Så tillverkas en fjäder: tillverkningsprocessen för tryckfjädrar
Publicerad: 2023 02 20
Vad är tryckfjädrar?
Tryckfjädrar har en unik konstruktion. Den spiralformade geometrin gör att de kan ta upp tryckkrafter.
Vi kan tillverka tryckfjädrar i cylindrisk, konisk, avsmalnande, konvex eller konkav form. De kan ha konstant stigning, där avståndet mellan varven är detsamma längs hela fjädern, eller varierande stigning, där avståndet mellan varven förändras längs spiralen. Vi kan dessutom tillverka dem med slipade eller oslipade ändar.
Se vår video på YouTube om hur vi tillverkar spiralfjädrar på Lesjöfors.
Hur fungerar tryckfjädrar?
Tryckfjädrar används i applikationer där energi behöver lagras. När belastningen ökar pressas fjädern samman och blir kortare. Avståndet mellan varven minskar tills varven ligger an mot varandra och fjädern når sin minsta sammanpressade längd.
När fjädern trycks ihop skapar den en motkraft och lagrar energi. När belastningen tas bort frigörs energin och fjädern återgår mot sin ursprungliga längd.
Exempel på vanliga användningsområden
Våra kraftiga industriella tryckfjädrar används inom bland annat fordonsindustrin, jordbruk, gruv- och stenbrottsindustrin, olje- och gasindustrin, järnväg, energi och kraftproduktion, byggbranschen samt motorsport.
Användningsområdena sträcker sig dock långt utanför dessa branscher. Våra spiralfjädrar används i många olika industriella applikationer.
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 hur påverkar dessa variationer tillverkningen av en tryckfjäder?
Ändarnas utformning påverkar hur fjädern placeras i applikationen samt dess fria längd, sammanpressade höjd, stigning och antal aktiva varv.
Slutna och slipade ändar:
Vid slutna och slipade ändar minskar man avståndet mellan de två sista varven så att ändvarven ligger mot varandra. Därefter slipas ändarna för att skapa en plan anliggningsyta.
Vid slutna och oslipade ändar ligger ändvarven också mot varandra, men ändarna slipas inte.
Öppna och oslipade fjädrar:
Vid öppna och oslipade ändar behåller fjädern en konstant stigning hela vägen ut till ändarna. Det ger samma avstånd mellan varven längs hela fjädern.
Vid öppna och slipade ändar slipas fjäderändarna för att skapa planare anliggningsytor.
Som ledande tillverkare av tryckfjädrar producerar vi både stora och små serier för många olika branscher. Vi anpassar fjäderns form och ändutförande efter applikationens funktion och den miljö där fjädern ska användas.
Koniska, tunnformade och timglasformade fjädrar
Koniska fjädrar, även kallade avsmalnande fjädrar, är tryckfjädrar där ytterdiametern gradvis ökar eller minskar längs fjädern. Det ger fjädern en konisk form.
Konkava fjädrar har en timglasform med mindre varvdiameter i mitten. Den symmetriska formen hjälper till att centrera fjädern 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 längs fjädern. Det ger en varierande varvhöjd.
Fjädrar med konstant stigning är den vanligaste typen av tryckfjäder. De har samma avstånd mellan varven längs hela fjädern.
Konstruktion och specifikationer för tryckfjädrar
Materialalternativ
Fjädrar är mycket mångsidiga och används i nästan alla typer av miljöer. Olika fjädertyper ställer olika krav på materialet, därför väljer vi material för tryckfjädrar med stor omsorg för att säkerställa rätt funktion och prestanda.
Ett av de material vi använder mest är oljehärdat kromkisel. Vi har också ett av världens största lager av kromkisel- och kromvanadintråd.
De flesta av våra kundanpassade tryckfjädrar tillverkar vi i fjäderstål med hög kolhalt, hög hållfasthet och god elasticitet. Därefter följer rostfritt stål och oljehärdat stål med kromtillsats.
Vi arbetar dessutom 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 påverkar fjäderns egenskaper och prestanda. De andra två är tråddiametern och det totala antalet varv.
När vi tillverkar fjädern måste vi ta hänsyn till ytterdiametern. Konstruktionen anger vilken ytterdiameter som passar bäst för den aktuella applikationen, och fjädern måste naturligtvis få plats i eller över den avsedda monteringspunkten.
I teorin finns ingen längdbegränsning för fjädrar som vi lindar i våra CNC-styrda lindningsmaskiner. Ju längre fjädern är, desto större är dock risken för knäckning. Då rör sig fjädervarven i sidled under belastning tills varven kommer i kontakt med varandra.
Tillverkningsprocesser för tryckfjädrar
Kallindning
Begreppet används när vi tillverkar en fjäder av kallt material, antingen glödgat eller förhärdat, och därefter värmebehandlar och anlöper den efter behov.
Varmlindning
Begreppet används när vi värmer upp materialet före lindningen och därefter härdar och anlöper fjädern.
Lindning
Fjädertillverkarens benämning på hur en fjäder tillverkas eller på själva tillverkningsprocessen.
Slipning
När vi slipar en fjäder bearbetar vi ändarna för att skapa en större lastbärande yta och göra dem vinkelräta mot fjäderns axel, alltså i 90°.
Testning och kvalitetskontroll av tryckfjädrar
Dragprovning
Vi provar 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
Vi provar komponenten för att kontrollera dess förväntade livslängd. Den här typen av provning används vanligtvis för säkerhetskritiska komponenter eller nya konstruktioner.
Vi belastar fjädern cykliskt mellan två lägen tills den går sönder eller tills det fördefinierade målet har uppnåtts. Vi kan uppskatta utmattningslivslängden med hjälp av ett Goodman-diagram som en del av konstruktionsprocessen.
Prestandaprovning i en simulerad applikation
Vi provar fjädern i en miljö som så långt som möjligt motsvarar verklig användning, men utan de konsekvenser som ett fel eller en avvikelse från konstruktionsparametrarna annars kan medföra. På så sätt kan vi bedöma om fjädern är lämplig för den avsedda applikationen.
Kontroll av måttnoggrannhet
Vi genomför måttkontroller som en del av varje tillverknings- och kvalitetsplan. Kontrollerna sker i varje steg av processen för att säkerställa att den färdiga fjädern uppfyller ritningens mått och övriga konstruktionskrav.
Vanliga problem och felorsaker hos tryckfjädrar
Överbelastning
Detta inträffar när en kraft som överstiger materialets kapacitet belastar fjädern. Då uppstår vanligtvis plastisk deformation, vilket permanent förändrar fjäderns mått och kraftkarakteristik.
Korrosion och utmattning
Korrosion kan orsaka mikroskopiska sprickor i fjäderns yta och är en av de vanligaste orsakerna till att en välkonstruerad fjäder går sönder. Sprickorna växer gradvis och kan till slut orsaka ett fullständigt brott.
Förlust av spänning
På samma sätt som en tryckfjäder kan överbelastas kan en dragfjäder förlora sin initialspänning om den sträcks förbi materialets elasticitetsgräns. Då uppstår plastisk deformation, vilket gör att fjädern permanent förlorar en del av sin ursprungliga initialspänning.
Brott
Alla ovanstående orsaker kan leda till fjäderbrott. Även skador på fjädertråden kan orsaka brott. Ju högre belastning fjädern är konstruerad för, desto större blir risken för brott i ett skadat område.
Slutsats och framtidsutsikter för tryckfjädrar
Vikten av tryckfjädrar av hög kvalitet
Våra kunder ställer höga krav på kvalitet eftersom fjädrarna måste fungera tillförlitligt i den miljö och applikation de är konstruerade för. Fjäderns prestanda som komponent i kundens produkt kan vara avgörande för slutproduktens funktion och tillförlitlighet.
Våra fjädrar används bland annat i ventiler på havsbotten, i belysningsstolpar längs motorvägar, i byggprojekt och i lösningar som bidrar till säkra transportnät och en tillförlitlig energiförsörjning. Fjädrar spelar en viktig roll i många delar av den infrastruktur vi använder varje dag.
För att fjädern ska fungera som avsett behöver vi välja rätt konstruktion, material och ytbehandling för den aktuella applikationen. En noggrann utvärdering av kraven minskar risken för fel och hjälper oss att säkerställa rätt kvalitet.
Därför går våra ingenjörer igenom fjäderns funktion och krav tillsammans med kunden. Vi lägger stor vikt vid kvalitet i varje steg av tillverkningen, och ingen produkt lämnar fabriken förrän den uppfyller våra kvalitetskrav.
Fortsatt utveckling inom konstruktion och tillverkningsteknik
Konstruktion och tillverkning av fjädrar finns i vårt DNA. I över 170 år har vi utvecklat vår kompetens inom innovation och teknik för fjäderindustrin. Vi fortsätter att investera i avancerade fjäderlindningsmaskiner, programvara och teknik i hela vårt fabriksnätverk.
Samtidigt utvecklar vi kontinuerligt kompetensen hos våra metallurger, ingenjörer, konstruktörer och maskinoperatörer. Genom att stärka hela teamets kunskap inom fjäderteknik kan vi fortsätta att utveckla och tillverka fjäderprodukter med hög och jämn kvalitet för våra kunder.