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있다 6가지 기본 스프링 유형 압축 스프링, 인장 스프링, 토션 스프링, 항력 스프링, 웨이브 스프링, 디스크(벨빌) 스프링 등 산업 및 소비자 제품 전반에 사용됩니다. 각각은 압축, 신장, 비틀기, 회전, 편평화 또는 쌓기 등 기계적 에너지를 저장하고 방출하는 방식에 따라 정의됩니다. 올바른 선택은 하중 방향, 사용 가능한 공간 및 부품이 생존해야 하는 작업 사이클 수에 따라 달라지며 오늘날 거의 모든 것이 컴퓨터 제어 방식으로 형성됩니다. 스프링 기계 손보다는.
스프링이 속하는 범주는 실제로 기계적 동작을 줄여서 표현한 것입니다. 압축 스프링이 뒤로 밀려납니다. 확장 스프링이 뒤로 당겨집니다. 토션 스프링은 비틀림에 저항합니다. 해당 동작이 수정되면 와이어 직경, 코일 수, 끝 형상 및 재료 등 다른 모든 것이 목표 하중, 편향 및 서비스 수명을 달성하기 위한 튜닝 연습입니다.
이 가이드에서는 각 스프링 유형, 그 뒤에 있는 재료, 최신 스프링 기계가 각 스프링을 형성하는 방법, 엔지니어가 실제 로드 케이스에 맞게 스프링 크기를 조정하는 방법, 각 유형이 다양한 산업에 걸쳐 나타나는 방법, 일반적인 오류 지점, 마감 및 부식 방지, 생산량을 소싱할 때 견적을 비교하는 방법을 자세히 분석합니다.
압축 스프링은 압착력에 저항하고 압축 시 뒤로 밀도록 설계된 개방형 코일 스프링입니다. 이는 기계 조립품에서 가장 일반적인 스프링 유형으로 매트리스, 볼펜, 밸브, 서스펜션 시스템 및 산업용 다이에 나타납니다. 부하가 코일을 함께 밀면 스프링은 에너지를 저장하고 부하가 해제되면 동일한 축을 따라 뒤로 밀어냅니다.
코일은 정지 상태에서 서로 떨어져 있기 때문에 압축 스프링은 코일이 닿을 때까지 압축될 수 있습니다. 이 상태를 고체 높이라고 합니다. 좋은 설계는 정상 작동 시 스프링이 견고한 높이에서 멀리 떨어져 있도록 유지합니다. 바닥을 반복적으로 사용하면 접촉 지점에서 와이어가 경화되고 피로 수명이 단축되기 때문입니다. 대부분의 엔지니어링 지침은 고체 높이까지 사용 가능한 총 이동 거리의 약 80% 이하로 작업 편향을 유지하여 초과 이동 이벤트에 대한 안전 여유를 남겨둡니다.
압축 스프링은 끝 코일이 어떻게 마감되는지에 따라 정의됩니다. 일반 끝 부분은 나선과 일치하는 각도로 절단된 와이어를 남겨두므로 생성이 빠르지만 스프링이 약간 하중을 받게 됩니다. 정사각형 끝은 연삭되거나 평평하게 눌러져 스프링이 기울어짐 없이 평평한 표면에 똑바로 서 있고, 정사각형 및 연삭 끝은 엔드 코일을 완벽하게 편평하게 연삭하여 한 단계 더 발전합니다. 이는 밸브 어셈블리와 같이 스프링이 평평한 플레이트에 균등하게 안착되어야 하는 모든 곳에서 일반적입니다.
생산 등급 스프링 기계 피드 롤러 세트를 통해 와이어를 공급하고 이를 맨드릴 또는 성형 핀 주위로 감싸 압축 스프링을 형성한 다음, 컷오프 도구가 각 코일을 프로그래밍된 길이로 분리합니다. CNC 제어 기계는 생산 과정 전반에 걸쳐 스프링 비율 변화를 약 3% 미만으로 유지할 수 있을 만큼 피치 공차를 엄격하게 유지할 수 있습니다. 이는 밸브 스프링과 같이 일관된 힘이 중요한 부품에 중요합니다. 대용량 압축 스프링 라인은 일반적으로 코일링 헤드를 인라인 연삭 스테이션과 쌍으로 연결하므로 별도의 2차 작업 없이 사각형 끝을 마무리할 수 있습니다.
연장 스프링은 당기는 힘에 저항하고 풀면 원래 길이로 돌아가려고 하는 단단히 감긴 코일입니다. 압축 스프링과 달리 코일은 일반적으로 초기 장력이 내장되어 정지 상태에서 서로 가깝게 위치하므로 적용된 힘이 예압을 초과할 때만 스프링이 늘어나기 시작합니다. 차고 문 메커니즘, 트램폴린, 스크린 도어 및 토글 스위치는 모두 확장 스프링을 사용합니다.
초기 장력은 인장 스프링의 가장 오해되는 특성 중 하나입니다. 코일은 성형 중에 서로 단단히 감겨 있기 때문에 스프링은 적용된 힘이 내장된 장력을 초과할 때까지 당기는 힘에 전혀 저항합니다. 그 후에야 추가된 하중에 비례하여 늘어나기 시작합니다. 설계자는 이 초기 장력을 의도적으로 지정합니다. 너무 적으면 스프링이 정지 상태에서 처지는 반면, 너무 많으면 메커니즘이 이동 시작 시 뻣뻣하게 느껴지기 때문입니다.
인장 스프링의 대부분의 설계 작업은 코일 본체가 아닌 끝 부분에서 발생합니다. 기계 후크, 교차 루프, 측면 루프 및 확장된 고리는 각각 스프링 장착 방식과 굽힘에 응력이 집중되는 방식을 변경합니다. 후크 굽힘은 일반적으로 피로 파괴가 시작되는 지점이므로 코일 자체보다는 후크 형상이 스프링 작동 수명을 제한하는 요인인 경우가 많습니다.
최신 스프링 기계에서 후크 성형은 코일링과 동일한 주기로 수행됩니다. 코일링 도구가 본체를 감은 후 보조 도구가 회전하여 절단되기 전에 와이어 끝을 후크 모양으로 구부립니다. 이렇게 하면 후크 정렬이 일관되게 유지됩니다. 이는 연장 스프링을 손으로 형성할 때 가장 일반적인 품질 불만 사항 중 하나입니다. 일관된 후크 각도는 스프링이 장착 브래킷에 어떻게 걸리는지에도 중요합니다. 비틀린 후크는 코일 본체가 지탱하도록 설계되지 않은 원치 않는 측면 하중을 유발할 수 있습니다.
토션 스프링은 축을 따라 밀거나 당기는 대신 축을 중심으로 비틀 때 에너지를 저장합니다. 코일 본체는 각도 변위에 저항하고 각 끝에 있는 직선형 다리는 해당 회전력을 어셈블리에 전달합니다. 빨래집게, 쥐덫, 차고문 균형추 시스템, 캐비닛 문의 경첩 등이 전형적인 예입니다.
압축 및 인장 스프링과 달리 토션 스프링은 거의 항상 하중이 가해질 때 코일 직경이 약간 줄어들면서 작동하도록 설계됩니다. 즉, 샤프트나 맨드릴의 크기를 이러한 감소를 위한 간격으로 조정해야 하며, 그렇지 않으면 스프링이 의도한 이동에 도달하기 전에 코일이 샤프트에 바인딩된다는 의미입니다. 이 세부 사항은 많은 초보 설계자들이 허를 찔립니다.
| 토션 스프링 기능 | 디자인 효과 |
|---|---|
| 코일 방향(왼쪽 또는 오른쪽) | 하중이 가해질 때 스프링이 감기는 방향과 일치해야 합니다. 그렇지 않으면 코일이 조이는 대신 풀리게 됩니다. |
| 다리 구성 | 직선형, 힌지형 또는 각진 다리는 토크가 주변 어셈블리로 전달되는 방식을 결정합니다. |
| 활성 코일 수 | 코일이 많을수록 일반적으로 토크 속도가 낮아지고 사용 가능한 회전 이동 거리가 늘어납니다. |
| 바디 스타일(밀폐형 대 간격형) | 밀착된 코일은 코일 사이의 마찰 소음을 줄입니다. 간격을 둔 코일은 무거운 하중에서 묶일 가능성을 줄입니다. |
가정용 사례 외에도 토션 스프링은 무거운 오버헤드 도어용 균형 메커니즘, 래칫 및 폴 어셈블리의 리턴 스프링, 캐비닛 및 인클로저의 힌지 클로저, 별도의 패스너 없이 두 부품을 함께 고정하기 위해 가볍고 일관된 회전력이 필요한 클램핑 메커니즘에 사용됩니다.
토션 스프링은 일반적으로 회전 다리 굽힘 헤드가 장착된 CNC 스프링 기계에서 형성됩니다. 다리 각도 정확도는 스프링이 장착 구멍에 안착되는 방식에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다. 다리가 몇 도만이라도 어긋나면 조립 라인 전반에 걸쳐 예압 불일치가 발생할 수 있습니다. 이것이 바로 다리 각도가 새로운 툴링 설정에 대한 입고 검사 중에 확인되는 첫 번째 치수 중 하나인 이유입니다.
벨빌 스프링은 축 하중을 받으면 편평해지는 원뿔 모양의 와셔입니다. 직렬로 쌓으면 이동량이 증가하고 병렬로 쌓으면 부하 용량이 증가하므로 설계자가 매우 짧은 축 공간에서 특정 힘 곡선이 필요한 모든 곳에서 유용합니다. 볼트 체결식 플랜지 어셈블리와 중장비가 일반적인 예입니다. 디스크 스프링의 유용한 특성은 힘 곡선이 두께에 따른 원뿔 높이에 따라 조정될 수 있다는 것입니다. 얕은 원뿔은 거의 선형에 가까운 힘 반응을 제공하는 반면, 더 큰 원뿔은 편평하거나 스냅스루 힘 곡선을 생성하도록 조정될 수 있으며 이는 과부하 해제 메커니즘에 유용합니다.
웨이브 스프링은 원형 와이어 코일 대신 물결 모양의 링 모양 형태를 사용하여 압축 높이의 약 1/3~1/2에서 코일 스프링과 동일한 스프링 힘을 전달합니다. 베어링 예압 및 소형 전자 커넥터 애플리케이션은 축 공간이 제한될 때 웨이브 스프링을 선호합니다. 일반적으로 단일 회전, 다중 회전 및 중첩된 종류로 생산되며, 더 높은 작업 높이를 사용할 수 있지만 반경 방향 공간이 여전히 좁은 경우 다중 회전 웨이브 스프링이 일반적으로 사용됩니다.
둥근 와이어가 아닌 사전 응력을 가한 플랫 스트립으로 감은 일정한 힘 스프링은 상승하는 힘 곡선 대신 전체 확장 범위를 통해 거의 동일한 출력 힘을 제공합니다. 접이식 줄자, 균형 메커니즘 및 케이블 릴은 이러한 동작에 의존합니다. 스트립은 정지 상태에서 촘촘한 롤 형태로 자체적으로 감겨져 있고 하중이 가해지면 풀리기 때문에 힘 출력은 코일 스프링의 꾸준히 증가하는 저항에 비해 현저히 평탄하게 유지됩니다.
가스 스프링은 완전히 다른 범주입니다. 즉, 자동차 해치 스트럿 및 조정 가능한 사무실 의자와 같이 제어되고 완충된 확장이 필요한 곳에 사용되는 압축 가스와 피스톤 로드가 포함된 밀봉된 실린더입니다. 이는 와이어 성형 스프링 기계가 아닌 유압 충진 장비로 제조됩니다.
덜 일반적이지만 여전히 관련성이 높은 두 가지 유형이 전문 카테고리를 완성합니다. 볼류트 스프링은 원뿔 모양으로 감긴 플랫 스트립이며, 역사적으로 무거운 차량 서스펜션에 사용된 좌굴에 대한 저항력이 뛰어난 압축 스프링과 같은 기능을 합니다. 구불구불한 스프링은 둥근 와이어의 연속적인 지그재그로 형성되며 한때 겉천을 씌운 좌석에서 일반적으로 사용되었으며 하중을 몇 지점에 집중시키는 대신 넓은 좌석 팬에 고르게 분산시키는 데 유용했습니다.
일반적으로 생산되는 스프링 유형에 따라 어떤 와이어 합금이 적합한지 결정되며 모든 합금은 스프링 기계를 통해 공급되면 다르게 작동합니다.
와이어 직경과 스프링 지수, 코일 직경과 와이어 직경의 비율이라는 두 가지 차원이 다른 단일 변수보다 스프링의 동작을 더 지배합니다. 와이어가 두꺼울수록 스프링 비율이 와이어 직경의 4제곱으로 크기 때문에 강성이 급격하게 높아지는 반면, 스프링 지수(와이어에 비해 코일이 촘촘함)가 낮으면 각 코일 내부의 응력 집중이 증가하여 스프링을 정확하게 형성하기가 더 어려워집니다. 대부분의 실용적인 디자인은 스프링 지수를 대략 4에서 12 사이로 유지합니다. 그보다 더 단단히 코일된 스프링은 툴링 및 응력 수정에 특별한 주의가 필요한 반면, 그보다 느슨하게 코일된 스프링은 더 쉽게 엉키고 휘어지는 경향이 있습니다.
CNC 스프링 기계는 로드된 합금에 따라 코일링 속도, 와이어 공급 속도 및 성형 핀 압력을 변경합니다. 더 단단한 와이어에는 더 많은 성형력이 필요하지만 도구가 와이어를 놓은 후에는 더 멀리 스프링이 튀어 나오는 현상을 탄성 회복이라고 합니다. 대량 생산을 위해 제작된 기계는 일반적으로 계산된 마진만큼 각 코일을 과도하게 성형하여 이러한 회복을 자동으로 보상합니다. 이는 자동 코일링이 프로토타입 수량 이상의 작업에 대해 수동 벤치 성형을 대체하는 이유 중 하나입니다. 최신 서보 구동 스프링 기계는 배치별로 이러한 보상 데이터를 기록하므로 다음에 동일한 와이어 로트를 실행할 때 정확한 코일 형상을 훨씬 쉽게 재현할 수 있습니다.
스프링 유형을 선택하는 것은 첫 번째 단계일 뿐입니다. 실제 응용 분야에 맞게 크기를 결정하는 것은 일반적으로 스프링 속도(편향 단위당 힘이 얼마나 변화하는지), 완전 편향 시 최대 안전 응력, 피로가 문제가 되기 전에 스프링이 생존해야 하는 사이클 수 등 세 가지 연결된 목표로 귀결됩니다.
스프링 비율은 스프링이 얼마나 뻣뻣하게 느껴지는지, 즉 각 추가 편향 단위에 필요한 추가 힘을 나타냅니다. 코일 스프링의 경우 속도는 와이어 직경에 따라 증가하고 코일 직경 또는 활성 코일 수가 증가함에 따라 감소합니다. 두 스프링은 거의 동일해 보일 수 있지만 하나의 코일 직경이 다른 것보다 약간 더 크거나 활성 코일이 두 개 더 많은 경우 여전히 매우 다른 속도를 가질 수 있습니다. 이것이 바로 물리적 치수뿐만 아니라 스프링 속도를 지정하고 확인해야 하는 숫자인 이유입니다.
하루에 몇 번씩 열리는 래치 스프링과 같이 가끔씩 순환하는 스프링은 충분한 응력 여유를 갖도록 설계할 수 있으며 주변 제품보다 오래 지속될 가능성이 높습니다. 분당 수천 번 발사되는 밸브 스프링과 같이 지속적으로 순환하는 스프링은 단일 최대 응력 값이 아닌 피로 곡선에 대해 설계해야 합니다. 재료의 최대 강도보다 훨씬 낮은 반복 하중도 결국 균열이 시작되고 성장할 수 있기 때문입니다. 개략적인 기준으로, 와이어 인장 강도의 약 45~50% 미만으로 최대 작동 응력을 유지하는 것은 수백만 번의 사이클을 견딜 수 있을 것으로 예상되는 스프링의 일반적인 시작점입니다. 그러나 올바른 숫자는 항상 특정 합금 및 표면 마감에 따라 다릅니다.
쇼트 피닝은 압축 및 토션 스프링의 피로 수명을 연장하기 위해 가장 널리 사용되는 처리 방법입니다. 와이어 표면에 작고 둥근 매체를 발사하면 압축 잔류 응력의 얕은 층이 생성되며, 이는 표면에 피로 균열을 일으킬 수 있는 인장 응력에 저항합니다. 고주기, 고응력 서비스를 받는 스프링의 경우(자동차 밸브 스프링이 전형적인 예), 숏 피닝은 동일한 치수의 피닝되지 않은 스프링에 비해 서비스 수명을 의미있게 연장할 수 있습니다.
최신 CNC 스프링 기계는 일련의 조정된 단계를 통해 원시 와이어 스풀을 완성된 열처리 스프링으로 변환합니다. 이 모든 작업은 기존 장비의 기계식 캠이 아닌 프로그래밍된 서보 모션을 통해 제어됩니다.
구형 캠 구동 코일링 기계는 피치와 길이를 제어하기 위해 물리적 캠과 기계적 정지 장치에 의존합니다. 즉, 스프링 설계를 변경하려면 물리적 툴링을 교체해야 합니다. CNC 스프링 기계는 대부분의 기계식 캠을 독립적으로 프로그래밍된 서보 축으로 대체하므로 압축 스프링 실행에서 비틀림 스프링 실행으로 이동하는 등 완전히 다른 유형을 포함하는 스프링 설계 간 전환은 기계를 재구축하는 대신 새 프로그램을 로드하고 툴링을 조정하는 문제입니다. 이러한 유연성은 지난 20년 동안 소규모 및 중간 규모 스프링 실행이 훨씬 더 비용 효율적이게 된 주요 이유 중 하나입니다.
| 산업 | 일반적인 스프링 유형 | 왜 그런 유형인가 |
|---|---|---|
| 자동차 | 압축, 비틀림, 디스크 | 고주기 밸브 및 클러치 응용 분야에는 숏 피닝 압축 스프링이 필요합니다. 디스크 스프링은 짧은 축 공간에서 높은 하중을 처리합니다. |
| 가구 및 가전제품 | 압축, 신장, 일정한 힘 | 리클라이너 메커니즘과 서랍 슬라이드에는 일정하거나 완만하게 상승하는 속도로 일관되고 중간 주기의 힘이 필요합니다. |
| 전자 장치 및 커넥터 | 웨이브, 작은 압축 | 제한된 내부 틈새로 인해 접촉 예압을 위한 로우 프로파일 웨이브 스프링이 선호됩니다. |
| 농업 및 중장비 | 압축, 비틀림 | 대구경, 무거운 게이지 스프링은 부식 방지 코팅을 선호하여 실외 충격 하중을 견뎌야 합니다. |
| 의료기기 | 압축, 신장, 비틀림(미니어처) | 스테인리스 와이어는 매우 작은 와이어 직경에 대해 엄격한 공차를 가지며 청결성을 위해 선호됩니다. |
스프링의 재료 선택은 대부분의 내식성을 처리하지만 코팅과 마감 처리는 또 다른 보호 층을 추가하고 스프링의 외관과 마찰 특성도 변경할 수 있습니다.
코팅 두께는 공차가 가까운 스프링에서 보이는 것보다 더 중요합니다. 얇은 도금층이라도 유효 와이어 직경을 약간 변경하고 매우 작은 스프링의 스프링 비율을 변경할 수 있기 때문입니다. 엄격한 비율 공차를 갖는 스프링의 경우 일반적으로 테스트는 코팅 전이 아닌 코팅 후에 수행되므로 보고된 값은 실제로 설치될 부품을 반영합니다.
고르지 못한 코일 간격은 일반적으로 코일링 전에 완전히 직선화되지 않은 와이어, 와이어 표면에서 미끄러지는 마모된 공급 롤러 또는 교정에서 벗어난 피치 도구로 인해 발생합니다. CNC 스프링 기계에서는 코일링 스테이션 자체에 내장된 인라인 피치 측정을 통해 이를 조기에 포착하는 경우가 많습니다.
대부분의 피로 균열은 부드러운 코일의 중앙이 아닌 표면 결함(스크래치, 부식으로 인한 패임, 굽힘이나 후크의 응력 집중)에서 시작됩니다. 표면 마감 개선, 숏 피닝 추가 또는 날카로운 후크 반경 재설계는 피로 파괴 패턴이 식별되면 일반적인 수정 방법입니다.
영구 변형은 편향된 후 더 이상 원래의 자유 길이로 돌아가지 않는 스프링을 말합니다. 일반적으로 스프링이 재료의 탄성 한계를 초과하는 응력을 받았기 때문입니다. 종종 고체 높이로 반복적으로 압축되거나 와이어 합금이 평가한 것보다 더 높은 온도에서 작동하여 발생합니다. 코일링 후 적절한 응력 완화는 스프링이 첫 번째 작동 주기를 보기 전에 잔류 성형 응력을 완화하여 경화 위험을 줄입니다.
생산되는 유형에 관계없이 소수의 변수가 스프링 견적 간의 비용 차이의 대부분을 유발하는 경향이 있습니다.
공급업체 전체의 견적을 비교할 때 하중과 속도가 어떻게 검증되는지 구체적으로 묻는 것이 도움이 됩니다. 대부분의 평판이 좋은 생산자는 치수 검사에만 의존하기보다는 힘 변위 테스터에서 모든 생산 로트의 샘플을 테스트합니다. 두 스프링은 동일하게 측정할 수 있으면서도 와이어 로트 간에 와이어 경도가 약간 다를 경우 여전히 다르게 작동할 수 있기 때문입니다.
스프링 유형을 좁히는 가장 빠른 방법은 힘이 적용되는 방향과 사용 가능한 축 공간의 크기를 묻는 것입니다.
압축 스프링은 가장 널리 생산되는 유형입니다. 왜냐하면 직접적인 푸시백 힘은 펜에서 매트리스 코어에 이르기까지 기계 및 소비자 응용 분야의 가장 큰 부분을 차지하기 때문입니다.
압축 스프링은 눌리는 것에 저항하고 코일은 정지 상태에서 떨어져 있는 반면, 확장 스프링은 늘어나는 것을 방지하고 코일은 정지 상태에서 서로 단단히 고정되며 일반적으로 장착을 위한 후크 또는 루프 끝이 있습니다.
예. 대부분의 최신 CNC 스프링 기계는 압축, 신장 및 비틀림 성형 사이를 전환하기 위해 기계적으로 재구축되기보다는 다시 프로그래밍됩니다. 그 차이는 제어 소프트웨어의 툴링 변경과 업데이트된 코일링, 피치 및 굽힘 매개변수에 달려 있기 때문입니다.
굽힘은 매끄럽게 감긴 코일보다 응력을 훨씬 더 집중시키므로 연장 스프링의 후크와 토션 스프링의 다리는 일반적으로 반복된 사이클링에서 첫 번째 실패 지점이 됩니다. 이것이 바로 후크와 다리 형상이 코일 자체만큼 설계에 많은 관심을 받는 이유입니다.
대부분의 개조 사례에서는 가능합니다. 웨이브 스프링은 압축 높이의 약 1/3~1/2을 차지하면서 코일 압축 스프링에 필적하는 힘을 전달할 수 있으므로 공간이 제한된 베어링 및 커넥터 설계에서 흔히 사용됩니다.
스프링 지수는 코일 직경과 와이어 직경의 비율입니다. 낮은 지수는 코일 내부 모서리에 더 높은 응력 집중을 갖는 촘촘한 코일 스프링을 의미하고, 높은 지수는 형성하기는 쉽지만 좌굴 및 엉킴이 발생하기 쉬운 느슨하게 코일 스프링을 의미합니다. 대부분의 실제 설계는 제조 가능성과 성능의 균형을 위해 중간 범위에 유지됩니다.
예, 높은 응력, 높은 주기 하중을 받는 스프링의 경우입니다. 와이어 표면에 도입된 압축 잔류 응력은 피로 균열을 유발하는 인장 응력에 저항합니다. 이는 2차 공정 단계가 추가되더라도 쇼트 피닝이 자동차 밸브 스프링과 같은 까다로운 응용 분야의 표준 관행인 이유입니다.
와이어 경도와 직경은 허용 공차 범위 내에서도 밀 로트마다 약간 다를 수 있습니다. 따라서 일관된 생산자는 치수 적합성만 가정하는 대신 힘 변위 테스터에서 모든 배치의 샘플을 테스트하여 일관된 부하와 속도를 보장합니다.
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