Направляющая торсионной пружины: конструкция, материалы, углы опор и производство на станках с ЧПУ

Группа закупок отправляет чертеж с тремя цифрами: музыкальный провод диаметром 2,0 мм, восемь витков корпуса и угол свободной ноги 90 градусов. Крутящий момент при полном отклонении должен находиться в пределах от 0,40 до 0,44 Нм, а деталь должна выдержать 250 000 циклов открытия и закрытия внутри узла защелки сиденья. Первые образцы проходят все проверки. Четыре месяца спустя результаты полевых исследований показывают, что ножки трескаются примерно при 40 000 циклов, и каждая трещина находится в одном и том же месте: изгибе, где ножка выходит из корпуса катушки. Химический состав проводов был правильным. Диаметр катушки был правильный. Причина неисправности заключалась в радиусе изгиба, который никто не измерял.

Прямой ответ: жизнь торсионной пружины зависит от четырех переменных: прочности проволоки на разрыв и состояния поверхности, внутреннего радиуса изгиба, где каждая ножка выходит из корпуса, изгибающего напряжения во внутреннем волокне этого изгиба и снятия напряжения, применяемого после намотки. Измените любой из них, и кривая крутящего момента, свободный угол и усталостная долговечность начнут двигаться вместе.

В этом руководстве рассказывается о том, что означают эти четыре переменные в цехе, о числах, которые стоит записать в спецификацию, о том, как современные пружинные станки с ЧПУ стабильно поддерживают углы опор, а также о закономерностях отказов, которые подскажут вам, какой параметр отклонился. Оно написано для людей, которым приходится подписывать первую проверку статьи, а затем защищать это решение два года спустя.

• Как крутящий момент, угол отклонения и геометрия опоры взаимодействуют в реальной сборке
• Конструктивные диапазоны и допуски, отличающие прочную пружину от хрупкой
• Выбор проволоки по количеству циклов, температуре и подверженности коррозии.
• Настройка машины для намотки, формирования ножек и компенсации пружинения
• Термическая обработка, планирование проверок и вопросы, которые чаще всего задают покупатели

Основы торсионной пружины: крутящий момент, прогиб и геометрия опоры

Торсионная пружина накапливает энергию, скручиваясь, а не сжимаясь. Витки тела действуют как моток проволоки при изгибе, а не при кручении, две ноги передают нагрузку, а угол между этими ножками в состоянии покоя является свободным углом. Когда механизм вращает одну ногу относительно другой, пружина сопротивляется, и момент сопротивления возрастает примерно пропорционально углу отклонения, пока материал не поддастся.

Скорость (крутящий момент на градус) масштабируется в четвертой степени диаметра провода и линейно падает в зависимости от количества активных витков и среднего диаметра витков. Это соотношение четвертой степени объясняет, почему изменение диаметра проволоки на 5 процентов может изменить крутящий момент более чем на 20 процентов и почему сертификаты диаметра проволоки имеют большее значение для торсионных пружин, чем для многих других типов пружин. Модуль упругости проволоки также влияет напрямую: углеродистая сталь работает при давлении около 207 ГПа, а нержавеющая сталь 302 — около 193 ГПа, поэтому прямая замена материала без перерасчета скорости не уложится в окно крутящего момента.

Ноги — слабое место, а не тело

Напряжение изгиба в месте соединения ноги с телом рассчитывается на основе приложенного момента и сечения проволоки, а затем умножается на поправочный коэффициент, который увеличивается по мере того, как изгиб становится туже. Говоря простым языком: чем острее угол, где ножка выходит из катушки, тем выше пиковое напряжение и тем скорее на внутренней стороне этого угла образуется усталостная трещина. Рекомендации по проектированию обычно требуют, чтобы внутренний радиус изгиба составлял не менее половины диаметра проволоки, а в деталях, критически важных для усталости, часто используется полный диаметр проволоки. Следы инструмента, царапины штампа и прижоги от шлифовки на одном и том же углу также служат причиной появления трещин, поэтому состояние поверхности указывается в спецификации рядом с маркой материала.

Направление ветра и направление нагрузки должны совпадать.

Витую пружину можно наматывать по часовой стрелке или против часовой стрелки. Торсионную пружину следует отклонять в направлении затягивания витков, поскольку затягивание уменьшает внутренний диаметр и удерживает пружину на валу или оправке. Загрузите его в другую сторону, и корпус откроется, внутренний диаметр увеличится, и пружина может сойти с вала или застрять в корпусе. Эта единственная деталь вызывает удивительно большую долю брака на сборочной линии, и ее обычно обнаруживают только тогда, когда на чертеже стрелка погрузки и рука ветра показаны вместе.

Расчетные показатели, определяющие выживаемость: практические диапазоны и допуски

В таблице ниже собраны диапазоны, которые опытные магазины пружин рассматривают как рабочую территорию, а не как жесткие ограничения. Значения за пределами этих диапазонов не являются автоматически неверными, но они заслуживают обсуждения об инструментах, стоимости проверки и запасе усталости перед выпуском чертежа. Для более полного рассмотрения уравнений крутящего момента и напряжения это уравнения проектирования торсионной пружины и руководство по материалам шаг за шагом проходит последовательность вычислений.

Два из этих рядов взаимодействуют сильнее остальных. Индекс и радиус изгиба вместе определяют, является ли угол опоры плавным переходом или источником напряжения, и никакая термообработка не может спасти геометрию, которая уже подверглась чрезмерному напряжению. Когда заказчик требует более строгий допуск на свободный угол, практический ответ обычно заключается в лучшем контроле угла на станке и стабильном цикле отпуска, а не в более длительном испытательном стенде.

Выбор проволоки: соответствие материала нагрузке, циклам и окружающей среде

Выбор материала определяет предел прочности на разрыв, усталостные характеристики и степень защиты от коррозии, необходимую готовой детали. Приведенные ниже марки охватывают подавляющее большинство торсионных пружин, производимых на оборудовании холодной намотки.

Три практических замечания, которые избавят от переделок. Во-первых, замена материала, при которой сохраняется тот же диаметр проволоки, не сохранит тот же крутящий момент, поскольку изменяются модуль упругости и допустимое напряжение. Во-вторых, марки нержавеющей стали обычно выдерживают более низкое допустимое напряжение изгиба, чем музыкальный провод того же диаметра, поэтому модернизация по коррозии иногда приводит к увеличению диаметра. В-третьих, запросите сертификат прочности на растяжение для каждой партии проволоки; торсионная пружина на уровне витка, работающая вблизи предела напряжения, покажет сдвиг крутящего момента, как только на машину поступит более мягкая партия.

Скручивание и формирование ног: где выигрывается или проигрывается свободный угол

На пружинном станке с ЧПУ торсионная пружина изготавливается в короткой последовательности: проволока протягивается через подающие ролики контролируемой длины, наматывается на оправку, которая устанавливает внутренний диаметр, с интервалами, если в корпусе необходимы зазоры, а затем формируются, позиционируются и разрезаются ножки. Каждый из этих шагов оставляет отпечаток пальца на готовом ракурсе.

Пружинный возврат — это честная часть процесса. Стальная проволока не остается там, где ее толкает инструмент, и величина ее пружинения зависит от диаметра проволоки, прочности на разрыв и того, насколько сильно была согнута нога. Большинство мастерских экспериментально перегибают ногу примерно на 3–8 процентов, а затем фиксируют исправленное положение инструмента в программе. На бескулачковой машине эта коррекция представляет собой число, введенное в программу; на машине с кулачковым приводом это механическая регулировка. Разница проявляется непосредственно во времени переналадки, когда семейство деталей используется на одной машине.

Количество осей определяет форму потолка

Трехосный станок обрабатывает одну прямую ножку с каждой стороны, которая охватывает большую часть пружин защелки, зажима и шарнира. Пятиосные станки добавляют независимое позиционирование ножек, так что ножки могут располагаться на разной длине и высоте, что и требуется для двойных торсионных пружин и смещенных ножек. Десяти- и двенадцатиосные бескулачковые станки формируют несколько изгибов, зацепов и даже вторую пружинную деталь за один цикл, устраняя второстепенные операции, которые в противном случае потребовали бы отдельной станции гибки и другого приспособления.

CNC-625D 3-осный станок для формования пружин с ЧПУ Дополнительная информация Посмотреть продукт →

Оборудование этого класса, такое как трехосный станок для формовки пружин с ЧПУ CNC625D, создано именно для этой задачи: формирование корпуса, изгиб обеих ножек под углом и резка по длине в одном непрерывном цикле. Выигрыш заключается не только в скорости. Двойное обращение с пружиной означает два шанса добавить царапину на радиусе изгиба, а царапина на радиусе изгиба — это место, где начинаются усталостные трещины.

Для измерения угла необходим определенный метод

Свободный угол ничего не значит, если не фиксирован метод измерения. Обычное правило состоит в измерении внутреннего угла между двумя опорами, когда обе они удерживаются на штырях определенного диаметра на определенном расстоянии от катушки. Измените диаметр штифта, и сообщаемый угол изменится на несколько градусов. Когда на чертеже просто указано 90 градусов без определения штырей, ожидайте разногласий между листом проверки изготовителя пружины и входным контролем клиента, даже если обе детали идентичны.

Снятие стресса и закаливание: шаг, который большинство магазинов недооценивают

Навивка и изгиб ног оставляют остаточные напряжения в проволоке. Если оставить их в покое, они сокращают усталостную долговечность и вызывают смещение свободного угла в течение первых нескольких тысяч циклов. Контролируемый термический цикл ослабляет эти напряжения, а температурный диапазон уже, чем предполагает большинство людей. Запустите его слишком холодно, и остаточное напряжение останется; если его перегреть, проволока потеряет прочность на растяжение, поэтому каждая пружина из этой партии имеет низкий крутящий момент.

Поставщики проволоки публикуют рекомендуемые графики снятия стресса по маркам. Углеродные и нержавеющие пружины с холодной навивкой обычно обрабатываются при температуре от 200 до 300 градусов по Цельсию в течение определенного времени выдержки, в то время как хромокремниевые детали, изготовленные в более твердом состоянии, могут быть закалены при более высоких температурах для придания им рабочей прочности. График имеет меньшее значение, чем повторяемость: духовка с равномерной циркуляцией воздуха и записанным циклом обеспечивает одинаковый угол и крутящий момент в понедельник и пятницу.

WNJ420 Пружинная печь закалки (серия из нержавеющей стали) ПЕЧЬ С ПРУЖИННЫМ ЗАКАЛОМ WNJ серии из нержавеющей стали Посмотреть продукт →

Специальное оборудование для отпуска, такое как пружинная печь для отпуска краски WNJ, разработано с учетом требований повторяемости - заданной температуры в камере, контролируемой выдержки и постоянного потока воздуха через загрузку. Для длинных или тяжелых винтовых пружин мобильная закалочная печь позволяет обрабатывать детали там, где с ними обращаются, а не перемещать их по заводу, что снижает как риск деформации, так и время цикла.

• Загрузите печь так, чтобы детали не соприкасались, а ножки не опирались друг на друга.
• Записывайте температуру в камере и время выдержки для каждой партии, при этом номер партии можно проследить по сертификату проволоки.
• После лечения повторно измерьте свободный угол, поскольку ноги слегка расслабляются и небольшое смещение инструмента является нормальным.
• Проверьте крутящий момент на образце верхней, средней и нижней части нагрузки, а не только верхнего слоя.

План проверки: что измерять и как часто

Торсионную пружину легко проверить. Измерение крутящего момента в одной точке дает вам информацию о скорости только в сочетании со второй точкой; измерение свободного угла без определения штифта почти ни о чем не говорит; и проверка радиуса ножки штангенциркулем вообще ничего вам не скажет, если только траектория штангенциркуля не следует кривой. Приведенный ниже план представляет собой краткий список реальных проблем.

1. Сертификат диаметра проволоки и прочности на растяжение, проверенный для каждой партии проволоки.
2. Внутренний диаметр корпуса сверяется с валом, на который он должен подходить.
3. Длина корпуса, количество витков и расстояние между витками, если указан шаг.
4. Длина ножки и свободный угол измерены по определенным штырям.
5. Крутящий момент в двух точках отклонения, чтобы можно было рассчитать скорость и сравнить ее с чертежом.
6. Визуальная проверка радиусов сгиба обеих опор при увеличении на наличие следов инструментов и царапин.
7. Проверка толщины покрытия или проверка солевым туманом, если указано покрытие или пассивация
8. Периодическая проверка усталости для номинального количества циклов, при прогибе узел действительно применяется.

Выполните цикл испытания усталости точно так же, как это делает приложение, включая то, нагружена ли пружина в направлении намотки и возвращается ли она обратно к своему свободному углу между циклами. Пружина, которая удерживается с предварительным натягом и колеблется под небольшим углом, ведет себя совсем не так, как та, которая полностью освобождается при каждом ходе, и во втором случае появляется больше всего трещин.

Применение: от защелок сидений до хирургических инструментов.

Торсионные пружины появляются везде, где механизму требуется возвратная сила вокруг оси. В салонах автомобилей на них держатся ручки, защелки, подстаканники и механизмы сидений; в Применение пружин в автомобилестроении и мобильности то же самое семейство деталей также отвечает за возврат педали, натяжитель ремня и небольшие элементы подвески, где количество циклов исчисляется миллионами. В электротехнике они используются для рычагов переключателей и контактов реле, где проводимость и немагнитное поведение иногда подталкивают конструкцию к использованию бронзовых сплавов.

В медицинских устройствах используются небольшие торсионные пружины в хирургических степлерах, зажимах и рукоятках инструментов, где приоритетом является постоянная сила, а не максимальная сила - хирург чувствует смещение крутящего момента на 10 процентов через ручку. Аэрокосмическая и военная техника двигаются в другом направлении, требуя высокой устойчивости к нагрузкам из хром-кремния или 17-7PH с жесткой отслеживаемостью. В сельскохозяйственной и строительной технике используется проволока большего диаметра в пыльных и влажных условиях, где пружина зачастую является самой дешевой деталью в сборе и наименее защищенной. В телекоммуникационном оборудовании используются крошечные торсионные пружины в разъемах и оптоволоконном оборудовании, где угловая ошибка в несколько градусов может изменить контактное давление.

Общим для всего этого является то, что пружина редко является самой большой статьей затрат, но часто именно она определяет, возникнет ли гарантийная претензия. Это аргумент в пользу правильного определения геометрии и термообработки на этапе чертежа вместо того, чтобы принимать все, что дает первая установка инструмента.

Виды отказов, причины и корректирующие действия

Неудачи на местах оставляют свой след. Правильное чтение этой подписи обычно экономит больше времени, чем повторный запуск полного расчета конструкции.

Трещина в месте сгиба ноги к туловищу

Радиус изгиба слишком мал для диаметра проволоки, при сборке ножка сгибается второй раз, или на углу имеются следы инструмента. Увеличьте радиус до одного диаметра проволоки, переместите операцию формовки на более раннее место в машинном цикле и осмотрите инструмент, создающий изгиб.

Крутящий момент снижается в течение первых нескольких тысяч циклов.

Недостаточное снятие напряжения или время выдержки было сокращено для увеличения производительности. Восстановите опубликованную спецификацию марки проволоки и проверьте крутящий момент на деталях, взятых из середины загрузки печи.

Пружина открывается и сходит с вала

Пружина нагружена против направления намотки, поэтому прогиб расширяет тело, а не сжимает его. Поменяйте направление ветра или поменяйте направление нагрузки, в зависимости от того, что дешевле в сборке.

Ножки отламываются в руках клиента при установке

Ножки выдвигаются за пределы свободного угла для установки, что означает, что узел выводит пружину за пределы ее номинального отклонения. Либо откройте свободный угол, чтобы положение установки находилось в рабочем диапазоне, либо уменьшите допуск на длину ножки, чтобы ножку не приходилось сгибать, чтобы войти в паз.

Ржавчина на изгибе после нескольких месяцев эксплуатации.

Покрытие покрытия самое тонкое именно там, где изгиб растягивает поверхность. Укажите толщину покрытия, которую этот процесс может фактически достичь на изогнутой поверхности, или переключитесь на марку нержавеющей стали и примите модуль упругости и допустимое изменение напряжения.

Выбор станка: трехосный, пятиосный или двенадцатиосный бескулачковый.

Выбор машины зависит от семейства деталей, а не от пикового объема. Цех, который продает узкий ассортимент простых торсионных пружин в больших объемах, получит максимальную окупаемость от компактного намотчика с инструментами для быстрой замены. Магазин, который размещает смешанные заказы - сорок различных торсионных пружин в месяц, каждый заказ от 500 до 20 000 штук - нуждается в гибкости формования и быстром программировании больше, чем в скорости исходного цикла.

Бескамерная архитектура заслуживает отдельного упоминания, поскольку она меняет экономику небольших партий. В кулачковом станке новый угол опоры обычно означает новый инструмент и механическую настройку; на бескулачковой машине это обычно означает загрузку программы. Для завода, производящего сотни вариантов торсионных пружин, эта разница определяет, будет ли заказ на 2000 штук прибыльным.

CNC-1225 12-ОСНЫЙ БЕСКУЛАЧКОВЫЙ СТАНОК С ЧПУ CNC-1225 12-ОСНЫЙ БЕСКУЛАЧКОВЫЙ СТАНОК С ЧПУ Посмотреть продукт →

Двенадцатиосная бескулачковая платформа, такая как бескулачковый станок с ЧПУ CNC1225/1235/1250, ориентирована непосредственно на реальность смешанных партий: сервооси предназначены для подачи, навивки, формирования опор и резки, а переключение с одной торсионной пружины на другую является вопросом программы и положения инструмента, а не полной перестройкой. Практическая выгода заключается в том, что магазин может принять заказ на 1000 штук, не теряя ни дня на настройку.

Что спросить перед покупкой

• Какая ось управляет формированием ноги и можно ли сохранить ее положение в программе?
• Сколько времени занимает настоящая замена детали с другим углом опоры и количеством витков?
• Какой диапазон диаметров проволоки может удерживать система подачи, не соскальзывая и не оставляя следов на поверхности?
• Документировано ли наличие запасных частей и как быстро можно заменить часто изнашиваемые детали?

Часто задаваемые вопросы о торсионных пружинах

В чем разница между торсионной пружиной и торсионом?

Торсион представляет собой прямой кусок металла, скрученный вокруг своей оси, и он накапливает энергию за счет напряжения сдвига. Торсионная пружина представляет собой виток с двумя опорами, витки ее корпуса работают в основном на изгиб, а опоры передают момент. Путаница является обычным явлением, поскольку термины звучат одинаково, но расчеты конструкции, инструменты и виды отказов совершенно разные.

Как оценить крутящий момент при заданном угле отклонения?

Крутящий момент примерно линейен в зависимости от угла отклонения до момента, когда проволока начинает поддаваться. Скорость зависит от модуля упругости проволоки, диаметра проволоки в четвертой степени, количества витков активного тела и среднего диаметра витка. Из-за этого члена четвертой степени точное измерение диаметра проволоки более ценно, чем более точное измерение угла, когда вы гоняетесь за отклонением крутящего момента.

Может ли пружина кручения нагружаться в любом направлении?

Рекомендуется только одно направление. Нагрузка в направлении намотки сжимает витки и уменьшает внутренний диаметр, сохраняя пружину на ее валу. Нагрузка против направления намотки раскрывает витки, увеличивает внутренний диаметр и заставляет пружину проскальзывать, заклинивать или застревать в корпусе. Отметьте направление загрузки на чертеже и на упаковке.

Почему мои пружины продолжают ломаться при сгибании ноги?

Изгиб – это место, где наибольшее изгибающее напряжение встречается с наименьшим радиусом. Распространенными причинами являются радиус изгиба, меньший половины диаметра проволоки, след инструмента, действующий как источник трещины, этап сборки, который сгибает опору за пределы расчетного угла, а также цикл снятия напряжения, который был сокращен для повышения производительности. Проверка этих четырех пунктов по порядку устраняет большинство ошибок при изгибе.

Какой допуск на свободный угол является реалистичным?

Для пружины с холодной навивкой, измеренной на определенных штифтах, комфортным производственным показателем является плюс-минус 5 градусов, а плюс-минус 3 градуса можно достичь при производственных проверках и стабильном цикле отпуска. Требование угла затяжки более 3 градусов обычно увеличивает стоимость быстрее, чем производительность сборки, поскольку сама сборка часто имеет большее угловое отклонение, чем пружина.

Нужна ли торсионной пружине оправка или опорный вал в сборе?

Маленькие пружины часто могут работать без поддержки, если корпус короткий и прогиб небольшой. Более длинные корпуса и провода большего диаметра имеют тенденцию сгибаться или деформироваться вбок под нагрузкой, поэтому размещение вала или втулки внутри катушки является нормальной практикой. Оставьте зазор между внутренним диаметром катушки и стержнем в несколько процентов от диаметра проволоки, чтобы избежать заедания при затягивании катушки.

Сколько циклов должна выдержать торсионная пружина?

Потребительские механизмы обычно рассчитаны на период от 50 000 до 300 000 циклов, внутренние компоненты автомобилей часто рассчитаны на период от 500 000 до 2 миллионов, а детали, связанные с безопасностью, еще выше. Значение имеет не сама цель, а уровень стресса, при котором вы ее претендуете. Пружина, работающая при напряжении изгиба, близком к допустимому для ее материала, не выдержит миллиона циклов, независимо от того, насколько хорошо она изготовлена.

Может ли один станок с ЧПУ производить пружины сжатия и кручения?

Да, при наличии подходящего инструмента и конфигурации осей. Пружины сжатия требуют регулирования шага и закрытых концов; Торсионные пружины требуют формирования ног и контроля угла. Машины с большим количеством сервоосей и открытым программированием легко перенастраиваются, в то время как очень простые намотчики обычно предназначены для одного семейства. Если в вашей книге заказов смешаны типы пружин, отдайте предпочтение гибкости программирования и доступу к инструментальной станции, а не максимальной скорости навивки.

Что нанести на рисунок перед отправкой

Большинство споров о торсионных пружинах связано с неполным чертежом, а не с производственным дефектом. Укажите марку проволоки с ее стандартным номером, диаметр проволоки с допуском, внутренний диаметр корпуса и количество витков, свободный угол с диаметром штыря и расстоянием между штифтами, используемыми для его измерения, длины ветвей и внутренний радиус изгиба на каждой ветке, значение крутящего момента с углом отклонения и направлением вращения, необходимое снятие напряжения или отделку, а также целевой срок службы с условиями нагрузки, которые его определяют.

Определив эти элементы, производитель пружин может выбрать правильную проволоку, правильно настроить оси станка с первой попытки, применить правильный термический цикл и проверить соответствие той же геометрии, которую задумал проектировщик. Без них первая статья становится экспериментом, а вторая — гарантийным обсуждением. Торсионные пружины — это простые детали с резко взаимодействующими переменными, и несколько минут, потраченные на уточнение деталей на этапе чертежа, — самая дешевая страховка, доступная во всем проекте.