Язык 
Контент
Есть шесть основных типов пружин используется в промышленных и потребительских товарах: пружинах сжатия, пружинах растяжения, пружинах кручения, пружинах постоянной силы, волновых пружинах и тарельчатых пружинах. Каждый из них определяется тем, как он хранит и высвобождает механическую энергию — сжимается, растягивается, скручивается, вращается, сплющивается или складывается. Правильный выбор зависит от направления нагрузки, доступного пространства и количества рабочих циклов, которые должна выдержать деталь, а почти все они сегодня формируются на управляемом компьютером станке. пружинная машина а не вручную.
Категория, в которую попадает пружина, на самом деле является сокращением механического поведения. Пружина сжатия отталкивает назад. Пружина растяжения отводится назад. Торсионная пружина сопротивляется скручиванию. Как только это поведение исправлено, все остальное — диаметр проволоки, количество витков, геометрия концов и материал — становится настройкой для достижения целевой нагрузки, прогиба и срока службы.
В этом руководстве подробно рассматривается каждый тип пружин, материалы, из которых они изготовлены, как современный пружинный станок формирует каждую из них, как инженеры выбирают пружину для реального случая нагрузки, где каждый тип проявляется в разных отраслях, общие точки отказа, отделка и защита от коррозии, а также как сравнивать предложения при закупке объемов производства.
Пружины сжатия представляют собой открытые витые пружины, предназначенные для сопротивления сжимающему усилию и отталкивания при сжатии. Это наиболее распространенный тип пружин в механических узлах, встречающийся в матрасах, шариковых ручках, клапанах, системах подвески и промышленных штампах. Когда нагрузка сжимает витки вместе, пружина сохраняет энергию и толкает назад вдоль той же оси, как только нагрузка освобождается.
Поскольку в состоянии покоя витки расположены отдельно друг от друга, пружину сжатия можно сжимать до тех пор, пока витки не соприкоснутся — состояние, называемое твердой высотой. Хорошая конструкция удерживает пружину на достаточном расстоянии от твердой высоты при нормальной работе, поскольку многократное опускание до нижнего предела приводит к упрочнению проволоки в точке контакта и сокращению усталостного срока службы. Большинство инженерных рекомендаций поддерживают рабочее отклонение примерно на уровне 80 процентов или менее от общего доступного хода до твердой высоты, оставляя запас безопасности на случай перебега.
Пружины сжатия также определяются тем, как обработаны концевые витки. Гладкие концы оставляют проволоку срезанной под углом, соответствующим спирали, что позволяет быстро изготовить, но позволяет пружине слегка раскачиваться под нагрузкой. Квадратные концы шлифуются или спрессовываются до плоского состояния, поэтому пружина стоит вертикально на плоской поверхности без наклона, а квадратные и шлифованные концы делают еще один шаг вперед за счет шлифования концевой витки до идеально плоской формы, что обычно происходит везде, где пружина должна равномерно прилегать к плоской пластине, например, в узлах клапанов.
Производственный уровень пружинная машина формирует пружины сжатия, пропуская проволоку через набор подающих роликов и наматывая ее на оправку или формовочный штифт, затем отрезной инструмент отделяет каждую катушку на запрограммированную длину. Станки с ЧПУ могут обеспечивать достаточно жесткие допуски шага, чтобы поддерживать изменение жесткости пружины на уровне менее 3 процентов в течение всего производственного цикла, что важно для деталей, где постоянная сила имеет решающее значение, таких как пружины клапанов. Линии пружин сжатия большого объема обычно объединяют намоточную головку с поточной шлифовальной станцией, поэтому квадратные концы можно обрабатывать без отдельной вторичной операции.
Пружины растяжения представляют собой плотно намотанные витки, которые сопротивляются тянущей силе и после отпускания пытаются вернуться к своей первоначальной длине. В отличие от пружин сжатия, их витки в состоянии покоя располагаются близко друг к другу (обычно с заложенным начальным напряжением), поэтому пружина начинает растягиваться только тогда, когда приложенная сила превышает предварительную нагрузку. Механизмы гаражных ворот, батуты, сетчатые двери и тумблеры — все они полагаются на пружины растяжения.
Начальное натяжение — одно из наиболее неправильно понимаемых свойств пружин растяжения. Поскольку во время формовки витки наматываются плотно друг к другу, пружина вообще сопротивляется любому натяжению до тех пор, пока приложенная сила не превысит встроенное напряжение — только тогда она начинает растягиваться пропорционально добавленной нагрузке. Конструкторы намеренно задают это начальное натяжение, поскольку слишком малое натяжение позволяет пружине провисать в состоянии покоя, а слишком сильное вызывает ощущение жесткости механизма в начале его хода.
Большая часть работ по проектированию пружины растяжения происходит на концах, а не на корпусе витка. Машинные крючки, перекрестные петли, боковые петли и удлиненные проушины меняют способ крепления пружины и концентрацию напряжения на изгибе. Поскольку изгиб крючка обычно является местом, где начинается усталостное разрушение, геометрия крючка часто является ограничивающим фактором срока службы пружины, а не сама витка.
На современном пружинном станке формирование крючка выполняется в том же цикле, что и навивка: после того, как инструмент для намотки наматывает тело, вспомогательный инструмент вращается и сгибает конец проволоки в форму крючка перед отрезанием. Это обеспечивает постоянное выравнивание крючка, что является одной из наиболее распространенных жалоб на качество, когда пружины растяжения формируются вручную. Постоянный угол крюка также имеет значение для того, как пружина будет висеть в монтажном кронштейне — перекрученный крюк может создать нежелательную боковую нагрузку, на которую корпус катушки никогда не был рассчитан.
Торсионные пружины накапливают энергию, когда они скручиваются вокруг своей оси, а не толкаются или тянутся вдоль нее. Корпус катушки противостоит угловому смещению, а прямые ножки на каждом конце передают вращательное усилие на узел. Типичными примерами являются прищепки, мышеловки, системы противовеса гаражных ворот и петли на дверцах шкафов.
В отличие от пружин сжатия и растяжения, пружина кручения почти всегда рассчитана на работу с небольшим уменьшением диаметра витка по мере наматывания под нагрузкой. Это означает, что вал или оправка, на которой он установлен, должны иметь зазор для такого уменьшения, иначе витки зацепятся за вал до того, как пружина достигнет заданного хода - деталь, которая застает врасплох многих начинающих проектировщиков.
| Торсионная пружина | Эффект дизайна |
|---|---|
| Направление катушки (левое или правое) | Должно соответствовать направлению, в котором пружина должна скручиваться под нагрузкой, иначе витки будут раскручиваться, а не затягиваться. |
| Конфигурация ножек | Прямые, шарнирные или наклонные ножки определяют, как крутящий момент передается на окружающий узел. |
| Количество активных катушек | Большее количество катушек обычно снижает крутящий момент и увеличивает доступный вращательный ход. |
| Тип тела (закрытая или разнесенная рана) | Катушки с закрытой обмоткой уменьшают шум трения между катушками; разнесенные катушки снижают вероятность заедания при большой нагрузке |
Помимо бытовых примеров, торсионные пружины используются в противовесных механизмах для тяжелых верхних дверей, возвратных пружинах в узлах с храповым механизмом и собачками, шарнирных доводчиках на шкафах и ограждениях, а также в зажимных механизмах, где требуется легкая, постоянная вращательная сила, чтобы удерживать две части вместе без отдельного крепежа.
Торсионные пружины обычно формируются на пружинном станке с ЧПУ, оснащенном вращающейся головкой для сгибания опор, поскольку точность угла опор напрямую влияет на то, как пружина сядет в свои монтажные отверстия. Ножка, отклонившаяся даже на несколько градусов, может привести к неравномерности предварительной нагрузки на сборочной линии, поэтому угол опоры является одним из первых размеров, проверяемых во время входного контроля новой оснастки.
Тарельчатые пружины представляют собой шайбы конической формы, которые сплющиваются под действием осевой нагрузки. Их последовательное расположение увеличивает ход, а параллельное — увеличивает грузоподъемность, что делает их полезными везде, где проектировщику требуется определенная кривая силы в очень коротком осевом пространстве — типичными примерами являются фланцевые сборки с болтовым соединением и тяжелая техника. Полезным свойством дисковых пружин является то, что их кривую силы можно настроить в зависимости от высоты конуса относительно их толщины: неглубокий конус дает почти линейную реакцию силы, тогда как более высокий конус можно настроить для создания плоской или даже проходящей кривой силы, что полезно в механизмах сброса перегрузки.
Волнистые пружины имеют волнистую кольцеобразную форму вместо витка из круглой проволоки, обеспечивая ту же силу пружины, что и винтовая пружина, примерно от трети до половины сжатой высоты. Предварительная нагрузка подшипников и небольшие электронные разъемы отдают предпочтение волнистым пружинам, когда осевое пространство ограничено. Обычно они производятся в одновитковых, многовитковых и вложенных вариантах, при этом многовитковые волновые пружины обычно используются там, где доступна более высокая рабочая высота, но радиальное пространство все еще ограничено.
Пружина постоянной силы, изготовленная из предварительно напряженной плоской полосы, а не из круглой проволоки, обеспечивает почти одинаковую выходную силу во всем диапазоне растяжения вместо восходящей кривой силы. Выдвижные рулетки, механизмы противовеса и кабельные катушки полагаются на это поведение. Поскольку полоса в состоянии покоя свернута в тугой рулон и разматывается под нагрузкой, выходная сила остается практически неизменной по сравнению с постоянно растущим сопротивлением винтовой пружины.
Газовые пружины представляют собой совершенно другую категорию — герметичный цилиндр со сжатым газом и поршневым штоком, используемый там, где требуется контролируемое демпфированное удлинение, например, в стойках автомобильных люков и регулируемых офисных стульях. Они производятся на гидравлическом наполнительном оборудовании, а не на проволочно-пружинном станке.
Два менее распространенных, но все же актуальных типа завершают категорию специальности. Спиральные пружины представляют собой плоские полосы, намотанные в форме конуса и функционирующие как пружины сжатия с превосходной устойчивостью к короблению, которые исторически использовались в подвесках тяжелых транспортных средств. Змеевидные пружины образованы непрерывным зигзагом круглой проволоки и когда-то были обычным явлением в мягких сиденьях и ценились за равномерное распределение нагрузки по широкой чаше сиденья, а не за ее концентрацию в нескольких точках.
Тип производимой пружины обычно определяет, какой сплав проволоки имеет смысл, и каждый сплав ведет себя по-разному, когда его пропускают через пружинный станок.
Два измерения доминируют в поведении пружины больше, чем любая другая переменная: диаметр проволоки и индекс пружины, отношение диаметра витка к диаметру проволоки. Более толстая проволока резко увеличивает жесткость, поскольку жесткость пружины зависит от диаметра проволоки в четвертой степени, а низкий индекс пружины (плотное виток относительно проволоки) увеличивает концентрацию напряжений внутри каждого витка и затрудняет точное формование пружины. В большинстве практичных конструкций индекс пружины составляет примерно от 4 до 12; пружины, свернутые более туго, требуют особого внимания при использовании инструментов и коррекции напряжения, в то время как пружины, свернутые более слабо, имеют тенденцию легче запутываться и прогибаться.
Пружинный станок с ЧПУ изменяет скорость навивки, скорость подачи проволоки и давление формовочного штифта в зависимости от загруженного сплава, поскольку более твердая проволока требует большего формовочного усилия, но после того, как инструмент ее отпускает, пружинит дальше, - такое поведение называется упругим восстановлением. Машины, предназначенные для крупносерийного производства, обычно автоматически компенсируют это восстановление за счет переформовки каждого рулона с расчетным запасом, что является одной из причин, по которой автоматическая намотка в значительной степени заменила ручное стендовое формование для всего, что выходит за рамки количества прототипов. Современные пружинные станки с сервоприводом регистрируют эти данные компенсации для каждой партии, что значительно упрощает воспроизведение точной геометрии катушки при следующей обработке той же партии проволоки.
Выбор типа пружины – это только первый шаг. Выбор размера для реального применения обычно сводится к трем связанным целевым показателям: жесткости пружины (сколько силы изменяется на единицу отклонения), максимальному безопасному напряжению при полном отклонении и количеству циклов, которые пружина должна выдержать, прежде чем усталость станет проблемой.
Жесткость пружины описывает, насколько жесткой ощущается пружина — дополнительная сила, необходимая для каждой дополнительной единицы отклонения. Для винтовой пружины скорость увеличивается с увеличением диаметра проволоки и падает с увеличением диаметра витка или количества активных витков. Две пружины могут выглядеть почти одинаково и при этом иметь очень разную жесткость, если одна из них имеет немного больший диаметр витка или на две активные витки больше, чем другая, поэтому жесткость пружины, а не только физические размеры, — это число, которое следует указать и проверить.
Пружины, которые периодически срабатывают, например, пружина-защелка, открывающаяся несколько раз в день, могут быть спроектированы с большим запасом напряжения и, скорее всего, прослужат дольше, чем изделие вокруг них. Пружины, которые работают непрерывно, такие как клапанная пружина, срабатывающая тысячи раз в минуту, должны быть спроектированы с учетом кривой усталости, а не одного пикового значения напряжения, поскольку повторяющаяся нагрузка, значительно ниже предельной прочности материала, все равно может в конечном итоге вызвать возникновение и рост трещины. Грубо говоря, поддержание пикового рабочего напряжения на уровне примерно 45–50 процентов от предела прочности проволоки на разрыв является общей отправной точкой для пружин, которые, как ожидается, выдержат миллионы циклов, хотя правильное число всегда зависит от конкретного сплава и обработки поверхности.
Дробеструйная обработка является наиболее широко используемым методом продления усталостного срока службы пружин сжатия и кручения. Обжиг небольших круглых материалов на поверхности проволоки создает неглубокий слой сжимающих остаточных напряжений, который противостоит растягивающим напряжениям, которые в противном случае могли бы вызвать усталостную трещину на поверхности. Для пружин, подвергающихся многоцикловой эксплуатации с высокими нагрузками (классическим примером являются автомобильные клапанные пружины), дробеструйная обработка может значительно продлить срок службы по сравнению с необработанной пружиной тех же размеров.
Современный пружинный станок с ЧПУ превращает катушку необработанной проволоки в готовую, подвергнутую термообработке пружину за последовательность скоординированных шагов, все управление которыми осуществляется с помощью запрограммированного серводвижения, а не механических кулачков на старом оборудовании.
Старые навивочные машины с кулачковым приводом используют физические кулачки и механические упоры для управления шагом и длиной, а это означает, что для изменения конструкции пружины требуется замена физических инструментов. Пружинный станок с ЧПУ заменяет большинство этих механических кулачков независимо программируемыми сервоосями, поэтому переключение между конструкциями пружин — включая совершенно разные типы, например, переход от пружины сжатия к работе пружины кручения — в значительной степени является вопросом загрузки новой программы и настройки инструментов, а не перестройки машины. Эта гибкость является одной из основных причин, по которой весенние тиражи малых и средних объемов за последние два десятилетия стали гораздо более рентабельными.
| Промышленность | Типичные типы пружин | Почему этот тип |
|---|---|---|
| Автомобильная промышленность | Компрессия, кручение, диск | Для клапанов и сцеплений с большим циклом работы необходимы дробеструйные пружины сжатия; Тарельчатые пружины выдерживают высокие нагрузки при коротком осевом пространстве |
| Мебель и техника | Сжатие, растяжение, постоянная сила | Механизмы наклона спинки и направляющие ящиков требуют постоянного усилия умеренного цикла с постоянной или плавно возрастающей скоростью. |
| Электроника и разъемы | Волна, небольшое сжатие | Ограниченный внутренний зазор способствует использованию низкопрофильных волнистых пружин для предварительного натяга контактов. |
| Сельское хозяйство и тяжелая техника | Сжатие, кручение | Толстые пружины большого диаметра должны выдерживать ударные нагрузки на открытом воздухе, предпочитая коррозионностойкие покрытия. |
| Медицинские приборы | Сжатие, растяжение, кручение (миниатюра) | Нержавеющая проволока предпочтительна из-за легкости очистки, с жесткими допусками для проволоки очень малого диаметра. |
Выбор материала пружины обеспечивает максимальную устойчивость к коррозии, но покрытия и отделка добавляют еще один уровень защиты, а также могут изменить внешний вид пружины и характеристики трения.
Толщина покрытия имеет большее значение, чем может показаться для пружин с жестким допуском, поскольку даже тонкий слой покрытия слегка меняет эффективный диаметр проволоки и может изменить жесткость пружины на очень маленьких пружинах. Для пружин с жесткими допусками по жесткости испытания обычно проводятся после нанесения покрытия, а не до него, поэтому сообщаемые значения отражают деталь в том виде, в котором она будет фактически установлена.
Неравномерное расстояние между витками обычно возникает из-за того, что проволока не была полностью выпрямлена перед намоткой, изношенные подающие ролики скользят по поверхности проволоки или инструмент для подачи проволоки вышел за пределы калибровки. На пружинном станке с ЧПУ это часто распознается заранее с помощью встроенного в станцию намотки линейного измерения шага.
Большинство усталостных трещин начинаются с дефекта поверхности — царапины, ямки от коррозии или концентрации напряжения на изгибе или крюке, — а не в середине гладкого рулона. Улучшение качества поверхности, добавление дробеструйной обработки или изменение острого радиуса крюка — это обычные способы устранения усталостного разрушения.
Постоянная установка описывает пружину, которая больше не возвращается к своей исходной свободной длине после отклонения, обычно из-за того, что она была напряжена за пределом упругости материала - часто из-за неоднократного сжатия до твердой высоты или из-за работы при более высокой температуре, чем был рассчитан на сплав проволоки. Правильное снятие напряжений после навивки снижает риск установки пружины за счет ослабления остаточных формовочных напряжений еще до того, как пружина совершит свой первый рабочий цикл.
Несколько переменных, как правило, определяют большую часть разницы в стоимости между весенними котировками, независимо от того, какой тип производится.
При сравнении предложений поставщиков полезно задать конкретный вопрос о том, как проверяются нагрузка и скорость — большинство авторитетных производителей тестируют образец из каждой производственной партии на приборе для испытания силы смещения, а не полагаются только на проверку размеров, поскольку две пружины могут измерять одинаково и при этом работать по-разному, если твердость проволоки незначительно различается в разных партиях проволоки.
Самый быстрый способ сузить тип пружины — спросить, в каком направлении прилагается сила и сколько осевого пространства доступно:
Пружины сжатия являются наиболее широко производимым типом, поскольку прямая отталкивающая сила охватывает большую часть механического и потребительского применения, от ручек до наполнителей матрасов.
Пружина сжатия сопротивляется сжатию, и ее витки в состоянии покоя раздвинуты друг от друга, в то время как пружина растяжения сопротивляется растяжению, и ее витки в состоянии покоя плотно прилегают друг к другу, обычно с загнутыми или закрученными концами для монтажа.
Да. Большинство современных пружинных станков с ЧПУ перепрограммируются, а не механически перестраиваются для переключения между сжатием, растяжением и кручением, поскольку разница сводится к смене инструментов и обновлению параметров навивки, шага и изгиба в управляющем программном обеспечении.
Изгибы концентрируют нагрузку гораздо больше, чем гладко намотанная катушка, поэтому крючки на пружинах растяжения и ножки торсионных пружин обычно являются первой точкой отказа при повторяющихся циклах, поэтому геометрии крючка и опоры уделяется столько же внимания при проектировании, сколько и самой катушке.
В большинстве случаев модернизации да — волнистая пружина может создавать силу, сравнимую с винтовой пружиной сжатия, занимая при этом примерно от трети до половины высоты в сжатом состоянии, поэтому они часто используются в конструкциях подшипников и разъемов с ограниченным пространством.
Индекс пружины — это отношение диаметра витка к диаметру проволоки. Низкий индекс означает туго накрученную пружину с более высокой концентрацией напряжения на внутреннем крае витка, тогда как высокий индекс означает слабо накрученную пружину, которую легче формовать, но она более склонна к короблению и запутыванию — большинство практичных конструкций остаются в среднем диапазоне для баланса технологичности и производительности.
Да, для пружин, которые подвергаются высоким нагрузкам и частым циклам нагрузки. Сжимающее остаточное напряжение, возникающее на поверхности проволоки, противостоит растягивающему напряжению, которое вызывает усталостные трещины, поэтому дробеструйная обработка является стандартной практикой для таких требовательных применений, как автомобильные клапанные пружины, даже несмотря на то, что она добавляет дополнительный этап процесса.
Твердость и диаметр проволоки могут незначительно различаться в зависимости от партии стана даже в пределах допустимого диапазона допусков, поэтому производители последовательно проверяют образец из каждой партии на приборе для испытания на смещение, а не предполагают, что одно только соответствие размеров гарантирует постоянную нагрузку и скорость.
ТК12120 TK-12120 12-осевая машина для намотки пружин с ЧПУ...
Смотрите подробности
ТК-6160 Пружинно-прокатный станок с ЧПУ TK-6160...
Смотрите подробности
ТК-6120 Пружинно-прокатный станок с ЧПУ TK-6120...
Смотрите подробности
ТК-5200 TK-5200 5-осевой станок для намотки пружин с ЧПУ ...
Смотрите подробностиМобильный QR-код
中文简体
英语
俄语
西班牙语
