Ein Durchmesserunterschied von 5 Mikrometern verändert die Federkonstante um 7 Prozent

Bei einem Federdraht von 0,30 mm ist eine Durchmesseränderung von fünf Mikrometern weniger als zwei Prozent. Sie verändert die Federkonstante der fertigen Feder um fast sieben Prozent und die Spannung im Draht um etwa fünf Prozent in entgegengesetzter Richtung. Der Durchmesser ist kein unter vielen Variablen im Design kleiner Federn; er ist die Variable, die das Ergebnis dominiert.

Warum der Durchmesser viermal in der Gleichung für die Federkonstante vorkommt

Für eine Schraubendruckfeder ist die Federkonstante proportional zur vierten Potenz des Drahtdurchmessers:

k = G d^4 / (8 D^3 n), wobei G der Schubmodul, d der Drahtdurchmesser, D der mittlere Wicklungsdurchmesser und n die Anzahl der aktiven Wicklungen ist.

Die Schubspannung unter Last folgt dem Kehrwert des Kubus, wobei der Wahl-Faktor die Krümmung korrigiert:tau = 8 K F D / (pi d^3). Die Masse pro Meter folgt dem Quadrat. Eine einprozentige Erhöhung von d führt daher zu etwa vier Prozent mehr Federkonstante, etwa drei Prozent weniger Spannung bei gleicher Last und etwa zwei Prozent mehr Gewicht. Bei dünnem Draht ist das Toleranzband ein großer Teil des Nennwerts, so dass die vierte Potenz eine klein aussehende Zahl in eine sichtbare verwandelt.

Die Arithmetik für 0,30 mm Draht

Dies sind rein geometrische Effekte; sie ignorieren die Streuung des Schubmoduls zwischen den Chargen. Wenn ein Ventil oder eine Verriegelung gegen ein Kraftfenster von plus oder minus drei Prozent eingestellt ist, kann ein Lieferant, der mit plus oder minus 0,010 mm bei 0,30 mm Draht arbeitet, dieses Fenster selbst mit perfekter Wicklung nicht einhalten.

Was eine Toleranzzahl nicht verrät

• Ovalität. Der maximale und minimale Durchmesser in einem Querschnitt können um mehrere Mikrometer abweichen, während der Durchschnitt auf dem Nennwert liegt. Eine Feder aus ovalem Draht hat eine Federkonstante, die von der Wickelorientierung abhängt.
• Variation entlang der Länge. Eine Wicklung, die am Kopf 0,300 mm und in der Mitte 0,306 mm misst, besteht eine Stichprobe und erzeugt dennoch eine Federkonstanten-Drift von einem Ende der Spule zum anderen.
• Endeffekte. Die Aufwickelspannung und die Wickelgeschwindigkeit ändern sich in den ersten und letzten Metern, wo der Durchmesser normalerweise am stärksten abweicht.
• Messungenauigkeit. Seifenbeschichtung 1 - 3 Mikrometer dick wird als Draht gelesen. Ein Mikrometer mit einem schweren Messing-Rändel komprimiert die Beschichtung und kann bei weichem Draht zu niedrig messen.

Wiederholbares Messen von 0,3 mm Draht

1. Verwenden Sie ein Mikrometer mit 0,001 mm Auflösung und einer Konstantkraft-Ratsche, kein Messschieber.
2. Messen Sie drei Richtungen im 90-Grad-Abstand an jedem Punkt und mitteln Sie diese; dies trennt den Durchmesser von der Ovalität.
3. Stichprobenartig Kopf, Mitte und Ende jeder Spule, jeweils drei Punkte, und notieren Sie das Ergebnis anstelle von Bestanden oder nicht bestanden.
4. Wischen Sie den Seifenfilm vor dem Messen mit einem fusselfreien Tuch ab und geben Sie im Inspektionsprotokoll an, ob die Messung die Beschichtung einschließt.
5. Verwenden Sie für die Produktionskontrolle ein Inline-Laser-Messgerät, das das vollständige Längenprofil protokolliert, anstatt Stichproben zu nehmen. Es erfasst die Drift zwischen den Stichproben, die Stichprobenentnahme immer verpasst.

Woher die Variation kommt

Die letzte Ziehmatrize bestimmt die Endgröße und verschleißt fortschreitend, so dass der Durchmesser während einer Matrizenkampagne eher nach oben kriecht als springt. Die Passivierungsreduktion im letzten Zug, die Aufwickelspannung, der Lagenwickeldruck und die Glühtemperatur tragen alle dazu bei. Die Glühung ist doppelt wichtig: Sie kontrolliert die Zugfestigkeit und Duktilität und sie kontrolliert den Schubmodul, der direkt in der Federkonstantengleichung vorkommt. Für 316-Draht beträgt G bei Raumtemperatur etwa 69 GPa, und eine Streuung von wenigen Prozent zwischen den Chargen ist normal, es sei denn, die Mühle kontrolliert sie.

Praktische Kontrollmaßnahmen sind unglamourös: ein dokumentiertes Matrizenwechselintervall, das auf gemessener Leistung und nicht auf Stückzahl basiert, Inline-Laser-Feedback im letzten Zug und SPC für den Durchmesser mit einem Fähigkeitsziel von 1,33 oder besser gegenüber dem vereinbarten Band.

Was in die Einkaufspezifikation aufgenommen werden soll

• Nenndurchmesser mit einem expliziten Toleranzband, z. B. 0,300 mm plus oder minus 0,005 mm für Präzisionsfedern.
• Maximale Ovalität in einem einzelnen Querschnitt, typischerweise 0,003 mm.
• Maximale Durchmesserabweichung innerhalb von 100 mm Länge, so dass die Drift begrenzt ist und nicht nur der Durchschnitt.
• Die Messmethode, einschließlich Instrumententyp, Kraft und Anzahl der Punkte; andernfalls werden Käufer und Mühle über dieselbe Spule uneinig sein.
• Zugfestigkeits- oder Temperbereich und die im Federnentwurf verwendete Schubmodul-Annahme.
• Oberflächenbeschaffenheit und Beschichtungsgewicht, da die Beschichtung Teil des gemessenen Durchmessers ist.

Drahtspezifikation

Kleine Federn gehen normalerweise durch akkumulierte Toleranzen verloren, nicht durch eine einzige schlechte Entscheidung. Die Spezifikation des Durchmessers mit seiner Messmethode und die Überprüfung der Fähigkeit anstelle eines Zertifikatswerts halten die Federkonstante im Fenster.