CN102540848A - 不具有塑性域的部件的组装 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及不具有塑性域的部件的组装。一种将由第一种材料制成的元件组装在由不具有塑性域的第二种材料制成的部件内的方法，包括以下步骤：a)将部件成形为具有孔；b)将中间部件无任何应力地插入孔内，中间部件由第三种材料制成并且包括孔口；c)将元件无任何应力地引入孔口内；d)通过分别在所述中间部件的顶部和底部上将两件工具朝向彼此轴向移动而使中间部件弹性和塑性变形，从而通过促使部件弹性变形而对元件并对围绕孔的部件的壁部施加径向应力，目的是以对所述部件没有破坏性的方式来固定组件。本发明特别涉及钟表领域。

Description

不具有塑性域的部件的组装
技术领域
本发明涉及将由不具有塑性域的材料制成的部件组装至由不同类型的材料构成的元件。
背景技术
包括硅基部件在内的现有组件通常是通过粘合进行固定。这种类型的操作要求非常精密的应用，这就使其成本高昂。
第2107433号EP专利公开了被组装在中间金属部件上的第一硅基部件，并且随后将整个组件安装在金属心轴上。但是，该文献中给出的实施例并不令人满意，并且或者会在组装期间造成硅基部件的断裂，或者是无法将各部件足够好地彼此结合。
实际上，在该文献中，中间部件的一端被弯折在硅部件上，以产生纯轴向的应力，这就导致了硅部件的断裂。而且，该文献提出了使用刻面(faceting)技术，这会导致硅上不均匀的应力分布并且也会造成硅部件断裂。
发明内容
本发明的目标是通过提供一种无粘合剂的组装来克服全部或部分的上述缺点，这种组装能够将由不具有塑性域的材料制成的部件固定至由韧性材料例如像金属或金属合金构成的元件。
因此，本发明涉及一种将由第一种材料制成的元件组装在由不具有塑性域的第二种材料制成的部件内的方法。所述方法包括以下步骤：
a)将部件成形为具有孔；
b)将中间部件无任何应力地插入孔内，中间部件由第三种材料制成并且包括孔口；
c)将所述元件引入孔口内；
d)通过分别在所述中间部件的顶部和底部上将两件工具朝向彼此轴向移动而使中间部件弹性和塑性变形，从而对元件并对围绕孔的部件壁部施加径向应力，促使部件弹性变形，目的是为了以对所述部件没有破坏性的方式来固定组件。
该方法有利地允许径向固定元件而无需对部件施加任何轴向应力。实际上，有利地根据本发明只向部件施加径向的弹性变形。
而且，这种结构有利地使得无需粘合至常用的精确受控元件就能够固定由部件－中间部件－元件构成的组件，同时确保部件即使是由例如单晶硅构成也不会承受破坏性的应力。
最后，该方法通过调节制造各种构件时的离散度来将由部件－中间部件－元件构成的组件结合为一体。
根据本发明其他的有利特征：
－中间部件的外壁形状与部件内的孔基本匹配，从而在围绕孔的部件壁部上施加基本为径向的应力；
－部件内的孔为圆形；
－围绕孔的部件壁部包括凹槽，凹槽在步骤d)期间将在中间部件的外表面上形成微槽以避免在所述组件的元件之间有任何相对移动；
－元件的外表面包括凹槽，凹槽在步骤d)期间将在中间部件的内表面上形成微槽以避免在所述组件的元件之间有任何相对移动；
－部件内的孔是非对称的，以避免在所述组件的元件之间有任何相对移动；
－在步骤b)中，孔的截面和中间部件的外截面之间的差约为10μm；
－在步骤c)中，元件的截面和中间部件的内截面之间的差约为10μm；
－在步骤d)中，变形施加夹持力以产生在16μm到40μm之间的位移；
－在步骤b)中，中间部件包括与孔口同轴的锥形凹口，目的是在步骤d)中有助于由中间部件的变形造成的应力的取向；
－第二种材料由单晶硅基材料构成；
－第三种材料由金属基或金属合金基材料构成；
－部件可以是例如钟表轮副、钟表擒纵叉、钟表摆轮游丝、谐振器或者甚至是MEMS。
附图说明
根据以下参照附图作为非限制性内容给出的说明，其他的特征和优点将会变得显而易见，在附图中：
－图1和图2是根据本发明的组装方法连续步骤的示意图；
－图3和图4是根据本发明的中间部件的截面正视图或透视图；
－图5和图6是根据本发明的组装方法可选步骤的示图；
－图7至图10是根据本发明的中间部件的各种变形的示图；以及
－图11是用于由脆性材料制成的部件的可选孔的示图。
具体实施方式
如上所述，本发明涉及一种组件及组装该组件的方法，用于将脆性材料（也就是不具有塑性域的材料例如单晶硅基材料）和韧性材料（例如金属或金属合金）结合为一体。
该组件被设计用于钟表领域内的应用。但是，其他领域也可以非常好地适用，明显地例如有航空、珠宝、汽车工业或餐具。
在钟表领域中，需要这种组件是由于脆性材料（例如基于硅、石英、刚玉或更普通的陶瓷的那些材料）日益增加的重要性。作为示例，可以设想完全或部分地通过以脆性材料为基础的材料来构成摆轮游丝、摆轮、擒纵叉、夹板或者甚至是轮副例如擒纵轮。
但是，总是能够使用的已经掌握其加工技术的普通钢制心轴其实是一种约束，它难以适应使用不具有塑性域的部件。实际上，在进行测试时，无法推进钢制心轴并且这会系统地破坏脆性部件也就是不具有塑性域的那些部件。例如，显而易见的是由金属心轴进入硅部件的孔内而生成的剪切力会系统地破坏部件。
在钟表领域内，存在倾向于因此就认为硅部件在不断裂的情况下无法承受高于300Mpa到450Mpa之间的应力的技术偏见。该度量值是根据表述硅的弹性域特征的杨氏模量得到的理论估算值。
因此，对于估算应力超出该300Mpa到450Mpa之间范围的情况，相应地研发出由硅内刺穿孔构成的弹性变形装置，例如第1445670号EP专利以及专利WO2006/122873和WO2007/099068中公开的那些装置。
在通过使中间部件变形并逐渐增大加至硅部件的应力而进行附加测试时，令人惊讶地显而易见的是硅部件在检测到任何初裂之前实际上能够承受高得多的应力。由此出人意料的是，测试被扩展至1.5GPa到2GPa的应力范围也就是远超在300MPa到450Mpa之间的技术偏见范围但仍然没有断裂。因此，广义地讲，脆性材料例如硅、石英、刚玉或更普通的陶瓷并不一定遵循常用于脆性部件的统计模型。
这就是本发明为何要涉及通过由第三种材料制成的中间部件的变形而将由第一种材料（例如韧性材料譬如钢）制成的元件组装在由不具有塑性域的第二种材料（例如硅基材料）制成的部件内的孔内，中间部件被安装在所述元件和所述部件之间。
根据本发明，中间部件包括用于接收所述元件的孔口。而且，弹性和塑性变形的中间部件径向夹紧或夹持所述元件并且弹性压迫所述部件从而以对所述部件没有破坏性的方式来固定组件。
而且，在一种优选方式中，中间部件的外壁形状与部件内的孔基本匹配，从而在围绕所述孔的部件壁部上施加基本均匀的径向应力。实际上，在进行研究时，对于中间部件表现为优选的是在围绕孔的部件壁部上均匀地分配由其变形导致的径向应力。
因此，如果脆性部件内的孔为圆形，那么对于中间部件的外壁来说优选的是基本为连续的柱面形状，也就是除了用于接收元件的孔口之外没有径向槽或轴向穿孔，从而避免在围绕孔的部件壁部的小表面积上有任何可能会破坏脆性材料的局部应力。
当然，脆性部件内的孔的形状可以有所不同例如是不对称的，从而避免在组件的元件之间有任何相对移动。由此，根据第一种可选方案，该不对称的孔可以因此例如基本上是椭圆形。
根据目的在于避免任何相对移动的另一种可选方案，如图11中所示，部件3的壁部可以设有伸入孔4内的凹槽1。优选地，凹槽1在部件3的整个厚度上延伸并且包括最大高度为h的圆顶形外表面。当然，凹槽1可以基本上是直线或者也可以基本上不是直线。
由此，显而易见的是高度h远小于孔4的直径e1的这些凹槽1在其变形时将在中间部件的外表面上形成微槽，以形成榫眼和榫头型连接用于可旋转地固定孔4的壁部和中间部件的外表面。
同样显而易见的是这些凹槽也可以存在于元件5的外表面上以获得相同的效果并且进一步改进将来组件的可旋转连接。
因此，如果孔的截面为圆形，那么具有孔口的中间部件(其形状与孔匹配)即可被认为是具有连续的内壁和外壁的完整环，也就是没有任何凹槽或者更一般地说是没有任何材料上的不连续性。由此，通过弹性和塑性变形，中间部件的匹配形状就能够在围绕孔的部件壁部的最大表面积上生成基本均匀的径向应力。
当然，这种匹配的壁部形状也可以应用于中间部件的面向元件的内壁。因此显而易见的是内壁的形状可以与元件的外部形状相匹配，目的是使中间部件的内壁在元件外壁的最大表面积上生成基本均匀的径向应力。
参照示出了示例性组装的图1至图10可以更好地理解根据本发明的组装。图1至图4示出了根据本发明的第一实施例。因此第一步骤包括用不具有塑性域的材料成形部件3并且将其成形为具有孔4。如图1中所示，孔4具有优选地包括在0.5mm到2mm之间的截面e1，并且如果合适的话，图11中伸入孔4内的凹槽1具有的高度在5μm到25μm之间。
该步骤可以通过干法蚀刻或湿法蚀刻例如DRIE(深度活性粒子蚀刻)完成。
进而，在第二步骤中，该方法包括用第二种材料成形在图1和图2的示例中是枢转销5的元件，其具有主截面e2。如上所述，第二步骤可以根据常用的心轴加工过程实现。元件5优选地是金属并且例如可以由钢构成。
在第三步骤中，该方法包括用第三种材料将中间部件7成形为具有孔口8，孔口8具有内截面e4且外截面e3，其壁部基本上与孔4的形状匹配。由此第三步骤可以通过常规的机械加工和/或电成形过程实现。中间部件7可以因此具有100μm到600μm之间的厚度以及100μm到300μm之间的宽度I，宽度I即为外截面e3减去内截面e4再除以2(I=(e3-e4)/2)。
优选地，第三种材料比元件5的第二种材料更有韧性，以使后者在变形步骤期间变形较小或者根本不变形。中间部件7优选为金属并且可以由此包括镍和/或金。但是，任意其他的韧性材料均可有利地被加入第三种材料或者替换第三种材料。
当然，前三个步骤不必遵守任何特定顺序并且甚至可以同时执行。
在第四步骤中，将中间部件7无任何接触地插入孔4内。如图1中所示，这就意味着孔4的截面e1大于或等于中间部件7的外截面e3。
优选地，孔4的截面e1或者如果合适的话凹槽1与中间部件7的外截面e3之间的差约为10μm，也就是存在约为5μm的间隙将部件3相对于中间部件7分离开。
而且，优选地，根据本发明，将用于变形步骤的工具11,13中的一件工具11用来将中间部件7固定在孔4内。最后，在优选方式中，工具11包括用于接纳元件5的凹口12。
在第五步骤中，将元件5无任何应力地引入中间部件7的孔口8内。如图1中所示，这就意味着孔口8的截面e4大于或等于元件5的外截面e2。
优选地，孔口8的截面e4与元件5的外截面e2之间的差约为10μm，也就是有约为5μm的间隙将元件5与中间部件7分离开。
而且，根据本发明，通过利用工具11中的所述凹口12将元件5固定在孔口8内，凹口12具有与元件5的截面e2基本相等的截面。
最后，该方法包括第六步骤，该步骤包括通过将两件工具11,13朝向彼此沿轴向A移动而使中间部件7弹性和/或塑性变形，从而通过促使部件3弹性变形而对元件5并对围绕孔4的部件的壁部分别施加径向应力C,B。
实际上，出人意料的是不必像第1445670号EP专利以及专利WO2006/122873和WO2007/099068中公开的那些装置围绕孔4设置穿透部件3厚度的穿孔来避免部件断裂。由此，部件3即使在高应力下也就是对于硅来说高于450Mpa时也可以无初裂地弹性变形。
因此，如图2中所示，通过工具13和11沿轴向A分别在中间部件7的顶部和底部上按压即可促使中间部件7弹性和塑性变形，其仅沿着方向B和C也就是向部件3和向元件5径向变形。一旦释放来自工具11,13的应力，部件3施加的弹性回复力就会永久地固定由元件5-中间部件7-部件3构成的组件。
优选地，根据本发明，变形参数被设置为使得夹持力一方面在未变形的中间部件7和孔4的壁部之间的间隙处较大，另一方面在未变形的中间部件7和元件5之间的间隙处较大。优选地，夹持力产生的位移包括在16μm到40μm之间。
因此，要求中间部件7的弹性和塑性变形促使围绕孔4的部件3弹性变形并且促使元件5弹性和/或塑性变形从而如图2中所示将元件5、中间部件7和部件3彼此固定。如图2中所示，在变形期间也可能出现中间部件7的末端略微向下弯折到部件3上的情况，但是这不会在部件3上施加任何的轴向应力。最后，应该注意的是这种弹性变形会自动地使由元件5-中间部件7-部件3构成的组件对中。
有利地，根据本发明，在所述过程期间没有轴向作用力(根据定义这种作用力很容易是破坏性的)被加至部件3。只有根据工具11,13的预设应力进行控制的径向弹性变形被加至部件3。还应该注意的是使用其外壁与孔4形状基本相同的中间部件7允许在中间部件7的径向变形B期间在围绕孔4的部件壁部上施加均匀的应力，目的是为了避免破坏由脆性材料制成的部件3以及调节制造各种构件例如凹槽1的任何离散度。
如图3和图4所示，中间部件7优选地包括与孔口8同轴的锥形凹口10，目的是为了在变形步骤中有助于由中间部件7的变形造成的应力的径向取向B,C，而且还可以使所述应力渐变。实际上，构成锥形凹口10的斜面9造就了靠向工具13的初始接触面，该初始接触面可以通过压向围绕孔4的部件壁部以及压向元件5的渐变夹持力迫使中间部件7的外壁径向变形而被还原成圆形。
在图3和图4示出的示例中，可以看出锥形凹口10与孔口8相连通构成了斜面9和孔口8的边缘之间的平坦部分。但是，这一特征也就是锥形凹口10和孔口8之间的连通如下所示并非是必要的并且其中的凹口10和斜面9可以是不同的形状和尺寸。
当然，本发明并不局限于图示的示例而是可以有各种对本领域技术人员来说能够想到的变形和可选方案。具体地，部件3也可以在第一实施例的可选方案中被轴向锁定。
作为示例，图5和图6示出了所述方法的第二实施例。由此，图5和图6示出的可选方案中元件15与元件5的明显不同之处在于其具有凸缘16。因此，工具21的底部不再需要具有用于接收元件15的凹口，但是类似地仅具有通孔22，其截面至少等于或者大于元件15的截面。
由此显而易见的是中间部件7并且如果合适的话部件3能够相应地由凸缘16承载。而且，中间部件7在其底部上的变形就不再是直接由工具21实现而是由凸缘16实现，同时并不损失所述方法的优点。因此，部件3在中间部件7处处于弹性应力下并且被锁定在元件15的凸缘16上。
作为示例，图7至图10示出了所述方法的第三实施例。因此，图7至图10示出了一种可选方案，其中中间部件27,27',27",27'''与第一实施例中的中间部件7的明显不同之处在于其具有凸缘26,26',26"，26'''。相应地，第三实施例使用与第一实施例相同的工具11,13。由此，部件3在中间部件27,27',27",27'''处处于弹性应力下并且被锁定在凸缘26,26',26",26'''上。
在图7示出的第一种变形中，中间部件27包括锥形凹口30，其斜面29与孔口28直接连通，也就是没有平坦部分。
在第二种变形中，对于中间部件27',27",27'''来说也可以包括锥形凹口30',30",30'''，其斜面29',29",29'''不与孔口28',28",28'''连通而是通过环31',31",31'''与之分离。由此环31'的高度可以小于斜面29'的末端,环31"的高度可以等于斜面29"的末端，或者环31'''的高度可以大于斜面29'''的末端。当然，对于这第二种变形，在变形步骤中，工具13是与斜面29',29",29'''相对而无需进入与环31'，31",31'''形成接触。
以上给出的实施例可以根据目标应用彼此组合。而且，作为非限制性示例，组件可以被应用于钟表中的构件例如擒纵叉、擒纵轮、摆轮游丝、摆轮、夹板或者更一般性的轮副。
还可以使用以上公开的组件来代替专利WO2009/115463(通过引用将其并入本文)中的弹性装置48或柱件63,66以将单件式游丝摆轮谐振器固定至枢转销。
当然，也可以使用两种不同的组件将类似于以上所述内容中的两种元件固定至同一心轴，从而将它们各自的移动结合为一体。
最后，根据本发明的组装也可以将任意类型的其主体由不具有塑性域的材料(硅、石英等)构成的钟表元件或其他元件连接至心轴，例如像音叉谐振器或者更一般性的MEMS(微电力机械系统)。

Claims (17)

1.一种将由第一种材料制成的元件(5,15)组装在由不具有塑性域的第二种材料制成的部件(3)内的方法，包括以下步骤：
a)将部件(3)成形为具有孔(4)；
b)将中间部件(7,27,27',27",27''')无任何应力地插入孔(4)内，中间部件由第三种材料制成并且包括孔口(8,28,28',28",28''')；
c)将元件(5,15)无任何应力地引入孔口(8,28,28',28",28''')内；
d)通过分别在所述中间部件的顶部和底部上将两件工具(11,13,21)朝向彼此轴向移动而使中间部件(7,27,27',27",27''')弹性和塑性变形，从而通过促使部件(3)弹性变形而对元件(5,15)并对围绕孔(4)的部件(3)的壁部施加径向应力(B,C)，目的是为了以对所述部件没有破坏性的方式来固定组件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于中间部件(7,27,27',27"，27''')的外壁形状与部件(3)内的孔(4)基本匹配，从而在围绕孔(4)的部件(3)的壁部上施加基本均匀的径向应力(B)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于部件(3)的孔(4)为圆形。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于围绕孔(4)的部件(3)的壁部包括凹槽(1)，凹槽(1)在步骤d)期间将在中间部件(7,27,27'，27",27''')的外表面上形成微槽以避免在所述组件的元件之间有任何相对移动。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于元件(5)的外表面包括凹槽，凹槽在步骤d)期间将在中间部件(7,27,27',27",27''')的内表面上形成微槽以避免在所述组件的元件之间有任何相对移动。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于部件(3)的孔(4)是非对称的，以避免在所述组件的元件之间有任何相对移动。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤b)中，孔(4)的截面(e1)和中间部件(7,27,27',27",27''')的外截面(e3)之间的差约为10μm。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤c)中，元件(5,15)的截面(e2)和中间部件(7,27,27',27",27''')的内截面(e4)之间的差约为10μm。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤d)中，变形施加夹持力以产生包括在16μm到40μm之间的位移。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤b)中，中间部件(7,27,27',27",27''')包括与孔口(8,28,28',28",28''')同轴的锥形凹口(10,30,30',30",30''')，目的是在步骤d)中有助于由中间部件(7,27,27',27",27''')的变形造成的应力的径向取向(B,C)。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于第二种材料由单晶硅基材料构成。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于第三种材料由金属基或金属合金基材料构成。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于部件(3)是钟表轮副。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于部件(3)是钟表擒纵叉。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于部件(3)是钟表摆轮游丝。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于部件(3)是谐振器。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于部件(3)是MEMS。
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