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압축 스프링은 압축력에 저항하는 개방형 코일 나선형 스프링입니다. 함께 밀면 뒤로 밀려납니다. 이는 제조 분야에서 가장 널리 생산되는 스프링 유형으로, 대략적으로 다음과 같습니다. 전 세계 스프링의 60%가 생산됩니다. . 주요 유형에는 원통형(직선), 원추형(테이퍼형), 배럴형(볼록형), 모래시계형(오목형) 및 가변 피치 스프링이 포함됩니다. 각 형상은 서로 다른 기계적 목적을 갖고 있으며 잘못된 유형을 선택하면 조기 피로 파손, 원치 않는 공명 또는 치수 부적합이 발생합니다.
각 유형(형상, 하중 동작, 재료 요구사항, 제조에 필요한 스프링 기계 기술)을 철저하게 이해하는 것은 엔지니어, 조달 전문가 및 생산 관리자 모두에게 필수적입니다.
직선형 코일 스프링이라고도 불리는 원통형 압축 스프링은 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 일정한 외경을 유지합니다. 이는 제조하기 가장 간단한 형상이며 자동차 밸브 트레인, 볼펜, 도어 래치, 산업용 유압 장치 및 가전 제품과 같은 일상 제품에서 가장 널리 사용되는 형태입니다.
폐쇄형 및 접지형 끝이 있는 원통형 압축 스프링은 가장 평평한 베어링 표면을 제공하여 하중 편심을 줄입니다. 3,000~6,000RPM으로 순환할 수 있고 차량 수명 동안 수억 번의 피로 사이클을 견뎌야 하는 자동차 엔진 밸브 스프링은 거의 항상 끝이 접지된 원통형이며 크롬-실리콘 또는 크롬-바나듐 합금 와이어로 만들어집니다.
생산 측면에서는 스프링 기계 원통형 스프링 생산은 정밀한 피치 제어 서보 축에 의존합니다. 대량 제조업체에서 사용하는 5축 및 7축 모델과 같은 최신 CNC 스프링 코일링 기계는 150m/min을 초과하는 와이어 공급 속도에서 ±0.05mm 이내의 피치 공차를 유지할 수 있습니다. 이러한 반복성은 구형 캠 구동 기계식 프레스로는 달성할 수 없습니다.
원추형 압축 스프링은 큰 베이스에서 작은 정점으로 갈수록 직경이 점차 감소합니다. 압축되면 코일이 서로 망원경으로 접혀 스프링이 와이어 직경의 1~2배에 해당하는 견고한 높이로 붕괴될 수 있습니다. 이는 동일한 수의 활성 코일이 있는 원통형 스프링보다 훨씬 짧습니다. 이로 인해 축 방향의 설치 공간이 심각하게 제한되는 곳에서는 원추형 스프링이 선호됩니다.
원추형 스프링은 비선형, 점진적으로 증가하는 스프링율 . 압축이 진행됨에 따라 더 큰 직경의 코일이 먼저 시트에 접촉하여 활성 편향으로부터 효과적으로 제거됩니다. 직경이 더 작은 나머지 코일은 더 단단하므로 이동 거리가 밀리미터 증가할 때마다 저항이 증가합니다. 이러한 점진적인 속도는 무거운 하중에서 부드러운 초기 승차감이 강화되는 자동차 서스펜션 시스템에서 매우 바람직합니다.
원추형 스프링을 생산하려면 스프링 기계의 직경 변경 제어가 필요합니다. 즉, 코일링 지점은 일관된 피치와 코일 장력을 유지하면서 반경 방향으로 움직여야 합니다. 구형 기계식 스프링 코일링 기계는 전환당 하나의 테이퍼 각도로 고정되는 고정 외부 캠을 통해 외경을 제어했습니다. 현대적인 CNC 스프링 기계 서보 구동식 직경 변경 축을 사용하면 물리적 공구 변경 없이 몇 분 안에 하나의 스프링 형상에서 다른 스프링 형상으로 전환하여 모든 테이퍼 프로파일을 전자적으로 프로그래밍할 수 있습니다. 이를 통해 혼합, 소량 생산 환경에서 전환 시간이 몇 시간에서 15분 미만으로 단축되었습니다.
볼록 압축 스프링이라고도 하는 배럴 스프링은 중간점에서 최대 외부 직경을 가지며 양쪽 끝으로 갈수록 테이퍼집니다. 시각적으로 단면이 배럴이나 축구공과 유사합니다. 이 형상은 측면 좌굴에 대한 매우 높은 저항을 제공합니다. 중앙의 가장 넓은 코일은 자연스러운 안정화 밴드 역할을 하여 가이드 핀이나 슬리브 없이도 압축 중에 스프링이 옆으로 구부러지는 것을 방지합니다.
공간 제약이나 오염 문제로 인해 가이드 로드를 장착할 수 없는 응용 분야에서는 배럴 스프링이 원통형 스프링과 가이드 어셈블리를 모두 대체하여 부품 수를 줄일 수 있습니다. 트레이드오프는 비선형 스프링 비율입니다. 스프링은 초기 편향(큰 직경, 더 유연한 코일 맞물림)에서 더 부드럽고 전체 압축으로 갈수록 점진적으로 더 단단해집니다.
배럴 스프링을 제조하려면 다음을 수행할 수 있는 스프링 기계가 필요합니다. 양방향 직경 제어 - 외부 직경은 하단 끝에서 중앙으로 증가한 다음 다시 상단 끝으로 대칭적으로 감소해야 합니다. 표준 3축 CNC 스프링 코일링 기계는 이 프로파일을 달성할 수 없습니다. 5개 이상의 제어 축이 있는 기계는 코일링 포인트용 서보 구동 방사형 슬라이드를 통합하여 단일 연속 작업으로 볼록 프로파일을 프로그래밍할 수 있습니다. 배럴 스프링의 출력 속도는 일반적으로 더 복잡한 서보 경로로 인해 동등한 원통형 스프링보다 20~40% 더 느리게 실행되지만, 2차 조립 작업을 제거하면 총 비용을 보상하는 것 이상입니다.
모래시계 스프링(프로필이 오목하고 중앙에서 가장 작은 직경)은 배럴 스프링의 기하학적 역수입니다. 그것의 결정적인 이점은 매우 높은 고유 주파수 뻣뻣하고 좁은 직경의 중앙 코일로 인해. 이는 고속 기계, 공압 공구 및 정밀 기기와 같은 고주파 진동 환경에서 공진을 방지하는 데 탁월합니다. 원통형 스프링이 특정 작동 속도에서 서지(스프링 본체 내의 정재파 진동)에 들어갈 수 있는 경우, 모래시계 스프링의 가변 코일 직경은 여러 고유 주파수를 생성하여 단일 공진 모드가 지배적인 것을 방지합니다.
모래시계 스프링은 편평한 시트에서도 자체 중심에 위치하므로 측면 위치 지정이 중요하지만 가이드가 실용적이지 않은 응용 분야에 유용합니다. 그러나 오목한 형상은 중앙 코일의 직경이 작아서 응력이 크다는 것을 의미합니다. 허용 가능한 피로 수명을 달성하려면 신중한 재료 선택과 표면 마감(예: 숏 피닝)이 필수적입니다.
| 스프링형 | 하중 편향 | 솔리드 높이 | 좌굴 저항 | 진동/서지 저항 | 필요한 CNC 축 |
|---|---|---|---|---|---|
| 원통형 | 선형 | 보통 | 낮음 | 보통 | 2~3 |
| 원뿔형 | 프로그레시브 | 매우 낮음 | 높음 | 좋음 | 3~5 |
| 배럴(볼록형) | 프로그레시브 | 보통 | 매우 높음 | 좋음 | 5 |
| 모래시계(오목형) | 프로그레시브 | 보통 | 높음 | 우수 | 5 |
| 가변 피치 | 이중 속도 | 보통 | 보통 | 우수 | 3~5 |
| 미니어처 | 선형 | 매우 낮음 | 낮음 | 보통 | 2~3 (high-precision) |
가변 피치 압축 스프링은 일정한 직경을 유지하지만 스프링 길이에 따라 코일 사이의 간격을 변경합니다. 낮은 하중에서는 오픈 피치 섹션(코일 사이에 더 많은 공간이 있음)이 편향을 전달하여 부드러운 스프링 비율을 제공합니다. 해당 섹션이 단단하게 닫히면 더 좁은 피치 섹션이 이어받아 스프링 비율이 극적으로 증가합니다. 결과는 이중 속도 또는 다중 속도 스프링 단일 구성 요소에서 — 스페이서나 추가 구성 요소가 필요하지 않습니다.
가변 피치 스프링은 자동차 서스펜션 시스템에 광범위하게 사용됩니다. 일반적인 승용차 가변 피치 코일오버 스프링의 초기 속도는 처음 40mm 이동 동안 25N/mm이고 다음 30mm 동안 50N/mm로 전환됩니다. 이는 균일하게 뻣뻣한 스프링의 거친 느낌 없이 공격적인 코너링에서 차체 롤링을 제한하는 동시에 일반 도로에서 순응적인 승차감을 제공합니다.
CNC 스프링 기계에서 피치는 회전 코일링 속도에 대한 축 이송 속도에 의해 제어됩니다. 가변 피치를 생성하기 위해 컨트롤러는 코일링 중에 프로그래밍 방식으로 이 비율을 변경합니다. 즉, 개방형 피치 섹션의 경우 축 이송을 늘리고 가까운 피치 영역의 경우 이를 줄입니다. 3축 CNC 스프링 코일링 기계는 순수하게 소프트웨어 프로그래밍을 통해 이를 수행할 수 있으며, 기계가 제대로 설정되면 가변 피치 스프링을 생산하기 가장 쉬운 "복잡한" 형상 중 하나로 만듭니다. 문제는 수천 개의 부품에 걸쳐 일관된 피치 전환을 달성하는 것입니다. 이를 위해서는 코일링 헤드 업스트림의 긴밀한 서보 루프 제어와 잘 보정된 와이어 직선화 시스템이 필요합니다.
일반적으로 외부 직경이 3mm 미만이고 와이어 직경이 0.3mm 미만인 스프링으로 정의되는 소형 압축 스프링은 스프링 제조에서 기술적으로 가장 까다로운 부분을 나타냅니다. 이러한 장치는 의료 기기(약물 전달 시스템, 임플란트, 수술 기기), 정밀 기기, 항공우주 항공 전자 기기, 통신 장비 등 어디에나 존재합니다.
마이크로 스프링 시장은 최소 침습 수술 및 웨어러블 전자 장치의 등장으로 크게 성장했습니다. 예를 들어, 최신 인슐린 펌프에는 다음이 포함될 수 있습니다. 수십 개의 마이크로 압축 스프링 와이어 직경은 0.08~0.15mm, 외부 직경은 0.5~1.5mm, 자유 길이는 5mm 미만입니다. 치수 공차는 종종 외경에서 ±0.02mm이고 자유 길이에서 ±0.05mm입니다. 이는 인라인 비전 검사 시스템을 갖춘 매우 견고하고 열적으로 안정적인 스프링 코일링 기계 플랫폼이 필요한 공차입니다.
소형 압축 스프링용 와이어 재료 선택은 다음과 같습니다.
스프링 형상에 관계없이 최종 구성은 압축 스프링이 작동하는 방식에 큰 영향을 미칩니다. 네 가지 표준 끝 유형은 다음과 같습니다.
스프링 기계에 감은 후 접지 끝이 필요한 스프링은 다음 단계로 진행됩니다. CNC 스프링 연삭기 — 표준 응용 분야의 경우 1~2° 이내, 정밀성이 중요한 용도의 경우 0.5° 미만의 평행도를 달성하기 위해 양쪽 끝을 동시에 처리하는 전용 평면 연삭 시스템입니다. 최신 회전 연삭기는 다음을 처리할 수 있습니다. 시간당 스프링 800~2,000개 스프링 크기와 재료 경도에 따라 다릅니다.
압축 스프링 유형을 지정할 때 재료 선택은 형상만큼 중요합니다. 스프링의 탄성 계수, 인장 강도, 피로 한계, 온도 성능 및 내식성은 모두 재료에 따른 특성입니다. 가장 일반적으로 사용되는 와이어 재료와 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.
| 소재 | 최대 작동 온도(°C) | 인장강도(MPa) | 부식 저항 | 주요 용도 |
|---|---|---|---|---|
| 뮤직 와이어(A228) | 120 | 1900년~2500년 | 나쁨 | 일반 엔지니어링, 계측기 |
| 하드 드로잉 와이어(A227) | 120 | 1500년~1900년 | 나쁨 | 경량, 정하중 |
| 크롬-실리콘(A401) | 250 | 1900년~2200년 | 보통 | 자동차 밸브, 고주기 스프링 |
| 크롬-바나듐(A232) | 220 | 1700년~2000년 | 보통 | 엔진 부품, 충격 흡수 장치 |
| 302 스테인레스 스틸 | 260 | 1300년~1800년 | 우수 | 의료, 식품가공, 해양 |
| 인코넬 718 | 600 | 1200~1600 | 우수 | 항공우주, 터빈 엔진 |
코일링 후에는 열처리가 매우 중요합니다. 스프링은 일반적으로 재료를 어닐링하지 않고 잔류 성형 응력을 제거하기 위해 200~250°C에서 응력을 완화합니다. 쇼트 피닝은 고주기 피로 스프링(예: 자동차 밸브 스프링)에 적용되어 와이어 표면에 압축 잔류 응력을 유발합니다. 피로 수명을 20~50% 증가시킵니다. 피닝 강도와 적용 범위에 따라 다릅니다.
위에 설명된 다양한 압축 스프링 유형은 최신 CNC 스프링 기계 기술 없이는 상업적으로 비실용적입니다. 고성능 스프링 기계 현재는 와이어 공급, 직선화, 코일링, 피치 제어, 직경 제어, 컷오프 및 (일부 모델의 경우) 인라인 길이 측정을 모두 결합한 다축 서보 시스템입니다. 이 모든 것이 설정 후 사람의 개입 없이 작동하는 단일 자동화 장치에 있습니다.
스프링 코일링 기계의 제어된 축 수는 생산할 수 있는 스프링 형상을 직접적으로 결정합니다.
직경 0.15mm ~ 23mm의 와이어를 가공하는 CNC 스프링 코일링 기계는 마이크로 의료용 스프링부터 중공업용 서스펜션 스프링까지 모든 범위를 처리할 수 있습니다. 처리된 와이어 직경 범위에 따라 어떤 스프링 기계 시리즈가 적합한지 결정됩니다. 직경이 더 작은 기계에는 더 미세한 공차 가이드 구성요소와 고속 서보 시스템이 필요한 반면, 큰 와이어 기계에는 코일링 메커니즘에서 훨씬 더 높은 토크가 필요합니다.
최신 스프링 기계 플랫폼은 점차 인라인 측정을 통합합니다. 카메라 기반 비전 시스템은 각 스프링이 절단된 직후 외경, 자유 길이 및 코일 수를 확인하여 허용 범위를 벗어난 부품이 수집 상자에 도달하기 전에 거부합니다. 의료용 스프링 생산의 경우 이 폐쇄 루프 품질 시스템은 선택 사항이 아닙니다. 이식형 장치 구성 요소에 대한 FDA 및 ISO 13485 요구 사항은 100% 치수 검증을 요구하며 이는 통계 샘플링이 아닌 기계 통합 검사를 통해서만 달성할 수 있습니다.
각 산업 분야에는 선택한 압축 스프링 유형과 제조 접근 방식에 영향을 미치는 고유한 요구 사항이 있습니다.
자동차 응용 분야는 전 세계적으로 압축 스프링에 대한 단일 최대 소비 범주를 나타냅니다. 밸브 스프링, 서스펜션 스프링, 클러치 스프링, 브레이크 스프링이 함께 구성됩니다. 200개 이상의 개별 스프링 적용 일반적인 승용차에서. 전기 자동차로의 전환으로 인해 엔진 밸브 스프링 수요는 감소했지만 배터리 관리 시스템 스프링, 모터 브러시 스프링 및 열 관리 부품 스프링에 대한 수요는 증가했습니다. 자동차 부품을 생산하는 스프링 기계는 IATF 16949 품질 관리 시스템에 따라 검증되어야 하며 모든 생산 실행에서 통계적 공정 관리(SPC) 데이터가 필요한 경우가 많습니다.
항공우주 압축 스프링은 고도에서 -70°C부터 엔진 근접 시 500°C 이상의 온도, 고주파수에서 반복 하중, 서비스 중 오류에 대한 제로 허용 오차 등 극한의 조건에서 작동합니다. 사양은 AS9100을 따르며 군용 하드웨어의 경우 MIL-SPEC 표준을 따릅니다. 재료 추적성은 필수입니다. 모든 와이어 코일은 히트 로트에 다시 문서화되어야 하며 각 생산 배치에 대한 스프링 기계 매개변수는 보관되어야 합니다. 원추형 압축 스프링은 낮은 고체 높이로 인해 항공우주 분야에서 많이 사용되며, 이는 동체 구조 및 제어 메커니즘에서 무게와 공간을 절약합니다.
특히 이식형 장치용 의료 장치 스프링에는 재료의 ISO 10993 생체 적합성 인증, 표면 전해 연마 또는 부동태화, 일반 엔지니어링 응용 분야에서 요구하는 수준을 훨씬 뛰어넘는 치수 반복성이 필요합니다. 소형 원통형 스테인리스강 또는 니티놀 압축 스프링은 심박조율기, 정형외과용 임플란트 전달 시스템, 스텐트 및 약물 방출 장치에 사용됩니다. 이러한 구성 요소를 생산하는 스프링 기계는 통제된 환경에서 작동해야 하며 작업자는 의약품 제조 표준과 동등한 문서화된 절차를 따라야 합니다.
유압 시스템의 견고한 원통형 및 배럴 압축 스프링은 수천 시간의 작동 시간 동안 특정 편향 지점에서 일관된 하중을 유지해야 합니다. 사용 수명 동안 5% 정도 처지는 유압 카트리지 밸브 스프링은 밸브의 크래킹 압력을 변화시켜 잠재적으로 시스템 오작동을 일으킬 수 있습니다. 이러한 스프링의 생산 공차 및 재료 사양은 일반 카탈로그 스프링보다 엄격하므로 스프링 기계가 코일링을 시작하기 전에 더 제어된 제조 공정과 더 엄격한 인입 와이어 검사가 필요합니다.
5가지 주요 형상 옵션과 수십 가지 재료 선택을 통해 새로운 응용 분야에 적합한 압축 스프링을 선택하는 것은 4가지 질문을 순서대로 질문함으로써 간소화될 수 있습니다.
특수 형상이 필요하지 않은 경우 기본적으로 닫혀 있고 접지된 끝이 있는 원통형입니다. 이는 위험도가 가장 낮고 비용도 가장 낮은 옵션이며, 스프링 기계로 대량 생산하는 것이 가장 쉽고, 표준 스프링 설계 소프트웨어 및 게시된 재료 데이터에서 가장 잘 지원됩니다.
균일한 피치를 갖는 원통형 압축 스프링이 가장 일반적인 유형입니다. 이 형상은 설계가 가장 간단하고, 표준 스프링 기계로 제조하기가 가장 쉽고, 대부분의 엔지니어링 응용 분야에 충분하기 때문에 전 세계적으로 생산되는 모든 압축 스프링의 대부분을 차지합니다. 특정 설계 제약 조건이 배제되지 않는 한 원통형 스프링이 항상 기본 시작점입니다.
배럴(볼록) 스프링은 직경이 넓은 중앙 코일이 안정화 밴드 역할을 하기 때문에 측면 좌굴에 대한 가장 높은 자연적 저항을 제공합니다. 원추형 스프링은 또한 압축 중 텔레스코픽 코일 작용으로 인해 좌굴에 잘 견딥니다. 좌굴이 발생하기 쉬운 구성(외경의 4배보다 큰 자유 길이)의 원통형 스프링의 경우 스프링 형상을 변경하는 대신 가이드 핀 또는 슬리브가 표준 엔지니어링 솔루션입니다.
원추형 및 배럴 스프링에는 서보로 제어되는 직경 변경 축(또는 이에 상응하는 방사형 슬라이드 메커니즘)이 있는 CNC 스프링 기계가 필요합니다. 구형 캠 구동 기계에서는 직경 변화가 캠 프로파일에 의해 고정되어 비원통형 스프링 설정이 매우 느려졌습니다. 최신 다축 CNC 스프링 코일링 기계는 직경 프로파일을 전자적으로 프로그래밍하여 물리적 공구 변경 없이 테이퍼 또는 볼록/오목 모양을 달성합니다. 생산 품질의 비원통형 압축 스프링에는 일반적으로 5축 이상의 기계가 필요합니다.
가변 피치 스프링은 스프링 길이에 따라 코일 간격이 달라지는 물리적 스프링 유형입니다. 이중 속도 스프링은 성능 설명입니다. 이는 서로 다른 편향 범위에서 두 가지 서로 다른 스프링 속도를 나타내는 모든 스프링(또는 스프링 조립품)을 설명합니다. 가변 피치 스프링은 형상을 통해 이중 속도 특성을 달성합니다. 원추형 스프링은 점진적인 코일 접촉을 통해 유사한 효과를 얻습니다. 일부 어셈블리는 형상에만 의존하지 않고 이중 속도 동작을 달성하기 위해 속도가 다른 두 개의 동축 스프링을 사용합니다.
그렇습니다. 충분한 성능을 갖춘 스프링 기계는 다양한 압축 스프링 유형을 생산할 수 있습니다. 5축 CNC 스프링 코일링 기계는 소프트웨어 전환을 통해 원통형, 원추형 및 가변 피치 스프링을 생산할 수 있습니다. 10축 또는 12축 캠리스 스프링 기계는 이를 더욱 확장하여 동일한 플랫폼에서 배럴, 모래시계 및 복잡한 가변 형상 스프링을 처리합니다. 주요 제한은 와이어 직경 범위입니다. 기계의 코일링 툴링은 특정 와이어 직경 밴드에 최적화되어 있으므로 완전히 CNC 플랫폼에서도 매우 다른 와이어 게이지 간 전환에는 여전히 툴링 변경이 필요합니다.
스프링 기계에서 와이어를 냉간 코일링하면 성형 시 소성 변형으로 인해 와이어에 잔류 응력이 발생합니다. 응력 완화가 없으면 이러한 잔류 응력으로 인해 스프링이 변형되거나(하중을 받는 시간에 따라 자유 길이가 변경됨) 와이어의 가장 큰 응력을 받는 외부 섬유에 작동 응력이 추가되어 피로 수명이 단축될 수 있습니다. 200~250°C에서 30~60분간 응력 완화 열처리를 하면 와이어가 크게 부드러워지지 않고 잔류 응력이 완화됩니다. 사전 경화된 와이어(음악 와이어, 하드 드로잉 와이어)로 만든 스프링은 냉간 코일 처리된 후 응력이 완화됩니다. 단련된 합금선으로 만든 스프링은 부드럽게 감겨져 있으며 감겨진 후 스프링 템퍼로에서 경화됩니다.
TK-13200, TK-7230 TK-13200, TK-7230 12축 CNC 스프링 코일링 기계 ...
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