主彈簧的製作方法

2023-09-16 21:23:20

專利名稱：主彈簧的製作方法
技術領域：
本發明涉及由金屬玻璃材料製成的、用於由馬達彈簧驅動的機器、 特別是用於計時器的主彈簧。
背景技術：
在EP0942337中已經提出了包括由無定形金屬製成的馬達彈簧的手 表。實際上，上述文獻僅僅描述了由包括與環氧樹脂結合的無定形金屬 帶狀物的厚度達50pm的層壓板製成的簧片。作為一個變形，已經提出了 通過點焊所述彈簧自由形狀的兩個末端和變形點來組合該簧片。
這種簧片的主要問題在於在它的形成操作期間和在接下來這種彈簧 經受的重複折彎和展開操作期間中要將層壓板分層的高風險。這種風險 在樹脂嚴重老化和失去其特性時更加嚴重。
該解決方案將保證所述彈簧的功能性能和疲勞性能。而且，所述彈 簧的理論形狀的建議模型沒有考慮層壓材料的性能。
選擇使用多個薄的簧片結合在一起的原因是因為獲得更厚金屬玻璃 簧片的困難，雖然通過快速淬火用來製造厚度在大約10~大約30微米範 圍內的帶狀物的處理技術是公知的，該淬火處理技術是20世紀70年代 期間為了無定形帶狀物的磁特性而開發的。
顯然這樣的解決方案不能滿足主彈簧必須達到的扭矩、可靠性和使 用壽命的要求。
關於尤其是由Nivaflex⑧的合金製成的傳統彈簧，原始合金帶狀物通 過兩個步驟形成主彈簧
國將該帶狀物自己巻起來以便形成緊密螺旋線(彈性變形)，然後在火 爐內處理以定型這樣的形狀。這個熱處理對機械特性來說也是重要的， 因為它能夠通過改變其晶體結構(沉積硬化)使該材料的屈服強度得到增強；以及
-該螺旋形彈簧被巻起來，因此塑性變形冷卻以便得到它確定的形狀。 這也提高了容許應力的級別。
所述合金的機械特性和最後形狀是結合這兩個步驟的結果。對於普 通合金，單獨的熱處理將不會獲得所期望的機械特性。
為了以期望的方式改性所述晶體結構，固定晶體金屬合金需要以相 當高的溫度進行相對長的熱處理(持續幾個小時)。
對於金屬玻璃來說，材料的機械特性本質上依賴於它的無定形結構， 並且在固化後立即獲得，不象由Nivaflex⑧合金製成的普通彈簧的機械特 性，其是通過在它們的製造過程中不同階段的 一 系列的熱處理來獲得。 因此，不象Nivaflex⑧合金，隨後通過熱處理的固化是不必要的。
通常，只有巻起操作才給所述彈簧有最佳的形狀，因此一旦所述彈 簧被巻繞，將提供在它的整個長度上具有最大應力的所述簧片。相反， 對於由金屬玻璃製造的彈簧，最終最佳的形狀僅僅由單獨的熱處理定型， 而高機械特性僅依賴於它的無定形結構。金屬玻璃的機械特性不被熱處 理或被塑性變形所改變，因為這種機理是完全不同於那些在晶體材料內 所遇到的那些機理。
本發明的目的在於至少部分地消除上述的不足。

發明內容
為了這個目的，本發明的主題是權利要求1所述的用於由馬達彈簧 驅動的機器的主彈簧。
通過從金屬玻璃的單片帶狀物製作主彈簧，充分受益於這類材料的 優點是可能的，尤其是它儲存高密度彈性能量以及利用顯著恆定的扭矩 來恢復它的能力。與例如Nivaflex⑧的普通合金相比，這些材料的最大應 力和楊氏模量值能夠使o2/E的比值增加。


這些附圖簡要地和以實施例的方式闡述了根據本發明的主彈簧的一 種實施方式。-圖l是巻繞在發條盒內的彈簧的平面圖； -圖2是在發條盒內非巻繞的彈簧的平面圖； -圖3是自由狀態的彈簧的平面圖； -圖4是由金屬玻璃製造的主彈簧的巻繞/非巻繞圖表。
具體實施例方式
在下面給出的例子中，用來形成主彈簧的帶狀物是通過應用輪子淬 火技術(也被稱為平面流鑄技術)製作的，其是用於通過快速冷卻製作 金屬帶狀物的技術。噴射的熔化金屬被推上快速旋轉的冷卻輪子。該輪 子的速度、噴射孔的寬度和噴射壓力是定義所製作的帶狀物的寬度和厚 度的參數。也可以應用其他帶狀物製作技術，例如雙輥鑄軋。
在本例中，使用了合金Ni53Nb2oZr8Ti,oCo6Cu3。將10 20克的合金 布置在被加熱至1050。C到1150。C之間的傳送管嘴內。該管嘴孔的寬度在 0.2mm到0.8mm之間。該管嘴與該輪之間的距離在O.lmm到0.3mm之 間。被沉積上熔化金屬的該輪是由銅合金製造的，並且被以5 20m/s範 圍的切向速度驅動。施加來使熔化金屬通過該嘴噴出的壓力在10 ~ 50KPa 之間。
只有這些參數正確的組合才能形成具有大於50pm的厚度，典型地在 50^irn到150pm之間，和大於1米長度的帶狀物。
對於經受純彎曲的帶狀物，最大彈性力矩由下面方程式給出
Mfflax:^0鵬 (1 )
其中
e是該帶狀物的厚度[單位mm]; 》是該帶狀物的高度[單位mm];以及 C7皿是最大彎曲應力[單位N/mm2];
當主彈簧經歷從巻繞狀態到非巻繞狀態時，該主彈簧釋放它的能量。 目的在於計算該彈簧在它的自由狀態下必須具有的形狀以便每個部分在 它的巻繞狀態承受最大彎曲力矩。下面圖1-3描述了該主彈簧的三種結構，即巻繞狀態、非巻繞狀態和自由狀態。
對於這些計算，將在巻繞狀態下(參見圖1 )的該彈簧視為具有互相 緊巻繞的阿基米德螺旋。
在這種情況下，在曲線橫坐標上的任何一點都可以被寫成
rn=rcore+ne (2)
其中
rn是在巻繞狀態下第n圏的半徑[單位mm]; rc。re是發條盒芯的半徑[單位mm]; n是巻繞圈數；
e是所述帶狀物的厚度[單位mm]。
此外，每一圈的曲線橫坐標上的長度被給出為
Ln=rne (3)
其中
Ln是第n圈的曲線橫坐標上的長度[單位mm]; rn是在巻繞狀態下第n圈的半徑[單位mm];以及 9是延伸的角度[單位為弧度]——在一 圈情況下，6=2兀。 在自由狀態下彈簧的形狀通過考慮進曲率半徑誤差來計算，以便將 該彈簧在整個長度上被加壓到amax,這裡
J___1 = ^m肪=20"咖x ")
其中
i ;是在自由狀態下第n圏的半徑[單位mm];
M隨是最大力矩[單位N.mm]; E是楊氏模量[單位N/mn^];以及 I是慣性力矩[單位mm勺；
因此，為了計算在自由狀態下該彈簧的理論形狀，所有我們需要的 是計算下面的要素
1.由方程式(2)得到在巻繞狀態下第n圈的半徑，其中11=1， 2，…；2. 由方程式(3)得到第n圈的曲線橫坐標上的長度；
3. 由方程式(4)得到在自由狀態下第n圈的的半徑；以及最後
4. 由方程式(3)#到第n圈的弧度，但是通過用i ;取代rn，以順過保持 步驟2計算的弧長度U。
用這些參數，現在構造在自由狀態下的彈簧以便將該彈簧的每部分
被加壓到Om狄是可能的(圖3)。
該金屬玻璃帶狀物通過在由銅或具有高熱傳導性的合金製造的高速 旋轉的輪子上快速地固化該熔化金屬而獲得。為了使液態的金屬成玻璃 狀，要求有最小的臨界冷卻速率。如果所述冷卻太慢，那麼所述金屬由 於晶體化而固化並且失去它的機械特性。對於特定的厚度，確保最大冷 卻速率是重要的。冷卻速率越高，原子將耗費越少的時間來衰減，自由 體積濃度將越高。從而所述帶狀物的延展性將得到提高。
在大約0.7xTg (玻璃化溫度)K的溫度以下，通過啟動和隨後的滑 動帶傳播，非均勻地發生所述金屬玻璃的塑性變形。所述自由體積作為 滑動帶成核位置，並且有更多的成核位置，那麼所述變形就更少地局部 化以及斷裂之前所述變形就越大。
因此平面流鑄技術步驟是獲得所述帶狀物的機械和熱力學特性的關 鍵步驟。
在Tg-lOO K和Tg之間，當溫度升高10 K時粘度伴隨溫度迅速下降 大約一個數量級。在Tg下的粘度大概是等於1012Pa.s，不宜賴於討論中的 所述合金。因此製作該粘性結構的模型是可能的，以便在這種情況下所 述帶狀物產生它期望的形狀，並且接著冷卻它以便持久地"凍結，，所述形 狀。
在Tg的附近，熱活化允許所述自由體積和原子在所述材料內擴散。 以所述自由體積湮滅為代價，所述原子局部形成更稠密的區域，該區域 接近晶體結構。這種現象稱為釋放。自由體積的減少是伴隨著楊氏模量 的增大和其後延展性的減小。
在更高的溫度(Tg以上)，所述釋放現象可以被比作退火步驟。熱攪動促進了所述原子的擴散因此加速了所述釋放並且由於所述自由體積
的湮滅導致所述玻璃的急劇變脆。如果該熱處理時間太長，該無定形材 料將結晶並因此失去它的特性。
因此，為了保留所述自由體積，熱成形涉及在充分的釋放和儘可能 小地延展性減小之間的平衡。
為了達到此目標，需要儘可能快速地加熱和冷卻，並且在期望的溫 度下保持該帶狀物持續一段控制良好的時間。
使用的Ni53Nb2oZr8Ti1Co6Cu3合金之所以被選用是因為它在應力強 度(3GPa)和它的能玻璃化特性(3mm的臨界直徑和AT(-Tg-Tx)等於 50°C，這裡Tx指晶體化溫度)之間的完美結合。它在張力和彎曲下測量 的的彈性衝莫量是130GPa。
機械特性
最大抵抗力amax=3000MPa; 塑性變形smax=0.02 彈性才莫量E= 130GPa 熱力學特性 玻璃化溫度Tg = 593 °C 晶體化溫度Tx = 624 °C 熔點Tm-992 。C
通過PFC (平面流鑄)技術生產的所述帶狀物具有幾個毫米的寬度 和大於50pm的厚度，典型地在50|im到150|im的之間。根據一個實施 方式，具有典型的主彈簧寬度和長度的帶狀物由WEDM (電火花線切割 加工)機器加工做成。這些側邊在上述計算的理論形狀的基礎上被磨平， 在其之後完成了所述彈簧的成型操作。根據另一個實施方式，所生產的 所述帶狀物直接具有所期望的寬度。
使用配件來完成該成型操作，這個配件是那種一般應用在該用途的 配件的類型，該彈簧被巻在它上面以便給它確定根據上述計算由理論形 狀決定的其自由形狀，考慮進該配件強加的形狀與實際所獲得的形狀之間的差異。特別地，已經發現所述彈簧的曲率(定義為曲率半徑的倒數)
獲得相應於理論形狀的自由形狀，該配件的曲率必須被增加。而且，形 狀的膨脹依賴於加熱參數、該合金和它的初始釋放狀態，並且在下面使
用的條件下典型地是25%。
根據所使用的配件，在該配件中的所述彈簧被放置在加熱到大約Tg (590°C)的火爐內持續3 5分鐘。
也可以應用其他的加熱方法，例如焦耳加熱或者例如4吏用熱惰性氣 體噴射。
一旦它以這種方式成型，為了完成巻起和非巻起測試，被鉚接在所 述彈簧的外部末端的是用於由Nivaflex⑧合金製造的自巻手錶彈簧的滑動 法蘭。為了這種彈簧實現它的功能，所述滑動法蘭是必要的。然而連接 所述法蘭到這個簧片的方法和該法蘭的材料是可以變化的。
圖4表示扭矩變量作為圈數的函數，其中所述圈數是用本文件描述 的方法成型並計算所得到的彈簧而獲得的。這種巻起/非巻起曲線是主彈 簧性能的特有特徵。另外，該扭矩、成型圈數和整體效率、所述帶狀物 給定的尺寸都是完全令人滿意的。.
權利要求
1.一種用於由馬達彈簧驅動的機器的主彈簧，該主彈簧特別用於計時器，該主彈簧由金屬玻璃帶狀物製成，其中，所述帶狀物是單片的並且具有大於50μm的厚度。
2. 如權利要求1所述的主彈簧，該主彈簧的厚度在50(xm到150(im之間。
3. 如前述權利要求中任一項所述的主彈簧，該主彈簧在自由狀態下的形 狀由以下參數來定義在巻繞狀態下第n圈的半徑，其相應於方程式formula see original document page 2其中r。是在巻繞狀態下笫n圏的半徑[單位mm]; r咖e是發條盒芯的半徑[單位mm]; n是巻繞圈數；e是所述帶狀物的厚度[單位mm]; 笫n圏的曲線橫坐標上的長度，其相應於該方程式formula see original document page 2其中U是第n圈的曲線橫坐標上的長度[單位mm]; rn是在巻繞狀態下第n圈的半徑[單位mm];以及 e是延伸的角度[單位為弧度], 自由狀態下第n圏的半徑，其相應於該方程式formula see original document page 2其中i ;是在自由狀態下第n圈的半徑[單位mm]; M^是最大力矩[單位N.mm]; E是楊氏模量[單位N/mn^];以及I是慣性力矩[單位mm"; 以及第n圏的弧度，其相應於該方程式Ln—W/卿0，使得^t4繞為阿基米德螺旋的彈簧在其整個長度上^皮加壓到最大的彎曲應
全文摘要
用於由馬達彈簧驅動的機器、特別是用於計時器的主彈簧，其由金屬玻璃材料的帶狀物製成。該帶狀物是單片的並且具有大於50μm的厚度。
文檔編號G04B1/14GK101604141SQ20091015954
公開日2009年12月16日 申請日期2009年6月9日 優先權日2008年6月10日
發明者多米尼克·格裡蒂, 託馬斯·居格, 文森特·馮尼德豪澤恩 申請人:勞力士有限公司