专利名称：制造螺旋弹簧的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制造一条或一段连接的、装入袋内的螺旋弹簧的方法和装置，更具体的说，涉及一种能以快速，高效率，高性能而又廉价的方式制造连接的，装入袋内的螺旋弹簧的方法和装置。
制造用于褥垫和垫子的一条连接起来的，个别地装入袋内的螺旋弹簧的方法和装置很多年以前就已经公知了。例如，可见于1901年授予马歇尔(Marshall)的美国专利No.685,160。在1984年授予瓦尔特.斯特鲁姆夫(Walter Strumpf)的美国专利No.4,439,977中公开了一种现代的装置和方法。该专利又参考了两篇更早的，1929和1931年的专利。也有其他描述制造连接的、装入袋内的螺旋弹簧的美国专利。例如，授予斯特鲁姆夫的No.4,234,983，No.4,565,046，No.4,566,926，No.4,578,834及No.4,854,023；授予斯密斯的No.5,186,435；授予克莱尔(Sl.Clair)的No.5,444,905；授予斯拉厦(Thrasher)的No.5,471,725；以及授予斯密斯的No.5,509,887。这些专利的内容都作为本申请的参考。
简单地说，所述制造一条装入袋内的螺旋弹簧的方法和装置包括一台对从一大卷钢丝中放出来的钢丝进行卷绕的设备，这种螺旋弹簧被压缩进用折叠的织物形成的空间内，然后用超声波焊接把这种组合物封口。此后，改变被压缩的弹簧的姿态，于是它就在织物口袋里扩张，于是便形成了一条连接的各自封装起来的螺旋弹簧。然后，将许多条弹簧用粘结剂粘结在一起，形成一其中用装饰布将弹簧条封装起来的垫子的芯子部分。
对于用来制造封装起来的弹簧的方法和设备进行改进的努力已经有很多年了，以上所提到的这些专利就是例子。这些努力试图改进产品，提高效益，降低成本，并增加产品的可靠性或综合以上各种目的。一个受到注意的目标是用于制造螺旋弹簧的钢丝。
可以预想到，加工钢丝时会引发应力，特别是当钢丝第一次加工成所要求的直径时，以及当钢丝成形为螺旋弹簧时。一般，小直径的钢丝是将钢丝在加热之后迫使直径较大的钢丝通过直径逐渐减小的模具拉拔而成的。螺旋弹簧一般是把“冷”钢丝按照要求的方式绕着一个模具弯曲而成的。如有必要，用把成形后的弹簧在炉子内分批加热的方法，或者把每一个弹簧连接在电源上并在钢丝中通过电流，就能消除成品弹簧中的应力。但是，这些工艺方法都不特别有效，或者效率不高。分批加热会使处于炉子不同部位的弹簧加热到不同的温度，造成弹簧的性能不一致。如果用电加热，则适当而恒定的加热要依靠操作者的准确地以同样不变的方式连接每一个弹簧的能力。此外，使用电流有时候会产生意外的电弧，使得弹簧在机械性能上不合格。
很明显，如果能找到一种对弹簧钢丝进行热处理的有效手段，并且注意到制造工艺过程和成本的制约，就能生产出更好的产品来。
本发明提供了一种对现有技术进行了本质上的改进的、用于制造一条连接起来的，装入袋内的螺旋弹簧的方法和装置。本文中首先描述的是制造一段连接起来的、装入袋内的螺旋弹簧的方法，它包括下列步骤提供一根能制成许多螺旋弹簧的钢丝；提供用于形成许多空间的材料，每一个空间可容纳一个螺旋弹簧；把上述钢丝加热到消除上述钢丝中的应力的温度；在上述钢丝处于高温的状态下把上述钢丝成形为一个螺旋弹簧；将制成的螺旋弹簧冷却到这样的温度，此时，对弹簧预期的变形将低于钢丝的弹性极限；压缩上述螺旋弹簧；加工上述材料，形成上述空间；把经过压缩的螺旋弹簧插入上述空间内；以及围绕着上述每一个空间封装上述材料，形成许多连接的装入弹簧的口袋。
本发明还公开了一种用于成形一段装入袋内的螺旋弹簧的装置，这种装置包括下列各种装置的组合一台用于对钢丝提供要卷绕的钢丝供应装置；一台在操作上与上述钢丝供应装置相联系的加热装置，用于对从上述供应装置向一台螺旋弹簧成形装置前进的钢丝进行感应加热；一台在操作上与上述加热装置相联系的螺旋弹簧成形装置，用于当钢丝处于高温时对钢丝进行弯曲；一台在操作上与上述螺旋弹簧成形装置相联系的切断装置，用于将卷好的钢丝弹簧从钢丝供应装置上分离开来；一台在操作上与上述螺旋弹簧成形装置相联系的冷却装置，用于降低上述螺旋弹簧的温度；一台在操作上与上述螺旋弹簧成形装置相联系的材料供应装置，用于提供一段材料；一台在操作上与上述材料供应装置相联系的装袋装置，用于接受从上述材料供应装置供来的这一段材料，并用于接受从上述冷却装置供来的螺旋弹簧，把其中的每一个弹簧插入一个由上述一段材料所形成的相应的空间内；一台在操作上与上述装袋装置相联系的封装装置，用于在上述这一段材料中围成上述众空间，从而完成众口袋的一连接段；以及一台在操作上与上述冷却装置和加热装置相联系的控制装置，用于控制装入口袋内的螺旋弹簧的成形。
本发明的一个目的是提供一种方法和装置，它能够消除形成一段连接起来的装入口袋内的螺旋弹簧的金属丝的应力。本发明的另一个方面是提供一种用于制造一条连接起来的，装入袋内的螺旋弹簧的方法和装置，这种方法对形成螺旋弹簧的钢丝进行整体加热，以便消除钢丝中的应力。本发明的另一个目的是提供一种制造一条连接起来的，装入袋内的螺旋弹簧的方法和装置，这种方法和装置效率很高，从而能节约成本。本发明的又一个优点是提供了一种用于在将螺旋弹簧插入一段材料所形成的空间之前冷却成形后的螺旋弹簧的方法和装置。
下面参照附图详细描述本发明的优选实施例，将使本发明的目的和优点更完全地被理解。附图中
图1是说明制造一条连接起来的装入袋内的螺旋弹簧的方法的流程图；图2是用于制造一条连接起来的装入袋内的螺旋弹簧的装置的示意图。
本发明有各种各样的改进和结构替换的余地，但以下只详细描述附图中所示的优选实施例。但是，应该理解，这并不是要将本发明限制在所公开的特定形式中，相反，本发明应该覆盖权利要求书中所表述的，落入本发明的构思和范围内的所有的改进型、替换物和等同物。
本发明涉及一种用于制造一条连接起来的各自装入袋内的螺旋弹簧，这种螺旋弹簧一般用在垫子中。弹簧的结构是公众所公知的，和马歇尔专利中的结构一样。在这种结构中，每一个弹簧都封装在它本身的织物容器或口袋内。口袋一般是在一条织物的两片之间形成的，即，把一块织物自己对叠起来，然后，在经过压缩的弹簧装入这两片织物之间的空间之后，沿纵向和横向缝在一起。
现在请看图1，图中表示了说明制造一条连接起来的装入袋内的螺旋弹簧的方法的流程图。通常，这种制造过程从提供一卷钢丝(10)和一卷材料(12)开始。这一卷材料将一条织物带供入折叠工作站(14)，织物在该工作站上自己对叠起来，形成能容纳经过压缩的弹簧的空间。
从钢丝卷送来的钢丝经过加热(16)，目的是消除在制造钢丝的工艺过程中产生的应力。然后将处于高温下的钢丝推向工具(18)，使钢丝弯曲成螺旋形。因为加热了，所以钢丝变得更加柔顺，而且卷绕成形时的应力也减小了。成形之后，切断(20)钢丝，使螺旋弹簧与从上述钢丝卷放出来的一根长钢丝上分离开来。然后，在压缩步骤(24)之前，在一台旋转的圆盘传送带上冷却(22)弹簧，上述压缩步骤把弹簧压缩到高度约为0.5英寸。应该理解，除了旋转的圆盘传送带之外，其它机械也可以用于冷却弹簧。例如，可以使用一台输送机。经过压缩之后，把上述钢丝弹簧插入(26)在折叠好的织物中形成的一个空间里。然后，使组合起来的弹簧和织物通向一个工作台(28)，在该工作台上用超声波焊接有选择地把两片织物连接成口袋。这种连接过程既在各个弹簧之间的织物上进行，也在沿着织物带折在一起的纵向边缘上进行。这样就形成了围绕着每一个弹簧的包装袋。最后一个步骤是定向排列或转动(30)口袋里面的弹簧，以便能让弹簧完全扩张开来，形成(32)连接起来的装入袋内的螺旋弹簧的最后长度。
请参阅图2，图中更详细地表示了本发明的制造一段连接起来的装入袋内的螺旋弹簧方法和装置。这种方法和装置既简单又廉价。这种制造工艺过程还非常有效而且可靠，并且能制成质量优秀的产品。用于这种弹簧的钢丝是按照SAE1065-SAE1075标准的饰物用的弹簧钢丝，其直径是下列三种直径中的一种0.071英寸，0.083英寸，0.094英寸。钢丝的拉伸强度大约为ASTM 230,000到305,000p.s.i.。当然，应该理解，上述拉伸强度是钢丝尺寸和材料的函数。上述钢丝一般都放在送进辊或供应卷筒(50)上，把钢丝卷绕在一根管状的钢制支架上，其长度大约为79,000英尺或1800磅重。用一组动力棍(51)把钢丝从上述支架上拉出来，动力辊用使钢丝以大约每分钟送进320英尺的速度运转。适用的钢丝可从南卡罗里那州的Andrews市的Insteel产品公司购得。
然后，钢丝通过一个磁感应加热装置或工作站(52)。这种加热装置是25KW的感应装置，可从密歇根州的Romeo市的感应加热装置公司购得。这种加热装置做成一个绝缘的箱子，其尺寸大约是长43英寸，高6英寸，宽6英寸。这种加热装置能使钢丝的温度在大约0.63秒之内提高到450度F到500度F之间。这种加热装置的作用是对钢丝进行热处理或消除它的应力，把钢丝在制造过程中产生的应力消除掉，为卷绕成形提供柔顺的材料，从而减小成形应力。这种加热过程和整个工艺过程一样，是以停止/开动或者开/关的方式进行的。只有在钢丝移动的时候才开动加热器。当钢丝的运动停顿时，加热装置便关闭。这样就保证了每一段钢丝的加热都一样。钢丝的加热长度大约是41英寸，每一个弹簧的长度大约是9英寸。
应该指出，也为上述马歇尔构造试验过其他各种加热过程，但都没有成功。已经发现这些加热过程都是既昂贵，又慢又不一致。例如，在成批炉内加热时，有一些弹簧所加热到的温度与另外一些弹簧不同。在另外一种所谓的电阻加热工艺过程中，电极卡紧在完全成形的弹簧上，借助于使电流通过弹簧来产生热量。这种加热技术的质量决定于夹紧的电极与弹簧之间的机械接触是否始终如一，在高速生产过程中，这是很难完成的工作。这种方法还常常会产生局部过热和焊疤之类的缺陷。
成批的炉内加热需要很大的炉子，它是很昂贵的，并且需要额外的维护管理。由于电阻加热而产生焊疤对于后面有织物封装的制造工艺过程中特别有害。
钢丝加热之后，便移动到一台成形装置或成形工作站(54)上，在那里钢丝在高温下成形为螺旋状。这是由把钢丝推向工具而完成的。上述工具是一种淬硬了的钢，其形状做成能使推近它的钢丝以连续和预定的方式进行弯曲。结果，就绕成了直径为2有5/8英寸的螺旋。在螺旋弹簧成形之后，用一把能移动的切割刀片压住钢丝使它接近一把固定刀片而切断钢丝。应该指出，在钢丝卷绕之前加热钢丝能使每一个弹簧都进行“热”成形。一般都认为，在卷绕成形步骤之前加热钢丝能消除钢丝在减小其直径的制造过程中所产生的应力，并且这个加热步骤能让螺旋的成形步骤在所产生的应力很小的情况下完成，因为钢丝是在高温下，在更加柔顺的状态下进行“加工”的。
经过加热，成形和切断之后，弹簧移动到一台冷却装置或冷却工作站(58)上，在那里，每一个弹簧都定位在一台圆形的冷却圆盘传送带(59)上，这台圆盘传送带以定时、分度的方式进行旋转。上述圆盘传送带有许多用于容纳弹簧的窄缝或开口，例如开口(61)。
每一个放在圆盘传送带上的弹簧都在圆盘传送带旋转的过程中经过预定的时间。每一个弹簧花费在圆盘传送带上时间的多少是所需要的温度降的函数。上述圆盘传送带设计成支承每一个弹簧一定的时间。这种圆盘传送带的设计是下列各种因素的函数制造速率；可使用的窄缝的数量，以及当圆盘传送带接受和排出弹簧时圆盘传送带上的窄缝的位置。在弹簧装在圆盘传送带上的时间内，或者在上述时间的一部分时间内，弹簧将受到从一台吹风机(57)吹来的冷空气的冷却。上述吹风机的功率、上述空气是否经过制冷、吹过的空气量、空气的温度、以及其他诸如此类的因素都是预定要达到的冷却温度、圆盘传送带的速度、弹簧的开始温度、开口或窄缝的尺寸、以及圆盘传送带的直径等等的一种函数。还可能涉及其他一些因素。对于以上提到的材料，要求“冷却”到的温度大约是150度F。此后，冷却了的弹簧移动到一台压缩装置或工作站(60)，在该工作站上用空气驱动的活塞下降，把每一个螺旋弹簧压缩到半英寸左右，准备好将它插入一个口袋内。
冷却到大约150度F的弹簧温度是所使用的金属的函数，并且应该低于当弹簧受到压缩时会产生永久变形的温度。此后，经过压缩的弹簧插入一个织物口袋内；因此，上述温度还必须足够的低，以便不至于烧坏织物。
除了上述钢丝供应装置之外，还有一个织物材料供应装置或工作站(62)。一大卷织物材料能沿着平行于织物移动的方向拉出一段织物来。然后，织物前进到一台折叠装置或工作站(64)，织物在其上自动进行导向，折叠在其本身上，形成一个以后能装下上述经过压缩的弹簧的空间。一对辊子(65)为把织物从供应站拉出来提供驱动力。
然后，织物移动到一台装袋或插入装置或者工作站(66)上，在该工作站上与现在已经冷却的而且经过压缩的螺旋弹簧的运动交叉。在该工作站上，一块盖板使弹簧保持压缩状态，同时，一个推动机构使各经过压缩的弹簧滑入由折叠的织物所形成的空间内。接着，装有经过压缩的弹簧的织物向一台封装装置或工作站(68)前进。在那个工作站上，一台超声波焊接机构降下来，有选择地把两个折叠部分的织物，沿着平行于织物运行线的方向，和一条垂直于织物运动方向的线，连接在一起，制成一个封口的口袋。这样就把弹簧与其相邻的一条线上的弹簧分离开来了。另一组驱动辊(69)把装有弹簧的织物从上述封装工作站拉出去。
接着，装有弹簧的织物移动到一台定向排列或转动装置或者工作站(70)上，在该工作站上，将可能会有一部分扩张开来的装入口袋内的弹簧转动大约90度，使得它能够完全扩张开来，到达大约6有3/4英寸。上述转动和完全扩张是由一系列旋转的桨叶完成的，这些桨叶在上述带子沿着一条链驱动装置(71)拉过去时拍打这些口袋。结果，就完成了一段具有连接成一排织物圆筒的平常轮廓的、连接在一起的装入袋内的螺旋弹簧。
控制上述工艺过程和这些制造设备的是控制装置(74)，该控制装置的作用是，当需要某一个装置完成在钢丝上或织物上的某一个工序时，及时向各工作站提供信息。这样，以上所描述的本发明大约具有每分钟制造72个螺旋弹簧的生产率。上述控制装置还使整个工艺过程作停止/运动，开/关的动作或者作转位运动。
本发明的方法和装置具有许多优点。首先，在钢丝成形阶段加在钢丝上的应力减小了，并且在卷绕成形过程中引起的应力也减小到最小程度。第二，减小这些应力极大地改善了弹簧的性能。钢丝的不需要和不希望产生的变形显著减小了，而弹簧的寿命增加了。
第三，当弹簧不希望有的变形被减小或消除时，制造耐用的螺旋弹簧所需要的钢丝的量也减少了。这样，大约能节约材料10-25％。消除应力的工艺还可能允许使用抗张强度较低的钢丝，这又节省了成本。
最后，本发明提供了一种热处理工序，这种热处理工序符合流水生产线制造工艺的要求。这种加热非常的快，没有接触，并且与钢丝的状态无关。结果，从头至尾每一个弹簧完全一致。此外，它可以马上应用于现有的制造过程中。
本发明书详细描述了本发明的两个实施例。根据等同原则，其他的改进和变化都将落入权利要求书所限定的范围内。例如，各种工作站和装置的改变都将被认为是等同物。因为钢丝的材料改变了而改变温度，也应被认为是等同物。很明显，新的技术或其他变化也将是等同物，因为，无论如何，等同原则的应用是不受限制的。
一种用于制造一段连接起来装入袋内的、在垫子之类物品中使用的螺旋弹簧的方法和装置。其中，从供应装置送来的钢丝(10)先在卷绕之前用感应加热器加热到450-500度F。然后，对钢丝进行热卷绕(18)，切断(20)，再冷却(22)到低于这样的温度，此时如进一步加工弹簧将发生永久变形。此后，将弹簧压缩，准备插入(26)由一个供应卷筒送来的可拉长的织物所形成的空间内。上述空间是由织物(12)本身折叠起来(14)而形成的。弹簧的温度还必须足够的低，低到与织物接触而不会使它燃烧或造成其他的损坏。在把压缩后的弹簧插入上述空间之后，用超声波焊接(28)织物，为每一个弹簧制成单独的、但却是连接起来的口袋。此后，将弹簧进行定向排列(30)，让每一个弹簧都扩张开来，形成一段连接起来的，装入袋内的螺旋弹簧。
权利要求
1.用于制造一段连接起来的、装入袋内的螺旋弹簧的方法，它包括下列步骤提供一根能制成许多螺旋弹簧的钢丝，所述的钢丝具有一弹性极限；提供用于形成许多空间的材料，每一个空间可容纳一个螺旋弹簧；把上述钢丝加热到消除上述钢丝中的应力的温度；在上述钢丝处于高温的状态下把上述钢丝成形为一个螺旋弹簧；将制成的螺旋弹簧冷却到这样的温度，此时，对弹簧预期的变形将低于钢丝的弹性极限；压缩上述螺旋弹簧；加工上述材料，为上述螺旋弹簧形成上述空间；把经过压缩的螺旋弹簧插入上述空间内；以及绕着上述每一个空间封装上述材料，形成许多连接的装入弹簧的口袋。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于上述加热步骤包括使上述弹簧的温度提高到大约450度-500度F的范围内。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括提供一种使上述钢丝弯曲用的工具。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，上述提供钢丝的步骤包括提供直径为0.071，0.083，和0.094英寸的钢丝。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，上述冷却步骤包括成形之后将上述钢丝冷却到接近150度F。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，它还包括下列步骤以每分钟大约72个的速度制造连接起来的装入袋内的弹簧。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，提供上述钢丝的移动速率大致为每分钟320英尺。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括下列步骤在上述螺旋弹簧成形步骤之后切断上述钢丝；在上述螺旋弹簧成形步骤之后压缩上述钢丝；以及在上述封装步骤之后定向排列上述弹簧。
9.一种用于成形一段装入袋内的众螺旋弹簧的装置，这种装置包括下列各种装置的组合一台用于对钢丝进行卷绕的钢丝供应装置；一台在操作上与上述钢丝供应装置相联系的加热装置，用于对从上述供应装置向一台螺旋弹簧成形装置前进的钢丝进行感应加热；一台在操作上与上述加热装置相联系的螺旋弹簧成形装置，用于当钢丝处于高温时对钢丝进行弯曲；一台在操作上与上述螺旋弹簧成形装置相联系的切断装置，用于将卷好的钢丝弹簧从钢丝供应装置上分离开来；一台在操作上与上述螺旋弹簧成形装置相联系的冷却装置，用于降低上述螺旋弹簧的温度；一台在操作上与上述螺旋弹簧成形装置相联系的材料供应装置，用于提供一段材料；一台在操作上与上述材料供应装置相联系的装袋装置，用于接受从上述材料供应装置供来的这一段材料，并用于接受从上述冷却装置供来的螺旋弹簧，把其中的每一个弹簧插入一个由上述一段材料所形成的相应的空间内；一台在操作上与上述装袋装置相联系的封装装置，用于在上述这一段材料中围成上述空间，从而完成一段口袋的连接；以及在操作上与上述冷却装置和加热装置相联系的控制装置，用于控制装入口袋内的螺旋弹簧的成形。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于包括一台在操作上与上述冷却装相置联系的压缩装置，用于从上述冷却装置接受上述螺旋弹簧，并用于在上述弹簧插入上述材料中形成的空间之前压缩上述弹簧；一台在操作上与上述材料供应装置相联系的折叠装置，用于从上述材料供应装置接受材料，并用于形成接受上述螺旋弹簧的空间；以及一台操作与上与上述封装装置相联系的定向装置，用于在上述材料所形成的空间中旋转上述弹簧。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于上述加热装置使上述钢丝的温度增加到大约450度-500度F的范围。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于上述冷却装置使上述高温弹簧的温度降低到大约为150度F。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于上述控制装置提供的生产率大约为每分钟72个连接起来的装入袋内的弹簧。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于上述钢丝供应装置以大约每分钟320英尺的速度供应钢丝。
15.如权利要求9所述的装置，其特征在于上述冷却装置是一种旋转的圆盘传送带，它从上述螺旋弹簧成形装置接受弹簧。
16.如权利要求9所述的装置，其特征在于上述冷却装置使得上述螺旋弹簧达到一个温度，此时上述弹簧会出现的变形将低于上述钢丝的弹性极限。
17.如权利要求10所述的装置，其特征在于上述冷却装置使得上述螺旋弹簧达到一个温度，此时对上述弹簧的压缩造成的变形低于上述钢丝的弹性极限。
18.如权利要求15所述的装置，其特征在于上述冷却装置使得上述螺旋弹簧达到一个温度，此时上述弹簧将要达到的变形低于上述钢丝的弹性极限。
19.如权利要求17所述的装置，其特征在于上述加热装置使上述钢丝的温度增加到大约450-500度F的范围。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于上述冷却装置是一种圆盘传送带，它从上述螺旋弹簧成形装置接受弹簧。
全文摘要
一种用于制造一段连接起来装入袋内的、在垫子之类物品中使用的螺旋弹簧的方法和装置。其中,从供应装置送来的钢丝(10)先在卷绕之前用感应加热器加热到450°－500°F。然后,对钢丝进行热卷绕(18),切断(20),再冷却(22)到低于这样的温度,此时如进一步加工弹簧将发生永久变形。此后,将弹簧压缩,准备插入(26)由一个供应卷筒送来的可拉长的织物所形成的空间内。上述空间是由织物(12)本身折叠起来(14)而形成的。弹簧的温度还必须足够的低,低到与织物接触而不会使它燃烧或造成其他的损坏。在把压缩后的弹簧插入上述空间之后,用超声波焊接(28)织物,为每一个弹簧制成单独的、但却是连接起来的口袋。此后,将弹簧进行定向排列(30),让每一个弹簧都扩张开来,形成一段连接起来的,装入袋内的螺旋弹簧。
文档编号B21F27/16GK1264327SQ98807404
公开日2000年8月23日 申请日期1998年5月29日 优先权日1997年5月30日
发明者M·W·毛尔丁, B·W·库彻尔 申请人:西蒙斯公司