します。どちらのプロセスもバルブ スプリングとサスペンション スプリングの標準ですが、コストがかかります。疲労寿命が必要な場合にのみ使用してください。

デザインを図面から製造まで

プロトタイプとサンプルの実行

本格的な生産に着手する前に、小さなバッチを実行して、測定されたバネ定数、応力除去後の自由長、および固体の高さの 3 つのことを検証します。測定されたレートがずれている場合は、最初に実際のワイヤ直径を確認してください。4 乗により、0.02 mm のワイヤ公差でも目に見えるレートの変化が生じるためです。次に、アクティブなコイル数が実際に機械で製造された端部処理と一致するかどうかを確認します。追加のエンドコイルを 1 つ使用して作られた密閉接地スプリングは、計算よりも柔らかく動作します。

実稼働用のマシンタイプの選択

マシンのタイプは図面と同じくらい重要です。一定のピッチと研削端を備えた純粋な円筒形の圧縮スプリングは、スプリングコイリングマシンとそれに続くエンド研削盤の標準的な作業です。可変ピッチのスプリング、円錐形、または曲がった脚には、より多くの軸が必要です。あ 12軸CNCスプリングカムレスマシン すべての作業軸が独立して移動し、製品ファミリー間で変更するカムがないため、複雑な形状を処理できます。コイル巻き、端部研削、熱処理など、ワイヤーからスプリング完成品までの製造ルートは、次の記事で段階的に説明されています。 バネの作り方 .

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アプリケーション固有の検証

ドアラッチで動作する圧縮スプリングは、自動車の燃料インジェクターでは故障する可能性があります。これは、動作周波数が異なり、スプリングの動的挙動が変化するためです。に使用されている圧縮バネ 自動車およびモビリティアプリケーション サージ周波数、疲労寿命、および動作温度での緩和をチェックする必要があります。デザイナーが作成した図面は始まりにすぎません。生産設備は、何千もの部品にわたって形状を一貫して保持する必要があります。

圧縮ばねの設計に関するよくある質問

1. 圧縮バネのバネ定数を最も速く計算する方法は何ですか?

k = G × d⁴ / (8 × D³ × Na) を使用します。 d、D、Na を一貫した単位で測定します。 G が N/mm² で、すべての寸法が mm である場合、結果は直接 N/mm になります。最も頻繁に発生するエラーは、ワイヤのゲージと物理的なワイヤの直径を混合することです。

2. 春の指標はどれくらいを目標にすればよいですか？

スプリング インデックスは 4 ～ 12 を目指し、精密スプリングの推奨ゾーンは 6 ～ 10 です。 4 未満では、ワイヤの内側半径に過度のストレスがかかります。 12 を超えると、ばねの取り扱い、正確な巻き取り、一貫した測定が難しくなります。

3. クローズドエンドとグランドエンドをいつ指定すればよいですか?

スプリングを垂直に立てたり、平らなシートで凹部に設置したり、周期的な荷重を負荷したりする必要がある場合は、閉じた端と接地端を指定します。バルブ スプリング、ロード セル、および医療機器のスプリングには、閉鎖端と接地端が使用されます。プレーンエンドは、スプリングがロッドまたはポケットによってガイドされる低コスト、低サイクルの用途に使用できます。

4. ミュージックワイヤーとステンレス鋼 — どちらを選ぶべきですか?

乾燥した屋内の非腐食環境で最高の強度と最高の疲労寿命を実現するミュージック ワイヤーを選択してください。ばねが湿気、化学薬品、または洗い流されにさらされる場合は、ステンレス 302 または 304 を選択します。また、せん断弾性率が低いということは、同じばね定数であれば線径がわずかに大きくなるということを受け入れてください。ステンレスも約 260°C までは有用な強度を維持しますが、ミュージック ワイヤーは 120°C を超えると性能が低下します。

5. 圧縮バネの座屈を防ぐにはどうすればよいですか?

平行な端を持つスプリングでは、自由長と平均直径の比を約 4 未満に保ちます。それ以上の場合は、ガイドロッドやアウタースリーブを使用するか、円錐形や樽形のスプリングに変更してください。座屈は、より強力な材料を選択しても修正できません。それは幾何学の問題です。

6. CNC スプリングマシンは可変ピッチ圧縮スプリングを製造できますか?

はい。多軸 CNC スプリング フォーマーはピッチ ツールとワイヤ フィードを独立して移動させるため、同じ部品内でスプリング軸に沿ってピッチを変更できます。可変ピッチは、固有振動数を制御し、ストロークの長いスプリングの固体高さを下げるために使用されます。一貫した結果を得るには、単一の公称値ではなく、図面上の点のテーブルとしてピッチ プロファイルを指定します。