Så tillverkas en fjäder: tillverkningsprocessen för tryckfjädrar
Publicerad: 2023 02 20
Vad är tryckfjädrar?
Tryckfjädrar har en unik konstruktion. Deras komprimerade spiralform gör att de kan motstå tryckkrafter. De kan tillverkas i cylindrisk, konisk, avsmalnande, konvex eller konkav form, med konstant stigning, där avståndet mellan varven är detsamma längs hela fjädern, eller med varierande stigning, där avståndet mellan varven varierar och ger olika varvhöjd längs spiralfjädern. De kan dessutom ha slipade eller oslipade ändar.
Du kan se hur spiralfjädrar tillverkas hos Lesjöfors på YouTube.
Hur fungerar tryckfjädrar?
En tryckfjäder används i applikationer där energi behöver lagras. När en hög belastning appliceras på tryckfjädern pressas den samman och blir kortare. Avståndet mellan varven minskar tills tråden ligger an mot varandra och fjädern når sin minsta sammanpressade längd.
När fjädern trycks ihop skapar varven en motkraft och lagrar energin tills belastningen tas bort.
Exempel på vanliga användningsområden
Våra kraftiga industriella tryckfjädrar används i stor utsträckning inom fordonsindustrin, jordbruk, gruv- och stenbrottsindustrin, olje- och gasindustrin, järnväg, energi och kraftproduktion, byggbranschen samt motorsport. Användningen är dock inte begränsad till dessa områden. Våra spiralfjädrar används inom många olika branscher.
Typer av tryckfjädrar
Slutna och öppna spiralfjädrar
Tryckfjädrar kan ha slutna och slipade ändar, slutna och oslipade ändar, öppna och oslipade ändar eller öppna och slipade ändar. Men vad innebär dessa variationer när man tittar på hur en tryckfjäder tillverkas?
Variationerna påverkar hur fjädern placeras i sin applikation, fjäderns fria längd, dess sammanpressade höjd, stigningen och antalet aktiva varv.
Slutna och slipade ändar:
Det innebär att avståndet mellan de två sista varven minskas så att ändvarven ligger mot varandra. Ändarna slipas sedan för att skapa en plan anliggningsyta.
Slutna och oslipade ändar innebär att ändvarven ligger mot varandra, men att någon slipning inte görs för att skapa en plan yta.
Öppna och oslipade fjädrar:
Öppna och oslipade fjädrar har konstant stigning ända ut i ändarna, vilket ger samma avstånd mellan varven längs hela fjädern.
Öppna och slipade tryckfjädrar slipas i ändarna för att skapa planare anliggningsytor.
Som ledande tillverkare av tryckfjädrar producerar vi både stora och små serier för många olika branscher. Varje applikation kräver sin egen form på tryckfjädern och rätt typ av ändar för att passa fjäderns funktion och den miljö där den ska användas.
Koniska, tunnformade och timglasformade fjädrar
Koniska fjädrar kallas även avsmalnande fjädrar. Dessa tryckfjädrar lindas med en ytterdiameter som gradvis ökar eller minskar, vilket ger dem en nästan konformad form.
Konkava fjädrar har en timglasform med mindre varvdiameter i mitten. Den symmetriska formen gör att spiralfjädern kan centreras över en bestämd punkt.
Tunnformade eller konvexa fjädrar är tryckfjädrar med större diameter i mitten än vid ändarna.
Fjädrar med varierande och konstant stigning
En fjäder med varierande stigning har olika avstånd mellan varven, vilket ger varierande varvhöjd längs spiralfjädern.
Fjädrar med konstant stigning är den vanligaste typen av tryckfjäder och har samma avstånd mellan varven längs hela fjäderns längd.
Konstruktion och specifikationer för tryckfjädrar
Materialalternativ
Fjädrar är mycket mångsidiga, och det finns många typer av metallfjädrar som fyller olika funktioner i nästan alla tänkbara miljöer. För att möta dessa krav måste materialvalet för tryckfjädrar övervägas noggrant för att optimera både funktion och prestanda.
Ett av de material som Lesjöfors använder mest är oljehärdat kromkisel. Vi har dessutom ett av världens största lager av kromkisel- och kromvanadintråd.
De allra flesta av våra kundanpassade tryckfjädrar tillverkas av fjäderstål med hög kolhalt, hög hållfasthet och god elasticitet. Därefter följer rostfritt stål och oljehärdat stål med tillsatt krom.
Vi arbetar också med ett brett urval av stål, koppar- och titanlegeringar samt superlegeringar som Inconel, Hastelloy och Nimonic.
Belastnings- och deformationsspecifikationer
Det är viktigt att förstå vilka prestandakrav som ställs på fjädern när det gäller kraft och tillgänglig fjäderväg. Konstruktionen av en tryckfjäder utgår vanligtvis från antingen en angiven kraft vid en bestämd längd eller en angiven kraft över en bestämd deformation.
Tryckfjädrars mått anges normalt i millimeter (mm), medan belastningen anges i newton (N).
Inom motorsport används fortfarande ofta brittiska måttenheter, till exempel 250 lbf/in. Det innebär att fjädern ger en kraftökning på 250 pound-force per tum deformation, vilket motsvarar cirka 43,8 N/mm.
Ytterdiameter och längd att ta hänsyn till
Dessa mått är två av de fyra faktorer som avgör fjäderns egenskaper och prestanda. De andra två är tråddiametern och det totala antalet varv.
Vid tillverkningen måste vi ta hänsyn till ytterdiametern. Fjäderkonstruktionen anger den optimala ytterdiametern för den aktuella applikationen, och fjädern måste naturligtvis passa i eller över den avsedda monteringsplatsen.
I teorin finns ingen längdbegränsning för fjädrar som lindas i våra CNC-styrda lindningsmaskiner. Längre fjädrar medför dock en ökad risk för knäckning. Det innebär att fjädervarven rör sig i sidled under belastning tills varven kommer i kontakt med varandra.
Tillverkningsprocesser för tryckfjädrar
Kallindning
Begreppet används när en fjäder tillverkas av kallt material, antingen glödgat eller förhärdat, och därefter genomgår nödvändig värmebehandling och anlöpning.
Varmlindning
Begreppet används när materialet värms upp före lindningen och fjädern därefter härdas och anlöps.
Lindning
Fjädertillverkarens benämning för att tillverka en fjäder eller beskriva själva tillverkningsprocessen.
Slipning
När en fjäder slipas bearbetas ändarna för att skapa en större lastbärande yta och göra dem vinkelräta, 90°, mot fjäderns axel.
Testning och kvalitetskontroll av tryckfjädrar
Dragprovning
Provning av en dragfjäder för att antingen:
a) kontrollera initialspänningen, det vill säga den kraft som krävs för att börja separera varven, eller
b) kontrollera kraften vid en bestämd förlängning eller deformation.
Utmattningsprovning
Provning för att kontrollera en komponents förväntade livslängd. Den utförs vanligtvis på säkerhetskritiska komponenter eller nya konstruktioner.
Fjädern belastas cykliskt mellan två lägen tills den går sönder eller tills det fördefinierade målet har uppnåtts. Utmattningslivslängden kan uppskattas med hjälp av ett Goodman-diagram och är en del av konstruktionsprocessen.
Prestandaprovning i en simulerad applikation
Fjädern provas i en miljö som så långt som möjligt motsvarar verklig användning, men utan de konsekvenser som ett fel eller en avvikelse från de förväntade konstruktionsparametrarna annars skulle kunna medföra. Syftet är att bedöma om fjädern är lämplig för den avsedda applikationen.
Kontroll av måttnoggrannhet
Måttkontroller är en del av varje tillverknings- och kvalitetsplan. De genomförs i varje steg av processen för att säkerställa att den färdiga fjädern överensstämmer med ritningen och konstruktionskraven.
Vanliga problem och felorsaker hos tryckfjädrar
Överbelastning
Detta inträffar när en fjäder utsätts för en större kraft än materialet klarar. Det leder vanligtvis till plastisk deformation, vilket innebär att fjäderns mått och kraftkarakteristik förändras permanent.
Korrosion och utmattning
Korrosion och de mikroskopiska ytsprickor som uppstår till följd av den är en av de vanligaste orsakerna till att en välkonstruerad fjäder går sönder. Sprickorna växer gradvis och kan till slut leda till ett fullständigt brott.
Förlust av spänning
På samma sätt som vid överbelastning av en tryckfjäder beror förlust av spänning i en dragfjäder vanligtvis på att fjädern har sträckts förbi materialets elasticitetsgräns. Det leder till plastisk deformation och gör att fjädern förlorar sin ursprungliga initialspänning.
Brott
Alla ovanstående orsaker kan leda till brott. Skador på fjädertråden kan också orsaka brott, och ju högre belastning fjädern är konstruerad för, desto större är risken att ett brott uppstår vid ett skadat område.
Slutsats och framtidsutsikter för tryckfjädrar
Vikten av tryckfjädrar av hög kvalitet
Våra kunder kräver fjädrar av högsta kvalitet för att möta de krav som ställs av applikationens funktion och miljö. Våra fjädrars prestanda som komponent i kundens produkt är avgörande för slutproduktens framgång.
Våra fjädrar används i ventiler på havets botten, i belysningsstolpar längs motorvägar, i många olika byggprojekt samt för att bidra till säkerheten i transportnät och energiförsörjning. Världens infrastruktur är beroende av våra fjädrar.
Fjädrar måste vara korrekt konstruerade, tillverkade i rätt material och ha den ytbehandling som bäst passar deras funktion. Utan en grundlig utvärdering av fjäderns krav ökar risken för fel och kvaliteten försämras.
Därför går våra ingenjörer igenom varje aspekt av fjäderns funktion tillsammans med kunden. Vi är stolta över att endast tillverka tryckfjädrar av högsta kvalitet. Ingen produkt lämnar fabriken om den inte uppfyller våra högt ställda kvalitetskrav.
Fortsatt utveckling inom konstruktion och tillverkningsteknik
Konstruktion och tillverkning av fjädrar finns i vårt DNA. I över 170 år har vi legat i framkant inom innovation och teknik i branschen. Vi kommer att fortsätta investera i de mest avancerade fjäderlindningsmaskinerna samt i tillhörande programvara och teknik i hela vårt fabriksnätverk.
Vi utvecklar kontinuerligt kompetensen hos våra metallurger, ingenjörer, konstruktörer och maskinoperatörer. Vi investerar i hela teamet för att säkra den främsta kompetensen inom fjäderteknik och kunna leverera fjäderprodukter av högsta kvalitet till våra kunder.