Un cambio de diámetro de 5 micrones mueve la tasa de resorte en un 7 por ciento

En un alambre de resorte de 0.30 mm, un cambio de diámetro de cinco micrones es menos del dos por ciento. Mueve la tasa del resorte terminado en casi un siete por ciento, y mueve la tensión en el alambre en aproximadamente un cinco por ciento en la dirección opuesta. El diámetro no es una variable entre muchas en el diseño de resortes pequeños; es la variable que domina el resultado.

Por qué el diámetro aparece cuatro veces en la ecuación de la tasa

Para un resorte de compresión helicoidal, la tasa es proporcional a la cuarta potencia del diámetro del alambre:

k = G d^4 / (8 D^3 n), donde G es el módulo de cizallamiento, d el diámetro del alambre, D el diámetro medio de la bobina y n el número de bobinas activas.

La tensión de cizallamiento bajo carga sigue el inverso del cubo, con el factor Wahl corrigiendo la curvatura:tau = 8 K F D / (pi d^3). La masa por metro sigue el cuadrado. Un aumento del uno por ciento en d, por lo tanto, produce aproximadamente un cuatro por ciento más de tasa, aproximadamente un tres por ciento menos de tensión con la misma carga y aproximadamente un dos por ciento más de peso. En alambres pequeños, la banda de tolerancia es una gran fracción del valor nominal, por lo que la cuarta potencia multiplica un número de apariencia pequeña en uno visible.

La aritmética para alambre de 0.30 mm

Estos son solo efectos geométricos; ignoran la dispersión del módulo de cizallamiento entre lotes. Si una válvula o un pestillo se ajusta contra una ventana de fuerza de más o menos tres por ciento, un proveedor que trabaja con un margen de más o menos 0.010 mm en alambre de 0.30 mm no puede mantener esa ventana incluso con un enrollado perfecto.

Lo que un número de tolerancia no le dice

• Ovalidad. El diámetro máximo y mínimo en una sección transversal pueden diferir en varios micrones mientras que el promedio se mantiene en el valor nominal. Un resorte hecho de alambre ovalado tiene una tasa que depende de la orientación del enrollado.
• Variación a lo largo de la longitud. Una bobina que mide 0.300 mm en la cabeza y 0.306 mm en el medio pasa una verificación de muestra y aún así produce una deriva de tasa de un extremo a otro del carrete.
• Efectos de extremo. La tensión de recogida y la velocidad de enrollado cambian en los primeros y últimos metros, que es donde el diámetro suele desviarse más.
• Sesgo de medición. El recubrimiento de jabón de 1 a 3 micrones de espesor se lee como alambre. Un micrómetro con un trinquete de resorte de yunque pesado comprime el recubrimiento y puede leer bajo en alambre blando.

Medición repetible de alambre de 0.3 mm

1. Use un micrómetro con resolución de 0.001 mm y un trinquete de fuerza constante, no un calibrador.
2. Mida tres direcciones separadas 90 grados en cada punto y promedie; esto separa el diámetro de la ovalidad.
3. Muestree la cabeza, el medio y la cola de cada carrete, tres puntos cada uno, y registre el resultado en lugar de un aprobado o reprobado.
4. Limpie la película de jabón con un paño sin pelusa antes de medir, y especifique en el registro de inspección si la lectura incluye el recubrimiento.
5. Para el control de producción, utilice un medidor láser en línea que registre el perfil de toda la longitud en lugar de muestrear. Captura la deriva entre muestras que el muestreo siempre pierde.

De dónde proviene la variación

La última matriz de trefilado establece el tamaño final y se desgasta progresivamente, por lo que el diámetro tiende a aumentar gradualmente a través de una campaña de matriz en lugar de saltar. La reducción de paso en el estirado final, la tensión de recogida, la presión de enrollado en capas y la temperatura de recocido contribuyen. El recocido importa dos veces: controla la resistencia a la tracción y la ductilidad, y controla el módulo de cizallamiento que aparece directamente en la ecuación de la tasa. Para alambre 316, G es aproximadamente 69 GPa a temperatura ambiente, y una dispersión de unos pocos por ciento entre lotes es normal a menos que el molino la controle.

Las medidas de control prácticas no son glamorosas: un intervalo documentado de cambio de matriz basado en la producción medida en lugar del recuento de piezas, retroalimentación láser en línea en el paso final y SPC en el diámetro con un objetivo de capacidad de 1.33 o mejor contra la banda acordada.

Qué poner en la especificación de compra

• Diámetro nominal con una banda de tolerancia explícita, por ejemplo, 0.300 mm más o menos 0.005 mm para resortes de precisión.
• Ovalidad máxima en una sola sección transversal, típicamente 0.003 mm.
• Variación máxima del diámetro dentro de cualquier 100 mm de longitud, por lo que la deriva está limitada y no solo el promedio.
• El método de medición, incluido el tipo de instrumento, la fuerza y el número de puntos; de lo contrario, el comprador y el molino no estarán de acuerdo sobre el mismo carrete.
• Rango de resistencia a la tracción o temple, y la suposición del módulo de cizallamiento utilizada en el diseño del resorte.
• Condición de la superficie y peso del recubrimiento, ya que el recubrimiento es parte del diámetro medido.

Especificación del alambre

Los resortes pequeños generalmente se pierden por tolerancia acumulada, no por una sola mala decisión. Especificar el diámetro con su método de medición y verificar la capacidad en lugar de un valor de certificado es lo que mantiene la tasa dentro de la ventana.