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あります 6種類の一次スプリングタイプ 圧縮バネ、引張バネ、ねじりバネ、定荷重バネ、ウェーブ スプリング、皿 (皿) バネなど、産業用および消費者向け製品に使用されます。それぞれは、圧縮、伸長、ねじれ、回転、平坦化、積み重ねなど、機械的エネルギーをどのように蓄え、放出するかによって定義されます。正しい選択は、荷重の方向、利用可能なスペース、部品が何回の作業サイクルに耐えなければならないかによって決まります。今日では、そのほぼすべてがコンピュータ制御の機械で形成されています。 スプリングマシン 手作業ではなく。
スプリングが分類されるカテゴリは、実際には機械的な動作の略語です。圧縮バネが押し戻します。引張りバネが引き戻されます。トーションスプリングはねじれに強い。その動作が修正されたら、他のすべて (ワイヤー直径、コイル数、端の形状、材質) は、目標の荷重、たわみ、耐用年数を達成するための調整作業となります。
このガイドでは、各タイプのスプリング、その背後にある材料、現代のスプリング機械が各スプリングをどのように成形するか、エンジニアが実際の荷重ケースに合わせてスプリングをサイズ設定する方法、さまざまな業界で各タイプが現れる場所、一般的な故障点、仕上げと腐食保護、生産量を調達する際の見積もりの比較方法について詳しく説明します。
圧縮バネは、圧縮時に圧縮力に抵抗し押し戻すように設計されたオープンコイル スプリングです。これらは機械アセンブリで最も一般的なスプリング タイプで、マットレス、ボールペン、バルブ、サスペンション システム、工業用金型などに使用されます。荷重がコイルを互いに押すと、スプリングはエネルギーを蓄え、荷重が解放されると同じ軸に沿って押し戻されます。
コイルは静止状態では互いに離れて座っているため、圧縮バネはコイルが接触するまで圧縮することができます (この状態をソリッドハイトと呼びます)。優れた設計により、通常の動作ではばねが固体の高さから十分に離れた状態に保たれます。これは、底付きを繰り返すと接触点のワイヤが加工硬化し、疲労寿命が短くなるからです。ほとんどのエンジニアリング ガイダンスでは、動作たわみを固体高さまでの利用可能な総移動量の約 80% 以下に保ち、オーバートラベル イベントに対する安全マージンを残します。
圧縮バネは、エンドコイルの仕上げ方法によっても定義されます。プレーンエンドは、らせんに一致する角度でワイヤーを切断したままにし、迅速に製造できますが、負荷がかかるとスプリングがわずかに揺れます。角張った端部は研磨または平らにプレスされ、スプリングが傾くことなく平らな面に直立するようにします。角張って研削された端部はさらに一歩進んで、エンドコイルを完全に平らに研磨します。これは、バルブアセンブリなど、スプリングを平らなプレートに均等に設置する必要がある場合によく行われます。
プロダクショングレード スプリングマシン 一連のフィードローラーを通してワイヤーを送り、それをマンドレルまたはフォーミングピンの周りに巻き付けることによって圧縮バネを形成し、次にカットオフツールがプログラムされた長さで各コイルを分離します。 CNC 制御の機械は、ピッチ公差を十分に厳密に保持して、生産工程全体でバネ定数の変動を約 3% 未満に抑えることができます。これは、バルブ スプリングなど、一貫した力が重要な部品にとって重要です。大容量の圧縮スプリング ラインは通常、コイリング ヘッドとインライン研削ステーションを組み合わせているため、別途二次加工を行わなくても角張った端部を仕上げることができます。
引張りスプリングは、引っ張り力に抵抗し、解放されると元の長さに戻ろうとするきつく巻かれたコイルです。圧縮スプリングとは異なり、コイルは静止時に互いに接近して配置され、通常は初期張力が組み込まれているため、加えられた力が予荷重を超えた場合にのみスプリングが伸び始めます。ガレージ ドアの機構、トランポリン、網戸、トグル スイッチはすべて引張バネに依存しています。
初期張力は、引張りばねの最も誤解されている特性の 1 つです。成形中、コイルは互いにしっかりと巻き付けられるため、加えられた力がその内蔵張力を超えるまで、スプリングはいかなる引っ張りにも抵抗します。そのとき初めて、追加された荷重に比例して伸び始めます。設計者は、この初期張力を意図的に指定します。これは、少なすぎると静止時にスプリングがたるむことができ、多すぎると移動の開始時に機構が硬く感じられるためです。
引張りばねの設計作業のほとんどは、コイル本体ではなく端で行われます。マシンフック、クロスオーバーループ、サイドループ、エクステンデッドアイはそれぞれ、スプリングの取り付け方と曲げ部分での応力集中の仕方を変化させます。通常、フックの曲がり部分が疲労破壊の始まりとなるため、多くの場合、コイル自体よりもフックの形状がスプリングの耐用年数を制限する要因となります。
最新のスプリング機械では、フックの成形はコイリングと同じサイクルで行われます。コイリングツールが本体を巻き取った後、二次ツールが回転し、切断前にワイヤの端をフック形状に曲げます。これにより、フックの位置合わせが一貫した状態に保たれます。これは、引張スプリングを手作業で成形する場合によくある品質問題の 1 つです。フックの角度を一定にすることは、スプリングが取り付けブラケットにどのようにぶら下がるかにも重要です。フックがねじれていると、コイル本体が耐えられるように設計されていない不要な側面荷重が発生する可能性があります。
ねじりバネは、軸に沿って押したり引っ張ったりするのではなく、軸の周りをねじるとエネルギーを蓄えます。コイル本体は角変位に抵抗し、両端の直線脚がその回転力をアセンブリに伝達します。洗濯バサミ、ネズミ捕り、ガレージドアのカウンターバランスシステム、キャビネットドアのヒンジなどが典型的な例です。
圧縮バネや引張バネとは異なり、ねじりバネはほとんどの場合、荷重がかかると巻き上がるにつれてコイルの直径がわずかに減少して機能するように設計されています。つまり、スプリングが設置されるシャフトまたはマンドレルは、この減少のためのクリアランスを持ったサイズにする必要があり、そうしないと、スプリングが意図した移動量に達する前にコイルがシャフトに拘束されてしまいます。これは、多くの初めての設計者にとって不意を突かれる細部です。
| トーションスプリング機能 | デザイン効果 |
|---|---|
| コイルの方向（左巻きまたは右巻き） | 荷重下でスプリングが巻き取られる方向と一致している必要があります。そうしないと、コイルが締め付けられるのではなく、ほどけてしまいます。 |
| 脚の構成 | まっすぐな脚、ヒンジ付き脚、または角度のある脚によって、トルクが周囲のアセンブリにどのように伝達されるかが決まります。 |
| アクティブなコイルの数 | 一般にコイルが増えるとトルク率が低下し、利用可能な回転移動量が増加します。 |
| ボディスタイル (クローズワインド vs. スペースド) | 密巻きコイルはコイル間の摩擦ノイズを低減します。間隔をあけたコイルにより、重負荷時の結合の可能性が軽減されます。 |
家庭用の例以外にも、トーション スプリングは、重いオーバーヘッド ドアのカウンターバランス機構、ラチェットと爪アセンブリのリターン スプリング、キャビネットや筐体のヒンジ クローザー、および別個の留め具を使わずに 2 つの部品を保持するために軽くて一定の回転力が必要なクランプ機構などに使用されています。
ねじりバネは通常、回転脚曲げヘッドを備えた CNC バネ機械で形成されます。これは、脚の角度精度がバネの取り付け穴への収まり方に直接影響するためです。脚が数度ずれているだけでも、組立ライン全体で予荷重の不一致が生じる可能性があります。そのため、脚の角度は、新しい工具セットアップの入荷検査中に最初にチェックされる寸法の 1 つとなります。
皿ばねは、軸方向の荷重がかかると平らになる円錐形のワッシャーです。直列に積み重ねると移動量が増加し、並列に積み重ねると耐荷重が増加するため、設計者が非常に短い軸方向のスペースで特定の力曲線を必要とするあらゆる場所で役立ちます。ボルト締めされたフランジ アセンブリや重機が一般的な例です。皿ばねの便利な特性は、その厚さに対するコーンの高さによってフォース カーブを調整できることです。浅いコーンはほぼ直線的な力の応答を与え、一方、より高いコーンは平坦またはスナップスルーのフォース カーブを生成するように調整でき、これは過負荷解放機構に役立ちます。
ウェーブ スプリングは、丸線コイルの代わりに波形のリング状の形状を使用し、圧縮された高さの約 3 分の 1 から半分でコイル スプリングと同じバネ力を発揮します。軸方向のスペースが限られている場合、ベアリングの予圧や小型電子コネクタの用途にはウェーブ スプリングが適しています。通常、シングルターン、マルチターン、ネスト型で製造され、より高い作業高さが利用できるが、半径方向のスペースが依然として狭い場合には、マルチターン ウェーブ スプリングが一般的に使用されます。
丸線ではなくプレストレスを与えた平らなストリップから圧延された定荷重スプリングは、力の上昇曲線ではなく、伸張範囲全体にわたってほぼ同じ出力力を提供します。格納式巻尺、カウンターバランス機構、ケーブル リールはこの動作に依存しています。ストリップは静止時にはきつく巻かれ、負荷がかかると巻き戻されるため、コイル スプリングの抵抗が着実に増加するのに比べ、力の出力は著しく平坦なままです。
ガス スプリングはまったく異なるカテゴリです。圧縮ガスとピストン ロッドが入った密閉シリンダーであり、自動車のハッチの支柱や調整可能なオフィス チェアなど、制御され減衰された伸びが必要な場所に使用されます。これらは、ワイヤー成形スプリング機械ではなく、油圧充填装置で製造されます。
あまり一般的ではありませんが、依然として関連性のある 2 つのタイプが専門カテゴリを締めくくります。ボリュート スプリングは、円錐形に巻かれた平らなストリップで、座屈耐性に優れた圧縮スプリングのように機能し、歴史的に大型車両のサスペンションに使用されてきました。蛇行スプリングは、連続したジグザグの丸線から形成されており、かつては布張りの座席で一般的であり、荷重をいくつかの点に集中させるのではなく、広い座面全体に均等に分散させることで評価されていました。
通常、製造されるばねの種類によって、どのワイヤ合金が適切であるかが決まり、ばね機械に通した後の各合金の挙動は異なります。
2 つの次元が、他の単一の変数よりもスプリングの挙動を支配します。それは、ワイヤ直径とスプリング インデックス、コイル直径とワイヤ直径の比率です。線材が太くなると、バネレートが線径の 4 乗に比例するため、剛性が急激に高まりますが、バネ指数が低い (線材に対してコイルがきつい) と、各コイルの内側での応力集中が増大し、バネを正確に形成することが難しくなります。ほとんどの実用的な設計では、バネ指数はおよそ 4 ～ 12 の間に保たれます。それよりきつく巻かれたスプリングは工具の調整や応力修正に特別な注意が必要ですが、それより緩く巻かれたスプリングはもつれや座屈が起こりやすくなります。
CNC スプリング マシンは、負荷される合金に応じてコイリング速度、ワイヤの送り速度、および成形ピンの圧力を変更します。これは、より硬いワイヤはより多くの成形力を必要としますが、ツールがワイヤを解放した後にさらに跳ね返るため、弾性回復と呼ばれる動作です。大量生産用に構築された機械は通常、計算されたマージンで各コイルをオーバーフォーミングすることでこの回復を自動的に補正します。これが、試作数量を超えるものについては自動コイリングが手動ベンチフォーミングに大きく取って代わられた理由の 1 つです。最新のサーボ駆動スプリング マシンは、この補正データをバッチごとに記録するため、次回同じワイヤ ロットを実行するときに正確なコイル ジオメトリを再現することがはるかに簡単になります。
スプリングのタイプの選択は最初のステップにすぎません。実際の用途に合わせてサイズを決めるのは、通常、ばね定数 (単位たわみあたりの力の変化量)、最大たわみ時の最大安全応力、疲労が懸念される前にばねが耐えるのに必要なサイクル数という 3 つのリンクされた目標に帰着します。
バネレートは、バネがどの程度硬く感じられるかを表し、たわみの追加単位ごとに必要な追加の力を表します。コイルスプリングの場合、レートは線径とともに増加し、コイル直径またはアクティブコイルの数が増加すると減少します。 2 つのスプリングは、見た目がほぼ同じであっても、一方のコイルの直径が他方よりわずかに大きい場合、またはアクティブなコイルが他方より 2 つ多い場合、レートが大きく異なることがあります。そのため、物理的な寸法だけでなく、スプリング レートを指定して確認する必要がある数値です。
1 日に数回開くラッチ スプリングなど、時々循環するスプリングは、十分な応力マージンを持って設計でき、周囲の製品よりも長持ちする可能性があります。毎分数千回発火するバルブ スプリングなど、連続的にサイクルするスプリングは、単一のピーク応力値ではなく疲労曲線に基づいて設計する必要があります。これは、材料の極限強度をはるかに下回る荷重を繰り返しても、最終的に亀裂が発生して成長する可能性があるためです。大まかなガイドとして、ピーク動作応力をワイヤの引張強度の約 45 ～ 50% 未満に保つことが、数百万回のサイクルに耐えられることが期待されるスプリングの一般的な出発点ですが、適切な数値は特定の合金と表面仕上げによって常に異なります。
ショットピーニングは、圧縮バネおよびねじりバネの疲労寿命を延ばすために最も広く使用されている処理です。小さな丸い媒体をワイヤ表面で焼成すると、圧縮残留応力の浅い層が導入され、これが表面で疲労亀裂を引き起こす引張応力に抵抗します。高サイクルで高応力の使用にさらされるばね (自動車用バルブ スプリングが典型的な例) の場合、ショット ピーニングを使用すると、同じ寸法のピーニングされていないばねと比較して耐用年数を大幅に延ばすことができます。
最新の CNC スプリングマシンは、一連の調整されたステップで未加工のワイヤのスプールを熱処理された完成したスプリングに変えます。これらのすべての制御は、古い機器の機械式カムではなく、プログラムされたサーボ動作によって制御されます。
古いカム駆動のコイリングマシンは、ピッチと長さを制御するために物理的なカムと機械的なストップに依存しているため、スプリングの設計を変更するには物理的なツールを交換する必要があります。 CNC スプリング マシンは、これらの機械式カムのほとんどを個別にプログラムされたサーボ軸に置き換えるため、圧縮スプリングの実行からねじりスプリングの実行への移行など、まったく異なるタイプを含むスプリング設計間の切り替えは、マシンを再構築するのではなく、主に新しいプログラムをロードしてツールを調整するだけの問題です。この柔軟性は、過去 20 年間で小規模および中規模の春季生産のコスト効率が大幅に向上した主な理由の 1 つです。
| 産業 | 代表的なばねの種類 | なぜそのタイプなのか |
|---|---|---|
| 自動車 | 圧縮、ねじり、ディスク | ハイサイクルのバルブおよびクラッチの用途には、ショットピーニングされた圧縮スプリングが必要です。皿ばねは短い軸方向スペースで高荷重に対応します |
| 家具・家電製品 | 圧縮、伸長、一定の力 | リクライニング機構と引き出しのスライドには、一定した中程度のサイクルの力が必要で、速度は一定または緩やかに上昇します。 |
| 電子機器とコネクタ | 波、小さな圧縮 | 内部クリアランスが限られているため、接触予圧用の薄型ウェーブ スプリングが有利になります。 |
| 農業および重機 | 圧縮、ねじり | 大径、厚手のスプリングは屋外での衝撃荷重に耐える必要があり、耐食性コーティングが必要です。 |
| 医療機器 | 圧縮、伸長、ねじり（ミニチュア） | 非常に小さなワイヤ径の公差が厳しいため、清掃性の点でステンレス ワイヤが推奨されます。 |
スプリングの材質の選択によってほとんどの耐食性が決まりますが、コーティングと仕上げによってさらに保護層が追加され、スプリングの外観や摩擦特性も変化する可能性があります。
めっき層が薄いと有効線径がわずかに変化し、非常に小さなばねではばね定数が変化する可能性があるため、公差が近いばねではコーティングの厚さが見た目以上に重要です。レート公差が厳しいスプリングの場合、テストは通常、コーティング前ではなくコーティング後に行われるため、報告される値は実際に取り付けられる部品を反映しています。
不均一なコイル間隔は通常、コイルを巻く前に完全に真っ直ぐになっていなかったワイヤ、ワイヤ表面を滑る摩耗したフィード ローラー、またはキャリブレーションから外れてしまったピッチ ツールに遡ります。 CNC スプリング マシンでは、コイリング ステーション自体に組み込まれたインライン ピッチ測定によって、この問題が早期に検出されることがよくあります。
ほとんどの疲労亀裂は、滑らかなコイルの中央ではなく、表面欠陥 (傷、腐食による穴、または曲げやフックでの応力集中) から始まります。疲労破壊パターンが特定されたら、表面仕上げを改善したり、ショットピーニングを追加したり、鋭いフック半径を再設計したりすることが通常の修正です。
永久歪みとは、たわんだ後に元の自由長に戻らなくなったばねを指します。これは、通常、材料の弾性限界を超える応力がかかったことが原因です。多くの場合、固体の高さまで繰り返し圧縮されたり、ワイヤ合金の定格よりも高い温度で動作したりすることが原因です。コイル巻き後に適切に応力を緩和すると、スプリングが最初の動作サイクルを迎える前に残留成形応力が緩和され、セットのリスクが軽減されます。
どのタイプが生産されているかに関係なく、いくつかの変数がスプリングの見積もり間のコスト差のほとんどを左右する傾向があります。
サプライヤー間で見積もりを比較する場合、荷重と速度がどのように検証されているかを具体的に尋ねるのが役立ちます。ほとんどの評判の良い製造業者は、寸法チェックのみに頼るのではなく、力変位試験機ですべての生産ロットのサンプルをテストします。これは、2 つのスプリングが同じように測定できるため、ワイヤーの硬さがワイヤーのロット間でわずかに異なる場合でも、性能が異なるためです。
スプリングのタイプを絞り込む最も簡単な方法は、力がどの方向に適用されるか、および利用可能な軸方向のスペースがどのくらいかを調べることです。
圧縮スプリングは最も広く製造されているタイプで、単純な押し戻し力がペンからマットレスのコアに至るまで、機械および民生用途の最大のシェアをカバーしているためです。
圧縮バネは圧縮に抵抗し、コイルは静止時に離れた位置にありますが、引張バネは伸張に抵抗し、コイルは静止時にしっかりとくっつきます。通常、取り付け用にフックまたはループの端が付いています。
はい。最新の CNC スプリング マシンのほとんどは、機械的に再構築されるのではなく、圧縮、伸長、ねじり成形の間で切り替えるように再プログラムされています。これは、その違いが工具の変更と、制御ソフトウェアのコイリング、ピッチ、曲げパラメータの更新に起因するためです。
曲げは、滑らかに巻かれたコイルよりもはるかに応力を集中させるため、引張スプリングのフックとトーションスプリングの脚は、通常、反復サイクル下で最初の故障点になります。そのため、フックと脚の形状がコイル自体と同じくらい設計上の注目を集めています。
ほとんどの改造ケースでは、そのとおりです。ウェーブ スプリングは、圧縮高さの約 3 分の 1 から半分を占めながら、コイル圧縮スプリングと同等の力を伝達できます。そのため、スペースが限られたベアリングやコネクタの設計でウェーブ スプリングが一般的です。
スプリングインデックスはコイル直径とワイヤー直径の比です。指数が低いと、コイルの内側エッジに応力が集中するきつく巻かれたスプリングを意味し、指数が高いと、緩く巻かれたスプリングを意味し、成形は容易ですが、座屈やもつれが発生しやすくなります。ほとんどの実用的な設計は、製造性と性能のバランスを考慮して中間の範囲に留まります。
はい、高応力、高サイクル荷重がかかるスプリングの場合は可能です。ワイヤ表面に導入された圧縮残留応力は、疲労亀裂を引き起こす引張応力に抵抗します。そのため、ショットピーニングは、二次プロセスステップが追加されるにもかかわらず、自動車用バルブスプリングのような要求の厳しい用途では標準的な手法となっています。
ワイヤの硬度と直径は、許容公差範囲内であっても、工場ロット間でわずかに異なる場合があります。そのため、一貫した生産者は、寸法適合性だけで一貫した荷重と速度が保証されると仮定するのではなく、力変位試験機ですべてのバッチのサンプルをテストします。
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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