KR20110121724A - 압축 코일 스프링과, 코일 스프링의 제조 장치 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

코일 스프링의 재료를 스프링 백이 발생하는 온도로 심봉에 감음으로써, 항복 응력을 초과하는 굽힘 변형을 부여한다. 이 굽힘 변형을 부여하는 동시에, 코일링이 실행되고, 코일링 후에 상기 하중이 제하된다. 이 스프링은 압축 잔류 응력을 갖는 외측 표면 영역(W3)과, 외측 표면 영역(W3)으로부터 재료의 중심을 향해 압축 잔류 응력이 감소하는 압축 응력 감소 영역(W4)을 갖고 있다. 외측 표면 영역(W3)과 재료의 중심 사이에, 압축 잔류 응력으로부터 인장 잔류 응력으로 변화하는 응력 변화부(P1)가 존재한다. 또한, 이 스프링은 인장 응력 피크부(P2)와, 인장 응력 감소 영역(W5)과, 내측 표면 영역(W6)을 포함하고 있다. 내측 표면 영역(W6)은 외측 표면 영역(W3)보다 절대값이 작은 인장 잔류 응력 또는 압축 잔류 응력을 갖고 있다.

Description

압축 코일 스프링과, 코일 스프링의 제조 장치 및 제조 방법{COMPRESSION COIL SPRING, AND COIL SPRING MANUFACTURING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD}

본 발명은, 예컨대 차량의 현가 스프링 등에 사용되는 압축 코일 스프링과, 코일 스프링의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.

코일 스프링을 제조하는 장치로서, 재료를 열간에서 성형하는 코일 스프링 제조 장치와, 재료를 냉간에서 성형하는 코일 스프링 제조 장치가 알려져 있다. 하기 특허문헌 1에 열간 코일링 장치가 개시되어 있다. 그 코일링 장치는 가열된 재료를 감는 심봉과, 재료가 소정의 피치로 감기도록 재료를 안내하는 가이드 기구를 가지고 있다. 상기 재료의 선단부는, 심봉에 마련되어 있는 클램프 기구에 의해 척킹된다. 재료의 상기 선단부 이외의 부분(심봉에 감기기 전의 부분)은 구속되지 않고 자유 상태로 되어 있다. 상기 재료는 심봉에 감겨지는 것에 의해 나선형으로 성형된다. 성형 후의 코일 스프링에 담금질, 뜨임 등의 열처리가 실행된다. 열처리 후에 실행되는 숏 피닝에 의해, 스프링의 표면에 압축의 잔류 응력(residual stress)이 생긴다.

비교적 선직경이 작은 코일 스프링을 제조하기 위해서, 재료를 냉간에서 심봉에 감는 코일링 장치가 사용되고 있다. 냉간에서 성형된 코일 스프링은 스프링백에 의해, 스프링의 굽힘 외측에 압축의 잔류 응력이 생기고, 굽힘 내측에 인장의 잔류 응력이 생긴다. 인장의 잔류 응력은 코일 스프링의 내구성에 악영향을 미친다. 이 때문에, 필요에 따라서, 응력 제거 어닐링(stress relieving annealing)이나 숏 피닝에 의해, 굽힘 내측 표면의 인장 잔류 응력을 저감시키거나, 표면에 압축의 잔류 응력을 생기게 하거나 하고 있다.

일본 특허 공개 제 1986-20641 호 공보

차량의 현가 스프링에 사용되는 코일 스프링은 고응력화에 의한 중량 경감과 내구성을 높이는 것이 중요하다. 탄성 변형을 반복하는 압축 코일 스프링에서는 그 변형시에 발생하는 응력이 스프링의 내구성에 크게 영향을 미친다. 특히, 스프링의 표면에 발생하는 인장 응력이 작을수록 스프링의 내구성이 향상되는 것이 알려져 있다. 그 때문에, 스프링의 표면에 미리 압축 잔류 응력을 부여해 둠으로써, 스프링의 내구성을 향상시키는 방법이 채용되고 있다. 그 대표적인 예가 숏 피닝이다.

그러나, 이러한 종래의 방법에서는 코일링(소성 가공)과는 별도로 숏 피닝을 위한 설비나 공정이 필요하다. 이것은 제품 가격이 비싸지는 요인이 된다. 나아가, 코일 스프링의 내면측에 숏 피닝에 의해 압축 잔류 응력을 충분히 발생시키는 것은 용이하지 않다. 이 때문에 가능하면 숏 피닝을 생략하는 것이 바람직하다.

본 발명자들은 스프링을 냉간에서 소성 가공할 때, 본래의 소성 가공(코일링)에 필요한 하중 외에, 인장이나 비틀림 등의 의도적인 하중을 부하함으로써, 가공 후의 잔류 응력 분포를 보다 바람직한 분포로 제어하는 것을 생각했다. 특히, 스프링의 내구 성능에 악영향을 미치는 인장 잔류 응력을 스프링의 표면으로부터 스프링의 내부에 억제하도록 하는 것이 포인트가 된다.

본 발명의 목적은 내구 성능을 높인 후, 바람직한 잔류 응력을 갖는 압축 코일 스프링과, 코일 스프링의 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, 봉 형상의 스프링 재료를 나선형으로 굽혀서 이루어지는 압축 코일 스프링으로서, 외측 표면 영역과, 압축 응력 감소 영역과, 응력 변화부와, 인장 응력 피크부와, 인장 응력 감소 영역과, 내측 표면 영역을 구비하고 있다. 상기 외측 표면 영역은, 상기 코일 스프링의 굽힘 외측의 표면을 포함하고, 또한 압축 잔류 응력을 갖고 있다. 상기 압축 응력 감소 영역에서는 상기 외측 표면 영역으로부터 상기 재료의 중심을 향해 상기 압축 잔류 응력이 감소한다. 상기 응력 변화부는, 상기 외측 표면 영역과 상기 재료의 중심 사이에 존재하고, 상기 압축 잔류 응력으로부터 인장 잔류 응력으로 변화한다. 상기 인장 응력 피크부는, 상기 응력 변화부와 상기 재료의 중심 사이에 존재하고, 상기 인장 잔류 응력이 최대가 된다. 상기 인장 응력 감소 영역에서는, 상기 인장 응력 피크부로부터 해당 코일 스프링의 굽힘 내측을 향해 상기 인장 잔류 응력이 감소한다. 상기 내측 표면 영역은, 상기 굽힘 내측의 표면을 포함하고, 또한 상기 외측 표면 영역의 상기 압축 잔류 응력보다 절대값이 작은 인장 잔류 응력 또는 압축 잔류 응력을 갖고 있다.

본 발명의 코일 스프링의 제조 장치는, 심봉과, 재료 고정 기구와, 심봉 구동 기구와, 스트레스 부가 기구와, 이동 기구와, 제어 장치를 구비하고 있다. 상기 심봉은 성형해야 할 코일 스프링에 따른 외주면을 갖고 있다. 상기 재료 고정 기구는 봉 형상의 스프링 재료의 선단부를 상기 심봉에 고정한다. 상기 심봉 구동 기구는, 상기 심봉을 일정한 방향으로 회전시키는 것에 의해, 해당 심봉에 상기 재료를 나선형으로 감아서 항복 응력을 초과하는 굽힘 변형을 일으키게 한다. 상기 스트레스 부가 기구는 상기 심봉에 감기는 상기 재료에 굽힘 변형과 동시에 인장 및 비틀림 중 적어도 하나의 하중을 부여한다. 상기 이동 기구는 상기 심봉의 회전과 관련하여 상기 스트레스 부가 기구를 상기 심봉의 축선 방향으로 상대 이동시킨다. 상기 제어 장치는, 사전 입력된 데이터에 근거하여 상기 스트레스 부가 기구에 의한 상기 인장 또는 비틀림의 하중을 제어한다.

또한, 본 발명의 코일 스프링의 제조 방법은, 굽힘 공정과, 스트레스 부가 공정과, 제하(除荷) 공정을 구비하고 있다. 상기 굽힘 공정에서는, 봉 형상의 스프링 재료를 냉간, 즉 A₁변태(펄라이트 변태)점 이하의 온도에서 심봉에 나선형으로 감음으로써, 항복 응력을 초과하는 굽힘 변형을 일으키게 한다. 상기 스트레스 부가 공정에서는 상기 굽힘 변형과 동시에 상기 재료에 인장 및 비틀림 중 적어도 하나의 하중을 부여한다. 상기 제하 공정은, 상기 스트레스 부가 공정이 실행된 후에 상기 재료를 상기 심봉으로부터 분리하여 상기 하중을 제하함으로써, 상기 재료의 굽힘 외측의 표면에 압축 잔류 응력을 잔류시키는 동시에, 상기 재료의 굽힘 내측의 표면에, 상기 굽힘 외측의 상기 압축 잔류 응력보다 절대값이 작은 인장 잔류 응력 또는 압축 잔류 응력을 발생시킨다. 또한, 필요에 따라서 제하 공정 후의 코일 스프링에 숏 피닝을 실행해도 좋다.

본 발명에 의하면, 코일 스프링의 소성 가공(코일링)에 수반하여, 굽힘 내측에 굽힘 외측의 압축 잔류 응력보다 절대값이 작은 인장 잔류 응력 또는 압축의 잔류 응력을 생기게 할 수 있다. 이에 의해, 압축 코일 스프링의 내구성을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 의하면 숏 피닝을 경감 또는 생략하는 것이 가능하고, 코일 스프링의 제조 공정이나 제조 설비의 간략화와 제조 코스트의 저감 등을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 코일 스프링 제조 장치의 평면도,
도 2는 재료의 탄성 영역 내에서 굽힘 변형을 부여했을 때에 발생하는 응력과 잔류 응력을 도시하는 도면,
도 3은 재료에 탄성 영역을 초과하는 굽힘 변형을 부여했을 때의 응력과 잔류 응력을 도시하는 도면,
도 4는 재료에 탄성 영역을 초과하는 굽힘 변형을 부여하고 또한 인장 하중을 부여했을 때의 응력과 잔류 응력을 도시하는 도면,
도 5는 재료에 도 4보다 큰 인장 하중을 부여했을 때의 응력과 잔류 응력을 도시하는 도면,
도 6은 재료에 도 5보다 더욱 큰 인장 하중을 부여했을 때의 응력과 잔류 응력을 도시하는 도면,
도 7은 재료에 탄성 영역을 초과하는 굽힘 변형을 부여하고 또한 비틀림의 하중을 부여했을 때의 응력과 잔류 응력을 도시하는 도면,
도 8은 재료에 탄성 영역을 초과하는 굽힘 변형을 부여하고 또한 인장과 비틀림의 하중을 부여했을 때의 응력과 잔류 응력을 도시하는 도면.

이하에 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 코일 스프링 제조 장치에 대해 도 1을 참조해서 설명한다.

도 1에 도시하는 코일 스프링 제조 장치(10)는, 압축 코일 스프링(W)을 A₁변태점 이하의 온도(냉간 또는 온간)에서 코일링하기 위한 심봉(11)을 갖고 있다. 심봉(11)의 일 예는 원기둥형이지만, 그 외의 형상, 예컨대 원추형이어도 좋다. 이 심봉(11)에 압축 코일 스프링(W)의 재료(W1)가 나선형으로 감기도록 되어 있다. 재료(스프링 재료)(W1)는 스프링강으로 이루어지고, 봉 형상을 이루고 있다. 재료(W1)의 단면은 진원형이어도 좋고, 타원형, 계란형 또는 복수의 원호를 서로 이은 것과 같은 형상의 단면이어도 좋다.

심봉(11)의 한쪽 단부(11a)는, 심봉 홀더(15)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 심봉 홀더(15)는 가동 베이스(16)에 장착되어 있다. 가동 베이스(16)는 가이드(17)를 따라서, 도 1 중에 화살표(X1)로 나타내는 방향으로 이동할 수 있다. 심봉 홀더(15)와 가동 베이스(16)는 실린더 기구(18)에 의해 화살표(X1) 방향으로 왕복 이동된다.

심봉(11)의 다른쪽 단부(11b)는 심봉 구동 헤드(20)에 의해 착탈 가능하게 보지되어 있다. 이 심봉 구동 헤드(20)는 감속 기어 기구(21)와 브레이크(22) 및 클러치(23) 등을 거쳐서, 모터(24)에 의해 회전 구동된다. 심봉(11)은 도 1 중에 화살표(R1)로 나타내는 방향으로 회전한다. 감속 기어 기구(21)에는 심봉 구동 헤드(20)의 회전 각도를 검출하기 위한 제 1 검출기(25)가 마련되어 있다. 감속 기어 기구(21)와 브레이크(22)와 클러치(23)와 모터(24) 등은 심봉(11)을 회전시키기 위한 심봉 구동 기구(28)를 구성하고 있다.

심봉 구동 헤드(20)에 재료 고정 기구로서 기능하는 척(30)이 마련되어 있다. 척(30)은 실린더 기구(31)에 의해 심봉(11)의 직경 방향으로 이동한다. 이 척(30)에 의해, 재료(W1)의 선단부(W2)가 고정된다. 심봉(11)이 심봉 구동 기구(28)에 의해 화살표(R1) 방향(도 1에 도시함)으로 회전하면, 재료(W1)가 심봉(11)에 나선형으로 감긴다. 이 때문에 재료(W1)가 심봉(11)을 향해 화살표(F)로 나타내는 방향으로 이동하면서, 재료(W1)가 화살표(R2)로 나타내는 방향으로 자전한다.

심봉(11)의 측방에 스트레스 부가 기구(40)가 마련되어 있다. 스트레스 부가 기구(40)는 심봉(11)에 감기는 재료(W1)에 인장의 하중이나 비틀림의 하중을 부가할 수 있도록 구성되어 있다.

예컨대 상기 스트레스 부가 기구(40)는 토크 발생 기구나 제동 기구 등을 구비하고 있다. 토크 발생 기구는, 재료(W1)가 화살표(R2) 방향으로 회전하는 것을 억제함으로써 재료(W1)에 비틀림의 하중을 부여한다. 상기 제동 기구는, 재료(W1)가 화살표(F) 방향으로 이동하는 것에 브레이크를 걸음으로써 재료(W1)에 인장의 하중을 부여한다. 스트레스 부가 기구(40)에, 재료(W1)를 적극적으로 비트는 것과 같은 토크 발생 기구나, 재료(W1)를 적극적으로 인장하는 텐션 기구가 내장되어 있어도 좋다.

스트레스 부가 기구(40)는 가동대(41)에 장착되어 있다. 이송 나사(42)가 회전하면, 가동대(41)가 가이드(43)를 따라서 심봉(11)의 축선(X)을 따르는 방향[도 1에 화살표(X2)로 나타내는 방향]으로 왕복 이동한다. 이송 나사(42)는, 액츄에이터의 일 예로서의 서보 모터(45)에 의해 회전 구동된다. 서보 모터(45)의 일 예는 DC 서보 모터이지만, AC 서보 모터, 플러스 모터, 유압 서보 모터 등이 사용되어도 좋다.

이송 나사(42)의 회전 각도는 제 2 검출기(46)에 의해 검출된다. 이 검출기(46)에 의해 검출된 회전 각도에 근거하여, 가동대(41)의 위치가 카운터(47)에 입력된다. 카운터(47)에 입력된 신호는 서보 증폭기(48)를 거쳐서 서보 모터(45)에 피드백된다. 이동 기구(50)는 스트레스 부가 기구(40)를 심봉(11)의 축선(X) 방향으로 이동시킨다. 이 이동 기구(50)는 상기 이송 나사(42)나 서보 모터(45)를 포함하고 있다.

심봉 구동 기구(28)와 서보 모터(45)와 스트레스 부가 기구(40)를 제어하기 위해서 제어 장치(60)가 사용되고 있다. 제어 장치(60)는 제어 수단으로서 기능하는 컴퓨터 등의 정보 처리 장치로 이루어진다. 이 제어 장치(60)에는 제 1 검출기(25)로부터의 신호, 즉 심봉 구동 헤드(20)의 회전 각도에 관한 신호가 입력된다. 제어 장치(60)에 코일 스프링(W)에 관한 데이터가 사전 입력되어 있다. 이들 데이터와 심봉 구동 헤드(20)의 회전 각도 등에 근거하여, 심봉 구동 기구(28)와 서보 모터(45)가 제어됨으로써, 스트레스 부가 기구(40)의 위치[화살표(X2) 방향의 위치]가 제어된다. 제어 장치(60)에는 클러치ㆍ브레이크 구동 유닛(61)이 접속되어 있다. 클러치ㆍ브레이크 구동 유닛(61)은 사전 설정된 타이밍에서 브레이크(22)와 클러치(23)를 작동시킨다.

이어서, 코일 스프링 제조 장치(10)의 작용에 대하여 설명한다.

코일 스프링(W)의 재료(W1)를 스트레스 부가 기구(40)에 관통 삽입시켜서 심봉(11)을 향하게 한다. 재료(W1)의 온도는 냉간 또는 온간, 즉 스프링강의 A₁변태점 이하이다. A₁변태점 이하는, 스프링 백이 발생하는 재료 온도이다. 이 재료(W1)의 선단부(W2)가 심봉(11)과 척(30) 사이에 삽입된다. 제어 장치(60)에 스타트 신호를 보내면, 실린더 기구(31)가 작동하고, 척(30)에 의해 재료(W1)의 선단부(W2)가 클램프 된다.

이어서, 클러치(23)가 작동하고, 모터(24)의 동력이 감속 기어 기구(21)를 경유하여 심봉 구동 헤드(20)에 전달되는 것에 의해, 심봉(11)이 화살표(R1) 방향으로 회전한다. 심봉 구동 헤드(20)의 회전 각도가 제 1 검출기(25)에 의해 검출된다. 검출된 신호가 제어 장치(60)에 입력된다. 제어 장치(60)에는, 미리 소정의 방법(예컨대, 키보드 입력, 기록 매체 등)에 의해 코일 스프링(W)의 피치각에 관한 데이터나, 스트레스 부가 기구(40)를 위한 비틀림 하중이나 인장 하중에 관한 데이터가 입력되어 있다. 이들 데이터에 근거하여 스트레스 부가 기구(40)가 제어됨으로써, 재료(W1)에 굽힘 변형을 부여하는 동시에, 재료(W1)에 비틀림 토크나 인장 하중이 부가된다. 또한, 서보 모터(45)가 회전하여 스트레스 부가 기구(40)가 화살표(X2) 방향으로 이동함으로써, 심봉(11)의 회전 각도에 대응하여 코일 스프링(W)의 피치가 형성된다.

심봉(11)에 재료(W1)가 다 감기면, 제어 장치(60)에 의해 클러치ㆍ브레이크 구동 유닛(61)에 신호가 전송되어, 심봉(11)의 회전이 정지한다. 또한, 서보 모터(45)가 리턴 동작을 실행하여 스트레스 부가 기구(40)가 원래의 위치로 복귀한다. 동시에 실린더 기구(18)가 동작하여, 심봉 홀더(15)가 도 1에 있어서 우측 방향으로 이동한다. 이에 의해 심봉(11)으로부터 코일 스프링(W)을 취출할 수 있게 된다. 코일 스프링(W)이 취출된 후, 다시 심봉(11)이 실린더 기구(18)에 의해 축선(X) 방향으로 이동하고, 심봉(11)의 단부(11b)가 심봉 구동 헤드(20)에 끼워 맞춤된다.

코일 스프링(W)을 소성 가공(코일링) 할 때에, 굽힘과 동시에 스트레스 부가 공정이 실행된다. 스트레스 부가 기구(40)는, 스트레스 부가 공정에 있어서, 인장 하중 또는 비틀림 하중 중 적어도 하나를 코일 스프링(W)에 부가한다. 이 하중에 의해, 제하 공정 후의 코일 스프링(W)의 굽힘 외측과 굽힘 내측에, 통상의 굽힘 변형을 부여했을 때와는 다른 잔류 응력을 발생시킬 수 있다. 이하에, 스트레스 부가 기구(40)에 의해 코일 스프링(W)에 발생하는 잔류 응력에 대하여 설명한다.

도 2 내지 도 8의 각 도면에 있어서, 횡축은 재료의 직경 방향의 단면의 위치를 나타내고 있다. 재료의 단면이 진원인 경우에는, 횡축의 중앙이 단면의 중심, 즉 재료 중심이 된다. 이하의 설명에서는 재료의 단면이 진원인 경우에 대해 설명하지만, 진원 이외(예컨대, 타원이나 계란형)의 단면에서도 마찬가지라고 할 수 있다.

도 2 내지 도 8에 있어서, 종축은 주응력을 나타내고 있다. 재료 역학의 관례를 따라, 정(+)의 주응력을 인장, 부(-)의 주응력을 압축이라고 한다. 이하의 설명에서는 도 2 내지 도 8의 횡축의 좌측이 굽힘 외측, 횡축의 우측이 굽힘 내측이다.

도 2 내지 도 8 중의 실선(A)은 굽힘 변형을 부여했을 때의 응력 분포를 나타내고 있다. 경사 방향으로 연장되는 직선(B)은 굽힘 변형을 부여했을 때의 하중을 제하했을 때에 어디까지 굽힘을 되돌리면 내부의 탄성 에너지가 최소가 되는지를 나타내고 있다. 따라서, 성형 후의 코일 스프링에는, 굽힘 변형을 부여했을 때의 응력[실선(A)]과 직선(B)의 차이가 잔류 응력으로서 남게 된다. 도 2 내지 도 8 중의 일점쇄선(C)이 잔류 응력을 나타내고 있다. 도 2 내지 도 8 중의 상하의 쇄선(D1, D2)은 항복 응력을 나타내고 있다. 굽힘 변형을 부여하기 전후를 불문하고, 재료 내부의 응력이 이 값을 초과하는 일은 없다.

도 2에 탄성 영역 내에서의 굽힘ㆍ되돌림의 때의 응력 분포를 나타낸다. 굽힘 변형을 부여했을 때의 응력은 항복 응력(D1, D2)에 도달하지 않는다. 따라서, 굽힘 변형을 부여했을 때의 응력 분포(A)는 직선이 되고, 제하 후에 되돌아가야 할 직선(B)과 일치한다. 이 때문에 제하 후의 잔류 응력(C)은 제로가 된다.

소성 가공을 수반하는 경우도 동일하게 생각할 수 있다. 다만, 이 경우에는 굽힘 외측과 굽힘 내측의 일부가 소성 영역에 들어가 있기 때문에, 굽힘 하중을 제하한 후도 완전하게 원래대로 되돌아갈 일은 없다. 도 3에 이러한 경우의 응력 분포를 나타낸다. 제하 후에 탄성 에너지를 최소화하는 되돌림(스프링 백)이 발생하지만, 내부의 응력 분포에 의해 탄성 변형이 남는다. 이것이 잔류 응력을 발현한다. 도 3에 도시한 그대로 굽힘 외측의 표면 부근에 「압축 잔류 응력」이 잔류하고, 굽힘 내측의 표면 부근에「압축 잔류 응력」이 잔류한다.

여기서, 항복 응력을 초과하는 굽힘 변형과 동시에, 스트레스 부가 공정에 의해 인장의 하중을 부여하여 가공을 실행했을 경우에, 흥미로운 일이 일어난다. 도 4에 그 때의 응력 분포를 나타낸다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 인장의 하중을 부가하는 것에 의해, 굽힘의 응력 분포(A)가 상방으로 시프트한다. 그러나, 그 응력은 항복 응력(D1, D2)의 값에서 한계점에 이르기 때문에, 굽힘 외측과 굽힘 내측의 소성 영역의 밸런스가 변화한다.

상기 스트레스 부가 공정이 실행된 후, 상기 재료(W1)를 심봉(11)으로부터 분리함으로써 제하 공정이 실행된다. 도 4는 상기 제하 공정에 있어서 상기 하중(굽힘과 인장의 하중)이 제하된 후의 잔류 응력(C)을 나타내고 있다. 도 4에 나타낸 응력 분포는 도 3의 응력 분포와 비교하여, 굽힘 외측의 압축 잔류 응력(절대값)이 크고, 게다가, 굽힘 내측의 인장 잔류 응력(절대값)이 작아진다. 이는 성형 후의 코일 스프링의 내구성을 높이는데 있어서 매우 바람직한 것이다.

도 4에 도시한 잔류 응력(C)을 갖는 압축 코일 스프링은, 외측 표면 영역(W3)과, 압축 응력 감소 영역(W4)과, 응력 변화부(P1)와, 인장 응력 피크부(P2)와, 인장 응력 감소 영역(W5)과, 내측 표면 영역(W6)을 포함하고 있다. 외측 표면 영역(W3)은 코일 스프링의 굽힘 외측의 표면을 포함하고, 또한 압축 잔류 응력을 갖고 있다. 압축 응력 감소 영역(W4)에서는 외측 표면 영역(W3)으로부터 재료의 중심을 향해 압축 잔류 응력이 감소하고 있다. 응력 변화부(P1)는 외측 표면 영역(W3)과 재료의 중심 사이에 존재하고, 압축 잔류 응력으로부터 인장 잔류 응력으로 변화하고 있다. 인장 응력 피크부(P2)는 응력 변화부(P1)와 재료의 중심 사이에 존재하고, 인장 잔류 응력이 최대가 된다. 인장 응력 감소 영역(W5)에서는 인장 응력 피크부(P2)로부터 코일 스프링의 굽힘 내측을 향해 상기 인장 잔류 응력이 감소하고 있다. 내측 표면 영역(W6)은 코일 스프링의 굽힘 내측의 표면을 포함하고, 또한, 외측 표면 영역(W3)의 상기 압축 잔류 응력보다 절대값이 작은 인장 잔류 응력을 갖고 있다.

즉, 도 4에 도시된 응력 분포를 갖는 코일 스프링은 굽힘 외측의 표면에 압축 잔류 응력이 잔류하고, 굽힘 외측의 표면으로부터 재료 중심을 향해 압축 잔류 응력이 감소하고 있다. 그리고 굽힘 외측의 표면과 재료 중심 사이에, 압축 잔류 응력으로부터 인장 잔류 응력으로 변화하는 응력 변화부(P1)가 존재하고 있다. 응력 변화부(P1)와 재료 중심 사이에, 인장 잔류 응력이 최대가 되는 인장 응력 피크부(P2)가 존재하고 있다. 인장 응력 피크부(P2)로부터 굽힘 내측을 향하여, 인장 잔류 응력이 감소하고 있다. 굽힘 내측의 표면에는, 굽힘 외측의 표면의 압축 잔류 응력보다 절대값이 작은 인장 잔류 응력이 잔류하고 있다. 이와 같이, 코일 스프링에 굽힘 변형과 인장의 하중을 동시에 부여하는 것에 의해, 코일 스프링의 내구성을 향상시킬 수 있었다.

이러한 효과를 더욱 높이기 위해서는, 스트레스 부가 공정에 있어서, 굽힘 변형과 동시에 부여하는 인장 하중을 크게 하면 좋다. 인장 하중을 크게 하면, 도 5에 도시하는 바와 같이, 굽힘 외측의 압축 잔류 응력(절대값)은 더욱 커지고, 굽힘 내측의 인장 잔류 응력(절대값)은 더욱 작아진다. 인장 하중을 더욱 크게 해 나가면, 도 6에 도시하는 바와 같이 제하 공정 후의 코일 스프링의 굽힘 내측의 잔류 응력도 압축 잔류 응력이 된다. 이 때문에 숏 피닝을 경감 또는 생략해도 코일 스프링의 내구성을 향상시키는 것이 가능하다.

비틀림에 의한 응력은 비틀림 중심으로부터의 거리에 비례하여 커진다. 전술한 코일 스프링의 예에서는, 재료 중심으로부터의 거리에 비례하는 응력이 발생한다. 이러한 비틀림 상태에, 굽힘에 의한 응력을 가했을 경우의 일 예를 도 7에 도시한다. 상기 코일 스프링 제조 장치(10)의 스트레스 부가 기구(40)에 의해 적절한 비틀림 하중(토크)을 선택하면, 제하 공정 후의 코일 스프링의 굽힘 내측의 인장 잔류 응력을 충분히 작은 값으로 할 수 있다.

도 7에 도시한 잔류 응력(C)을 갖는 압축 코일 스프링도 외측 표면 영역(W3)과, 압축 응력 감소 영역(W4)과, 응력 변화부(P1)와, 인장 응력 피크부(P2)와, 인장 응력 감소 영역(W5)과, 내측 표면 영역(W6)을 포함하고 있다. 외측 표면 영역(W3)은 코일 스프링의 굽힘 외측의 표면을 포함하고, 또한, 압축 잔류 응력을 갖고 있다. 압축 응력 감소 영역(W4)에서는 외측 표면 영역(W3)으로부터 재료의 중심을 향해 압축 잔류 응력이 감소하고 있다. 응력 변화부(P1)는 외측 표면 영역(W3)과 재료의 중심 사이에 존재하고, 압축 잔류 응력으로부터 인장 잔류 응력으로 변화하고 있다. 인장 응력 피크부(P2)는 응력 변화부(P1)와 재료의 중심 사이에 존재하고, 인장 잔류 응력이 최대가 된다. 인장 응력 감소 영역(W5)에서는 인장 응력 피크부(P2)로부터 코일 스프링의 굽힘 내측을 향해 상기 인장 잔류 응력이 감소하고 있다. 내측 표면 영역(W6)은 코일 스프링의 굽힘 내측의 표면을 포함하고, 또한, 외측 표면 영역(W3)의 상기 압축 잔류 응력보다 절대값이 작은 인장 잔류 응력을 갖고 있다.

즉, 도 7에 도시된 응력 분포를 갖는 코일 스프링은 굽힘 외측의 표면에 압축 잔류 응력이 잔류하고, 굽힘 외측의 표면으로부터 재료 중심을 향해 압축 잔류 응력이 감소하고 있다. 그리고, 굽힘 외측의 표면과 재료 중심 사이에, 압축 잔류 응력으로부터 인장 잔류 응력으로 변화하는 응력 변화부(P1)가 존재하고 있다. 응력 변화부(P1)와 재료 중심 사이에, 인장 잔류 응력이 최대가 되는 인장 응력 피크부(P2)가 존재하고 있다. 인장 응력 피크부(P2)로부터 재료 중심을 향하여, 인장 잔류 응력이 감소하고 있다. 재료 중심에서는 압축 잔류 응력으로 되어 있다. 굽힘 내측의 표면에는 굽힘 외측의 표면의 압축 잔류 응력보다 절대값이 작은 인장 잔류 응력이 잔류하고 있다. 이러한 코일 스프링도 뛰어난 내구성을 발휘할 수 있었다.

상기 스트레스 부가 공정에 있어서, 굽힘 변형을 부여하는 동시에 인장과 비틀림의 하중을 부여해도 상기와 동일한 효과를 기대할 수 있다. 그 경우의 응력의 예를 도 8에 도시한다.

도 8에 도시된 응력 분포를 갖는 코일 스프링도 외측 표면 영역(W3)과, 압축 응력 감소 영역(W4)과, 응력 변화부(P1)와, 인장 응력 피크부(P2)와, 인장 응력 감소 영역(W5)과, 내측 표면 영역(W6)을 포함하고 있다. 외측 표면 영역(W3)은 코일 스프링의 굽힘 외측의 표면을 포함하고, 또한, 압축 잔류 응력을 갖고 있다. 압축 응력 감소 영역(W4)에서는 외측 표면 영역(W3)으로부터 재료의 중심을 향해 압축 잔류 응력이 감소하고 있다. 응력 변화부(P1)는 외측 표면 영역(W3)과 재료의 중심 사이에 존재하고, 압축 잔류 응력으로부터 인장 잔류 응력으로 변화하고 있다. 인장 응력 피크부(P2)는 응력 변화부(P1)와 재료의 중심 사이에 존재하며, 인장 잔류 응력이 최대가 된다. 인장 응력 감소 영역(W5)에서는 인장 응력 피크부(P2)로부터 코일 스프링의 굽힘 내측을 향해 상기 인장 잔류 응력이 감소하고 있다. 내측 표면 영역(W6)은 코일 스프링의 굽힘 내측의 표면을 포함하고, 또한, 외측 표면 영역(W3)의 상기 압축 잔류 응력보다 절대값이 작은 압축 잔류 응력을 갖고 있다.

즉, 도 8에 도시된 응력 분포를 갖는 압축 코일 스프링은 스트레스 부가 공정에 의해 굽힘과 동시에 인장과 비틀림의 하중이 부여되고 있다. 또한, 제하 공정을 거침으로써, 굽힘 외측 표면에 압축 잔류 응력이 잔류하고 있다. 이러한 코일 스프링은 굽힘 외측의 표면으로부터 재료 중심을 향해 압축 잔류 응력이 감소하고, 또한, 굽힘 외측의 표면과 재료 중심 사이에, 압축 잔류 응력으로부터 인장 잔류 응력으로 변화하는 응력 변화부(P1)가 존재하고 있다. 응력 변화부(P1)와 재료 중심 사이에, 인장 잔류 응력이 최대가 되는 인장 응력 피크부(P2)가 존재하고 있다. 인장 응력 피크부(P2)로부터 굽힘 내측을 향해 인장 잔류 응력이 감소하고 있다. 굽힘 내측의 표면에는 압축 잔류 응력이 잔류하고 있다. 이 경우도 코일 스프링의 내구성을 향상시킬 수 있었다.

본 발명은 차량용 현가 스프링 이외의 여러 가지 장치를 위한 압축 코일 스프링에 적용할 수 있다. 또한, 본 발명을 실시하면서, 압축 코일 스프링의 형태를 시작으로 하여, 심봉이나 스트레스 부가 기구 등 코일 스프링 제조 장치나 제조 방법의 구체적인 형태를, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경하여 실시할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.

W1 : 재료 10 : 코일 스프링 제조 장치
11 : 심봉 28 : 심봉 구동 기구
30 : 척(재료 고정 기구) 40 : 스트레스 부가 기구
50 : 이동 기구 60 : 제어 장치

Claims (3)

1. 봉 형상의 스프링 재료(W1)를 나선형으로 굽혀서 이루어지는 압축 코일 스프링(W)에 있어서,
   상기 코일 스프링(W)의 굽힘 외측의 표면을 포함하고, 또한 압축 잔류 응력을 갖는 외측 표면 영역(W3)과,
   상기 외측 표면 영역(W3)으로부터 상기 재료의 중심을 향해 상기 압축 잔류 응력이 감소하는 압축 응력 감소 영역(W4)과,
   상기 외측 표면 영역(W3)과 상기 재료(W1)의 중심 사이에서 상기 압축 잔류 응력으로부터 인장 잔류 응력으로 변화하는 응력 변화부(P1)와,
   상기 응력 변화부(P1)와 상기 재료(W1)의 중심 사이에서 상기 인장 잔류 응력이 최대가 되는 인장 응력 피크부(P2)와,
   상기 인장 응력 피크부(P2)로부터 상기 코일 스프링(W)의 굽힘 내측을 향해 상기 인장 잔류 응력이 감소하는 인장 응력 감소 영역(W5)과,
   상기 굽힘 내측의 표면을 포함하고, 또한 상기 외측 표면 영역(W3)의 상기 압축 잔류 응력보다 절대값이 작은 인장 잔류 응력 또는 압축 잔류 응력을 갖는 내측 표면 영역(W6)을 구비하는
   압축 코일 스프링.
2. 코일 스프링의 제조 장치에 있어서,
   성형해야 할 코일 스프링(W)에 따른 외주면을 갖는 심봉(11)과,
   봉 형상의 스프링 재료(W1)의 선단부(W2)를 상기 심봉(11)에 고정하는 재료 고정 기구(30)와,
   상기 심봉(11)을 일정한 방향으로 회전시킴으로써 상기 심봉(11)에 상기 재료(W1)를 나선형으로 감아서 항복 응력을 초과하는 굽힘 변형을 발생시키는 심봉 구동 기구(28)와,
   상기 심봉(11)에 감는 상기 재료(W1)에, 굽힘 변형과 동시에 인장 및 비틀림 중 적어도 하나의 하중을 부여하는 스트레스 부가 기구(40)와,
   상기 심봉(11)의 회전과 관련하여 상기 스트레스 부가 기구(40)를 상기 심봉(11)의 축선(X) 방향으로 상대 이동시키는 이동 기구(50)와,
   사전 입력된 데이터에 근거하여 상기 스트레스 부가 기구(40)에 의한 상기 인장 또는 비틀림의 하중을 제어하는 제어 장치(60)를 구비하는
   코일 스프링 제조 장치.
3. 코일 스프링의 제조 방법에 있어서,
   봉 형상의 스프링 재료(W1)를 A₁변태점 이하의 온도에서 심봉(11)에 나선형으로 감음으로써 항복 응력을 초과하는 굽힘 변형을 발생시키는 단계와,
   상기 굽힘 변형과 동시에 상기 재료(W1)에 인장 및 비틀림 중 적어도 하나의 하중을 부여함으로써 상기 재료(W1)에 스트레스를 부여하는 단계와,
   상기 재료(W1)에 상기 스트레스를 부여한 후에 상기 재료(W1)를 상기 심봉(11)으로부터 분리하여 상기 하중을 제하함으로써 상기 재료(W1)의 굽힘 외측의 표면에 압축 잔류 응력을 잔류시키는 동시에, 상기 재료(W1)의 굽힘 내측의 표면에 상기 굽힘 외측의 상기 압축 잔류 응력보다 절대값이 작은 인장 잔류 응력 또는 압축 잔류 응력을 발생시키는 단계를 구비하는
   코일 스프링 제조 방법.

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