CN101604141B - 主弹簧 - Google Patents

Abstract

用于由马达弹簧驱动的机器、特别是用于计时器的主弹簧，其由金属玻璃材料的带状物制成。该带状物是单片的并且具有大于50μm的厚度。

Description

主弹簧

技术领域

本发明涉及由金属玻璃材料制成的、用于由马达弹簧驱动的机器、特别是用于计时器的主弹簧。

背景技术

在EP0942337中已经提出了包括由无定形金属制成的马达弹簧的手表。实际上，上述文献仅仅描述了由包括与环氧树脂结合的无定形金属带状物的厚度达50μm的层压板制成的簧片。作为一个变形，已经提出了通过点焊所述弹簧自由形状的两个末端和变形点来组合该簧片。

这种簧片的主要问题在于在它的形成操作期间和在接下来这种弹簧经受的重复折弯和展开操作期间中要将层压板分层的高风险。这种风险在树脂严重老化和失去其特性时更加严重。

该解决方案将保证所述弹簧的功能性能和疲劳性能。而且，所述弹簧的理论形状的建议模型没有考虑层压材料的性能。

选择使用多个薄的簧片结合在一起的原因是因为获得更厚金属玻璃簧片的困难，虽然通过快速淬火用来制造厚度在大约10～大约30微米范围内的带状物的处理技术是公知的，该淬火处理技术是20世纪70年代期间为了无定形带状物的磁特性而开发的。

显然这样的解决方案不能满足主弹簧必须达到的扭矩、可靠性和使用寿命的要求。

关于尤其是由Nivaflex

的合金制成的传统弹簧，原始合金带状物通过两个步骤形成主弹簧：

-将该带状物自己卷起来以便形成紧密螺旋线(弹性变形)，然后在火炉内处理以定型这样的形状。这个热处理对机械特性来说也是重要的，因为它能够通过改变其晶体结构(沉积硬化)使该材料的屈服强度得到增强；以及

-该螺旋形弹簧被卷起来，因此塑性变形冷却以便得到它确定的形状。这也提高了容许应力的级别。

所述合金的机械特性和最后形状是结合这两个步骤的结果。对于普通合金，单独的热处理将不会获得所期望的机械特性。

为了以期望的方式改性所述晶体结构，固定晶体金属合金需要以相当高的温度进行相对长的热处理(持续几个小时)。

对于金属玻璃来说，材料的机械特性本质上依赖于它的无定形结构，并且在固化后立即获得，不象由Nivaflex

合金制成的普通弹簧的机械特性，其是通过在它们的制造过程中不同阶段的一系列的热处理来获得。因此，不象Nivaflex

合金，随后通过热处理的固化是不必要的。

通常，只有卷起操作才给所述弹簧有最佳的形状，因此一旦所述弹簧被卷绕，将提供在它的整个长度上具有最大应力的所述簧片。相反，对于由金属玻璃制造的弹簧，最终最佳的形状仅仅由单独的热处理定型，而高机械特性仅依赖于它的无定形结构。金属玻璃的机械特性不被热处理或被塑性变形所改变，因为这种机理是完全不同于那些在晶体材料内所遇到的那些机理。

本发明的目的在于至少部分地消除上述的不足。

发明内容

为了这个目的，本发明的主题是权利要求1所述的用于由马达弹簧驱动的机器的主弹簧。

通过从金属玻璃的单片带状物制作主弹簧，充分受益于这类材料的优点是可能的，尤其是它储存高密度弹性能量以及利用显著恒定的扭矩来恢复它的能力。与例如Nivaflex的普通合金相比，这些材料的最大应力和杨氏模量值能够使σ²/E的比值增加。

附图说明

这些附图简要地和以实施例的方式阐述了根据本发明的主弹簧的一种实施方式。

-图1是卷绕在发条盒内的弹簧的平面图；

-图2是在发条盒内非卷绕的弹簧的平面图；

-图3是自由状态的弹簧的平面图；

-图4是由金属玻璃制造的主弹簧的卷绕/非卷绕图表。

具体实施方式

在下面给出的例子中，用来形成主弹簧的带状物是通过应用轮子淬火技术(也被称为平面流铸技术)制作的，其是用于通过快速冷却制作金属带状物的技术。喷射的熔化金属被推上快速旋转的冷却轮子。该轮子的速度、喷射孔的宽度和喷射压力是定义所制作的带状物的宽度和厚度的参数。也可以应用其他带状物制作技术，例如双辊铸轧。

在本例中，使用了合金Ni₅₃Nb₂₀Zr₈Ti₁₀Co₆Cu₃。将10～20克的合金布置在被加热至1050℃到1150℃之间的传送管嘴内。该管嘴孔的宽度在0.2mm到0.8mm之间。该管嘴与该轮之间的距离在0.1mm到0.3mm之间。被沉积上熔化金属的该轮是由铜合金制造的，并且被以5～20m/s范围的切向速度驱动。施加来使熔化金属通过该嘴喷出的压力在10～50KPa之间。

只有这些参数正确的组合才能形成具有大于50μm的厚度，典型地在50μm到150μm之间，和大于1米长度的带状物。

对于经受纯弯曲的带状物，最大弹性力矩由下面方程式给出：

$M_{\max }=\frac{e^{2}h}{6}{\mathrm{\σ}}_{\max }---\left(1\right)$

其中：

e是该带状物的厚度[单位mm]；

h是该带状物的高度[单位mm]；以及

σ_max是最大弯曲应力[单位N/mm²]；

当主弹簧经历从卷绕状态到非卷绕状态时，该主弹簧释放它的能量。目的在于计算该弹簧在它的自由状态下必须具有的形状以便每个部分在它的卷绕状态承受最大弯曲力矩。下面图1-3描述了该主弹簧的三种结构，即卷绕状态、非卷绕状态和自由状态。

对于这些计算，将在卷绕状态下(参见图1)的该弹簧视为具有互相紧卷绕的阿基米德螺旋。

在这种情况下，在曲线横坐标上的任何一点都可以被写成：

r_n＝r_core+ne    (2)

其中：

r_n是在卷绕状态下第n圈的半径[单位mm]；

r_core是发条盒芯的半径[单位mm]；

n是卷绕圈数；

e是所述带状物的厚度[单位mm]。

此外，每一圈的曲线横坐标上的长度被给出为：

L_n＝r_nθ    (3)

其中：

L_n是第n圈的曲线横坐标上的长度[单位mm]；

r_n是在卷绕状态下第n圈的半径[单位mm]；以及

θ是延伸的角度[单位为弧度]——在一圈情况下，θ＝2π。

在自由状态下弹簧的形状通过考虑进曲率半径误差来计算，以便将该弹簧在整个长度上被加压到σ_max，这里：

$\frac{1}{r_n}=\frac{1}{R_{\mathrm{free}}^n}=\frac{M_{\max }}{\mathrm{EI}}=\frac{{2\mathrm{\σ}}_{\max }}{\mathrm{eE}}---\left(4\right)$

其中：

R_free ⁿ是在自由状态下第n圈的半径[单位mm]；

M_max是最大力矩[单位N.mm]；

E是杨氏模量[单位N/mm²]；以及

I是惯性力矩[单位mm⁴]；

因此，为了计算在自由状态下该弹簧的理论形状，所有我们需要的是计算下面的要素：

1.由方程式(2)得到在卷绕状态下第n圈的半径，其中n＝1，2，...；

2.由方程式(3)得到第n圈的曲线横坐标上的长度；

3.由方程式(4)得到在自由状态下第n圈的的半径；以及最后

4.由方程式(3)得到第n圈的弧度，但是通过用R_free ⁿ取代r_n，以及通过保持步骤2计算的弧长度L_n。

用这些参数，现在构造在自由状态下的弹簧以便将该弹簧的每部分被加压到σ_max是可能的(图3)。

该金属玻璃带状物通过在由铜或具有高热传导性的合金制造的高速旋转的轮子上快速地固化该熔化金属而获得。为了使液态的金属成玻璃状，要求有最小的临界冷却速率。如果所述冷却太慢，那么所述金属由于晶体化而固化并且失去它的机械特性。对于特定的厚度，确保最大冷却速率是重要的。冷却速率越高，原子将耗费越少的时间来衰减，自由体积浓度将越高。从而所述带状物的延展性将得到提高。

在大约0.7×T_g(玻璃化温度)K的温度以下，通过启动和随后的滑动带传播，非均匀地发生所述金属玻璃的塑性变形。所述自由体积作为滑动带成核位置，并且有更多的成核位置，那么所述变形就更少地局部化以及断裂之前所述变形就越大。

因此平面流铸技术步骤是获得所述带状物的机械和热力学特性的关键步骤。

在T_g-100K和T_g之间，当温度升高10K时粘度伴随温度迅速下降大约一个数量级。在T_g下的粘度大概是等于10¹²Pa·s，不宜赖于讨论中的所述合金。因此制作该粘性结构的模型是可能的，以便在这种情况下所述带状物产生它期望的形状，并且接着冷却它以便持久地“冻结”所述形状。

在T_g的附近，热活化允许所述自由体积和原子在所述材料内扩散。以所述自由体积湮灭为代价，所述原子局部形成更稠密的区域，该区域接近晶体结构。这种现象称为释放。自由体积的减少是伴随着杨氏模量的增大和其后延展性的减小。

在更高的温度(T_g以上)，所述释放现象可以被比作退火步骤。热搅动促进了所述原子的扩散：因此加速了所述释放并且由于所述自由体积的湮灭导致所述玻璃的急剧变脆。如果该热处理时间太长，该无定形材料将结晶并因此失去它的特性。

因此，为了保留所述自由体积，热成形涉及在充分的释放和尽可能小地延展性减小之间的平衡。

为了达到此目标，需要尽可能快速地加热和冷却，并且在期望的温度下保持该带状物持续一段控制良好的时间。

使用的Ni₅₃Nb₂₀Zr₈Ti₁₀Co₆Cu₃合金之所以被选用是因为它在应力强度(3GPa)和它的能玻璃化特性(3mm的临界直径和ΔT(＝T_g-T_x)等于50℃，这里T_x指晶体化温度)之间的完美结合。它在张力和弯曲下测量的的弹性模量是130GPa。

机械特性：

最大抵抗力σ_max＝3000MPa；

塑性变形ε_max＝0.02

弹性模量E＝130GPa

热力学特性：

玻璃化温度T_g＝593℃

晶体化温度T_x＝624℃

熔点T_m＝992℃

通过PFC(平面流铸)技术生产的所述带状物具有几个毫米的宽度和大于50μm的厚度，典型地在50μm到150μm的之间。根据一个实施方式，具有典型的主弹簧宽度和长度的带状物由WEDM(电火花线切割加工)机器加工做成。这些侧边在上述计算的理论形状的基础上被磨平，在其之后完成了所述弹簧的成型操作。根据另一个实施方式，所生产的所述带状物直接具有所期望的宽度。

使用配件来完成该成型操作，这个配件是那种一般应用在该用途的配件的类型，该弹簧被卷在它上面以便给它确定根据上述计算由理论形状决定的其自由形状，考虑进该配件强加的形状与实际所获得的形状之间的差异。特别地，已经发现所述弹簧的曲率(定义为曲率半径的倒数)在成型之后的自由状态下相对于该配件形状的曲率被减小。因此，为了获得相应于理论形状的自由形状，该配件的曲率必须被增加。而且，形状的膨胀依赖于加热参数、该合金和它的初始释放状态，并且在下面使用的条件下典型地是25％。

根据所使用的配件，在该配件中的所述弹簧被放置在加热到大约T_g(590℃)的火炉内持续3～5分钟。

也可以应用其他的加热方法，例如焦耳加热或者例如使用热惰性气体喷射。

一旦它以这种方式成型，为了完成卷起和非卷起测试，被铆接在所述弹簧的外部末端的是用于由Nivaflex

合金制造的自卷手表弹簧的滑动法兰。为了这种弹簧实现它的功能，所述滑动法兰是必要的。然而连接所述法兰到这个簧片的方法和该法兰的材料是可以变化的。

图4表示扭矩变量作为圈数的函数，其中所述圈数是用本文件描述的方法成型并计算所得到的弹簧而获得的。这种卷起/非卷起曲线是主弹簧性能的特有特征。另外，该扭矩、成型圈数和整体效率、所述带状物给定的尺寸都是完全令人满意的。

Claims (3)

1.一种用于手表的主弹簧，该主弹簧由金属玻璃带状物制成，其中，所述带状物是单片的并且具有大于50μm的厚度。

2.如权利要求1所述的主弹簧，该主弹簧的厚度在50μm到150μm之间。

3.如前述权利要求中任一项所述的主弹簧，该主弹簧在自由状态下的形状由以下参数来定义：

在卷绕状态下第n圈的半径，其相应于方程式：

r_n＝r_core+ne

其中：

r_n是在卷绕状态下第n圈的半径，单位mm；

r_core是发条盒芯的半径，单位mm；

n是卷绕圈数；

e是所述带状物的厚度，单位mm；

第n圈的曲线横坐标上的长度，其相应于该方程式：

L_n＝r_nθ

其中：

L_n是第n圈的曲线横坐标上的长度，单位mm；

r_n是在卷绕状态下第n圈的半径，单位mm；以及

θ是延伸的角度，单位为弧度，

自由状态下第n圈的半径，其相应于该方程式：

$\frac{1}{r_n}-\frac{1}{R_{\mathrm{free}}^n}=\frac{M_{\max }}{\mathrm{EI}}=\frac{{2\mathrm{\σ}}_{\max }}{\mathrm{eE}}$

其中：

是在自由状态下第n圈的半径，单位mm；

M_max是最大力矩，单位N.mm；

E是杨氏模量，单位N/mm²；以及

I是惯性力矩，单位mm⁴；

以及第n圈的弧度，其相应于该方程式：

$L_{\mathrm{\θ}}=R_{\mathrm{free}}^n\mathrm{\θ},$

使得被卷绕为阿基米德螺旋的弹簧在其整个长度上被加压到最大的弯曲应力σ_max。

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