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Ci sono sei tipi di molle primarie utilizzato in prodotti industriali e di consumo: molle di compressione, molle di estensione, molle di torsione, molle a forza costante, molle ondulate e molle a disco (Belleville). Ciascuno è definito dal modo in cui immagazzina e rilascia energia meccanica: compressa, allungata, attorcigliata, ruotata, appiattita o impilata. La scelta giusta dipende dalla direzione del carico, dallo spazio disponibile e da quanti cicli di lavoro deve sopportare il pezzo, e quasi tutti oggi vengono formati su un sistema controllato da computer macchina a molla piuttosto che a mano.
La categoria in cui rientra una molla è in realtà una scorciatoia per un comportamento meccanico. Una molla di compressione spinge indietro. Una molla di estensione si tira indietro. Una molla di torsione resiste alla torsione. Una volta risolto questo comportamento, tutto il resto (diametro del filo, numero di bobine, geometria finale e materiale) è un esercizio di messa a punto per raggiungere il carico target, la deflessione e la durata di servizio.
Questa guida analizza in modo approfondito ciascun tipo di molla, i materiali alla base, come una moderna macchina per molle modella ciascuno di essi, come gli ingegneri dimensionano una molla per un caso di carico reale, dove ogni tipo si presenta in diversi settori, punti di guasto comuni, finitura e protezione dalla corrosione e come confrontare i preventivi quando si ottengono le quantità di produzione.
Le molle di compressione sono molle a spirale aperta progettate per resistere a una forza di compressione e respingersi quando compresse. Sono il tipo di molla più comune negli assemblaggi meccanici, presenti in materassi, penne a sfera, valvole, sistemi di sospensione e stampi industriali. Quando un carico spinge insieme le spire, la molla immagazzina energia e la spinge indietro lungo lo stesso asse una volta rilasciato il carico.
Poiché a riposo le bobine sono separate l'una dall'altra, una molla di compressione può essere compressa finché le bobine non si toccano, uno stato chiamato altezza solida. Una buona progettazione mantiene la molla ben lontana dall'altezza solida durante il normale funzionamento, poiché toccare il fondo ripetutamente indurisce il filo nel punto di contatto e riduce la durata a fatica. La maggior parte delle indicazioni tecniche mantiene la deflessione operativa a circa l'80% o meno della corsa totale disponibile fino all'altezza solida, lasciando un margine di sicurezza per gli eventi di oltrecorsa.
Le molle a compressione sono definite anche da come sono rifinite le spire finali. Le estremità lisce lasciano il filo tagliato ad un angolo corrispondente all'elica, che è veloce da produrre ma lascia che la molla oscilli leggermente sotto carico. Le estremità squadrate sono rettificate o pressate in modo piatto in modo che la molla stia in posizione verticale su una superficie piana senza ribaltarsi, e le estremità squadrate e rettificate fanno un ulteriore passo avanti rettificando la bobina terminale perfettamente piatta, cosa comune ovunque la molla debba posizionarsi uniformemente contro una piastra piatta, come nei gruppi valvola.
Un livello di produzione macchina a molla forma molle di compressione alimentando il filo attraverso una serie di rulli di alimentazione e avvolgendolo attorno a un mandrino o perno di formatura, quindi uno strumento di taglio separa ciascuna bobina ad una lunghezza programmata. Le macchine controllate da CNC possono mantenere tolleranze del passo sufficientemente strette da mantenere la variazione della velocità della molla al di sotto di circa il 3% durante un ciclo di produzione, il che è importante per le parti in cui la forza costante è fondamentale, come le molle delle valvole. Le linee di molle di compressione ad alto volume in genere accoppiano la testa di avvolgimento con una stazione di rettifica in linea in modo che le estremità squadrate possano essere rifinite senza un'operazione secondaria separata.
Le molle di estensione sono bobine strettamente avvolte che resistono alla forza di trazione e tentano di tornare alla loro lunghezza originale una volta rilasciate. A differenza delle molle a compressione, le loro bobine sono vicine tra loro a riposo, solitamente con tensione iniziale incorporata, quindi la molla inizia ad allungarsi solo quando la forza applicata supera il precarico. I meccanismi delle porte dei garage, i trampolini, le porte schermate e gli interruttori a levetta si basano tutti su molle di estensione.
La tensione iniziale è una delle proprietà più fraintese di una molla a trazione. Poiché le spire sono avvolte strettamente l'una contro l'altra durante la formatura, la molla resiste a qualsiasi trazione finché la forza applicata non supera la tensione incorporata: solo allora inizia ad allungarsi in proporzione al carico aggiunto. I progettisti specificano deliberatamente questa tensione iniziale, poiché troppo poca consente alla molla di abbassarsi a riposo, mentre troppa rende il meccanismo rigido all'inizio della sua corsa.
La maggior parte del lavoro di progettazione di una molla a estensione avviene alle estremità, non al corpo della bobina. I ganci della macchina, gli anelli incrociati, gli anelli laterali e gli occhielli estesi cambiano ciascuno il modo in cui la molla si monta e il modo in cui lo stress si concentra in corrispondenza della curva. Poiché la curvatura del gancio è in genere il punto in cui inizia il cedimento per fatica, la geometria del gancio è spesso il fattore limitante nella vita operativa di una molla piuttosto che la bobina stessa.
Su una moderna macchina a molla, la formatura del gancio viene eseguita nello stesso ciclo dell'avvolgimento: dopo che lo strumento di avvolgimento ha avvolto il corpo, uno strumento secondario ruota e piega l'estremità del filo nella forma del gancio prima del taglio. Ciò mantiene coerente l'allineamento del gancio, che è uno dei reclami di qualità più comuni quando le molle di estensione vengono formate a mano. Un angolo del gancio coerente è importante anche per il modo in cui la molla si blocca nella staffa di montaggio: un gancio attorcigliato può introdurre un carico laterale indesiderato che il corpo della bobina non è mai stato progettato per sopportare.
Le molle di torsione immagazzinano energia quando ruotate attorno al proprio asse anziché essere spinte o tirate lungo esso. Il corpo della bobina resiste allo spostamento angolare e le gambe dritte su ciascuna estremità trasmettono tale forza di rotazione nel gruppo. Esempi tipici sono mollette, trappole per topi, sistemi di contrappeso per porte di garage e cerniere per ante di armadi.
A differenza delle molle di compressione ed estensione, una molla di torsione è quasi sempre progettata per funzionare con il diametro della bobina che si riduce leggermente quando si avvolge sotto carico. Ciò significa che l'albero o il mandrino su cui si trova deve essere dimensionato con spazio per questa riduzione, altrimenti le bobine si legheranno all'albero prima che la molla raggiunga la corsa prevista: un dettaglio che coglie di sorpresa molti progettisti alle prime armi.
| Funzione molla di torsione | Effetto di progettazione |
|---|---|
| Direzione della bobina (sinistra o destra) | Deve corrispondere alla direzione in cui è prevista l'avvolgimento della molla sotto carico, altrimenti le spire si srotoleranno invece di stringersi |
| Configurazione delle gambe | Le gambe dritte, incernierate o angolate determinano il modo in cui la coppia viene trasferita nel gruppo circostante |
| Numero di bobine attive | Un numero maggiore di bobine generalmente riduce la velocità di coppia e aumenta la corsa rotazionale disponibile |
| Stile del corpo (avvicinato o distanziato) | Le bobine ad avvolgimento chiuso riducono il rumore di attrito tra le bobine; le bobine distanziate riducono la possibilità di legarsi sotto carico pesante |
Al di là degli esempi domestici, le molle di torsione compaiono nei meccanismi di contrappeso per porte basculanti pesanti, molle di ritorno nei gruppi con cricchetto e nottolino, chiusure a cerniera su armadi e involucri e meccanismi di bloccaggio in cui è necessaria una forza di rotazione leggera e costante per tenere insieme due parti senza un dispositivo di fissaggio separato.
Le molle di torsione vengono solitamente formate su una macchina per molle CNC dotata di una testa rotante per piegare le gambe, poiché la precisione dell'angolo delle gambe influisce direttamente sul modo in cui la molla si inserisce nei fori di montaggio. Una gamba spostata anche di pochi gradi può creare incoerenze di precarico lungo una catena di montaggio, motivo per cui l'angolo della gamba è una delle prime dimensioni controllate durante l'ispezione in entrata su una nuova configurazione di attrezzature.
Le molle Belleville sono rondelle a forma di cono che si appiattiscono sotto carico assiale. Impilarli in serie aumenta la corsa, mentre impilarli in parallelo aumenta la capacità di carico, il che li rende utili ovunque un progettista abbia bisogno di una curva di forza specifica in uno spazio assiale molto breve: gruppi di flange imbullonate e macchinari pesanti sono esempi comuni. Una proprietà utile delle molle a disco è che la loro curva di forza può essere regolata in base all'altezza del cono rispetto al loro spessore: un cono poco profondo fornisce una risposta alla forza quasi lineare, mentre un cono più alto può essere regolato per produrre una curva di forza piatta o addirittura a scatto, utile nei meccanismi di rilascio del sovraccarico.
Le molle ondulate utilizzano una forma ondulata a forma di anello invece di una bobina a filo tondo, fornendo la stessa forza elastica di una molla elicoidale in circa un terzo o metà dell'altezza compressa. Il precarico dei cuscinetti e le applicazioni di piccoli connettori elettronici favoriscono le molle ondulate quando lo spazio assiale è limitato. Sono generalmente prodotti nelle varietà a giro singolo, multigiro e annidati, con molle ondulate multigiro comunemente utilizzate dove è disponibile un'altezza di lavoro maggiore ma lo spazio radiale è ancora limitato.
Rotolata da un nastro piatto precompresso anziché da un filo tondo, una molla a forza costante fornisce quasi la stessa forza di uscita attraverso l'intera gamma di estensione invece di una curva di forza crescente. I metri a nastro retrattili, i meccanismi di contrappeso e gli avvolgicavo si basano su questo comportamento. Poiché la striscia è avvolta su se stessa in un rotolo stretto a riposo e si svolge sotto carico, la forza erogata rimane notevolmente piatta rispetto alla resistenza in costante aumento di una molla elicoidale.
Le molle a gas sono una categoria completamente diversa: un cilindro sigillato con gas compresso e uno stelo, utilizzato dove è necessaria un'estensione controllata e smorzata, come i montanti dei portelli automobilistici e le sedie da ufficio regolabili. Sono prodotti su apparecchiature di riempimento idrauliche anziché su macchine a molla per la formazione di fili.
Due tipi meno comuni ma comunque rilevanti completano la categoria delle specialità. Le molle a voluta sono strisce piatte avvolte a forma di cono e funzionano come una molla di compressione con eccellente resistenza alla deformazione, storicamente utilizzate nelle sospensioni dei veicoli pesanti. Le molle a serpentina sono formate da uno zig-zag continuo di filo tondo e un tempo erano comuni nelle sedute imbottite, apprezzate per distribuire il carico in modo uniforme su un'ampia seduta anziché concentrarlo in pochi punti.
Il tipo di molla prodotta solitamente determina quale lega di filo ha senso, e ogni lega si comporta in modo diverso una volta alimentata attraverso una macchina per molle.
Due dimensioni dominano il comportamento di una molla più di ogni altra variabile: diametro del filo e indice della molla, il rapporto tra il diametro della bobina e il diametro del filo. Un filo più spesso aumenta notevolmente la rigidità, poiché la rigidità della molla scala con la quarta potenza del diametro del filo, mentre un basso indice della molla (una spira stretta rispetto al filo) aumenta la concentrazione dello stress all'interno di ciascuna spira e rende più difficile la formazione accurata della molla. I progetti più pratici mantengono l'indice della molla tra circa 4 e 12; le molle avvolte più strette di così necessitano di particolare attenzione nell'attrezzatura e nella correzione dello stress, mentre le molle arrotolate più allentate tendono ad aggrovigliarsi e deformarsi più facilmente.
Una macchina per molle CNC modifica la velocità di avvolgimento, la velocità di avanzamento del filo e la pressione del perno di formatura a seconda della lega caricata, poiché il filo più duro necessita di maggiore forza di formatura ma ritorna indietro dopo che l'utensile lo ha rilasciato, un comportamento chiamato recupero elastico. Le macchine costruite per la produzione in grandi volumi in genere compensano questo recupero automaticamente sovraformando ciascuna bobina di un margine calcolato, che è uno dei motivi per cui l'avvolgimento automatizzato ha ampiamente sostituito la formatura manuale al banco per qualsiasi cosa oltre le quantità di prototipi. Le moderne macchine per molle servoassistite registrano questi dati di compensazione per lotto, il che rende molto più semplice riprodurre l'esatta geometria della bobina la prossima volta che viene utilizzato lo stesso lotto di filo.
La scelta del tipo di molla è solo il primo passo. Il dimensionamento di un'applicazione reale di solito si riduce a tre obiettivi collegati: la rigidità della molla (quanto cambia la forza per unità di deflessione), lo stress massimo di sicurezza a deflessione completa e il numero di cicli necessari alla molla per sopravvivere prima che la fatica diventi un problema.
La rigidità della molla descrive quanto è rigida la molla: la forza aggiuntiva necessaria per ogni unità aggiuntiva di deflessione. Per una molla elicoidale, la velocità aumenta con il diametro del filo e diminuisce all'aumentare del diametro della bobina o del numero di spire attive. Due molle possono sembrare quasi identiche e avere comunque velocità molto diverse se una ha un diametro della bobina leggermente più grande o due spire attive in più rispetto all'altra, motivo per cui la velocità della molla, non solo le dimensioni fisiche, è il numero che deve essere specificato e controllato.
Le molle che eseguono cicli occasionali, come la molla di una serratura aperta alcune volte al giorno, possono essere progettate con un margine di sollecitazione generoso e probabilmente dureranno più a lungo del prodotto che le circonda. Le molle che girano continuamente, come una molla di valvola che si attiva migliaia di volte al minuto, devono essere progettate rispetto a una curva di fatica piuttosto che a un singolo valore di sollecitazione di picco, poiché carichi ripetuti ben al di sotto della resistenza massima del materiale possono comunque causare l'inizio e l'espansione di una cricca. Come guida approssimativa, mantenere il picco di stress operativo al di sotto di circa il 45-50% della resistenza alla trazione del filo è un punto di partenza comune per le molle che dovrebbero sopravvivere a milioni di cicli, sebbene il numero giusto dipenda sempre dalla lega specifica e dalla finitura superficiale.
La pallinatura è il trattamento più utilizzato per prolungare la durata a fatica delle molle a compressione e torsione. La cottura di piccoli mezzi rotondi sulla superficie del filo introduce uno strato superficiale di stress residuo di compressione, che resiste allo stress di trazione che altrimenti darebbe origine a una fessura da fatica sulla superficie. Per le molle soggette a cicli elevati e ad alto stress (le molle per valvole automobilistiche sono il classico esempio) la pallinatura può prolungare significativamente la durata rispetto a una molla non pallinata delle stesse dimensioni.
Una moderna macchina per molle CNC trasforma una bobina di filo grezzo in una molla finita e trattata termicamente in una sequenza di passaggi coordinati, tutti controllati tramite servomovimento programmato anziché tramite camme meccaniche sulle apparecchiature più vecchie.
Le vecchie macchine avvolgitrici a camme si affidano a camme fisiche e arresti meccanici per controllare il passo e la lunghezza, il che significa che la modifica del design della molla richiede la sostituzione dell'attrezzatura fisica. Una macchina per molle CNC sostituisce la maggior parte di quelle camme meccaniche con servoassi programmati in modo indipendente, quindi il passaggio da un modello di molla all'altro, inclusi tipi completamente diversi, come il passaggio da una molla di compressione a una di torsione, è in gran parte una questione di caricare un nuovo programma e regolare gli utensili piuttosto che ricostruire la macchina. Questa flessibilità è uno dei motivi principali per cui le tirature primaverili di piccoli e medi volumi sono diventate molto più convenienti negli ultimi due decenni.
| Industria | Tipici primaverili | Perché quel tipo |
|---|---|---|
| Automobilistico | Compressione, torsione, disco | Le applicazioni con valvole e frizioni ad alto numero di giri necessitano di molle di compressione pallinate; le molle a disco sopportano carichi elevati in uno spazio assiale ridotto |
| Mobili ed elettrodomestici | Compressione, estensione, forza costante | I meccanismi delle poltrone reclinabili e le guide dei cassetti necessitano di una forza costante e di un ciclo moderato con una velocità piatta o in leggero aumento |
| Elettronica e connettori | Onda, piccola compressione | Il gioco interno limitato favorisce molle ondulate a basso profilo per il precarico del contatto |
| Agricoltura e attrezzature pesanti | Compressione, torsione | Le molle di grande diametro e spessore devono resistere ai carichi d'urto all'esterno, favorendo rivestimenti resistenti alla corrosione |
| Dispositivi medici | Compressione, estensione, torsione (miniatura) | Il filo inossidabile è preferito per la pulibilità, con tolleranze strette su diametri di filo molto piccoli |
La scelta del materiale di una molla gestisce la maggior parte della resistenza alla corrosione, ma i rivestimenti e le finiture aggiungono un ulteriore livello di protezione e possono modificare anche l'aspetto e le caratteristiche di attrito della molla.
Lo spessore del rivestimento è più importante di quanto potrebbe sembrare per le molle con tolleranza stretta, poiché anche uno strato di placcatura sottile modifica leggermente il diametro effettivo del filo e può spostare la rigidità della molla su molle molto piccole. Per le molle con tolleranze di rigidità ristrette, i test vengono solitamente eseguiti dopo il rivestimento anziché prima, quindi i valori riportati riflettono la parte così come verrà effettivamente installata.
La spaziatura irregolare della bobina solitamente è dovuta al filo che non è stato completamente raddrizzato prima dell'avvolgimento, ai rulli di alimentazione usurati che scivolano sulla superficie del filo o a uno strumento di inclinazione che ha perso la calibrazione. Su una macchina per molle CNC, questo viene spesso rilevato in anticipo attraverso la misurazione del passo in linea incorporata nella stessa stazione di avvolgimento.
La maggior parte delle cricche da fatica iniziano da un difetto superficiale – un graffio, una cavità dovuta alla corrosione o una concentrazione di stress in corrispondenza di una curvatura o di un gancio – piuttosto che nel mezzo di una bobina liscia. Migliorare la finitura superficiale, aggiungere la pallinatura o riprogettare un raggio del gancio affilato sono le soluzioni usuali una volta identificato un modello di rottura per fatica.
L'insieme permanente descrive una molla che non ritorna più alla sua lunghezza libera originale dopo essere stata deviata, solitamente perché è stata sollecitata oltre il limite elastico del materiale, spesso a causa della compressione ripetuta fino all'altezza solida o del funzionamento a una temperatura superiore a quella per cui è stata classificata la lega del filo. Un'adeguata distensione dopo l'avvolgimento riduce il rischio di assestamento allentando le tensioni residue di formazione prima che la molla veda il suo primo ciclo di lavoro.
Una manciata di variabili tendono a determinare la maggior parte della differenza di costo tra i preventivi primaverili, indipendentemente dal tipo prodotto.
Quando si confrontano i preventivi tra i fornitori, è utile chiedersi specificamente come vengono verificati il carico e la velocità: i produttori più affidabili testano un campione di ogni lotto di produzione su un tester di forza-spostamento piuttosto che fare affidamento solo sui controlli dimensionali, poiché due molle possono misurare in modo identico e comunque funzionare in modo diverso se la durezza del filo varia leggermente tra i lotti di filo.
Il modo più veloce per restringere il campo di un tipo di molla è chiedere in quale direzione viene applicata la forza e quanto spazio assiale è disponibile:
Le molle a compressione sono il tipo più diffuso, poiché una semplice forza di spinta copre la maggior parte delle applicazioni meccaniche e di consumo, dalle penne ai nuclei dei materassi.
Una molla di compressione resiste alla compressione e le sue spire restano separate a riposo, mentre una molla di estensione resiste all'allungamento e le sue spire restano unite a riposo, solitamente con estremità uncinate o ad anello per il montaggio.
SÌ. La maggior parte delle moderne macchine per molle CNC vengono riprogrammate anziché ricostruite meccanicamente per passare dalla formatura di compressione, estensione e torsione, poiché la differenza si riduce alle modifiche degli strumenti e ai parametri aggiornati di avvolgimento, passo e piegatura nel software di controllo.
Le piegature concentrano lo stress molto più di una bobina avvolta dolcemente, quindi i ganci sulle molle di estensione e le gambe sulle molle di torsione sono in genere il primo punto di cedimento in caso di cicli ripetuti, motivo per cui la geometria del gancio e della gamba riceve la stessa attenzione progettuale della bobina stessa.
Nella maggior parte dei casi di retrofit, sì: una molla ondulata può fornire una forza paragonabile a una molla di compressione elicoidale occupando circa da un terzo a metà dell'altezza compressa, motivo per cui sono comuni nei progetti di cuscinetti e connettori con spazio limitato.
L'indice della molla è il rapporto tra il diametro della bobina e il diametro del filo. Un indice basso significa una molla a spirale stretta con una maggiore concentrazione di stress sul bordo interno della bobina, mentre un indice alto significa una molla a spirale allentata che è più facile da formare ma più incline a deformazioni e aggrovigliamenti: la maggior parte dei progetti pratici rimane in una fascia media per un equilibrio tra producibilità e prestazioni.
Sì, per le molle soggette a sollecitazioni elevate e carichi di cicli elevati. Lo stress residuo di compressione introdotto sulla superficie del filo resiste allo stress di trazione che dà origine alle cricche da fatica, motivo per cui la pallinatura è una pratica standard per applicazioni impegnative come le molle delle valvole automobilistiche, anche se aggiunge una fase di processo secondaria.
La durezza e il diametro del filo possono variare leggermente tra i lotti di laminazione anche entro un intervallo di tolleranza accettato, motivo per cui i produttori coerenti testano un campione di ogni lotto su un tester di spostamento della forza anziché presumere che la sola conformità dimensionale garantisca carico e velocità costanti.
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