ينابيع

الزنبرك هو جهاز يغير شكله استجابة لقوة خارجية ، ويعود إلى شكله الأصلي عند إزالة القوة. يتم تخزين الطاقة المستهلكة في تشويه الزنبرك فيه ويمكن استردادها عندما يعود الربيع إلى شكله الأصلي. بشكل عام ، يرتبط مقدار تغيير الشكل ارتباطا مباشرا بكمية القوة المبذولة. ومع ذلك ، إذا تم تطبيق قوة كبيرة جدا ، فسوف يتشوه الزنبرك بشكل دائم ولن يعود أبدا إلى شكله الأصلي.

خلفية

هناك عدة أنواع من الينابيع. واحد من أكثرها شيوعا يتكون من جرح سلكي في شكل أسطواني أو مخروطي. نابض التمديد هو زنبرك ملفوف تلمس لفائفه عادة بعضها البعض. عندما يتم تطبيق قوة لتمديد الزنبرك ، تنفصل الملفات. في المقابل ، فإن نابض الضغط هو زنبرك ملفوف مع مسافة بين الملفات المتتالية. عندما يتم تطبيق قوة لتقصير الزنبرك ، يتم دفع الملفات أقرب إلى بعضها البعض. تم تصميم نوع ثالث من النوابض الملفوفة ، يسمى نابض الالتواء ، بحيث تقوم القوة المطبقة بلف الملف إلى دوامة أكثر إحكاما. تم العثور على أمثلة شائعة من الينابيع التواء في الحافظات ومقاطع شعر الفراشة.

لا يزال هناك اختلاف آخر في الينابيع الملفوفة هو نابض الساعة ، الذي يتم لفه في دوامة مسطحة بدلا من أسطوانة أو مخروط. أحد طرفي الربيع في وسط الحلزونية ، والآخر عند حافته الخارجية.

يتم تصميم بعض الينابيع بدون لفائف. المثال الأكثر شيوعا هو ربيع الأوراق ، الذي يتشكل على شكل قوس ضحل. ويشيع استخدامه لأنظمة تعليق السيارات. نوع آخر هو نابض القرص ، وهو جهاز يشبه الغسالة على شكل مخروط مبتور. يمكن أن تعمل الأسطوانات مفتوحة النواة من المواد الصلبة والمرنة أيضا كنوابض. تعمل الينابيع غير الملفوفة بشكل عام كنوابض ضاغطة.

تاريخ

تم استخدام نوابض بسيطة للغاية وغير لولبية عبر التاريخ. حتى فرع شجرة مرن يمكن استخدامه كنبوع. ربيع أكثر تطوراتعود الأجهزة إلى العصر البرونزي ، عندما كانت ملاقط الحواجب شائعة في العديد من الثقافات. خلال القرن الثالث قبل الميلاد ، طور المهندس اليوناني قطيسيبيوس من الإسكندرية عملية لصنع "البرونز الربيعي" عن طريق زيادة نسبة القصدير في سبائك النحاس ، وصب الجزء ، وتصلبه بضربات المطرقة. حاول استخدام مزيج من الينابيع الورقية لتشغيل منجنيق عسكري ، لكنها لم تكن قوية بما فيه الكفاية. خلال القرن الثاني قبل الميلاد ، قام فيلو البيزنطي ، وهو مهندس منجنيق آخر ، ببناء جهاز مماثل ، على ما يبدو مع بعض النجاح. تم استخدام الأقفال على نطاق واسع في الإمبراطورية الرومانية القديمة ، واستخدم نوع واحد على الأقل الأوراق المعدنية المقوسة للحفاظ على الأجهزة مغلقة حتى يتم ضغط الأوراق بالمفاتيح.

جاء التطور الكبير التالي في تاريخ الينابيع في العصور الوسطى. استخدم منشار الطاقة الذي ابتكره فيلارد دي هونيكورت حوالي عام 1250 عجلة مائية لدفع شفرة المنشار في اتجاه واحد ، وفي نفس الوقت ثني عمود. عندما عاد القطب إلى حالته غير المنحنية ، سحب شفرة المنشار في الاتجاه المعاكس.

تم تطوير الينابيع الملفوفة في أوائل القرن الخامس عشر. من خلال استبدال نظام الأوزان الذي يعمل عادة على تشغيل الساعات بآلية نابض الجرح ، فإن صانعي الساعات

كانوا قادرين على تصميم أجهزة موثوقة ومحمولة لضبط الوقت. هذا التقدم جعل الملاحة السماوية الدقيقة ممكنة للسفن العابرة للمحيطات.

في القرن الثامن عشر ، حفزت الثورة الصناعية تطوير تقنيات الإنتاج الضخم لصنع الينابيع. خلال 1780s ، استخدم صانع الأقفال البريطاني جوزيف براما آلة لف الربيع في مصنعه. على ما يبدو تكيفا مع مخرطة ، حملت الآلة بكرة من الأسلاك بدلا من رأس القطع. تم لف السلك من البكرة حول قضيب مثبت في المخرطة. يمكن تعديل سرعة المسمار الرصاصي ، الذي يحمل البكرة الموازية لقضيب الغزل ، لتغيير التباعد بين لفائف الربيع.

تتراوح الأمثلة الشائعة لاستخدام الربيع الحالي من الملفات الصغيرة التي تدعم المفاتيح الموجودة على لوحات لمس الهاتف الخلوي إلى الملفات الضخمة التي تدعم المباني بأكملها وتحميها من اهتزاز الزلازل.

المواد الخام

سبائك الصلب هي مواد الربيع الأكثر استخداما. تشمل السبائك الأكثر شعبية الكربون العالي (مثل سلك الموسيقى المستخدم في أوتار الغيتار) ، والكربون المنخفض المقسى بالزيت ، والكرومسليكونفاناديوم الكروم ، والفولاذ المقاوم للصدأ.

المعادن الأخرى التي تستخدم أحيانا لصنع الينابيع هي سبائك النحاس البريليوم والبرونز الفوسفوري والتيتانيوم. يمكن استخدام المطاط أو اليوريثان للينابيع الأسطوانية غير الملفوفة. تم تطوير مادة السيراميك للينابيع الملفوفة في بيئات ذات درجات حرارة عالية جدا. يتم اختبار المواد المركبة من الألياف الزجاجية أحادية الاتجاه لاستخدامها المحتمل في الينابيع.

تصميم

تم تطوير معادلات رياضية مختلفة لوصف خصائص الينابيع ، بناء على عوامل مثل تكوين الأسلاك وحجمها ، وقطر ملف الزنبرك ، وعدد الملفات ، وكمية القوة الخارجية المتوقعة. تم دمج هذه المعادلات في برامج الكمبيوتر لتبسيط عملية التصميم.

عملية التصنيع

يركز الوصف التالي على تصنيع سبائك الصلب والينابيع الملفوفة.

اللف

·

1 لف بارد. يمكن لف السلك الذي يصل قطره إلى 0.75 بوصة (18 مم) في درجة حرارة الغرفة باستخدام إحدى التقنيتين الأساسيتين. يتكون أحدهما من لف السلك حول عمود يسمى الشجرة أو الفك السفلي. يمكن القيام بذلك على آلة لف زنبركية مخصصة ، مخرطة ،مثقاب يدوي كهربائي مع المغزل مثبت في الظرف ، أو آلة لف تعمل بواسطة الرافعة اليدوية. يجب استخدام آلية توجيه ، مثل المسمار الرئيسي على مخرطة ، لمحاذاة السلك في الملعب المطلوب (المسافة بين الملفات المتتالية) أثناء التفاف حول الفك السفلي.

·

بدلا من ذلك ، قد يتم لف السلك بدون فأر. يتم ذلك بشكل عام باستخدام جهاز كمبيوتر ملاحة مركزي (CNC).يتم دفع السلك إلى الأمام فوق كتلة دعم نحو رأس مخدد يحرف السلك ، مما يجبره على الانحناء. يمكن تحريك الرأس وكتلة الدعم بالنسبة لبعضهما البعض في ما يصل إلى خمسة اتجاهات للتحكم في قطر ودرجة صوت الزنبرك الذي يتم تشكيله.

·

بالنسبة لنوابض التمديد أو الالتواء ، يتم ثني النهايات في الحلقات أو السنانير أو الأقسام المستقيمة المطلوبة بعد اكتمال عملية اللف.

·

· 2 لف ساخن. يمكن لف الأسلاك أو القضبان الأكثر سمكا في الينابيع إذا تم تسخين المعدن لجعله مرنا. يمكن لآلات اللفائف الصناعية القياسية التعامل مع قضبان الصلب التي يصل قطرها إلى 3 بوصات (75 مم) ، ويقال إن الينابيع المخصصة مصنوعة من قضبان يصل سمكها إلى 6 بوصات (150 مم). يتم لف الفولاذ حول المغزل بينما يكون اللون الأحمر ساخنا. ثم يتم إزالته على الفور من آلة اللف ويغرق في الزيت لتبريده بسرعة وتصلبه. في هذه المرحلة ، يكون الفولاذ هشا جدا بحيث لا يعمل كزنبرك ، ويجب تخفيفه لاحقا.

تصلب

· 3 المعالجة الحرارية. سواء كان الفولاذ ملفوفا ساخنا أو باردا ، فقد خلقت العملية ضغطا داخل المادة. لتخفيف هذا الضغط والسماح للصلب بالحفاظ على مرونته المميزة ، يجب تخفيف الربيع عن طريق معالجته بالحرارة. يتم تسخين الربيع في فرن ، ويتم الاحتفاظ به في درجة الحرارة المناسبة لفترة محددة مسبقا ، ثم يسمح له بالبرودة ببطء. على سبيل المثال ، يتم تسخين زنبرك مصنوع من سلك الموسيقى إلى 500 درجة فهرنهايت (260 درجة مئوية) لمدة ساعة واحدة.

الانتهاء

· 4 الطحن. إذا كان التصميم يتطلب نهايات مسطحة على الربيع ، فإن النهايات تكون أرضية في هذه المرحلة من عملية التصنيع. يتم تثبيت الزنبرك في رقصة لضمان الاتجاه الصحيح أثناء الطحن ، ويتم تثبيته على عجلة كاشطة دوارة حتى يتم الحصول على الدرجة المطلوبة من التسطيح. عند استخدام معدات مؤتمتة للغاية ، يتم تثبيت الزنبرك في غلاف بينما يتم طحن كلا الطرفين في وقت واحد ، أولا بواسطة عجلات خشنة ثم بواسطة عجلات أكثر دقة. يمكن استخدام سائل مناسب (ماء أو مادة زيتية) لتبريد النابض ، وتليين عجلة الطحن ، وحمل الجسيمات أثناء الطحن.

· 5 طلقة التبول. تعمل هذه العملية على تقوية الفولاذ لمقاومة التعب المعدني والتشقق خلال فترة حياته من الانثناءات المتكررة. يتعرض سطح الزنبرك بأكمله لوابل من الكرات الفولاذية الصغيرة التي تطرقه على نحو سلس وتضغط الفولاذ الذي يقع أسفل السطح مباشرة.

· 6 الإعداد. لإصلاح الطول والملعب المطلوبين للربيع بشكل دائم ، يتم ضغطه بالكامل بحيث تلمس جميع الملفات بعضها البعض. تكرر بعض الشركات المصنعة هذه العملية عدة مرات.

·

7 الطلاء. لمنع التآكل ، يتم حماية سطح الزنبرك بالكامل عن طريق طلائه أو غمسه في المطاط السائل أو طلائه بمعدن آخر مثل الزنك أو الكروم. تتضمن إحدى العمليات ، التي تسمى الطلاء الميكانيكي ، إسقاط النابض في وعاء يحتوي على مسحوق معدني وماء ومواد كيميائية مسرعة وخرز زجاجي صغير يضرب المسحوق المعدني على سطح الربيع.

·

بدلا من ذلك ، في الطلاء الكهربائي ، يتم غمر الربيع في سائل موصل كهربائيا من شأنه أن يؤدي إلى تآكل معدن الطلاء ولكن ليس الربيع. يتم تطبيق شحنة كهربائية سالبة على الربيع. مغمورة أيضا في السائل هو إمدادات من معدن الطلاء ، ويتم إعطاؤه شحنة كهربائية موجبة. عندما يذوب معدن الطلاء في السائل ، فإنه يطلق جزيئات موجبة الشحنة تنجذب إلى الربيع سالب الشحنة ، حيث ترتبط كيميائيا. الطلاء الكهربائي يجعل نوابض الصلب الكربوني هشة ، لذلك بعد فترة وجيزة من الطلاء (أقل من أربع ساعات) يجب خبزها في 325-375 درجة فهرنهايت (160-190 درجة مئوية) لمدة أربع ساعات لمواجهة التطرأ.

·

· 8 التعبئة والتغليف. قد يتم ببساطة تعبئة الكميات المطلوبة من الينابيع بكميات كبيرة في صناديق أو أكياس بلاستيكية. ومع ذلك ، تم تطوير أشكال أخرى من التعبئة والتغليف لتقليل تلف أو تشابك الينابيع. على سبيل المثال ، قد يتم تعبئتها بشكل فردي أو تعليقها على أسلاك أو قضبان أو محاطة بأنابيب أو تثبيتها على ورق لاصق.

مراقبة الجودة

تستخدم أجهزة اختبار مختلفة للتحقق من الينابيع المكتملة للتأكد من امتثالها للمواصفات. تقيس أجهزة الاختبار خصائص مثل صلابة المعدن وكمية تشوه الزنبرك تحت قوة معروفة. يتم التخلص من الينابيع التي لا تفي بالمواصفات. يمكن أن يساعد التحليل الإحصائي لنتائج الاختبار الشركات المصنعة على تحديد مشاكل الإنتاج وتحسين العمليات بحيث يتم إنتاج عدد أقل من الينابيع المعيبة.

ما يقرب من ثلث الينابيع المعيبة تنتج عن مشاكل الإنتاج. الثلثان الآخران ناتجان عن أوجه قصور في السلك المستخدم لتشكيل الينابيع. في عام 1998 ، أبلغ الباحثون عن تطوير اختبار قابلية لف الأسلاك (يسمى FRACMAT) الذي يمكن أن يفحص الأسلاك غير الكافية قبل تصنيع الينابيع.

تعمل آلات اللف التي تعمل بالكمبيوتر على تحسين الجودة بطريقتين. أولا ، يتحكمون في قطر ودرجة صوت الزنبرك بدقة أكبر من العمليات اليدوية. ثانيا ، من خلال استخدام المواد الكهرضغطية ، التي يختلف حجمها مع المدخلات الكهربائية ، يمكن لرؤوس اللفائف CNC ضبطها بدقة في الوقت الفعلي على قياسات خصائص الربيع. ونتيجة لذلك ، تنتج هذه الآلات الذكية عددا أقل من الينابيع التي يجب رفضها لعدم استيفائها للمواصفات.

المستقبل

تدفع متطلبات صناعات الكمبيوتر والهواتف الخلوية سريعة النمو مصنعي الينابيع إلى تطوير تقنيات موثوقة وفعالة من حيث التكلفة لصنع نوابض صغيرة جدا. تعد الينابيع التي تدعم المفاتيح الموجودة على لوحات اللمس ولوحات المفاتيح مهمة ، ولكن هناك تطبيقات أقل وضوحا أيضا. على سبيل المثال ، طورت شركة مصنعة لمعدات الاختبار المستخدمة في إنتاج أشباه الموصلات تقنية اتصال microspring. الآلاف من الينابيع الصغيرة ، التي يبلغ ارتفاعها 40 ميلا فقط (0.040 بوصة أو 1 مم) ، مرتبطة بنقاط اتصال فردية لرقاقة أشباه الموصلات. عندما يتم ضغط هذه الرقاقة ضد أداة اختبار ، تضغط الينابيع ، مما يؤدي إلى إنشاء اتصالات كهربائية موثوقة للغاية.

تستخدم الأجهزة الطبية أيضا ينابيع صغيرة جدا. تم تطوير زنبرك ملفوف للاستخدام في نهاية إدخال القسطرة أو المنظار. مصنوع من سلك قطره 0.0012 بوصة (30 ميكرومتر أو 0.030 مم) ، ويبلغ سمك الزنبرك 0.0036 بوصة (0.092 مم) - وهو نفس سمك شعرة الإنسان تقريبا. تحاول الشركة اليابانية التي طورت هذا الربيع جعلها أصغر.

تم إنجاز التصغير النهائي الذي تم إنجازه حتى الآن في عام 1997 من قبل كيميائي نمساوي يدعى برنارد كراوتلر. قام ببناء ربيع جزيئي عن طريق ربط 12 ذرة كربون معا وربط جزيء فيتامين B12 بكل طرف من أطراف السلسلة عن طريق ذرة الكوبالت. في الحالة المريحة ، يكون للسلسلة شكل متعرج ؛ عندما تكون مبللة بالماء ، فإنها تتشابك بإحكام معا. تؤدي إضافة السيكلوديكسترين إلى عودة السلسلة إلى حالتها المريحة. لم يتم العثور بعد على أي تطبيق عملي لهذا الربيع ، لكن البحث مستمر.