스프링의 종류, 용도 및 재료

스프링은 시계, 자동차, 휴대폰 등 다양한 제품에서 볼 수 있는 기계 부품입니다. 힘을 제어하고, 에너지를 저장하고, 긴장을 유지하고, 충격을 흡수하는 데 필수적입니다. 이 다양성은 유형, 재료 및 제조 기술에서 스프링 응용 분야의 다양성과 일치하며, 각각은 특정 작동 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다.

 

1. 스프링이란?

변형을 통해 에너지를 저장하고 방출하는 기계 장치입니다. 일반적으로 높은 인장 강도와 탄성을 가진 강철과 같은 재료로 구성된 스프링은 Hooke의 법칙에 따라 작동합니다. 이 법칙에 따르면, 재료의 탄성 한계 내에서 스프링을 압축하거나 확장하는 데 필요한 힘의 양은 스프링이 확장되는 거리와 직접적인 관련이 있습니다. 이 기본 원리를 통해 스프링은 다양한 기계 시스템에서 기능을 효과적으로 수행할 수 있습니다.

 

스프링은 우리 일상 생활의 모든 곳에 있으며 수많은 산업 응용 분야를 가지고 있습니다. 펜, 매트리스, 시계와 같은 일상 용품뿐만 아니라 자동차, 항공 우주 및 산업 부문에서 사용되는 복잡한 기계에서도 찾을 수 있습니다. 스프링의 다재다능함은 충격이나 진동으로부터 에너지를 흡수 및 발산하고, 압축하거나 늘릴 때 기계적 에너지를 저장하고, 변형 후 원래 모양으로 돌아가는 능력에서 비롯됩니다. 이러한 특성으로 인해 스프링은 기계 시스템의 힘이나 장력을 유지하고 원활한 작동을 보장하는 데 필수적입니다.

 

본질적으로 스프링은 힘을 관리하고 에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 능력 때문에 많은 기계 시스템에서 필수적인 구성 요소입니다. 그들의 응용 분야는 충격 흡수 및 에너지 저장을 제공하는 것부터 접촉 표면 사이의 일관된 힘을 유지하는 것까지 다양하며 단순하고 복잡한 메커니즘에서 중요한 역할을 보여줍니다.

 

 

 

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2. 스프링의 종류

스프링은 디스크 스프링, 판 스프링 및 나선형의 세 가지 주요 범주로 분류됩니다. 

 

 

 

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1) 디스크 스프링

Belleville 스프링이라고도 하는 디스크 스프링은 응력을 받으면 축 방향으로 구부러지는 원뿔 형태의 와셔입니다. 작은 지역에서 상당한 힘을 가할 수 있는 능력은 잘 알려져 있습니다. 

• 적층형 디스크 스프링: 더 높은 수준의 처짐 또는 하중이 필요한 응용 분야를 위해 여러 디스크 스프링을 병렬 또는 직렬로 적층할 수 있습니다. 스프링의 성능 매개변수는 이 적층 배열로 변경할 수 있으므로 필요에 따라 더 강한 힘이나 더 많은 처짐을 가능하게 할 수 있습니다.
• 슬롯형 디스크 스프링: 디스크에 새겨진 슬롯이 있는 Belleville 스프링은 슬롯형 디스크 스프링으로 알려져 있습니다. 슬롯을 조정하면 스프링의 하중 편향 특성을 수정할 수 있습니다. 제어 장치 및 정밀 장비와 같이 정확한 부하 관리가 필요한 응용 분야는 슬롯형 디스크 스프링을 사용합니다.
• 표준 Belleville Springs: 이 스프링은 중장비, 클러치 및 브레이크 시스템, 밸브 액추에이터 등 높은 하중 용량과 작은 설치 공간이 필요한 다른 응용 분야에 사용됩니다. 특이한 원뿔 모양 덕분에 무거운 무게를 지탱하고 많은 에너지를 흡수할 수 있습니다.

 

 

 

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2) 리프 스프링스

판 스프링은 여러 판금 층(일반적으로 강철)으로 만들어지며 함께 결합되어 단일 장치로 작동합니다. 무게가 가해질 때 구부러지기 때문에 차량에 서스펜션을 제공합니다. 

• 다중 판 스프링: 이 스프링은 잎이라고도 하는 여러 층의 클램프 강철 스트립으로 만들어지며 서로 겹쳐져 있습니다. 그들은 트럭 및 기타 대형 차량에서 자주 볼 수 있으며, 하중 분포의 균형을 맞추고 충격을 흡수하여 고르지 않은 표면에서 더 편안하게 탈 수 있습니다.
• 모노 리프 스프링: 모노 리프 스프링은 다중 리프 스프링과 달리 하나의 두꺼운 강철 스트립으로 구성됩니다. 그들의 더 간단한 디자인 때문에, 그들은 경량 트레일러 및 특정 자동차 현탁액에서를 포함하여 더 가벼운 짐이 요구되는 상황에서 채택됩니다.

 

 

 

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3) 헬리컬 스프링

헬리컬 스프링은 나선형(나선형) 구조로 인해 가장 널리 사용되고 적응력이 있습니다. 

• 압축 스프링: 이 스프링은 하중이 가해지면 짧아지고 압축 응력을 견디도록 만들어졌습니다. 쿠션, 볼펜, 매트리스는 이를 사용하는 제품 중 일부에 불과합니다. 압축 스프링은 초기 길이로 돌아가기 때문에 하중이 제거될 때 에너지를 효과적으로 저장하고 방출합니다.
• 확장 스프링: 확장 스프링은 압축 스프링과 달리 늘어날 때 에너지를 흡수하고 저장하도록 만들어졌습니다. 일반적으로 끝에 고리나 고리가 있어 다른 부품에 연결할 수 있습니다. 차량 서스펜션, 차고 문 역학 및 트램폴린은 일반적인 응용 프로그램의 예입니다. 스프링은 늘어날 때 장력을 생성하여 부품을 원래 위치로 다시 끌어당길 수 있습니다.
• 비틀림 스프링: 이 스프링은 축을 중심으로 비틀어 토크 또는 회전력을 제공합니다. 비틀림 스프링은 비틀릴 때 기계적 에너지를 저장했다가 힘이 더 이상 가해지지 않을 때 방출됩니다. 그들은 빨래집게, 쥐덫, 회전력이 필요한 큰 문의 경첩과 같은 품목에 사용됩니다. 시계 방향 및 시계 반대 방향 토크 적용이 모두 가능합니다.

 

 

 

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3. 스프링의 장단점

다음은 스프링이 유리한 다양한 방법과 가공 공정에서 장점이 있는 방법입니다.

 

1) 스프링의 장점

스프링의 다양한 장점은 다음과 같습니다.

 

• 제품의 안정성

스프링은 충격을 흡수하여 상품을 안정화합니다. 제품 안정성은 부품 마찰과 진동을 줄이는 또 다른 방법입니다.

 

• 전력 유지

배터리 대신 사용할 수 있는 스프링 유형 중 하나는 나선형 스프링입니다. 스프링은 에너지를 생성하고 힘이 가해지면 지속적으로 방출할 수 있어 기계식 시계의 중요한 부분입니다.

 

• 연결 프로세스

제품 또는 부품의 두 구성 요소를 스프링으로 결합할 수 있습니다. 예를 들어, 스프링은 차고 문, 계량기 및 기타 장치가 작동할 수 있도록 두 가지 요소를 부착하는 데 사용됩니다.

 

• 충격 흡수 능력 향상

스프링은 충격을 흡수하고 충격을 줄일 수 있기 때문에 수많은 품목에 광범위하게 사용됩니다. 스프링은 압축된 다음 이완되어 제품이 받는 충격을 흡수합니다. 따라서 스프링은 자동차의 중요한 구성 요소입니다.

 

2) 스프링의 장점

Springs의 단점은 다음과 같습니다.

• 감소된 효과

스프링은 압축과 이완을 동시에 하며 점차 그 효과를 잃습니다. 그것들을 만드는 데 사용 된 물질이 이것을 결정합니다. 그들은 결국 변형 후 이전 모양으로 되돌아 가지 않는다는 Hooke의 법칙을 고수하지 않을 것입니다.

 

• 비용

일부 기계에 스프링을 추가하는 데 비용이 많이 들 수 있습니다. 이것은 스프링의 종류가 많고, 제조가 얼마나 간단한지, 적절한 재료를 얼마나 쉽게 구할 수 있는지, 제품이 어떻게 설계되는지에 기인합니다.

 

 

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4. 스프링의 재료

스프링 제조 공정에는 여러 재료가 사용됩니다. 다음은 몇 가지 일반적인 재료 용도입니다.

 

1) 저합금강

저합금강은 몰리브덴이나 니켈을 함유하고 있기 때문에 탄소강보다 우수합니다. 이 재료의 스프링은 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다. 그들은 강한 내열성으로 인해 많은 열을 이용하거나 생성하는 기계에 사용하기에 적합합니다.

축 방향 변형 하에서 수명을 연장하는 큰 압축 강도를 가지고 있습니다. 니켈, 몰리브덴 및 크롬을 추가하면 스프링의 크리프 강도와 내식성이 증가합니다.

 

2) 냉각 압연 철사

재료의 기본 결정 구조를 향상시키는 가공 경화는 냉간 인발 와이어의 원인입니다. 결과적으로 냉간 압연 와이어 스프링은 더 높은 온도, 응력 및 인장 강도 허용 오차를 갖습니다.

 

3) 오일 탬퍼링 와이어

오일 템퍼링 와이어는 열, 피로 및 영구적인 고정 피로에 대한 저항성이 뛰어납니다. 이러한 이유로 오일 템퍼링 스프링 와이어는 자동차 분야에서 널리 사용되며 서스펜션 기반 제품 생산에도 사용할 수 있습니다.

 

4) 스테인레스 스프링 스틸

니켈, 크롬, 마그네슘 및 탄소가 포함되어 있습니다. 스프링은 우수한 내열성, 내식성 및 항복 강도를 제공합니다. 따라서 안테나, 잠금 장치 및 와셔에 사용할 수 있습니다.

 

5) 티타늄과 구리

티타늄과 구리는 열에 강하고 부식 방지 기능이 있는 견고하고 오래 지속되는 합금입니다. 결과적으로 구리와 티타늄으로 만든 비틀림 스프링은 주로 의료 장비, 개폐식 바다 및 일반 도어 경첩에 사용됩니다.

 

 

 

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5. 스프링의 제조 기술

1) 코일링

코일링은 스프링 CNC 가공 제조의 기본 단계입니다. 더 작은 스프링의 경우 일반적으로 냉간 코일링이 사용되며, 실온에서 맨드릴 주위에 스프링 재료(일반적으로 강선)를 감는 작업이 포함됩니다. 냉간 코일링은 정밀하고 효율적이므로 압축, 신장 및 비틀림 스프링을 생산하는 데 적합합니다. 와이어는 원하는 나선형 모양을 얻기 위해 일련의 롤러와 가이드를 통해 공급됩니다. 더 큰 스프링, 특히 더 두꺼운 와이어 또는 바 스톡으로 만든 스프링의 경우 열간 코일링이 사용됩니다.

 

2) 열처리

열처리는 스프링의 내구성과 성능을 향상시키는 데 필수적입니다. 코일링 후 스프링은 코일링 공정에서 내부 응력을 제거하기 위해 응력 제거 공정을 거칩니다. 여기에는 스프링을 적당한 온도로 가열한 다음 천천히 냉각하는 것이 포함됩니다. 높은 강도와 탄력성이 필요한 스프링의 경우 경화 및 템퍼링과 같은 추가 열처리가 적용됩니다.

 

3) 표면 마감

쇼트 피닝 및 코팅과 같은 표면 마감 절차는 스프링의 수명과 성능을 향상시키는 데 사용됩니다. 쇼트 피닝은 스프링 표면에 작은 강철 또는 세라믹 비드를 충격적으로 주입하여 피로 저항을 향상시키고 수명을 연장하는 압축 응력을 유발합니다. 아연, 인산염 및 폴리머 기반 코팅을 포함한 코팅 및 도금은 부식과 마모로부터 보호합니다. 크롬이나 니켈과 같은 금속의 얇은 층을 스프링에 증착하는 전기 도금은 특히 열악한 환경에서 내구성을 향상시킵니다.

 

4) 성형 및 절단

성형 및 CNC 절단 공정은 스프링이 응용 분야에 필요한 정확한 모양과 길이를 갖도록 합니다. 엔드 포밍은 연삭, 금속 굽힘 또는 스프링의 끝, 주로 압축 및 확장 스프링의 끝을 루핑하여 의도한 용도에 맞게 하는 것을 포함합니다. 정밀 절단 기술은 연장 및 비틀림 스프링에 필요한 정확한 길이를 달성하고 적절한 장착과 기능을 보장하는 데 매우 중요합니다.