CN105317896A - 重力仪用高精度金属零长弹簧及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重力仪用高精度金属零长弹簧及其制造工艺，涉及地学仪器核心元器件及其加工技术领域。本弹簧是一种簧丝并圈紧密排列在一起的螺旋弹簧，P=kL。本工艺是：①材料的选择；②弹簧绕制；③热处理定型：④翻簧；⑤端部处理；⑥人工时效；⑦检测。本发明使得弹簧的日漂移量达到0.01微米；保证了翻簧精度、提高了零长弹簧的成品率；使得弹簧获得良好的表面质量、机械性能，消除了加工过程产生的应力；制作的零长弹簧灵敏度高、尺寸小，能满足重力仪高精度测量对弹性元件的要求。

Description

重力仪用高精度金属零长弹簧及其制造工艺

技术领域

本发明涉及地学仪器核心元器件及其加工技术领域，尤其涉及一种重力仪用高精度金属零长弹簧及其制造工艺。

背景技术

重力加速度是一个基本的物理量，准确测量重力加速度在地球科学、资源勘探等领域都具有重要意义。

在科学技术蓬勃发展的今天，高精度弹性元件被广泛地应用于精密仪器仪表和精密机械中，其中高精度金属零长弹簧被成功地应用于重力仪去精确地测量地球的绝对重力和相对重力。金属零长弹簧技术提高了重力仪抗水平扰动能力和机械探头灵敏度，同时减小了探头的结构尺寸，是零长弹簧重力仪能够快速、准确、经济地获取高精度、大面积和高分辨率(80-100km)地球重力场数据的基础。

目前利用石英弹簧、金属弹簧为测量核心进行地球重力测量的有美国、德国和俄罗斯等国家。而相比于用石英弹簧作为测量源头的动、静态重力仪来讲，金属零长弹簧重力仪则零漂最小、精度最高、可靠性更强。金属零长弹簧的高精度对研制工艺有很高的要求，其研制方法也受到了国外重力仪研制单位的严格保密，而国内对于高精度金属零长弹簧的研制也处于相对滞后的状态，所用到的金属零长弹簧也都非自主研制。

发明内容

本发明的目的就在于打破国外高精度金属零长弹簧的技术封锁，自主研制重力仪高精度金属零长弹簧，即提供一种重力仪用高精度金属零长弹簧及其制造工艺，使得制作的零长弹簧其灵敏度为0.1微米/毫伽(1微伽＝10^-6伽，1毫伽＝10^-3伽，1伽＝1cm/s^-2)，月漂移率为0.3毫伽。

本发明的目的是这样实现的：

一、重力仪用高精度金属零长弹簧(简称弹簧)

本弹簧是一种簧丝并圈紧密排列在一起的螺旋弹簧；

P＝kL；

P：弹簧所受拉力，k：弹簧刚度，L：弹簧长度；

若P＝0，则L＝0。

二、重力仪用高精度金属零长弹簧制造工艺(简称工艺)

本工艺包括下列步骤：

①簧丝采用恒弹性材料；

②将高精度的绕簧芯轴装夹在车床主轴与尾座之间，利用绕簧送料装置以45-75r/min的转速在绕簧芯轴上绕制弹簧；

③将绕制好的弹簧连同绕簧芯轴一块放入真空度达10^-5Pa的VSF-4真空炉的炉膛内，室温入炉，然后以每小时90-150℃的升温速率升温至630-670℃，并保温3-4h，随炉自然冷却，出炉温度控制在60℃以下；

④将一根经过精密机械加工的阶梯轴装在高精密车床主轴与尾座之间,把经过上述热处理定型的弹簧从阶梯轴的粗端套入，然后固定弹簧的一端，按60-75r/min的转速开动车床，使弹簧经过翻簧装置由阶梯轴的细端翻出；

⑤将弹簧端部的半圆弯成90°，保证该半圆通过弹簧中心线的平面；

⑥将成型后的弹簧放入真空炉内进行预拉力的矫正，真空度为10^-5Pa，按每小时2-2.5℃的升温速率升温至260-450℃，随炉冷却到室温出炉；

⑦对经过预拉力矫正的弹簧进行表面质量、线性度、刚度、预拉力、有效圈数和中径的性能检测。

本发明具有下列优点和积极效果：

①高精度的绕簧芯轴保证了弹簧中径D₂的误差小于0.03mm，有效圈数n小于0.5；

②热处理定型和人工时效使得弹簧的日漂移量达到0.01微米；

③翻簧装置确保绕簧时簧丝的张力均匀一致和螺旋角精确，保证了翻簧精度、提高了零长弹簧的成品率；

④严格的热处理定型使得弹簧获得良好的表面质量、机械性能，消除了加工过程产生的应力；

⑤制作的零长弹簧灵敏度高、尺寸小，能满足重力仪高精度测量对弹性元件的要求。

附图说明

图1是本弹簧的结构示意图；

图2是绕簧送料装置的结构示意图；

图3.1是翻簧装置的主视图(全剖)；

图3.2是翻簧装置的左视图。

图中：

00—簧丝；

10—零长弹簧，

d—丝径，n—有效圈数，D₂—中径；

20—绕簧送料装置，

21—偏心轮，22—压丝座，23—进线轮，24—定滑轮，

25—动滑轮，26—配重块，27—清洗槽，28—绕线轮；

29—旋丝轮；

30—翻簧装置，

31—导向座，32—滑块，33—调节弹簧，34—调整螺丝，

35—翻簧芯轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、弹簧的结构

如图1，本弹簧是一种簧丝并圈紧密排列在一起的螺旋弹簧；

丝径d＝0.4-0.55mm；

有效圈数n＝140-180圈；

中径D₂＝7-9mm；

弹簧的分辨率为10^-6mm。

该高精度金属零长弹簧同时满足下述两个公式：

$k=\frac{{\mathrm{Gd}}^4}{8{D_2}^{3}n}---\left(1\right)$

P＝kL(2)

若P＝0，则L＝0；

G：剪切弹性模量，

k：弹簧的刚度，

d：弹簧丝径，

D₂：弹簧中径，

n：弹簧有效圈数，

P：弹簧所受拉力，

L-弹簧的长度。

二、工艺

步骤①：

采用恒弹性材料，可以最大限度地降低温度引起的弹簧弹性模量的改变(重力仪0.01℃控温精度环境下)进而提高测量精度；高弹性极限能满足弹簧具有最低的日漂移量(10^-2微米/天)；良好的加工性能保证弹簧能顺利绕制、翻簧和弯钩。

步骤②：

如图2，所述的绕簧送料装置20包括偏心轮21、压丝座22、进线轮23、8个定滑轮24、2个动滑轮25、配重块26、清洗槽27、绕丝轮28和旋丝轮29；

簧丝00从绕丝轮28引出，经过清洗槽27中第1、2定滑轮241、242的导向、达到位于一定高度(离地面1.5-2m)的起导向作用的第3定滑轮243，再经过由第4、5、6定滑轮244、245、246(定滑轮组)和第1、2动滑轮251、252(动滑轮组)以及配重块26组成的滑轮组，再经过第7、8定滑轮247、248的导向作用，又经过起调整簧丝00位置作用的进线轮23、还经过压丝座22和偏心轮21的最后压紧和精洗，最后经过旋丝轮29调整旋绕角度(89.5°)，簧丝到达安装于车床主轴与尾座之间的绕簧芯轴X上绕制弹簧。

定滑轮组轴线与动滑轮组轴线之间的垂直距离为0.15-1.5m，确保绕制开始时该距离之间的簧丝00长度能满足整根弹簧的长度需求；动滑轮组的轴线中间的正下方5-10cm处通过螺纹连接悬挂有重量为10kg的配重块26，保证绕到绕簧芯轴X上簧丝00的力始终是2.5kg，达到簧丝00紧贴绕簧芯轴X表面又不损伤簧丝00和绕簧芯轴X的目的；绕丝轮28待簧丝00另一端固定到绕簧芯轴X一端开始绕制之前，打开自带的刹车装置，保证簧丝00绕制过程中顺利和平稳。

步骤③：

所述的10^-5Pa真空度用以保证弹簧在热处理后能获得良好的表面质量；150℃/h的升温速率使得弹簧温升时组织转变更均匀；控温温度630℃，并保温3-4h能保证弹簧消除应力的同时获得最好的机械性能；60℃以下的出炉温度使得弹簧离开炉膛时不会被外部空气氧化而损伤表面质量。

步骤④：

如图3.1、3.2，所述翻簧装置30包括导向座31、滑块32、调节弹簧33、调整螺丝34和翻簧芯轴35；

在导向座31的X水平中心线上设置翻簧芯轴35，在翻簧芯轴35上放置待翻弹簧B；

在导向座31的Y水平中心线上设置调节弹簧33；

在导向座31的垂直中心线上的两端设置有调整螺丝34；

所述的导向座31是一种金属圆块，中心设置有和滑块32适配的圆孔，垂直中心线上设置有和调整螺丝34适配的螺纹孔，水平中心线设置有调节弹簧33的通孔；

所述的翻簧芯轴35是一种金属阶梯轴。

所述的滑块32是一种用尼龙或胶木做成的圆块，中心设置有和待翻弹簧B适配的通孔。

翻簧装置30是零长弹簧获得高预拉力的关键；待翻弹簧B从翻簧芯轴35的粗端套入，然后固定此端，套入导向座31的滑块32中，前几圈簧丝进入滑块32内，调整进入簧丝00的圈数可以调整翻簧后弹簧的预拉力；通过调整螺丝34和调节弹簧33对滑块32的压紧程度也可达到调整预拉力的目的；开动车床，待翻弹簧B经过翻簧装置30经由翻簧芯轴35的细端翻出，同时弹簧旋向也发生了改变。

绕簧芯轴与翻簧芯轴的表面粗糙度为Ra0.2，直径尺寸的加工误差水平为±0.001mm；绕簧芯轴绕簧开始端和翻簧芯轴翻簧开始端都加工有导向螺纹槽，螺距和丝径一致；上述要求和工艺能严格保证弹簧D₂的尺寸。

步骤⑥：：

所述的真空度为10^-5Pa，2-2.5h升温到260-450℃，随炉冷却到室温出炉为工艺实际上是低温去应力回火，降低弹簧内部一部分应力，调整预拉力，实现弹簧零长的功能。

三、实验结果

①翻簧时采用高精度芯轴(直径尺寸的加工误差水平为±0.001mm)使得弹簧的中径D₂误差控制在0.03mm以内；

②翻簧采用严格的导向装置，保证了螺旋角的准确度；

③采用滑轮、导向、配重系统，使得簧丝在绕制过程中保持张力不变；

④热处理定型后弹簧能够准确定型、获得良好的表面质量、消除了绕簧时产生的应力、获得了良好的机械性能，如高抗拉强度；

⑤翻簧后弹簧获得了高预拉力，保持了原有的表面质量和尺寸精度；

⑥低温的时效释放部分预拉力，将弹簧调整到零长状态；

⑦人工时效处理释放弹簧的残余应力，使内部应力分布更均匀，使内部组织更稳定，提高材料的机械性能。

综上所述，通过上述工艺制作的高精度金属零长弹簧，相对尺寸小，灵敏度高；作为动态测量敏感元件具有克服横向扰动的能力；经过特殊的加工工艺，其蠕变和松弛量小；

具体指标为：

灵敏度达到0.1微米/毫伽；

弹簧的分辨率为10^-3微米；

日漂移量为10^-2微米/天；

能完全满足高精度重力仪对弹性测量元件的精度需求。

Claims (4)

1.一种重力仪用高精度金属零长弹簧，其特征在于：

是一种簧丝并圈紧密排列在一起的螺旋弹簧；

P＝kL；

P：弹簧所受拉力，k：弹簧刚度，L：弹簧长度；

若P＝0，则L＝0；

丝径d＝0.4-0.55mm；

有效圈数n＝140-180圈；

中径D₂＝7-9mm；

弹簧的分辨率为10^-6mm。

2.按权利要求1所述重力仪用高精度金属零长弹簧的制造工艺，其特征在于包括下列步骤：

①材料的选择：簧丝采用恒弹性材料；

②弹簧绕制：将高精度的绕簧芯轴装夹在车床主轴与尾座之间，利用绕簧送料装置以45-75r/min的转速在绕簧芯轴上绕制弹簧；

③热处理定型：将绕制好的弹簧连同绕簧芯轴一块放入真空度达10^-5Pa的VSF-4真空炉的炉膛内，室温入炉，然后以每小时90-150℃的升温速率升温至630-670℃，并保温3-4h，随炉自然冷却，出炉温度控制在60℃以下；

④翻簧：将一根经过精密机械加工的阶梯轴装在高精密车床主轴与尾座之间,把经过上述热处理定型的弹簧从阶梯轴的粗端套入，然后固定弹簧的一端，按60-75r/min的转速开动车床，使弹簧经过翻簧装置由阶梯轴的细端翻出；

⑤端部处理：将弹簧端部的半圆弯成90°，保证该半圆通过弹簧中心线的平面；

⑥人工时效：将成型后的弹簧放入真空炉内进行预拉力的矫正，真空度为10^-5Pa，按每小时2-2.5℃的升温速率升温至260-450℃，随炉冷却到室温出炉；

⑦检测：对经过预拉力矫正的弹簧进行表面质量、线性度、刚度、预拉力、有效圈数和中径的性能检测。

3.按权利要求1所述的制造工艺，其特征在于步骤②：

所述的绕簧送料装置(20)包括偏心轮(21)、压丝座(22)、进线轮(23)、8个定滑轮、2个动滑轮、配重块(26)、清洗槽(27)、绕丝轮(28)和旋丝轮(29)；

簧丝00从绕丝轮(28)引出，经过清洗槽(27)中第1、2定滑轮(241、242)的导向、达到离地面1.5-2m的起导向作用的第3定滑轮(243)，再经过由第4、5、6定滑轮(244、245、246)和第1、2动滑轮(251、252)以及配重块(26)组成的滑轮组，再经过第7、8定滑轮(247、248)的导向作用，又经过起调整簧丝(00)位置作用的进线轮(23)、还经过压丝座(22)和偏心轮(21)的最后压紧和精洗，最后经过旋丝轮(29)调整旋绕角度89.5°，簧丝到达安装于车床主轴与尾座之间的绕簧芯轴(X)上绕制弹簧。

4.按权利要求1所述的制造工艺，其特征在于步骤步骤④：

所述翻簧装置(30)包括导向座(31)、滑块(32)、调节弹簧(33)、调整螺丝(34)和翻簧芯轴(35)；

在导向座(31)的X水平中心线上设置翻簧芯轴(35)，在翻簧芯轴(35)上放置待翻弹簧(B)；

在导向座(31)的Y水平中心线上设置调节弹簧(33)；

在导向座(31)的垂直中心线上的两端设置有调整螺丝(34)；

所述的导向座(31)是一种金属圆块，中心设置有和滑块(32)适配的圆孔，垂直中心线上设置有和调整螺丝(34)适配的螺纹孔，水平中心线设置有调节弹簧(33)的通孔；

所述的翻簧芯轴(35)是一种金属阶梯轴；

所述的滑块(32)是一种用尼龙或胶木做成的圆块，中心设置有和待翻弹簧(B)适配的通孔。