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스프링은 금속 와이어나 스트립 스톡을 코일링, 굽힘 또는 스탬핑하여 기계적 에너지를 저장하고 방출하는 형태로 만들어집니다. 가장 일반적인 방법은 코일 권선 - 와이어를 통해 와이어를 공급하는 것입니다. CNC 스프링 기계 정확하게 계산된 피치와 직경으로 맨드릴 주위로 구부립니다. 대량 생산의 경우 이 공정은 스프링 크기와 재료에 따라 분당 50~400개의 부품 속도로 실행됩니다.
작업장에서 단일 부품의 프로토타입을 제작하든, 광고에서 수천 개의 부품을 실행하든 상관없습니다. 스프링 코일링 기계 , 핵심 단계는 동일합니다. 올바른 와이어를 선택하고, 형상을 설정하고, 스프링을 감거나 형성하고, 열처리하고, 표면을 마무리합니다. 각 단계에는 스프링의 하중, 피로 수명 및 치수 일관성에 직접적인 영향을 미치는 공차가 있습니다.
아래 섹션에서는 첫 번째 코일부터 마지막 코일까지 안정적으로 작동하는 스프링을 생산할 수 있도록 실제 측정, 재료 선택 및 기계 설정을 포함하여 각 단계를 자세히 분석합니다.
필요한 스프링 유형을 이해하면 제조 공정, 툴링 및 기계 구성이 결정됩니다. 산업 및 소비자 애플리케이션 전반에 걸쳐 사용되는 5가지 주요 범주가 있습니다.
가장 일반적인 유형입니다. 원형 와이어는 열린 피치로 나선형으로 감겨져 스프링이 축 하중 하에서 압축됩니다. CNC 코일로 제작 스프링 기계 피치 도구 조정으로. 자유 길이 공차는 일반적으로 공칭 길이의 ±1~2%입니다.
가까운 코일과 초기 장력으로 감아 코일이 정지 상태에서 함께 누르도록 합니다. 권취 직후 스프링 기계에 의해 양쪽 끝에 후크가 형성됩니다. 후크 형상(완전 비틀림, 반 비틀림 또는 연장)은 기계 프로그램에서 설정됩니다.
회전력에 저항하십시오. 닫히거나 열린 코일로 감겨 있고, 접선 방향으로 뻗어 있는 다리가 있습니다. 에이 비틀림 스프링 기계 다리를 정확한 각도(일반적으로 90°, 180° 또는 ±1° 이내의 사용자 정의 각도)로 구부립니다.
플랫 스트립 스톡에서 스탬핑되거나 구부러졌습니다. 자동차 판 스프링은 중앙에 고정된 적층형 플레이트를 사용합니다. 전자제품용 소형 플랫 스프링은 분당 최대 800스트로크의 속도로 프로그레시브 다이 프레스에 스탬핑됩니다.
직렬 또는 병렬로 쌓인 원추형 와셔입니다. 시트에서 와셔를 블랭킹하고 원추형 프로파일로 눌러 형성됩니다. 부하 용량은 콘 높이에 따라 크게 달라집니다. 1mm 높이 차이로 부하가 30~50% 변경될 수 있습니다.
재료 선택은 선택적인 추측이 아닙니다. 잘못된 합금은 조기 피로, 부식 실패 또는 온도에 따른 치수 변동을 유발할 수 있습니다. 아래 표는 산업 전반에 걸쳐 가장 일반적으로 지정되는 스프링 재료를 다루고 있습니다.
| 소재 | 표준 | 인장강도 | 최대 온도(°C) | 최고의 대상 |
|---|---|---|---|---|
| 뮤직 와이어(하이카본) | ASTM A228 | 1700~2400MPa | 120 | 범용, 고주기 |
| 하드 드로우 와이어 | ASTM A227 | 1200~1900MPa | 120 | 정적 또는 저주기 부하 |
| 스테인레스 스틸 302/304 | ASTM A313 | 1300~2000MPa | 260 | 부식성 환경 |
| 스테인레스 스틸 316 | ASTM A313 | 1100~1800MPa | 316 | 해양, 화학물질 노출 |
| 크롬실리콘(SiCr) | ASTM A401 | 1900~2200MPa | 245 | 고응력 밸브 스프링 |
| 인코넬 718 | AMS 5596 | 1240~1450MPa | 700 | 항공우주, 극심한 더위 |
| 인청동 | ASTM B159 | 700~1100MPa | 95 | 전기 접점, 비자성 |
뮤직 와이어(ASTM A228)가 대충 덮습니다. 전체 압축스프링 생산량의 70% 높은 인장 강도와 일관된 표면 품질로 인해 전 세계적으로 널리 사용되고 있습니다. 크롬 실리콘 합금은 작동 응력이 인장 강도의 45%를 초과하거나 스프링 주기가 천만 번 이상인 경우에 사용됩니다.
와이어 직경은 인장 강도를 좌우합니다. 0.5mm 뮤직 와이어는 거의 2400MPa에 가까운 인장 강도를 갖는 반면, 동일한 합금의 6mm 와이어는 약 1700MPa로 떨어집니다. 이 역관계는 모든 스프링 설계 방정식에 내장되어 있으며 스프링 기계를 설정하기 전에 고려해야 합니다.
주요 매개변수를 먼저 계산하지 않고 스프링 기계를 실행하는 것은 재료를 낭비하고 사양을 벗어난 부품을 생산하는 방법입니다. 다음 공식은 모든 압축 스프링 설계의 기초입니다.
여기서 G = 전단 계수(강철의 경우 ~80,000MPa), d = 와이어 직경, D = 평균 코일 직경, Na = 활성 코일 수. d = 3.5mm, D = 28mm, Na = 8인 일반적인 자동차 밸브 스프링은 약 28N/mm의 속도를 생성합니다.
C = D/d(스프링 지수). 지수가 4 미만인 스프링은 내부 코일에서 높은 응력 집중을 경험합니다. Wahl 계수는 전단 응력 계산을 수정합니다. 대부분의 스프링은 6에서 12 사이의 C로 설계됩니다.
Nc = 비활성(폐쇄) 코일 수, δ = 피치 × Na. 2개의 닫힌 끝이 있는 압축 스프링의 경우 Nc = 2입니다. 자유 길이는 권선 중 기계 정지 위치를 직접 설정합니다. CNC 스프링 코일링 머신 .
솔리드 길이는 모든 코일이 닿았을 때 압축된 높이입니다. 영구 변형을 방지하려면 작업 편향으로 인해 스프링이 솔리드 길이보다 최소 15% 이상 높게 유지되는지 항상 확인하십시오. 많은 스프링 기계 운영자는 이를 최소 간격 검사로 사용합니다.
프로그래밍하기 전에 스프링 기계 , 설계가 세 가지 검사를 통과했는지 확인합니다. (1) 하중 시 최대 응력은 동적 적용에 대한 인장 강도의 45% 미만으로 유지됩니다. (2) 스프링은 좌굴되지 않습니다. Lf/D 비율이 4를 초과하는 가는 스프링은 측면 좌굴이 발생하기 쉽습니다. (3) 공진을 피하기 위해 고유 진동수는 작동 주파수의 13배 이상입니다. 이러한 점검 중 하나라도 누락되면 현장 오류가 발생하며, 처음 100,000주기 이내에 오류가 발생하는 경우가 많습니다.
A 스프링 기계 스풀에서 원시 와이어를 가져와 단일 연속 패스로 완성된 스프링으로 구부리는 정밀 제어 성형 시스템입니다. 최신 CNC 버전은 기존 기계의 캠 및 레버 메커니즘을 몇 분 안에 다시 프로그래밍할 수 있는 서보 구동 축으로 대체합니다. 직경 드리프트, 피치 변화, 최종 조건 결함 문제를 해결하려면 기계 내부에서 일어나는 일을 이해하는 것이 필수적입니다.
와이어는 교대 각도로 설정된 일련의 롤러인 교정기를 통해 들어가며 스풀에서 자연적인 캐스트와 나선을 제거합니다. 부적절한 교정은 생산 시 코일 직경 변동의 주요 원인입니다. 대부분 스프링 코일링 기계 5-롤러 또는 9-롤러 교정기를 사용하십시오. 6mm 이상의 무거운 와이어는 토크 피드백이 있는 전동식 핀치 롤러 피드를 사용할 수 있습니다. 이송 속도는 기계의 출력 속도를 직접 결정합니다. 200mm/s 이송에서 30mm 자유 길이 스프링을 감는 데 약 0.15초가 걸립니다.
경화된 카바이드 핀 또는 롤러인 코일링 지점은 와이어를 맨드릴이나 자유 공기 중으로 방향을 바꾸어 코일 직경을 만듭니다. 코일링 지점을 안쪽으로 이동하면 직경이 증가합니다. 바깥쪽으로는 감소합니다. 피치 도구는 회전당 축 전진을 제어하여 스프링의 피치 각도와 궁극적으로 자유 길이를 설정합니다. 에 CNC 스프링 기계 , 두 축 모두 초당 500~1000회 위치를 업데이트하여 동일한 바람 주기 내에서 테이퍼 직경, 가변 피치 및 배럴 모양 프로필을 모두 허용합니다.
프로그래밍된 코일 수에 도달하면 절단 칼이 와이어를 깨끗하게 절단합니다. 일관된 끝 형상을 생성하려면 컷오프가 올바른 회전 각도에서 발사되어야 합니다. 절단 타이밍이 좋지 않으면 갈고리, 버 또는 끝 부분이 부서져 연삭에 실패하거나 스프링 직각도에 영향을 줍니다. 고속 기계는 5밀리초 미만의 응답 시간을 갖는 공압 또는 서보 차단 시스템을 사용합니다.
선도 스프링 기계 제조업체에는 WAFIOS(독일), Itaya(일본), Bamatec(스위스) 및 수많은 중국 제조업체가 포함됩니다. 0.3~6mm 와이어를 처리할 수 있는 중급 4축 CNC 코일링 기계의 가격은 일반적으로 속도와 축 구성에 따라 $40,000~$120,000 USD입니다.
다음 순서는 원시 와이어부터 완성된 검사 부품까지 산업용 압축 스프링 생산을 다룹니다. 토션 스프링과 인장 스프링은 성형 및 열처리 단계에서 수정된 동일한 골격을 따릅니다.
들어오는 와이어는 직경 공차(일반적으로 음악 와이어의 경우 ±0.5%), 인장 강도, 표면 상태 및 스풀 중량과 같은 재료 인증서를 기준으로 검증됩니다. 표면 솔기, 구멍 또는 직경이 공차를 벗어난 와이어는 기계에 도달하기 전에 거부됩니다. 단 2%의 직경 편차는 스프링 비율을 약 8%만큼 변경합니다(비율은 d⁴에 따라 조정되므로).
작업자는 직선기를 통해 와이어를 로드하고 코일링 지점에 공급합니다. CNC 프로그램은 와이어 공급 속도, 코일 직경 설정점, 회전당 피치, 총 코일 수 및 차단 위치를 지정합니다. 첫 번째 품목 샘플은 일반적으로 생산 속도의 10~20%인 느린 속도로 감겨져 인쇄물에 대해 측정됩니다. 모든 치수가 공차 내에 있을 때까지 코일링 포인트 위치, 피치 도구 각도 및 컷오프 타이밍을 조정합니다.
첫 번째 품목이 승인되면 기계는 최대 생산 속도로 가동됩니다. 출력 속도는 와이어 크기에 따라 다릅니다. 0.5mm 와이어는 200-400 스프링/분으로 작동합니다. 6mm 와이어는 분당 15~40개의 스프링 속도로 작동합니다. . 공정 중 샘플을 500~1000개마다 가져와 자유 길이, 외부 직경 및 총 코일 수를 확인합니다. 고급 기계의 자동 비전 시스템은 모든 부품을 검사합니다.
갓 감긴 스프링은 성형 공정에서 잔류 응력을 전달합니다. 응력 완화는 와이어의 냉간 가공된 미세 구조를 재결정화하지 않고 이를 제거합니다. 탄소강 스프링의 경우 이는 다음을 의미합니다. 200~260°C에서 20~30분 메쉬 벨트 오븐 또는 배치 오븐에서. 스테인리스강에는 315~370°C가 필요합니다. 처리 후 잔류 응력이 완화되면서 자유 길이가 0.5~2% 정도 변경될 수 있습니다. 이는 와인딩 프로그램에 고려되어야 합니다.
끝이 닫힌 압축 스프링은 이중 디스크 연삭기 또는 회전식 연삭기에서 연삭되어 평평한 베어링 표면을 생성합니다. 그라인드는 공차 내에서 직각도를 가져오기 위해 충분한 재료를 제거해야 합니다. 일반적으로 1.5° 미만의 기울기 DIN 2096 / ISO 10243 표준에 따라. 언더그라인딩은 전체 베어링 접촉 대신 점 접촉을 남깁니다. 과도한 연삭은 활성 코일을 절단하고 스프링 속도를 감소시킵니다.
고하중 스프링은 단단한 높이로 한 번 이상 압축되어 내부 코일 표면에 유리한 압축 잔류 응력을 유도합니다. 스크래깅 또는 프리세팅이라고 하는 이 프로세스는 스프링을 자유 길이의 1~5%만큼 영구적으로 단축하지만 사용 수명 동안 영구 변형에 대한 스프링의 저항을 증가시킵니다. 자동차 서스펜션 스프링과 밸브 스프링은 배송 전에 거의 항상 긁히게 됩니다.
쇼트 피닝은 작은 강철 또는 세라믹 볼을 고속으로 스프링 표면에 충돌시켜 0.1~0.3mm 깊이의 압축 응력층을 생성합니다. 이 층은 와이어 표면에서 시작되는 인장 피로 균열에 저항합니다. 쇼트 피닝은 다음과 같이 스프링 피로 수명을 연장할 수 있습니다. 200~500% 10⁸회 이상 순환하는 엔진 밸브 스프링과 같은 고주기 응용 분야에 사용됩니다.
보호 코팅이 없는 탄소강 스프링은 습한 환경에서 몇 주 내에 녹슬게 됩니다. 일반적인 마감재에는 전기 아연 도금(5~12μm), 아연 인산염 오일, 분말 코팅 또는 전자 코팅이 포함됩니다. 식품, 의료 또는 실외 환경용 스프링은 스테인레스 스틸 기본 재료 또는 추가 유기 코팅을 사용합니다. 도금으로 인한 수소 취성은 알려진 위험입니다. 190~220°C에서 4~8시간 동안 도금 후 베이킹하면 흡수된 수소가 제거됩니다.
모든 생산 로트는 치수 및 부하 테스트를 거칩니다. 스프링율 테스터는 스프링을 2~3개의 정의된 길이로 압축하고 각 지점의 힘을 기록합니다. 측정된 비율은 일반 스프링의 경우 ±10%, 정밀 스프링의 경우 ±5% 이내에서 설계 사양과 일치해야 합니다. 통계적 샘플링은 AQL 표(중요한 응용 분야의 경우 일반적으로 AQL 1.0 또는 1.5)를 따릅니다. 즉, 1,000개의 스프링 중 다수에 대해 80~125개의 샘플을 검사해야 합니다.
프로토타입 제작, 수리 작업 또는 소량의 경우 전용 스프링 없이도 기능성 압축 스프링 또는 인장 스프링 제작이 전적으로 가능합니다. 스프링 기계 . 툴링은 최소화되며 직경 2mm 미만의 와이어에 대한 프로세스는 간단합니다.
손으로 감는 스프링은 기계로 만든 부품의 치수 일관성과 일치하지 않습니다. 손으로 와인딩할 때 자유로운 길이 변동은 ±3~5%, 직경 변동은 ±2~4%입니다. 더 엄격한 공차가 필요하거나 20~30개 이상이 필요한 경우에는 스프링 코일링 기계 실용적인 솔루션입니다.
잘 관리되어 있는 곳이라도 스프링 기계 , 설정 드리프트 또는 재료 특성이 다를 때 결함이 나타납니다. 다음 표에서는 가장 빈번한 결함을 근본 원인 및 수정 조치에 매핑합니다.
| 결함 | 가능한 원인 | 시정 조치 |
|---|---|---|
| OD는 실행 중에 점차 증가합니다. | 코일링 포인트 마모, 와이어 스풀 장력 감소 | 코일링 포인트를 교체하십시오. 와이어 브레이크 장력 추가 |
| 자유 길이가 너무 짧음 | 피치 도구가 충분히 발전하지 않았습니다. 잘못된 코일 수 | 피치 도구 오프셋을 늘리십시오. 인코더 카운트 확인 |
| 정사각형이 아닌 끝 | 고르지 않은 끝 코일 폐쇄; 그라인더 휠이 평평하지 않음 | 끝 코일 캠을 조정합니다. 드레스 그라인더 휠 |
| 와이어 표면 균열 | 와이어 솔기; 맨드릴 직경이 너무 작음(높은 응력) | 와이어 로트 거부; 스프링 지수(D/d 비율) 증가 |
| 얽힌 / 연동 스프링 | 피치에 비해 OD가 너무 큽니다. 연장 스프링의 끝 후크 | OD를 줄입니다. 출력함에 구분선 추가 |
| 일관되지 않은 스프링 속도 | 피치 변화; 공차를 벗어난 와이어 직경 | 피치 도구를 다시 확인하세요. 와이어 로트 사양을 강화하세요 |
| 버 또는 날카로운 절단 끝 | 둔한 절단 칼; 잘못된 절단 각도 | 칼을 갈거나 교체하세요. 컷오프 캠 각도 조정 |
스프링은 상용 부품이 아닙니다. 작은 치수 편차로 인해 하중과 피로 수명이 크게 변경됩니다. 스프링 공차를 관리하는 주요 표준은 DIN 2095/2096(압축), DIN 2097(확장) 및 DIN 2194(비틀림)입니다. ISO 10243 및 ISO 8458은 국제 공급망에도 적용됩니다.
DIN 2095는 1등급(자유 길이의 ±0.5%), 2등급(±1%), 3등급(±2%)의 세 가지 공차 등급을 정의합니다. 80mm 자유 길이 스프링에서 1등급 부품을 생산하는 스프링 기계는 ±0.4mm를 유지해야 합니다. 이는 잘 조정된 CNC 코일링 기계에서는 달성 가능하지만 구형 캠 유형 기계에서는 달성할 수 없습니다.
OD에 대한 공차는 스프링 지수와 와이어 직경을 따릅니다. OD = 20mm 및 d = 1.5mm인 일반적인 스프링의 경우 등급 2 공차는 약 ±0.4mm입니다. 현대 스프링 기계 서보 피드백이 있는 시스템은 일반적으로 OD를 ±0.1mm 이내로 유지합니다.
직각도(스프링 축에 대한 끝 코일 면의 직각도)는 자유 길이 100mm당 최대 편차(mm)로 지정됩니다. DIN 2096 등급 2는 100mm당 3mm를 허용합니다. 정밀 조립용 스프링(밸브 스프링, 계기 스프링)은 100mm당 1mm 미만이 필요합니다.
스프링 속도는 정의된 두 길이의 로드 셀에서 테스트됩니다. 공차는 일반적으로 상업용 스프링의 경우 ±10%이고 정밀 스프링의 경우 ±5%입니다. 자동차 서스펜션 스프링은 ±3% 비율과 ±1% 자유 길이로 유지되는 경우가 많으므로 자동화된 스프링 비율 기계에서 100% 테스트가 필요합니다.
수동으로 작업하는 프로토타입 또는 단일 교대 수동 기계에서 전체 생산으로 전환하려면 기계 용량, 자재 물류 및 검사 인프라라는 세 가지 변수에 대한 계획이 필요합니다.
다음 계산을 사용하십시오: 한 달에 500,000개의 스프링이 필요하고 스프링 코일링 기계 분당 80개의 스프링으로 작동하므로 매월 약 104시간의 기계 시간이 필요합니다. 22일 근무일과 8시간/교대 근무 기준으로 한 교대 근무의 단일 기계는 한 달에 192시간의 기계 시간을 생산합니다. 이는 용량 범위 내입니다. 그러나 설정 시간(전환당 30~60분), 유지 관리 가동 중지 시간(잘 관리된 기계의 총 시간의 5~8%) 및 첫 번째 품목 승인 시간을 고려하면 유효 용량은 대략 160~170 사용 가능 시간으로 떨어집니다. 생산 능력을 견적할 때 실제 활용도는 75~80%로 계획하세요.
1.5mm 와이어를 사용하는 30mm 자유 길이 스프링을 사용하여 월 500,000개의 스프링을 사용하면 월간 약 15,000미터(합금 밀도에 따라 약 130~160kg)의 와이어를 소비합니다. 500kg 코일에 비해 100kg 스풀로 와이어를 구매하면 재료 비용을 8~15% 절감할 수 있습니다. 스풀 호환성을 확인하십시오. 스프링 기계 대량 주문 전 의 정산 시스템.
월 500,000개를 100% 수동으로 검사하는 것은 실용적이지 않습니다. 스프링 직경, 자유 길이 및 최종 상태에 대한 자동화된 비전 시스템은 초당 60~120개의 스프링을 확인하고 실시간으로 결함을 표시합니다. 인라인 하중 테스터는 모든 부품의 스프링율을 확인합니다. 완전 자동화된 검사 셀의 자본 비용은 미화 25,000~80,000달러에 달하지만 폐기율이 1~2%에서 0.1% 미만으로 떨어지면 빠르게 회수됩니다.
TK-13200, TK-7230 TK-13200, TK-7230 12축 CNC 스프링 코일링 기계 ...
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TK-13200, TK-7230 TK-13200, TK-7230 12축 CNC 스프링 코일링 기계 ...
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