CN102566395A - 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(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，所述方法包括以下步骤：a)将部件(3)成形为具有孔(4)；b)将元件(5,15)的径向展开部分无任何应力地插入孔(4)内；c)通过分别在所述展开部分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所述元件在孔(4)内的展开部分弹性和塑性变形，从而对围绕孔(4)的部件(3)的壁部施加径向应力(B)，促使部件(3)弹性变形，从而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，这种组装例如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轴向延伸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)将元件的径向展开部分无任何应力地插入孔内；
c)通过分别在所述展开部分的顶部和底部上将两件工具朝向彼此轴向移动而使所述元件在孔内的展开部分弹性和塑性变形，从而对围绕孔的部件壁部施加径向应力，促使部件弹性变形，从而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均匀的径向弹性变形。
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－元件构成的组件，同时确保部件即使是由例如单晶硅构成时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使由部件－元件构成的组件结合成一体。
根据本发明其他的有利特征：
－所述元件在孔内的展开部分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均匀的径向应力；
－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c)期间将在展开部分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；
－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，孔的截面和所述元件在孔内的展开部分的外截面之间的差约为10μm；
－在步骤c)中，变形施加夹持力以产生在8μm到20μm之间的位移；
－在步骤b)和c)中，通过使用两件工具中的一件工具将元件在孔内的展开部分固定在孔内；
在步骤b)中，所述元件在孔内的展开部分包括锥形凹口，目的是在步骤c)中有助于由所述展开部分的变形造成的应力的径向取向(B)；
－第二种材料是硅基材料；
－第一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是根据本发明的元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是根据本发明的元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。
在通过使展开部分径向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。由此而出人意料的是，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。
根据本发明，所述元件包括径向展开并且可弹性和塑性变形的部分，该部分径向夹紧或夹持围绕孔的所述部件的壁部，从而弹性压迫部件，目的是以对所述部件没有破坏性的方式来固定组件。
而且，所述元件存在于孔内的径向展开部分的形状优选地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，对于所述元件存在于孔内的展开部分来说显而易见优选的是在围绕孔的部件壁部上以均匀的方式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，那么对于所述元件存在于孔内的展开部分的外壁来说优选的是基本为连续的柱面形状，也就是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在其变形时可以在展开部分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的壁部和展开部分的外表面，并且附带地还有元件5的外表面。
因此，如果孔的截面为圆形，那么所述元件存在于孔内的径向展开部分(其形状与孔匹配)即可被认为是具有连续外壁的完整圆盘，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，所述元件存在于孔内的展开部分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。
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圆孔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具有主截面e2和径向展开部分7的元件，其在图1和图2的示例中是枢转销5，径向展开部分7要用于变形并且具有最大截面e3。展开部分7可以具有在100μm到600μm之间的厚度。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。
当然，前两个步骤不必遵守任何特定顺序并且甚至可以同时执行。
在第三步骤中，将径向展开部分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大于或等于元件5的展开部分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）与展开部分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相对于元件5的展开部分7分离开。
而且，优选地，根据本发明，通过用于变形步骤的工具11,13中的一件工具11将径向展开部分7并且附带地将元件5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5一端的凹口12。
最后，该方法包括第四步骤，该步骤包括通过将两件工具11,13朝向彼此沿轴向A移动而使元件5的径向展开部分7弹性和塑性变形，从而对围绕孔4的部件的壁部施加径向应力B, 促使部件3弹性变形。
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3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分别在变形的径向展开部分7的顶部和底部上按压即可促使展开部分7仅径向地沿着方向B也就是向部件3弹性和塑性变形。一旦释放来自工具11,13的应力，部件3施加的弹性回复力即可通过展开部分7永久地固定由元件5-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在未变形的展开部分7和孔4的壁部之间的间隙处较大。优选地，夹持力产生的位移包括在8μm到20μm之间。
因此，需要径向展开部分7的弹性和塑性变形以促使围绕孔4的部件3弹性变形从而如图2中所示将元件5、并因此将其变形的展开部分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展开部分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，应该注意的是该实施例会使元件5能够相对于部件3自动对中。
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形状基本相同的径向展开部分7允许在展开部分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，径向展开部分7优选地包括锥形凹口10，目的是为了在变形步骤中有助于由展开部分7的变形造成的应力的径向取向B，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3的壁部的渐变夹持力迫使展开部分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构成了斜面9和厚度恢复为e2的元件5之间的平坦部分。但是，这一特征也就是锥形凹口10和厚度为e2的元件5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的底部有所改变且具有通孔22，其截面至少等于或者大于元件15的截面。
由此显而易见的是元件5不再由径向展开部分7承载而是可以由凸缘16承载，如果合适的话，部件3也同样如此。而且，展开部分7在其底部上的变形就不再是直接利用工具21实现而是通过凸缘16实现，同时并不损失所述方法的优点。因此，部件3在展开部分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，其中径向展开部分27,27',27",27'''与第一实施例中的展开部分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二实施例相同的工具21,13。由此，部件3在展开部分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，展开部分27包括锥形凹口30，其斜面29与厚度为e2的元件25直接端接，也就是没有平坦部分。
在第二种变形中，对于展开部分27',27",27'''来说也可以包括锥形凹口30',30",30'''，其斜面29',29",29'''不与厚度为e2的元件25',25",25'''端接而是通过环31',31",31'''与之分离。由此环31'的高度可以小于斜面29'的末端的高度，环31"的高度可以等于斜面29"的末端的高度，或者环31'''的高度可以大于斜面29'''的末端的高度。当然，对于这第二种变形，工具13在变形步骤中是面对斜面29',29",29'''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，从而它们各自的移动结合成一体。显而易见的是同一心轴可以被成形为具有两个可以被变形的径向展开部分7,27,27',27"，27'''。
最后，根据本发明的组件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 (16)

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，所述方法包括以下步骤：
a)将部件(3)成形为具有孔(4)；
b)将元件(5,15)的径向展开部分(7,27,27',27",27''')无任何应力地插入孔(4)内；
c)通过分别在所述展开部分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所述元件在孔(4)内的展开部分(7,27,27',27",27''')弹性和塑性变形，从而对围绕孔(4)的部件(3)的壁部施加径向应力(B)，促使部件(3)弹性变形，从而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，其特征在于展开部分(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c)期间将在展开部分(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。
6.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)和所述元件在孔(4)内的展开部分(7,27,27',27",27''')的外截面(e3)之间的差约为10μm。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤c)中，变形施加夹持力以产生包括在8μm到20μm之间的位移。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤b)和c)中，通过使用两件工具(11,13,21)中的一件工具将元件(5,15)在孔(4)内的展开部分(7,27,27',27",27''')固定在孔(4)内。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤b)中，所述元件在孔(4)内的展开部分(7,27,27',27",27''')包括锥形凹口(10,30,30',30",30''')，目的是在步骤c)中有助于由所述展开部分的变形造成的应力的径向取向(B)。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于第二种材料是硅基材料。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于第一种材料由金属基或金属合金基材料构成。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于部件(3)是钟表轮副。
13.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。
14.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。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于部件(3)是谐振器。
16.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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