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ばねは、金属ワイヤまたはストリップ素材をコイル状に巻いたり、曲げたり、プレスしたりして、機械的エネルギーを蓄えたり放出したりする形状に作られます。最も一般的な方法は、コイルを巻く方法です。つまり、ワイヤーをワイヤーに通して送ります。 CNCスプリングマシン 正確に計算されたピッチと直径でマンドレルの周りで曲げます。大量生産の場合、このプロセスは、ばねのサイズと材質に応じて、毎分 50 ～ 400 パーツの速度で実行されます。
ワークショップで 1 つの部品のプロトタイプを作成している場合でも、商用で数千ユニットを実行している場合でも、 スプリングコイリングマシン 、中心的な手順は同じです。適切なワイヤを選択し、形状を設定し、スプリングを巻き付けるか成形し、熱処理して、表面を仕上げます。各段階には、ばねの荷重、疲労寿命、寸法の一貫性に直接影響する公差があります。
以下のセクションでは、実際の測定、材料の選択、機械の設定など、各ステップを詳しく説明します。これにより、最初のコイルから最後のコイルまで確実に機能するスプリングを製造できます。
必要なばねの種類を理解することで、製造プロセス、工具、機械構成が決まります。産業用および民生用アプリケーション全体で使用される 5 つの主要なカテゴリがあります。
最も一般的なタイプ。丸線はオープンピッチで螺旋状に巻かれているため、軸方向の荷重がかかるとバネが圧縮されます。 CNCコイルで作られています スプリングマシン ピッチツール調整付き。自由長の公差は通常、公称長さの ±1 ～ 2% です。
閉じたコイルと初期張力で巻かれているため、静止時にコイルが互いに押し付けられます。巻いた直後にスプリングマシンで両端にフックを形成します。フックの形状 (全ねじり、半ねじり、または拡張) はマシン プログラムで設定されます。
回転力に抵抗します。接線方向に伸びる脚を備えたクローズコイルまたはオープンコイルで巻かれています。あ ねじりバネ機 脚を正確な角度 (通常は 90°、180°、または±1° 以内のカスタム角度) に曲げます。
平らなストリップストックから打ち抜きまたは曲げられます。自動車の板ばねは、中央でクランプされた積層板を使用します。電子機器用の小さな板バネは、順送金型プレスで最大 800 ストローク/分の速度でプレスされます。
直列または並列に積み重ねられた円錐形のワッシャー。シートからワッシャーを型抜きし、それを円錐形にプレスすることによって形成されます。耐荷重はコーンの高さによって大幅に変化します。1 mm の高さの違いで荷重が 30 ～ 50% 変化する可能性があります。
材料の選択は任意の推測ではありません。間違った合金を使用すると、温度下で早期疲労、腐食破壊、または寸法ドリフトが発生します。以下の表は、業界全体で最も一般的に指定されるばね材料を示しています。
| 材質 | 標準 | 引張強さ | 最高温度 (°C) | 最適な用途 |
|---|---|---|---|---|
| ミュージックワイヤー(ハイカーボン) | ASTM A228 | 1700～2400MPa | 120 | 汎用・ハイサイクル |
| 硬伸線 | ASTM A227 | 1200～1900MPa | 120 | 静的または低サイクル負荷 |
| ステンレス鋼 302/304 | ASTM A313 | 1300～2000MPa | 260 | 腐食性環境 |
| ステンレス鋼316 | ASTM A313 | 1100～1800MPa | 316 | 海洋、化学物質への曝露 |
| クロムシリコン(SiCr) | ASTM A401 | 1900～2200MPa | 245 | 高応力バルブスプリング |
| インコネル718 | AMS 5596 | 1240～1450MPa | 700 | 航空宇宙、猛暑 |
| リン青銅 | ASTM B159 | 700～1100MPa | 95 | 電気接点、非磁性 |
ミュージックワイヤー（ASTM A228）は大まかにカバーします 圧縮ばね生産量全体の70％ 高い引張強度と安定した表面品質により、世界中で使用されています。クロムシリコン合金は、動作応力が引張強度の 45% を超える場合、またはばねのサイクルが 1,000 万回を超える場合に使用されます。
ワイヤの直径によって引張強度が決まります。0.5 mm のミュージック ワイヤの引張強度は 2400 MPa 近くですが、同じ合金の 6 mm ワイヤでは約 1700 MPa に低下します。この逆関係はすべてのばね設計方程式に組み込まれており、ばね機械を設定する前に考慮する必要があります。
最初に重要なパラメータを計算せずにばね機械を実行すると、材料が無駄になり、規格外の部品が製造されてしまいます。次の公式は、あらゆる圧縮バネ設計の基礎となります。
ここで、G = せん断弾性率 (鋼の場合は約 80,000 MPa)、d = ワイヤー直径、D = 平均コイル直径、Na = アクティブなコイルの数です。 d = 3.5 mm、D = 28 mm、Na = 8 の一般的な自動車用バルブ スプリングは、約 28 N/mm のレートを生成します。
C = D/d (バネ指数)。指数が 4 未満のスプリングでは、内側のコイルに高い応力集中が発生します。ワール係数によってせん断応力の計算が補正されます。ほとんどのスプリングは、C が 6 ～ 12 になるように設計されています。
Nc = 非アクティブ (閉じた) コイルの数、δ = ピッチ × Na。 2 つの閉端を持つ圧縮ばねの場合、Nc = 2。自由長は、巻き取り中の機械の停止位置を直接設定します。 CNCスプリングコイリングマシン .
実線の長さは、すべてのコイルが接触したときの圧縮された高さです。永久的なヘタリを避けるために、作動たわみがスプリングを固体長さより少なくとも 15% 上に維持していることを常に確認してください。多くのばね機械オペレータは、これを最小ギャップ チェックとして使用します。
プログラミングする前に、 スプリングマシン 、設計が 3 つのチェックに合格していることを確認します。(1) 負荷時の最大応力が動的用途の引張強度の 45% 未満に留まっている。 (2) スプリングは座屈しません - Lf/D 比が 4 を超える細いスプリングは横方向の座屈を起こしやすいです。 (3) 共振を避けるために、固有振動数は動作周波数の少なくとも 13 倍です。これらのチェックのいずれかが欠けていると、多くの場合、最初の 100,000 サイクル以内に現場での故障が発生します。
A スプリングマシン は、スプールから未加工のワイヤーを取り出し、単一の連続パスで完成したスプリングに曲げる、精密制御された成形システムです。最新の CNC バージョンは、古い機械のカムとレバーの機構を、数分で再プログラムできるサーボ駆動の軸に置き換えています。機械内部で何が起こっているかを理解することは、直径のドリフト、ピッチの変動、および最終状態の欠陥のトラブルシューティングに不可欠です。
ワイヤーはストレートナー (交互の角度に設定された一連のローラー) を通過し、スプールから自然なキャストとらせんが除去されます。不十分な矯正は、生産時のコイル直径のばらつきの主な原因です。ほとんど スプリングコイリングマシン 5 ローラーまたは 9 ローラーのストレートナーを使用します。 6 mm を超える重いワイヤには、トルク フィードバック付きの動力付きピンチ ローラー フィードが使用される場合があります。送り速度は機械の出力速度を直接決定します。送り速度 200 mm/s では、自由長 30 mm のスプリングを巻き取るのに約 0.15 秒かかります。
硬化された超硬ピンまたはローラーであるコイリング ポイントは、ワイヤをマンドレルに対してまたは自由空気中に偏向させて、コイルの直径を作成します。コイル巻き点を内側に移動すると、直径が増加します。外側に向けると減少します。ピッチ ツールは、1 回転あたりの軸方向の前進を制御し、スプリングのピッチ角を設定し、最終的には自由長を設定します。で CNCスプリングマシン 、両方の軸が 1 秒あたり 500 ～ 1000 回位置を更新するため、同じ風サイクル内でテーパー直径、可変ピッチ、樽型プロファイルがすべて可能になります。
プログラムされたコイル数に達すると、カットオフナイフがワイヤーをきれいに切断します。一貫した端部形状を生成するには、カットオフが正しい回転角度で発射される必要があります。カットオフのタイミングが悪いと、フック、バリ、または端の潰れが生じ、研削できなかったり、スプリングの直角度に影響を与えたりします。高速マシンは、応答時間が 5 ミリ秒未満の空気圧またはサーボ カットオフ システムを使用します。
主要な スプリングマシン メーカーには、WAFIOS (ドイツ)、Itaya (日本)、Bamatec (スイス)、および多数の中国メーカーが含まれます。 0.3 ～ 6 mm のワイヤを処理できるミッドレンジの 4 軸 CNC コイリング マシンの価格は、速度と軸構成に応じて通常 40,000 ドルから 120,000 ドルの間です。
次の順序では、未加工のワイヤから完成品、検査済みの部品までの工業用圧縮ばねの製造をカバーしています。ねじりバネと引張りバネは同じ骨格を踏襲し、成形段階と熱処理段階で変更を加えます。
入ってくるワイヤーは、直径公差 (ミュージック ワイヤーの場合は通常 ±0.5%)、引張強度、表面状態、およびスプール重量などの材料証明書と照合して検証されます。表面に継ぎ目、穴、または許容範囲外の直径があるワイヤは、機械に届く前に拒否されます。わずか 2% の直径の偏差により、バネレートは約 8% 変化します (レートは d⁴ に応じて調整されるため)。
オペレーターはワイヤーをストレートナーにロードし、巻き取りポイントまで送ります。 CNC プログラムは、ワイヤ送り速度、コイル直径の設定値、1 回転あたりのピッチ、総コイル数、およびカットオフ位置を指定します。最初の製品サンプルは低速 (通常は生産速度の 10 ～ 20%) で巻き取られ、プリントに対して測定されます。コイリングポイントの位置、ピッチツール角度、カットオフタイミングの調整は、すべての寸法が許容範囲内になるまで行われます。
最初の商品が承認されると、マシンはフル生産速度で稼働します。出力レートはワイヤのサイズによって異なります。 0.5 mm ワイヤは 200 ～ 400 スプリング/分で走行します。 6 mm ワイヤーは 15 ～ 40 スプリング/分で走行します 。 500～1000本ごとに工程内サンプルを採取し、自由長、外径、総コイル数を検査します。ハイエンドマシンの自動ビジョンシステムはあらゆる部品をチェックします。
巻かれたばかりのスプリングには、成形プロセスによる残留応力がかかっています。応力緩和により、ワイヤの冷間加工された微細構造を再結晶化させることなく、これが除去されます。炭素鋼ばねの場合、これは次のことを意味します。 200 ～ 260 °C で 20 ～ 30 分間 メッシュベルトオーブンまたはバッチオーブンで。ステンレス鋼には 315 ～ 370 °C が必要です。処理後、残留応力が緩和されると自由長が 0.5 ～ 2% 変化する可能性があります。これは巻線プログラムに考慮する必要があります。
閉じた端を備えた圧縮スプリングは、両頭グラインダーまたはロータリーグラインダーで研削され、平坦な座面が形成されます。研削では直角度を許容範囲内にするために十分な材料を除去する必要があります。通常は 傾きが 1.5° 未満 DIN 2096 / ISO 10243 規格に準拠。アンダーグラインディングでは、完全なベアリング接触ではなく点接触が残ります。研ぎすぎるとアクティブなコイルが切断され、バネ定数が低下します。
高荷重スプリングは、コイルの内側表面に好ましい圧縮残留応力を誘導するために、固体の高さまで 1 回以上圧縮されます。スクラッギングまたはプリセットと呼ばれるこのプロセスでは、スプリングが自由長の 1 ～ 5% 永久的に短くなりますが、耐用年数中の永久ヘタリに対するスプリングの抵抗が増加します。自動車のサスペンション スプリングとバルブ スプリングは、出荷前にほとんどの場合傷がつきます。
ショットピーニングでは、小さなスチールまたはセラミックのボールを高速でスプリングの表面に照射し、深さ 0.1 ～ 0.3 mm の圧縮応力層を作成します。この層は、ワイヤ表面での引張疲労亀裂の発生を防ぎます。ショットピーニングにより、ばねの疲労寿命を延ばすことができます。 200～500% 10⁸ 以上サイクルするエンジンのバルブ スプリングなどの高サイクル用途で。
保護コーティングのない炭素鋼スプリングは、湿気の多い環境では数週間以内に錆びます。一般的な仕上げには、電気亜鉛メッキ (5 ～ 12 µm)、リン酸亜鉛オイル、粉体塗装、または電子塗装が含まれます。食品、医療、または屋外環境用のスプリングには、ステンレス鋼のベース材料または追加の有機コーティングが使用されます。めっきによる水素脆化は既知のリスクです。めっき後に 190 ～ 220 °C で 4 ～ 8 時間ベーキングすると、吸収された水素が除去されます。
製造ロットごとに寸法検査と荷重検査が行われます。バネ定数テスターは、バネを 2 つまたは 3 つの定義された長さに圧縮し、各点での力を記録します。測定されたレートは、一般的なばねの場合は ±10%、精密ばねの場合は ±5% 以内で設計仕様と一致する必要があります。統計サンプリングは AQL テーブル (通常、重要なアプリケーションの場合は AQL 1.0 または 1.5) に従います。つまり、1,000 個のばねの多くでは 80 ～ 125 個のサンプルの検査が必要になります。
試作、修理、または少量の場合は、専用のバネがなくても機能的な圧縮または引張バネを作成することは完全に可能です。 スプリングマシン 。工具は最小限で、直径 2 mm 未満のワイヤのプロセスは簡単です。
手巻きスプリングは機械製部品の寸法の一貫性と一致しません。手巻きの場合、自由長の変動は±3～5%、直径の変動は±2～4%となります。より厳しい公差が必要な場合、または 20 ～ 30 個を超える場合は、 スプリングコイリングマシン が現実的な解決策です。
きちんとメンテナンスされていても、 スプリングマシン 、セットアップのドリフトや材料特性が変化すると、欠陥が発生します。次の表は、最も頻繁に発生する欠陥とその根本原因と修正措置をマッピングしています。
| 欠陥 | 考えられる原因 | 是正措置 |
|---|---|---|
| 実行中にODが徐々に増加します | コイリングポイントの摩耗、ワイヤスプール張力の低下 | コイルポイントを交換します。ワイヤーブレーキ張力を追加する |
| 自由長が短すぎる | ピッチツールが十分に進んでいません。間違ったコイル数 | ピッチツールオフセットを増やします。エンコーダ数を確認する |
| 非四角形の端 | 不均一なエンドコイルの閉鎖。グラインダーホイールが平らではない | エンドコイルカムを調整します。ドレスグラインダーホイール |
| ワイヤー表面の亀裂 | 縫い目はワイヤー入り。マンドレルの直径が小さすぎる (高応力) | ワイヤーロットを拒否します。スプリングインデックス (D/d 比) を増加します。 |
| 絡み合ったバネ | ピッチに比べて外径が大きすぎます。引張スプリングのエンドフック | ODを減らします。出力ビンに仕切りを追加する |
| ばね定数が一定していない | ピッチバリエーション。線径公差外 | ピッチツールを再確認してください。ワイヤロット仕様を締める |
| バリや鋭利な切断端 | 鈍いカットオフナイフ。間違ったカットオフ角度 | ナイフを研ぐか交換します。カットオフカム角度を調整する |
スプリングは汎用部品ではありません。わずかな寸法の誤差により、荷重と疲労寿命に大きな変化が生じます。ばねの公差を管理する主な規格は、DIN 2095 / 2096 (圧縮)、DIN 2097 (伸長)、および DIN 2194 (ねじり) です。 ISO 10243 および ISO 8458 は国際サプライ チェーンにも適用されます。
DIN 2095 では、グレード 1 (自由長の ±0.5%)、グレード 2 (±1%)、グレード 3 (±2%) の 3 つの公差グレードが定義されています。自由長 80 mm のスプリングでグレード 1 の部品を製造するスプリング マシンは、±0.4 mm を維持する必要があります。これは、適切に調整された CNC コイリング マシンでは達成可能ですが、古いカムタイプのマシンでは達成できません。
外径の公差は、バネ指数とワイヤー直径に従います。 OD = 20 mm、d = 1.5 mm の一般的なスプリングの場合、グレード 2 の公差は約 ±0.4 mm です。モダン スプリングマシン サーボフィードバックを備えたシステムは、OD を日常的に ±0.1 mm 以内に保ちます。
直角度（バネ軸に対するコイル端面の直角度）は、自由長100mm当たりの最大偏差をmm単位で指定します。 DIN 2096 グレード 2 では、100 mm あたり 3 mm が許容されます。精密組み立て用のスプリング (バルブ スプリング、計器用スプリング) の必要な寸法は 100 mm あたり 1 mm 未満です。
バネ定数は、ロードセルを使用して 2 つの定義された長さでテストされます。通常、公差は市販のばねでは ±10%、精密ばねでは ±5% です。自動車用サスペンション スプリングは多くの場合、レートが ±3%、自由長が ±1% に保たれており、自動バネレート機械での 100% テストが必要です。
手巻きのプロトタイプや 1 シフトの手動機械から本格的な生産に移行するには、機械の能力、材料の物流、検査インフラストラクチャの 3 つの変数を中心に計画を立てる必要があります。
次の計算を使用します。1 か月あたり 500,000 個のスプリングが必要な場合、 スプリングコイリングマシン 80 スプリング/分で稼働すると、1 か月あたり約 104 機械時間が必要になります。 22 稼働日、1 シフトあたり 8 時間の場合、1 シフトの 1 台の機械は月あたり 192 機械時間を生産します。これは十分にキャパシティ内です。ただし、セットアップ時間 (切り替えごとに 30 ～ 60 分)、メンテナンスのダウンタイム (適切にメンテナンスされたマシンの合計時間の 5 ～ 8%)、および最初の品目の承認時間を考慮すると、有効容量は使用可能時間約 160 ～ 170 時間に低下します。 生産能力を見積もる場合は、実際の使用率が 75 ～ 80% になるように計画します。
1.5 mm ワイヤーを使用した自由長 30 mm のスプリングで 500,000 本/月のワイヤーを使用すると、1 ヶ月あたり約 15,000 メートルのワイヤーが消費されます。これは合金密度に応じて約 130 ～ 160 kg になります。 500 kg のコイルではなく 100 kg のスプールでワイヤを購入すると、材料コストを 8 ～ 15% 削減できます。お使いのスプールの互換性を確認してください。 スプリングマシン のペイオフシステムは、大量注文前に。
月に 500,000 個の全数を手作業で検査することは現実的ではありません。スプリングの直径、自由長、端部の状態を自動化した視覚システムで 1 秒あたり 60 ～ 120 個のスプリングをチェックし、リアルタイムで欠陥にフラグを立てます。インライン荷重試験機は各部品のバネ定数を検証します。完全自動検査セルの資本コストは 25,000 ～ 80,000 米ドルですが、スクラップ率が 1 ～ 2% から 0.1% 以下に低下すると、すぐに元が戻ります。
TK-13200、TK-7230 TK-13200、TK-7230 12軸CNCスプリングコイリングマシン ...
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