ばね接点は硬さだけで判断できる？材料の質別、作動変位と荷重保持の確認方法

1. 「ばね性がよい」を4つの問いに分ける

同じ形のばねが2つあれば、同じ位置まで押したときどちらの荷重が大きいか、さらに押して離すと元に戻るか、組付け位置で保持すると荷重がどれだけ残るか、繰返し動作後も機能するかを確認します。それぞれ異なる性能であり、1つの硬さ値では4つとも答えられません。

線形弾性範囲では、ヤング率が材料の変形応答の傾きを左右し、部品の剛性は形状と拘束にも依存します。加工で硬さを上げると、目立つ永久変形を残さずに耐えられる応力が高まる場合がありますが、同じ作動変位での荷重が硬さに比例して増すとはいえません。Materionのばね材料に関する技術解説も、剛性向上と降伏強度向上を分けて扱っています。

• Materionのばね材料に関する技術解説

2. 変位の基準をそろえて比較する

作動変位は完成部品の自由状態から指定組付け位置まで測り、測定点、方向、固定位置を図面に示します。「0.5ミリ押す」だけでは、どこまで固定するか、どこをゼロとするか、どこを押すかが不明で、供給者ごとに結果が変わり得ます。

図では、まっすぐな矩形断面の片持ちはりを使います。Lは固定境界から自由端の荷重点までの長さ、bは幅、tは曲げ方向の厚さです。δは自由端の同じ点の初期位置に対する垂直変位です。Fはばねに加える力で、ばねが押し治具に及ぼす反力は逆向きです。

初期の曲率、成形された根元、複数の接触点があると、負荷に伴って接触位置や腕の長さが変わることがあります。外形の全長をそのままLに代入できません。実際の支持・負荷条件を確認してから、適切な計算モデル、解析、代表部品での測定を選びます。

組立全体のストロークも、ばねのたわみとは限りません。接触前の空走、接触後の滑り、摩擦、相手部品の変形が含まれる場合があります。挿入方向で測る組立荷重を、そのまま接触面の法線力にはできません。同じ機能位置、同じ負荷経路で、同じ種類の力を比較します。

3. 再計算できる例で形状と荷重の関係を見る

以下は説明用計算です。線形弾性を仮定し、E = 120000 N/mm²、L = 20 mm、b = 5 mm、t = 0.40 mm、δ = 0.50 mmとします。Eは仮定値で、C7701や購入材料の実測値ではありません。せん断変形、局所の丸み、残留応力、治具の柔らかさを無視した、微小たわみの直線はりモデルです。

矩形断面の断面二次モーメントはI = bt³/12 = 0.026667 mm⁴です。自由端の変位はδ = FL³/(3EI)なので、剛性k = F/δ = 3EI/L³ = 1.20 N/mm、0.50 mm押したときの荷重F = 0.60 Nになります。力はN、長さはmm、EはN/mm²を使い、GPaの数値を直接入れないでください。MITの曲げ変形講義資料268ページに、この境界条件の変位式が示されています。

根元の最大公称曲げ応力はσ = 6FL/(bt²) = 90 MPa、ここではδ/L = 2.5%です。たわみが小さくても材料が弾性範囲内とは限らず、選定材料の加工後状態の証拠で確認が必要です。公称応力には切欠きや根元形状の局所応力集中も含まれません。イリノイ大学のはり曲げ講義資料が、断面二次モーメントと弾性曲げ応力の関係を説明しています。

Eとδを一定として寸法を1つずつ変えると、次の結果になります。モデル計算であり、推奨公差や材料の推奨ではありません。

この条件では、剛性は板厚の3乗に比例し、有効長さの3乗に反比例します。固定範囲や板厚が少し変わるだけでも荷重は大きく変わり得ます。幅を増やすと総荷重は増えますが、この変位を指定するモデルでは根元の公称応力は下がりません。板厚を増やすと、同じたわみでの荷重と応力がともに増えます。寸法変更後は両方を確認します。

• MITの曲げ変形講義資料268ページ
• イリノイ大学のはり曲げ講義資料

4. 戻るからといって、どんなストロークでも永久変形がないとは限らない

実際のヤング率が近く、形状が同じ2つの質別は、共通の線形弾性範囲内では荷重–変位の傾きが近くなる場合があります。一方で使える応力・変位範囲は異なり得ます。その直線を無限に延ばして範囲外の荷重を予測してはいけません。

材料表でよく見るRp0.2は、規定の塑性伸びに対応する耐力で、厳密な「永久変形ゼロの限界」ではありません。正確に復元する必要のあるばねは、計算応力がRp0.2未満というだけでは残留変形なしと判定できません。完成品の残留量限界と測定分解能を決めます。Materionの弾性限近傍の特性解説では、弾性限、耐力、ばね限界値を区別しています。

最初の自由位置を記録し、合意したストロークで負荷し、完全除荷した後、指定待ち時間を置いて同一点を再測定します。作動ストロークと最大組立ストロークは分けます。突起を乗り越える際の1回の押し過ぎでも、その後の自由位置や接触力が変わり得ます。過大ストローク試験に使った試料を他の試験にも使うか事前に決め、負荷履歴を混在させないようにします。

• Materionの弾性限近傍の特性解説

5. 長時間保持後の荷重は温度と位置を明確にして確認する

応力緩和は、変形を保持している間に荷重が時間とともに低下する現象です。通常指定される降伏強度より低い応力でも起こり得ます。合金、質別、初期応力、温度、時間が影響するため、1回の硬さ・初期荷重測定から長期保持率は推定できません。Materionの応力緩和の技術記事がこれらの要因を説明しています。

保持する作動位置、暴露温度、時間に加え、荷重を高温のままその場で測るか、指定温度まで冷却して測るかを記録します。意味が異なる結果を同じ指標として混ぜてはいけません。治具や樹脂支持部の熱変形で実変位が変わることもあるため、荷重低下時は拘束と接触位置も確認します。

保持率を規定する場合は、同じ測定条件でFafter/Finitial × 100%と定義し、前後の元の荷重値を残します。保持率が高くても初期荷重が不足していれば機能を満たさず、初期荷重だけ増やすと組立荷重が過大になる場合があります。試験後の最低荷重も用途に応じて定めます。

• Materionの応力緩和の技術記事

6. 繰返し動作と連続保持には別の証拠が必要

繰返し開閉、挿抜、振動は繰返し負荷です。単発の負荷試験に合格しても、その後の疲労き裂がないとはいえず、降伏強度未満の繰返し応力でも疲労損傷が生じ得ます。切欠き、打抜き端面、成形損傷を実際の繰返し条件と合わせて評価します。Materionの疲労破壊の解説は、繰返し損傷と単発負荷を区別しています。

開始・終了変位、回数、周波数、温度、中間検査を定め、き裂、残留位置、荷重変化の判定も決めます。電気接点は用途に応じて相手面と電気機能も確認します。「指定回数で折れなかった」だけでは接触機能の合格を意味しません。保持と繰返しを組み合わせた計画は可能ですが、条件と試料の負荷履歴を明確にし、互いの代用にはしません。

• Materionの疲労破壊の解説

7. 材料記録と完成品の受入れを分け、同じ試料ロットに対応付ける

発注時は合金、製品規格、供給状態、板厚、方向を記録し、完成品承認では実際の成形、熱処理、接合、表面処理後の結果を確認します。硬さにも方法、尺度、試験力、位置が必要です。異なる条件で測った数値をそのまま順位付けしないでください。

材料状態は加工ルートと合わせて確認します。荷重を支えられる質別でも予定の曲げに適するとは限りません。成形後に処理する場合と、先に強化された帯材を成形する場合は、最終硬さが近いだけで同等にはできません。曲げ損傷、寸法、最終機能を評価し、具体的な合金資料なしに熱処理温度を指定しないでください。材料群と候補合金については洋白の選定、銅・黄銅の選定も参照できます。

環境宣言、RoHS／REACH報告、SDSにはそれぞれの用途があり、ばね荷重、疲労、応力緩和の報告にはなりません。C7701などの記号でも適用規格と状態を確認し、名称が似ているというだけで他の材料の性能を当てはめないでください。

スケッチや旧サンプルだけでも、固定位置、接触箇所、組立中の最大移動量、使用温度、動作を示せます。荷重未定なら「試料で確認予定」と記し、実際の機能条件から材料と構造を相談して、合意結果を図面と検査計画に反映します。

• 洋白の選定
• 銅・黄銅の選定