Ghid de proiectare a arcurilor de compresie: formule, materiale și sfaturi de fabricație

Ce trebuie să obțineți mai întâi în designul arcurilor de compresie

Cinci numere decid performanța fiecăruia arc de compresie : diametrul firului, diametrul mediu al bobinei, numărul de bobine active, lungimea liberă și modulul de forfecare al materialului firului. Odată ce acestea sunt setate, rata arcului, tensiunea maximă, înălțimea solidă și deformarea utilizabilă urmează ca ieșiri fixe. Obțineți aceste cinci corect și restul lucrărilor de proiectare este verificare; greșiți unul și arcul se va așeza prost în orificiul său, va obosi devreme sau nu va atinge niciodată sarcina țintă.

Concluzia practică de la mai bine de 28 de ani de construcție a echipamentelor de fabricare a arcurilor este simplă: începeți cu spațiul instalat și cerința de deviere a sarcinii, alegeți un indice de arc între 4 și 12 și lăsați formula ratei arcului să facă treaba grea. Apoi verificați tensiunea, verificați raportul lungime-diametru și lăsați întotdeauna spațiu liber peste înălțimea solidă. Un arc de compresie care atinge o înălțime solidă în funcționare este un arc care va avea un salt dramatic în stres.

• Diametrul firului (d) controlează rata, stresul și costul. Deoarece formula utilizează a patra putere a lui d, o modificare de 10% a diametrului firului modifică rata arcului cu aproximativ 46%.
• Diametrul mediu al bobinei (D) stabilește potrivirea în interiorul unui orificiu sau peste o tijă. De asemenea, afectează direct stresul, așa că un D mai mic înseamnă un arc mai rigid și o tensiune mai mare.
• Bobine active (Na) sunt bobinele care de fapt se flexează. Adăugarea de bobine active înmoaie arcul.
• Lungime liberă (Lf) determină cursa disponibilă, înălțimea solidă și riscul de flambaj.
• Modulul de forfecare (G) este o proprietate a materialului ales. Pentru sârmă de oțel, valoarea rămâne aproape de 79.300 N/mm², dar inoxul și bronzul sunt semnificativ mai mici.

Ordinea contează. Nu începeți cu lungimea sau pasul liber. Începeți cu d, D, Na, Lf și G - orice altceva este derivat.

Ce este un arc de compresie și cum stochează energia

Un arc de compresie este un arc elicoidal cu spirală deschisă, format din sârmă rotundă, cu pas între bobine, astfel încât arcul să se poată scurta atunci când este aplicată o sarcină de compresiune axială. Când sarcina este îndepărtată, arcul revine la lungimea liberă inițială. Spațiul dintre bobine nu este cosmetic: definește capacitatea de deviere a arcului.

Arcurile de compresie sunt tipul de arc cel mai des produs în lume. Acestea apar în supapele motorului, sistemele de suspensie, încuietorile ușilor, contactele electrice, seringile medicale, supapele de siguranță industriale și actuatoarele aerospațiale. În aceste aplicații, arcul îndeplinește una dintre cele trei sarcini: rezistă la o forță, stochează energie pentru eliberare ulterioară sau readuce o piesă într-o poziție definită după deplasare.

Principiul de lucru este torsiune, nu îndoire

Când un arc de compresie este comprimat, firul este răsucit în jurul propriei axe. Această răsucire generează efort de forfecare în secțiunea transversală a firului, iar rezultatul măsurat este o forță de compresiune de-a lungul axei arcului. În proiectarea normală, arcul funcționează în domeniul elastic în care deformarea este proporțională cu sarcina. Raportul dintre sarcină și deformare este rata arcului, exprimată în newtoni pe milimetru (N/mm) sau lire pe inch (lb/in).

Unde sunt specificate arcuri de compresie

Designerii specifică arcuri de compresie atunci când forța trebuie să rămână previzibilă pe o cursă fixă, când spațiul de asamblare este limitat sau când mecanismul necesită o forță de restabilire simplă și de încredere. În comparație cu alte tipuri de arcuri, un arc de compresie cilindric este ieftin de fabricat, ușor de calculat și ușor de produs în serie pe mașinile de bobinat cu arc CNC. Argumentul este că are nevoie de sprijin lateral dacă lungimea liberă este lungă în raport cu diametrul mediu.

Parametri cheie pe care trebuie să-i definiți în fiecare proiect

Tabelul de mai jos prezintă setul de parametri standard pentru un arc de compresie cilindric. Aceste simboluri urmează convențiile utilizate în referințele comune de proiectare a arcurilor, astfel încât se traduc direct în formulele din secțiunea următoare.

Diametrul firului, diametrul mediu și indicele arcului

Indicele arcului C este raportul dintre diametrul mediu și diametrul firului. Un arc cu C sub 3 este foarte greu de bobinat fără a crăpa suprafața firului, deoarece partea interioară a firului este comprimată dincolo de limitele practice. Un arc cu C peste 12 este ușor de bobinat, dar predispus la încurcare, sensibil la toleranță și mai susceptibil să vibreze sau să crească. Punctul favorabil al designului este C între 4 și 12; pentru arcuri de precizie, tintiti de la 6 la 10.

Bobine active vs bobine totale

Doar bobinele active se flexează în timpul compresiei. Bobinele de capăt care sunt presate plat contactează bobina următoare și nu mai contribuie la deformare. Într-un design de capăt închis și împământat cu două bobine de capăt, numărul de bobine active este egal cu bobinele totale minus două. Utilizarea greșită a numărului de bobine în formulă este responsabilă pentru multe prototipuri de arc eșuate.

Lungime liberă, înălțime solidă și pas

Lungimea liberă și înălțimea solidă definesc cursa disponibilă. Un arc nu poate fi niciodată comprimat la înălțime solidă în funcționare normală; făcând acest lucru crește brusc stresul și deseori lasă un set permanent. O regulă comună este să păstrați cel puțin 10% până la 15% din deformarea maximă ca spațiu liber deasupra înălțimii solide. Pasul este apoi setat astfel încât lungimea liberă să se potrivească spațiului de asamblare, oferind în același timp cursa necesară.

Tipuri de capete și efectul lor asupra performanței primăverii

Tratamentul final este prima decizie de producție în proiectare. Schimbă numărul de bobine active, pătratul arcului și costul. Există patru configurații comune de capete pentru arcurile de compresie.

De ce capetele închise și împământate sunt standardul de precizie

Un arc închis și sol stă perpendicular pe locul său, distribuie sarcina uniform pe suprafața solului și nu se rotește în timp ce se comprimă. Acesta este motivul pentru care arcurile supapelor, arcurile pentru dispozitive medicale și arcurile pentru instrumente sunt aproape întotdeauna specificate cu capete închise și împământate. Operația de șlefuire îndepărtează și stratul de suprafață a sârmei de la capete, unde pot începe fisuri. Creșterea costurilor este modestă, dar îmbunătățirea stabilității scaunelor este semnificativă.

Când un sfârșit simplu este suficient de bun

Dacă arcul este scurt și susținut într-un buzunar sau dacă traseul de încărcare nu este critic, un capăt simplu economisește bani. Arcurile industriale de compresie în mecanismele de blocare, întrerupătoarele electrice și mașinile de ambalare folosesc în mod obișnuit capete simple sau închise, fără împământare. Designul ar trebui să verifice în continuare că arcul nu se răsturnează lateral la începutul compresiei.

Selectarea materialului: Începeți cu modulul de forfecare, apoi verificați mediul

Formula vitezei arcului folosește modulul de forfecare G înaintea oricărei alte proprietăți a materialului. G este o constantă a materialului și nu se modifică cu tratamentul termic, prelucrarea la rece sau duritatea. Ceea ce schimbă tratamentul termic este rezistența la tracțiune, care stabilește efortul admisibil. Prin urmare, alegerea materialului fixează atât rata arcului, cât și capacitatea de încărcare a designului.

Pentru majoritatea aplicațiilor, decizia materialului se reduce la câteva întrebări: primăvara vede umiditate sau substanțe chimice? Care este temperatura de funcționare? Câte cicluri va supraviețui? Coroziunea sau conductivitatea electrică sunt relevante? Tabelul de mai jos listează materialele de sârmă cu arc utilizate în mod obișnuit, cu modulul de forfecare și limitele de temperatură tipice. Aceste valori urmează datele materiale publicate utilizate în referințele de proiectare a arcurilor, cum ar fi manualele de proiectare a arcurilor SAE și fișele de date ale furnizorilor de sârmă.

Deoarece formula arcului folosește a patra putere a diametrului firului, trecerea de la oțel carbon la oțel inoxidabil nu schimbă rata arcului atât de mult pe cât se așteaptă oamenii; scăderea de 10% până la 15% a G poate fi compensată printr-o creștere foarte mică a d. Tabelul de comparare a materialelor de mai sus este un punct de plecare, iar logica completă de selecție, inclusiv finisarea suprafeței și proprietățile de alimentare a firului pentru producție, este acoperită în ghidul nostru pentru alegerea materialului de arc pentru producția de mașini de arc .

Formule de bază: Rata arcului, stres și deformare

Formula ratei de primăvară

Rata arcului unui arc de compresie cilindric este:

k = G × d ⁴ / (8 × D ³ × Na)

unde k este viteza arcului în N/mm, G este modulul de forfecare în N/mm², d este diametrul firului în mm, D este diametrul mediu al bobinei în mm și Na este numărul de bobine active. Păstrați consecvența tuturor unităților; amestecarea milimetrilor și metrilor este cea mai frecventă eroare.

Factorul Wahl și efortul de forfecare

Formula tensiunii directe de forfecare pentru un arc elicoidal sub sarcina F este 8FD/(πd³). Acest lucru neglijează curbura firului, care concentrează stresul pe partea interioară a bobinei. Factorul Wahl K_w corectează acest efect:

K_w = (4C − 1)/(4C − 4) 0,615/C

unde C este indicele de primăvară. Efortul de forfecare corectat este τ = K_w × 8FD/(πd³). La un indice de primăvară de 7, factorul Wahl este de numai aproximativ 1,21; la indicele 3, urcă peste 1,62. Acesta este motivul pentru care verificați întotdeauna stresul la un indice scăzut al arcului.

Exemplu lucrat: sârmă de 2 mm, diametru mediu de 14 mm

Proiectați un arc de compresie cu fir muzical (G = 79.300 N/mm²), diametrul firului d = 2,0 mm, diametrul mediu al bobinei D = 14 mm și Na = 8 bobine active. Total bobine cu capete închise și împământate: Nt = Na 2 = 10.

Pasul 1 — Indice de primăvară: C = D/d = 14/2 = 7, în intervalul recomandat de la 4 la 12.

Pasul 2 — Rata de primăvară: k = 79.300 × 16 / (8 × 2.744 × 8) = 1.268.800 / 175.616 = 7,22 N/mm .

Pasul 3 — Deformare la o sarcină de 120 N: s = 120 / 7,22 = 16,6 mm . Lungimea liberă este de 45 mm, deci lungimea comprimată la sarcină este de 28,4 mm.

Pasul 4 — Înălțime solidă: Ls ≈ Nt × d = 10 × 2 = 20 mm . Spațiul liber deasupra solidului este de 28,4 − 20 = 8,4 mm, ceea ce reprezintă aproximativ 28% din cursa de deviere - în siguranță peste marja recomandată de 10% până la 15%.

Pasul 5 — Verificarea stresului: K_w = 1,21; τ = 1,21 × 8 × 120 × 14 / (π × 8) = 647 N/mm² . Tensiunea de forfecare permisă tipică pentru firul muzical la acest diametru este de aproximativ 45% din rezistența minimă la tracțiune, aproximativ 900 N/mm², astfel încât designul funcționează cu o marjă confortabilă, dar nu excesivă. Aceste procente de tensiuni admisibile provin din referințele standard de proiectare a arcurilor, iar cifra exactă depinde de gradul de tracțiune al firului livrat de furnizor.

Reguli practice de proiectare din perspectivă de producție

Un arc care arată perfect pe hârtie poate fi dificil sau costisitor de produs. Regulile de mai jos provin din experiența practică cu echipamentele de bobinare, șlefuire și călire, mai degrabă decât din teoria manualului.

Păstrați indicele de primăvară între 3 și 12

Sub 3, suprafața firului de pe raza interioară se întinde prea puternic în timpul bobinei, iar dornul vede o presiune excesivă a sculei. Peste 12, arcul este fragil de manevrat, toleranțele privind diametrul devin mai greu de ținut, iar bobinele adiacente se pot atinge sub sarcină laterală ușoară. Majoritatea mașinilor cu arc CNC produc cea mai stabilă calitate între indicele 4 și 10.

Urmăriți raportul lungime-diametru pentru flambaj

Un arc de compresie se comportă ca o coloană subțire: peste un anumit raport lungime liberă-diametru mediu, cataramă lateral sub sarcină. Pentru arcurile susținute în paralel, raportul critic este de aproximativ 4. Dacă Lf/D depășește 4, proiectarea necesită o tijă de ghidare, un manșon exterior sau o formă de arc conic. Flambajul este o problemă de geometrie, nu o problemă materială; schimbarea gradului firului nu o va rezolva.

Specificați toleranțele pe care mașina le poate ține de fapt

Toleranțele tipice de fabricație pentru arcurile de compresiune sunt scalate cu indicele arcului. O ipoteză rezonabilă de lucru este o toleranță a diametrului exterior de aproximativ ±1% pentru indice de până la 8 și ±1,5% până la ±2% pentru indice de peste 10. Toleranțele de lungime liberă de ±1% până la ±2% sunt realiste; o toleranță mai strânsă la lungimea liberă necesită de obicei o sortare suplimentară sau măcinare. Toleranța ritmului arcului decurge din toleranța diametrului sârmei, așa că dacă aveți nevoie de o rată foarte precisă, trebuie să controlați d strâns în amonte.

• Specificați diametrul controlat: OD dacă arcul se așează într-un orificiu, ID dacă alunecă peste o tijă.
• Nu necesită toleranțe mai strânse decât este necesar din punct de vedere funcțional; fiecare 0,1 mm suplimentar de precizie adaugă costuri la uneltele și inspecția bobinei.
• Pentru arcurile foarte solicitate, adăugați un test de fixare permanentă care comprimă arcul la înălțimea solidă de un număr specificat de ori înainte de verificarea finală a lungimii libere.

Design pentru bobinaj CNC

Mașinile de bobinat CNC cu mai multe axe controlează pasul, diametrul, lungimea de avans și unghiul de tăiere într-o singură trecere. Aceasta înseamnă că un design poate include pas variabil, o bobină de capăt redusă sau un unghi de spirală care se schimbă fără a schimba sculele. O mașină de formare a arcurilor CNC cu 5 axe păstrează precizia pasului în intervalul necesar pentru majoritatea arcurilor elicoidale de precizie, astfel încât proiectantul ar trebui să specifice pasul ca dimensiune controlată și nu ca valoare derivată. Dacă pasul este critic pentru comportamentul la supratensiune, rețineți că în desen; un design cu pas constant este întotdeauna mai ușor de verificat în producție.

Terminați șlefuirea, eliminarea stresului și pașii de finisare

De ce capetele închise și măcinate necesită o operație de șlefuire

Când bobinele de capăt sunt închise, suprafața de capăt este încă neregulată. Măcinarea aplatizează capătul pe toată lățimea firului și face ca arcul să stea perpendicular. Calitatea șlefuirii este evaluată după două ieșiri: lățimea plană a suprafeței solului și perpendicularitatea capătului în raport cu axa arcului. Pentru ansamblurile de precizie, specificațiile necesită de obicei ca cel puțin 75% din circumferința capătului firului să fie împământat plat. A Mașină de șlefuit cu arc CNC controlează avansul discurilor de șlefuit și timpul de stație astfel încât căldura generată să nu ardă suprafața firului. Slefuirea excesivă reduce secțiunea transversală a sârmei și slăbește bobinele de capăt, în timp ce șlefuirea insuficientă lasă un loc balansoar.

Producători de mașini de șlefuit cu arc CNC, furnizori OEM/ODM - WNJ Machine În calitate de producători și furnizori de mașini de șlefuit cu arc din China OEM/ODM CNC, Omnipotent Spring Machine Co., Ltd oferă... Vizualizare produs →

Reducerea stresului și revenirea după bobinare

Bobinarea firului rece introduce un stres rezidual semnificativ, în special pe raza interioară a fiecărei bobine. Reducerea tensiunii se realizează prin încălzirea arcului finit pentru o perioadă scurtă de timp la o temperatură care depinde de material: firul muzical este de obicei eliberat în jur de 180°C până la 230°C, firul temperat cu ulei în jur de 230°C până la 260°C și aliajele de crom-siliciu în jur de 350°C până la 430°C. Scopul este de a stabiliza dimensiunile și de a îmbunătăți durata de viață la oboseală fără a înmuia firul. Cuptoarele de călire utilizate în magazinele de primăvară mențin o temperatură uniformă pe toată sarcina, astfel încât fiecare primăvară din lot primește același tratament; călirea neuniformă este o cauză comună a variației de la lot la lot a lungimii libere.

Shot Peening și presetare

Pentru arcurile care trebuie să supraviețuiască milioanelor de cicluri, granulația comprimă suprafața firului și împinge originea fisurilor de oboseală sub câmpul de tensiune. Presetarea, numită și setarea tensiunii reziduale de compresiune, implică comprimarea arcului la înălțimea solidă o dată sau de mai multe ori pentru a induce un stres rezidual benefic asupra fibrei interioare. Ambele procese sunt standard pentru arcurile de supapă și arcurile de suspensie, dar adaugă costuri; folosiți-le numai atunci când oboseala viața o cere.

Preluarea designului de la desen la producție

Prototipuri și probe

Înainte de a vă angaja la producția completă, rulați un lot mic pentru a verifica trei lucruri: rata măsurată a arcului, lungimea liberă după reducerea tensiunii și înălțimea solidă. Dacă rata măsurată este oprită, verificați mai întâi diametrul real al firului, deoarece a patra putere mărește chiar și o toleranță a firului de 0,02 mm într-o schimbare vizibilă a ratei. Apoi verificați dacă numărul de bobine active se potrivește cu tratamentul final produs efectiv pe mașină; un arc închis și măcinat realizat cu o bobină de capăt suplimentară se va comporta mai moale decât a fost calculat.

Alegerea tipului de mașină pentru producție

Tipul mașinii contează la fel de mult ca desenul. Un arc de compresie cilindric pur cu pas constant și capete măcinate este o lucrare standard pentru o mașină de bobinat cu arc, urmată de o mașină de șlefuit. Un arc cu pas variabil, o formă conică sau un picior îndoit necesită mai multe axe. A Mașină CNC cu arc fără came cu 12 axe se ocupă de geometrie complexă, deoarece fiecare axă de lucru se mișcă independent și nu există nicio came de schimbat între familiile de produse. Traseul de producție de la sârmă la arcul finit, inclusiv bobinarea, șlefuirea finală și tratamentul termic, este descris pas cu pas în articolul nostru despre cum se fabrică arcuri .

Mașină personalizată CNC-1225 12 AXES ARCURI CNC Fabrică, Companie - WNJ Machine Zhejiang Omnipotent Spring Machine Co.,ltd (WNJ Machine) este o fabrică de mașini CNC-1225 12AXES cu 12 axe din China, care comercializează cu ridicata și... Vizualizare produs →

Verificare specifică aplicației

Un arc de compresie care funcționează într-un zăvor de ușă se poate defecta într-un injector de combustibil auto, deoarece frecvența de funcționare este diferită și comportamentul dinamic al arcului se modifică. Arcuri de compresie utilizate în aplicații pentru automobile și mobilitate trebuie verificate pentru frecvența supratensiunii, durata de viață la oboseală și relaxarea la temperatura de funcționare. Desenele realizate de designer sunt doar începutul; echipamentul de producție trebuie să mențină constant geometria peste mii de piese.

Întrebări frecvente despre designul arcurilor de compresie

1. Care este cel mai rapid mod de a calcula viteza arcului unui arc de compresie?

Utilizați k = G × d⁴ / (8 × D³ × Na). Măsurați d, D și Na în unități consistente. Rezultatul este direct în N/mm când G este în N/mm² și toate dimensiunile sunt în mm. Cea mai frecventă eroare este amestecarea ecartamentului firului cu diametrul fizic al firului.

2. Ce indice de primăvară ar trebui să vizez?

Urmăriți un indice de arc între 4 și 12, cu 6 până la 10 ca zonă preferată pentru arcurile de precizie. Sub 4 firul este suprasolicitat pe raza interioară; peste 12 arcul devine dificil de manevrat, bobinat cu precizie și măsurat în mod constant.

3. Când ar trebui să precizez capete închise și împământate?

Specificați capete închise și împământate când arcul trebuie să stea perpendicular, să stea într-o nișă cu un scaun plat sau să suporte o sarcină ciclică. Arcurile supapelor, celulele de sarcină și arcurile pentru instrumente medicale folosesc capete închise și împământate. Capetele simple sunt acceptabile pentru aplicații cu costuri reduse, cu ciclu redus, unde arcul este ghidat de o tijă sau un buzunar.

4. Sârmă muzicală sau oțel inoxidabil — pe care ar trebui să aleg?

Alegeți firul muzical pentru cea mai mare rezistență și cea mai bună durată de viață la oboseală într-un mediu uscat, interior, non-coroziv. Alegeți inoxidabil 302 sau 304 când arcul vede umiditate, substanțe chimice sau spălare și acceptați că modulul de forfecare inferior înseamnă un diametru de sârmă puțin mai mare pentru aceeași rată a arcului. Inoxidabilul păstrează, de asemenea, rezistența utilă la aproximativ 260°C, în timp ce firul muzical își pierde performanța peste 120°C.

5. Cum pot preveni flambarea unui arc de compresie?

Păstrați raportul dintre lungimea liberă și diametrul mediu sub aproximativ 4 pentru arcurile cu capete paralele. Dacă raportul este mai mare, utilizați o tijă de ghidare sau un manșon exterior sau treceți la un arc conic sau în formă de butoi. Flambajul nu poate fi fixat prin alegerea unui material mai rezistent; este o problema de geometrie.

6. Poate o mașină cu arc CNC să producă arcuri de compresie cu pas variabil?

Da. Un model de arc CNC cu mai multe axe deplasează instrumentul de pas și avansul firului în mod independent, astfel încât pasul se poate schimba de-a lungul axei arcului în aceeași parte. Pasul variabil este utilizat pentru a controla frecvența naturală și pentru a reduce înălțimea solidă a arcurilor cu cursă lungă. Pentru rezultate consistente, specificați profilul pasului ca un tabel de puncte pe desen, mai degrabă decât o singură valoare nominală.